一种数字化闪电电场变化信号测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及气象监测技术领域，特别涉及一种数字化闪电电场变化信号测量 系统。
【背景技术】
[0002] 闪电是我国最严重的自然灾害之一，具有大电流、强电磁辐射等特性，一旦被击 中，极易引发建筑物、设备等地面物体火灾，威胁着人民的生命财产安全。闪电的产生有一 定的规律，其发展前期往往伴随大量的积雨云。气象上采用气象雷达和气象卫星往往可以 预测和监测一个区域的闪电活动情况。然而这种监测属于广域监测，不能精确定位，实际意 义并不大。目前高精度的闪电测量和定位系统一般都采用抓取闪电产生过程的电磁波为手 段，来精确测量和定位闪电，这对研究闪电物理本质和雷击防护具有重要的意义。
[0003]目前，国内外用来测量闪电电场变化的设备包括两种：闪电电场快变化探测仪 (常常称为快天线）和闪电电场慢变化探测仪（常常称为慢天线）。两者分别用来观测闪电 过程中的不同尺度的放电事件。通常情况下，闪电电场快变化探测仪用来观测闪电过程的 快放电过程，比如预击穿过程、回击过程、先导过程、K过程等，而电场慢变化信号探测仪主 要用来观测闪电过程中的慢放电过程，如连续电流（持续时间可长达几百毫秒）等。其探 测原理如下：外界电场的变化会通过天线转换成为变化的电流，变化的电流通过积分电路， 经积分调理之后输出与电场变化成线性关系的电压。闪电电场快变化探测仪和闪电电场慢 变化探测仪的区别在于积分时间常数的不同，一般闪电电场快变化探测仪的时间常数为毫 秒量级，闪电电场慢变化探测仪的时间常数为秒量级。
[0004] 虽然上述探测方法和手段已经被广泛应用，但是在实际观测试验中，特别是在近 距离闪电观测时，比如人工触发闪电的观测，发现传统的电场变化探测装置，尤其是闪电电 场慢变化探测装置，能够测量的电场强度范围不够大，对于较强的近距离闪电经常出现响 应饱和的问题。为了解决这个问题，科研人员也采取了一些相应的措施，主要手段为调节积 分电路中R(电阻）和C(电容）的量值入手，但是由于当前的器件技术水平的局限，一些相 应措施也很难达到近距离闪电回击强度的要求。申请号为201220206637. 2的专利公开了 一种通过闪电变化快探测装置还原闪电慢变化信号的装置。但是该装置仍然采用模拟积分 电路处理，也需要调节电路中R和C的值进行匹配，这样集成程度不高，且并没有从根本上 解决闪电电场快慢电场天线统一的问题。
【发明内容】
[0005] 本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足之处，提供一种 数字化闪电电场变化信号测量系统，低成本高功效的实现闪电电场快、慢变化的测量。
[0006] 本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种数字化闪电电场变化信号测量系统，至少包括平板天线、电场模数转换模块、 数字信号处理模块，所述电场模数转换模块的输入端与平板天线连接，电场模数转换模块 的输出端与数字信号处理模块连接；
[0008] 所述平板天线用于探测（感应）闪电产生的电场变化信号并传输至电场模数转换 丰吴块；
[0009] 所述电场模数转换模块用于处理和转换电场变化信号，得到数字化的闪电电场变 化信号，并将数字化的闪电电场变化信号传输至数字信号处理模块；
[0010] 所述数字信号处理模块用于触发采集并处理所述数字化的闪电电场变化信号以 得到闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号和闪电电场原始信号，并将上述信号进行 存储，组合成为数据帧和外界进行通信。
[0011] 按上述方案，所述电场模数转换模块为模数转换电路，包括依次相连的线性放大 器、电压跟随器、差分芯片以及AD模数转换芯片，其中，线性放大器的输入端与平板天线连 接、用于将输入信号进行线性放大，电压跟随器用于进行电压跟随，差分芯片用于对信号差 分并送入AD模数转换芯片，AD模数转换芯片用于将模拟信号转换成为数字信号并送入数 字信号处理模块。
[0012] 按上述方案，所述数字信号处理模块包括信号采入模块、Fifio缓存模块、祛直流 模块、累加积分模块、电场特性判据模块、浮点转换模块、快积分模块、慢积分模块以及时钟 对准模块，其中，信号采入模块用于按照电场模数转换模块中的AD模数转换芯片的采样速 率采集AD模数转换芯片送入的数字信号，Fifo缓存模块用于缓存送入的数字信号、确定祛 直流的精准度，祛直流模块用于祛除信号的直流，浮点转换模块用于将输入的定点信号转 换为64位的双精度浮点数；所述累加积分模块、快积分模块和慢积分模块为不同积分常数 的数字积分器，分别用于获取闪电电场原始信号、闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信 号，其中，累加积分模块的积分常数最大、慢积分模块的积分常数其次、快积分模块的积分 常数最最小；电场特性判据模块用于对比闪电电场原始信号，闪电电场快变化信号和闪电 电场慢变化信号，判定当前采入的电场变化信号是否满足闪电的电场变化信号特征，如果 满足，则通过时间对准模块进行对准。
[0013] 按上述方案，系统还包括存储模块，所述数字信号处理模块还包括存储驱动模块， 所述存储模块与数字信号处理模块的存储驱动模块连接，用于存储包括闪电电场快变化 信号、闪电电场慢变化信号、闪电电场原始信号（通过存储驱动模块将数据写入存储模块 中），并对上述信号通信做缓存（在传输这些信号时的缓存）。
[0014] 按上述方案，系统还包括通信传输接口，所述数字信号处理模块还包括通信驱动 模块，所述通信传输接口与数字信号处理模块连接，用于物理上将抓取的闪电电场快变化 信号、闪电电场慢变化信号和闪电电场原始信号和上位机或者网络进行通信（将数据通过 通信驱动模块传出）。
[0015] 按上述方案，系统还包括GPS模块，GPS模块由一个GPS芯片和对应天线组成，用 于接收卫星时钟信号并将时钟信号传输给数字信号处理模块，给处理的闪电电场变化信号 做时钟标定。
[0016] 按上述方案，所述平板天线为中空形状的圆形平板天线，所述电场模数转换模块、 数字信号处理模块均处于专用处理平台上，所述专用处理平台位于户外屏蔽室内。
[0017] 按上述方案，还包括绝缘子套管及底座支撑架，所述绝缘子套管连接所述平板天 线，所述底座支撑架用于支撑绝缘子套管和平板天线。
[0018] 本实用新型还基于上述数字化闪电电场变化信号测量系统的测量方法，包括：
[0019] 步骤S1，通过平板天线感应闪电产生的电场变化信号，电场模数转换模块对感应 到的电场变化信号进行调理和模数转换，得到数字化的闪电电场变化信号；
[0020] 步骤S2,数字信号处理模块对电场模数转换模块传入的数字化的闪电电场变化 信号进行积分，包括：对输入的数据进行缓存和格式转换，对转换后的数据进行不同积分常 数的数字积分，得到闪电电场原始信号、闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号，并对 闪电电场原始信号、闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号进行判断，如果具有闪电特 征，则通过存储模块进行存储或者通过通信传输接口与外界通信。
[0021] 测量方法具体流程如下：系统开始工作后，即持续采集AD模数转换芯片送入的信 号，按照时钟模块，将AD模数转换芯片送入的信号通过浮点转换模块进行浮点转换，然后 分成三条数据链通路，分别进入快积分模块、慢积分模块和通过祛直流模块后进入累加积 分模块，进行积分常数不同的积分，通过祛直流模块和累加积分模块对天线感应的闪电电 场变化信号进行祛噪祛直流累加，得到闪电电场原始信号，通过快积分模块、慢积分模块对 天线感应的闪电电场变化信号进行积分，分别还原出闪电电场快变化信号和闪电电场慢变 化信号，并通过电场特性判据模块对闪电电场原始信号、闪电电场快变化信号、闪电电场慢 变化信号（积分结果）进行判断分析，如果符合闪电特征，则数据为有效数据，通过时钟对 准模块对有效数据进行时间标定，通过存储驱动模块将经过时间标定后的有效数据输出至 存储模块中或通过通信驱动模