專利名稱：甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣象觀測設(shè)備，具體涉及甚低頻與甚高頻全閃電定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
閃電是嚴(yán)重的主要自然災(zāi)害之一，可引起森林和油庫火災(zāi)、造成供電及通訊信息 系統(tǒng)故障或損壞，對航天航空、礦山及一些重要而敏感的高技術(shù)裝備等具有重大威脅。八十 年代以后，閃電引起的危害顯著增加，特別是與高新技術(shù)關(guān)系密切的領(lǐng)域，如航空航天、國 防、通訊、電力、計(jì)算機(jī)、電子工業(yè)等由于廣泛應(yīng)用對閃電電磁干擾極為敏感的大規(guī)模及超 大規(guī)模集成電路致使遭雷擊的幾率大大增加；據(jù)保守估計(jì)，我國每年因雷害造成的直接經(jīng) 濟(jì)損失超過數(shù)億元，而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響難以估計(jì)，由于其成災(zāi)迅速而給其 研究、預(yù)報(bào)和防治帶來了極大的困難。而閃電探測和定位系統(tǒng)能對雷電活動進(jìn)行預(yù)警，從而減小閃電所導(dǎo)致的有害影 響。由于閃電定位系統(tǒng)能夠不間斷地監(jiān)測“地閃”和“云閃”時(shí)空演變、甚至放電通道的發(fā) 展，所以這些系統(tǒng)也可用于確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電的數(shù)量，以及放電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特 征，因此發(fā)展新的閃電探測技術(shù)是當(dāng)前非常迫切的任務(wù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，設(shè)計(jì)一種甚低頻與甚高頻結(jié)合的 全閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)雷電輻射特點(diǎn)以及閃電探測的具體需求，專門設(shè)計(jì)雷電輻射 信號采集分析記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電的數(shù)量，以及放電參 數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，并能對雷電活動進(jìn)行預(yù)警。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的全閃電定位系統(tǒng)是采用一種甚低頻與甚高頻相結(jié) 合的技術(shù)方案，該系統(tǒng)包括至少五個(gè)閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚 低頻閃電輻射接收機(jī)、甚高頻閃電輻射接收機(jī)、GPS接收機(jī)、工控機(jī)、以及PCI數(shù)據(jù)采集卡； 所述PCI數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)設(shè)有脈沖峰值采集通道、數(shù)據(jù)段采集通道、秒同步模塊、采樣時(shí)鐘模 塊以及PCI控制器；所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)與所述數(shù)據(jù)段采集通道相連，通過所述數(shù) 據(jù)段采集通道采集所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)探測到的信號；所述甚高頻閃電輻射接收機(jī) 與所述脈沖峰值采集通道相連，通過所述脈沖峰值采集通道采集所述甚高頻閃電輻射接收 機(jī)探測到的信號；所述GPS接收機(jī)與所述秒同步模塊相連；所述GPS接收機(jī)通過GPS時(shí)鐘模 塊與所述采樣時(shí)鐘模塊相連；所述GPS接收機(jī)接入所述工控機(jī)的串口，輸入GPS串口信息； 所述PCI數(shù)據(jù)采集卡插入所述工控機(jī)上設(shè)置的PCI插槽，通過PCI總線傳遞數(shù)據(jù)。其中，所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天線、積分放大器、濾波 器、驅(qū)動輸出電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記錄設(shè)備，所述接收機(jī)用于探測接收閃電產(chǎn)生的瞬態(tài) 電場變化。其中，所述甚高頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天線、預(yù)選濾波器、變頻 器、中頻濾波器、對數(shù)放大器、驅(qū)動輸出電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記錄設(shè)備，所述接收機(jī)用于探測小尺度放電過程產(chǎn)生的VHF輻射信號。其中，所述工控機(jī)內(nèi)設(shè)有所述數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理軟件，所述數(shù)據(jù)處理軟件用于分析、處理閃電波形，并得到閃電輻射信號到達(dá)的時(shí)間戳。其中，所述GPS接收機(jī)、所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)、所述甚高頻閃電輻射接收機(jī) 集成于所述工控機(jī)內(nèi)，所述GPS接收機(jī)用于頻率基準(zhǔn)校正，輸出準(zhǔn)確的頻率信號，同時(shí)也向 系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。其中，所述甚高頻閃電輻射接收機(jī)中的天線為盤錐天線，所述盤錐天線為線性極 化的寬帶全向天線。其中，所述數(shù)據(jù)采集部件設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的采樣信道，所述兩個(gè)信道的最高數(shù)據(jù)采 樣速率分別為5MS/s和50MS/s。其中，所述工控機(jī)內(nèi)設(shè)有觸發(fā)電路與存儲器，所述觸發(fā)電路用于當(dāng)采集部件接收 到的信號大于設(shè)定的閾值后，所述觸發(fā)電路被觸發(fā)采集閃電波形、閃電輻射強(qiáng)度及信號時(shí) 間戳，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)將所述信號存儲到所述存儲器內(nèi)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于在上述硬件與軟件的配合下，該系統(tǒng)可用于 確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電(云閃和地閃)的數(shù)量，閃電時(shí)空演變特征，放電類型，以及 放電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，并能對雷電活動進(jìn)行預(yù)警。
圖1是本實(shí)用新型甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)框圖；圖2是本實(shí)用新型甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)中甚低頻閃電輻射接 收機(jī)系統(tǒng)框圖；圖3是本實(shí)用新型甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)中甚高頻閃電輻射接 收機(jī)系統(tǒng)框圖；圖4是本實(shí)用新型甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)中GPS時(shí)鐘模塊結(jié)構(gòu)框 圖；圖5是本實(shí)用新型甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)中調(diào)諧電壓控制算法 軟件流程圖；圖5中Err 頻率誤差絕對值；Nzflag 當(dāng)前誤差極性；Preig 上次誤差極性； Zlag 連續(xù)零誤差數(shù)；Incre 控制量增量；圖6是本實(shí)用新型甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu) 框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施 例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如附圖1至圖5所示，本實(shí)用新型具體實(shí)施的技術(shù)方案是如附圖1所示一種甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少五個(gè) 閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收機(jī)、甚高頻閃電輻 射接收機(jī)、GPS接收機(jī)、工控機(jī)，所述站點(diǎn)利用GPS接收機(jī)提供絕對時(shí)間基準(zhǔn)，得到閃電VLF/ LF輻射脈沖和VHF輻射脈沖到達(dá)各站點(diǎn)的時(shí)間和波形，利用工控機(jī)對所獲得波形數(shù)據(jù)進(jìn)行 預(yù)處理，然后通過互聯(lián)網(wǎng)把所獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接糜诜治?、處理所述脈沖的工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對閃電放電事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測和三維定位。一般來講，甚低頻系統(tǒng)探測的信號往往對應(yīng)于閃電放電過程中較大尺度電流過 程，通常僅可獲得一個(gè)有效的位置，而甚高頻系統(tǒng)探測更小尺度的擊穿過程產(chǎn)生的輻射信 號，它可以探測到云閃放電過程的初始擊穿、先導(dǎo)放電等過程，也可描繪出閃電通道。因此， 本實(shí)用新型結(jié)合這兩種閃電定位系統(tǒng)特點(diǎn)，采用甚低頻和甚高頻頻段探測系統(tǒng)聯(lián)合的方 案，研制完成了這套既能探測地閃，也能探測云閃(包括一些發(fā)生在云內(nèi)的特殊放電事件) 的全閃電探測設(shè)備。閃電發(fā)生具有較大的離散性，在閃電密集時(shí)刻時(shí)段會產(chǎn)生數(shù)量巨大的輻射脈沖， 若要完整的監(jiān)測雷電事件，系統(tǒng)必須準(zhǔn)確記錄每個(gè)閃電放電事件的特征參數(shù)和發(fā)生時(shí)刻， 即必須設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)吞吐率很高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)雷電密集時(shí)段對全部事件的可靠記錄， 且這樣做的結(jié)果不單是獲取雷電細(xì)節(jié)波形數(shù)據(jù)量巨大，也使得后期分析的時(shí)間和成本也非 常高，對大多的監(jiān)測目的下并不值得。因此，本實(shí)用新型根據(jù)雷電輻射特點(diǎn)以及閃電探測的 具體需求，專門設(shè)計(jì)研制了雷電輻射信號采集分析記錄系統(tǒng)。該套雷電探測系統(tǒng)甚低頻與甚高頻輻射相結(jié)合的方案。主要由甚低頻閃電輻射接 收機(jī)、甚高頻閃電輻射接收機(jī)、GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)和雷電輻射信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。甚低 頻閃電輻射接收機(jī)用于探測的閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場變化，其原理與常用的快電場變化儀相 似，工作頻段為200Hz 3MHz ；甚高頻閃電輻射接收機(jī)主要用來探測小尺度放電過程產(chǎn)生 的輻射信號，為避免當(dāng)?shù)責(zé)o線通訊信號干擾，該接收機(jī)中心頻率設(shè)置為30-300MHZ連續(xù)可 調(diào)，帶寬8MHz，將雷電輻射信號經(jīng)過預(yù)選濾波、變頻、中頻濾波、對數(shù)放大等處理，使其成為 適應(yīng)數(shù)據(jù)采樣的信號傳送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。精確時(shí)鐘信息從GPS接收機(jī)獲得，本機(jī)振蕩器 由GPS的IPPS基準(zhǔn)信號進(jìn)行同步。系統(tǒng)板上根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路 (CPLD)實(shí)時(shí)處理兩種時(shí)間窗口內(nèi)的模/數(shù)(A/D)采集數(shù)據(jù)的特征，并記錄精確的時(shí)間標(biāo)記。 數(shù)據(jù)采集器分別以5Msps和50Msps的采樣速率數(shù)字化電場變化和VHF輻射信號，此后信號 連續(xù)地與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值觸發(fā)閾值比較，當(dāng)信號強(qiáng)度超過給定閾值時(shí)，數(shù)字化后的電場變 化波形借助采集卡(工控機(jī)I)總線傳輸至工控機(jī)內(nèi)存，捕獲每一個(gè)電場變化脈沖而沒有任 何死時(shí)間，并實(shí)時(shí)提取波形特征參數(shù)，隨后原始波形和波形參數(shù)被寫入存儲介質(zhì)。對甚高頻 信號，利用數(shù)據(jù)采集卡上的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Eield Programmable Gate Array)，對 數(shù)字化后的輻射場信號進(jìn)行窗口化處理，記錄信號峰值、時(shí)間，以及其它主要波形參數(shù)，轉(zhuǎn) 移格式數(shù)據(jù)輸出到一個(gè)緩存器(FIFO)，工控機(jī)從FIFO提取數(shù)據(jù)然后寫入存儲介質(zhì)。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)硬件由甚低頻閃電輻射接收機(jī)、甚高頻閃電輻射接收機(jī)、 GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)組成。如圖2所示，在本實(shí)用新型中所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天 線、積分放大器、濾波器、驅(qū)動輸出電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記錄設(shè)備，所述接收機(jī)用于探測 接收閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場變化。如圖3所示，所述甚高頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天線、預(yù)選濾波器、 變頻器、中頻濾波器、對數(shù)放大器、驅(qū)動輸出電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記錄設(shè)備，所述接收機(jī) 用于探測小尺度放電過程產(chǎn)生的輻射信號。閃電在甚高頻頻段的輻射信號主要由較小尺度 擊穿過程產(chǎn)生，可探測到閃電的初始擊穿、先導(dǎo)放電等過程，可較詳細(xì)的描繪出閃電發(fā)展通 道，這對閃電物理機(jī)制、閃電發(fā)生發(fā)展時(shí)空演變特征研究、以及閃電特征與雷暴云降水特征關(guān)系研究有很高的實(shí)用價(jià)值。但在該頻段，也存在各種無線通訊信號，且這些信號因在不同 地區(qū)或不同時(shí)段而不同，這些信號有時(shí)會嚴(yán)重影響甚高頻閃電探測系統(tǒng)正常工作?；谏?述情況，本實(shí)用新型專門研制了調(diào)諧式閃電甚高頻信號接收機(jī)。通過控制計(jì)算機(jī)RS232接 口，其中心頻率可在30MHz 300MHz內(nèi)任意調(diào)節(jié)。該功能使得閃電定位探測系統(tǒng)的安裝 架設(shè)更加容易、靈活方便，而不必事先了解安裝站點(diǎn)附近的電磁環(huán)境。該接收機(jī)有本振源 (FS0330)和接收機(jī)(RE0330)兩部分構(gòu)成，有對數(shù)檢波輸出和中頻輸出，其中視頻輸出帶寬 為8MHz，中頻輸出帶寬更寬為20MHz。為配合調(diào)諧式特高頻接收機(jī)，采用盤錐天線，這是一種線性極化的寬帶全向天線。GPS時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)選用Motorola公司的M12T高精度GPS授時(shí)模塊。該模塊能同時(shí)跟蹤 12顆衛(wèi)星，輸出高精度的IPPS脈沖信號及NEMA-0183的串口數(shù)據(jù)。IPPS信號可用于采樣 時(shí)鐘的校準(zhǔn)及采集卡的秒同步。串口數(shù)據(jù)包含UTC時(shí)刻、經(jīng)度、緯度、海拔及接收機(jī)狀態(tài)等 信息，為采集系統(tǒng)提供精確的時(shí)刻及采集環(huán)境信息。GPS時(shí)鐘模塊以GPS接收機(jī)送出的IPPS脈沖為參考，產(chǎn)生高精度高穩(wěn)定度的100M 時(shí)鐘信號，為PCI數(shù)據(jù)采集卡提供高質(zhì)量的采樣時(shí)鐘源，以減小時(shí)間誤差，提高雷電的定位 精度。GPS接收機(jī)模塊組成及原理GPS時(shí)鐘模塊采用一種模數(shù)混合、軟件鎖相的方案構(gòu)造，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。IOM 壓控溫補(bǔ)晶振(VCTCXO)的輸出經(jīng)倍頻得到100M時(shí)鐘，該時(shí)鐘作為FPGA內(nèi)部的模為10，000 的計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，F(xiàn)PGA在每個(gè)IPPS脈沖上升沿鎖存計(jì)數(shù)器的值，并向M6759單片機(jī)申請中 斷，工控機(jī)在讀出計(jì)數(shù)值后與上一次的計(jì)數(shù)值作比較得出該秒輸出時(shí)鐘的誤差，在工控機(jī) 內(nèi)根據(jù)調(diào)諧電壓控制算法將誤差轉(zhuǎn)換為壓控溫補(bǔ)晶振的數(shù)字調(diào)諧電壓，經(jīng)數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換 后控制VCTCX0，形成閉環(huán)控制。這種方案的好處是輸出頻率的長期穩(wěn)定度由GPS的IPPS信號保證，而短期穩(wěn)定度 取決于VCTCXO晶振。選取的壓控溫補(bǔ)晶振的溫度穩(wěn)定度為士0.5ppm，年老化率為lppm。由于壓控溫補(bǔ)晶振的穩(wěn)定度為士0. 5ppm,經(jīng)測試，晶振在0 5V控制電壓下的頻 率變化為-200 300Hz，故選用10，000為模的計(jì)數(shù)器留有充分的裕量。50MHz的時(shí)鐘一方 面送入模為10，000的計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)脈沖，另一方面作為時(shí)鐘去采樣IPPS脈沖的上升沿， 采集到的上升沿信號作為計(jì)數(shù)器的鎖存與單片機(jī)的中斷申請信號，當(dāng)外部讀取計(jì)數(shù)值時(shí)便 可自動清除中斷請求信號。實(shí)際選取的壓控溫補(bǔ)晶振的溫度穩(wěn)定度為士0. 5ppm，年老化為lppm，控制電壓的 調(diào)節(jié)范圍為0 5V，D/A選用轉(zhuǎn)換精度為12位的TLC5618。調(diào)諧電壓控制算法根據(jù)頻率誤 差的大小與連續(xù)零誤差秒數(shù)兩個(gè)特征量來計(jì)算調(diào)諧電壓的，在平衡位置處壓控溫補(bǔ)晶振的 誤差模型可近似為帶擾動的比例環(huán)節(jié)，其控制規(guī)律為在頻率誤差大于1時(shí)取誤差的2倍作 為調(diào)諧電壓的增量，在誤差小于等于1時(shí)根據(jù)連續(xù)零誤差數(shù)與誤差極性查表得到調(diào)諧電壓 的增量，該部分的軟件流程如圖5所示。GPS時(shí)鐘模塊外圍硬件擴(kuò)展為更方便的擴(kuò)展GPS時(shí)鐘模塊，GPS時(shí)鐘模塊與外部的通信途徑包括RS232串口 與PC104總線，通過RS232可讀取串行的NEMA-0183數(shù)據(jù)，通過PC104總線可直接讀取解析后的NEMA-0183數(shù)據(jù)，其中NEMA-0183數(shù)據(jù)的解析在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡本系統(tǒng)使用的PCI數(shù)據(jù)采集卡是并行兩通道數(shù)據(jù)采集卡改造而成。PCI數(shù)據(jù)采集 卡以IPPS脈沖為秒同步信號、以GPS時(shí)鐘模塊的輸出為采樣時(shí)鐘，兩通道獨(dú)立完成閃電輻 射的脈沖峰值特征采集與閃電波形采集，通過PCI總線將采集數(shù)據(jù)送至工控機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)PCI數(shù)據(jù)采集卡核心算法采用了 FPGA設(shè)計(jì)，集成度與可靠性高。本機(jī)使用的A/D轉(zhuǎn) 換器的最高采樣頻率為70Msps，分辨率為12位，脈沖峰值采集通道采樣頻率固定為50MHz， 波形數(shù)據(jù)段采集通道采樣頻率為200K、500K、1M、2M、5M可設(shè)，數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)如圖6所示。秒同步與脈沖峰值采集秒同步與脈沖峰值采集原理如圖7所示。采集卡在每個(gè)IPPS脈沖的上升沿復(fù)位 采集卡的秒內(nèi)采樣時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器，使該計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值能表示某脈沖峰值在該秒內(nèi)的精 確時(shí)刻，使得各分布節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有了統(tǒng)一的時(shí)間參考點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的計(jì)時(shí)同步，并能有 效地消除系統(tǒng)長期監(jiān)測的時(shí)間累積誤差。脈沖峰值的識別采用時(shí)間窗最大值法，首先根據(jù) 實(shí)際的特性，為脈沖峰值采集選取合適的時(shí)間窗寬度與觸發(fā)電平，采集卡從秒起始處以窗 寬為搜索單位分段查找最大值，記錄最大值對應(yīng)的秒序號、幅度、脈沖寬度及秒內(nèi)的采樣周 期計(jì)數(shù)值，并將四者拼成脈沖記錄，如果該最大值幅度大于所設(shè)定的觸發(fā)電平則將該脈沖 記錄壓入采集卡的緩存，反之丟棄該條記錄。采樣時(shí)間窗查找法可能使得輸入的一個(gè)脈沖產(chǎn)生了兩個(gè)脈沖峰值記錄，當(dāng)輸入脈 沖橫跨幾個(gè)窗時(shí)就可能輸出幾個(gè)脈沖，雖然這帶來了輸入量的加大，但卻為雷電放電脈沖 的識別增加了信息，在多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合、雷電定位計(jì)算時(shí)減少錯誤或信號性質(zhì)的誤判等。脈沖峰值采集大大降低了數(shù)據(jù)量。對于50MHz采樣頻率、12位A/D轉(zhuǎn)換的脈沖峰 值采集系統(tǒng)，連續(xù)波形采集時(shí)秒數(shù)據(jù)吞吐量為略為100M，數(shù)據(jù)的傳輸、保存與分析都存在很 大的困難。采用脈沖峰值采集時(shí)，若選定時(shí)間窗寬為10us，則最大會產(chǎn)生100，000個(gè)脈沖峰 值記錄，每個(gè)脈沖峰值記錄占6個(gè)字節(jié)，其總占用空間為連續(xù)波形采集時(shí)的1/166，大大降 低了數(shù)據(jù)的存儲、傳輸與處理難度。數(shù)據(jù)段采集數(shù)據(jù)段采集通道用于采集快電場變化信號，該通道的采樣頻率較低，一般在2MHz， 但要求能在該頻率下對輸入進(jìn)行連續(xù)采集。為降低該通道的數(shù)據(jù)量，采用了段采集方式，該 通道有一個(gè)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的觸發(fā)電平與采集深度，每次觸發(fā)，采集卡會連續(xù)采集所設(shè) 深度的一個(gè)數(shù)據(jù)段。每個(gè)段由段起始標(biāo)志、段起始秒序號、段起始秒內(nèi)時(shí)刻、有效數(shù)據(jù)及段 結(jié)束標(biāo)志組成。段的起始標(biāo)志與結(jié)束標(biāo)志是根據(jù)信號的屬性確定的，采集卡A/D為12位，采 集卡向上層傳數(shù)時(shí)，將連續(xù)兩個(gè)采集值拼接成一個(gè)24位的數(shù)通過PCI總線傳遞給工控機(jī)， 采集卡對應(yīng)O數(shù)據(jù)的A/D值為0x0，對應(yīng)滿量程的A/D值為Oxfff，則在正常情況下不會連 續(xù)兩次出現(xiàn)最小到最大或最大到最小的聚變，因此該通道的數(shù)據(jù)取0X000fff、0X000fff為 一個(gè)段的起始標(biāo)志，取0xfff000、0xfff000為段的結(jié)束標(biāo)志。數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞采集卡與工控機(jī)間采用PCI總線傳遞數(shù)據(jù)。由于GPS數(shù)據(jù)是通過串口傳遞至工控機(jī)的，采集數(shù)據(jù)是通過PCI總線傳遞至工控機(jī)的，為保證某一秒的串口數(shù)據(jù)與該秒的PCI總線數(shù)據(jù)在時(shí)刻上能正確對應(yīng)，PCI數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳遞必須保證嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性，因此數(shù)據(jù) 采集卡在每個(gè)IPPS脈沖的上升沿都會向工控機(jī)申請中斷，在數(shù)據(jù)量到達(dá)一定量時(shí)也會向 工控機(jī)申請中斷，工控機(jī)響應(yīng)中斷，將PCI數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)據(jù)全部讀取到工控機(jī)。 以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改 進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少四個(gè)以上閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收機(jī)、甚高頻閃電輻射接收機(jī)、GPS接收機(jī)、工控機(jī)、以及PCI數(shù)據(jù)采集卡；所述PCI數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)設(shè)有脈沖峰值采集通道、數(shù)據(jù)段采集通道、秒同步模塊、采樣時(shí)鐘模塊以及PCI控制器；所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)與所述數(shù)據(jù)段采集通道相連，通過所述數(shù)據(jù)段采集通道采集所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)探測到的信號；所述甚高頻閃電輻射接收機(jī)與所述脈沖峰值采集通道相連，通過所述脈沖峰值采集通道采集所述甚高頻閃電輻射接收機(jī)探測到的信號；所述GPS接收機(jī)與所述秒同步模塊相連；所述GPS接收機(jī)通過GPS時(shí)鐘模塊與所述采樣時(shí)鐘模塊相連；所述GPS接收機(jī)接入所述工控機(jī)的串口，輸入GPS串口信息；所述PCI數(shù)據(jù)采集卡插入所述工控機(jī)上設(shè)置的PCI插槽，通過PCI總線傳遞數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的甚低頻與甚高頻相結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述 甚低頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天線、積分放大器、濾波器、驅(qū)動輸出電路，所 述接收機(jī)將接收到的信號傳送給工控機(jī)中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，所述接收機(jī) 用于探測接收閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場變化。
3.如權(quán)利要求1所述的甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述甚 高頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天線、預(yù)選濾波器、變頻器、中頻濾波器、對數(shù)放 大器、驅(qū)動輸出電路，所述接收機(jī)將接收到的信號傳送給工控機(jī)中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記 錄設(shè)備，所述接收機(jī)用于探測閃電小尺度放電過程產(chǎn)生的VHF輻射信號。
4.如權(quán)利要求2或3所述的甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述 工控機(jī)內(nèi)設(shè)有閃電脈沖波形數(shù)據(jù)采集電路及數(shù)據(jù)處理軟件，所述數(shù)據(jù)處理軟件用于分析、 處理提取閃電波形，閃電波形特征參數(shù)和閃電信號到達(dá)時(shí)間。
5.如權(quán)利要求4所述的甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述GPS 接收機(jī)、所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)、所述甚高頻閃電輻射接收機(jī)集成于所述工控機(jī)內(nèi)，所 述GPS接收機(jī)用于頻率基準(zhǔn)校正，輸出準(zhǔn)確的頻率信號，同時(shí)也向系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基 準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求5所述的甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述甚 高頻閃電輻射接收機(jī)中的天線為盤錐天線，所述盤錐天線為線性極化的寬帶全向天線。
7.如權(quán)利要求6所述的甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù) 據(jù)采集部件設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的采樣信道，所述兩個(gè)信道的最高數(shù)據(jù)采樣速率分別為5MS/s和 50MS/s。
8.如權(quán)利要求2或3所述的甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述 工控機(jī)內(nèi)設(shè)有觸發(fā)電路與存儲器，所述觸發(fā)電路用于當(dāng)采集卡接收到的監(jiān)測信號大于設(shè)定 的閾值后，所述觸發(fā)電路被觸發(fā)并記錄閃電脈沖波形、提取閃電波形特征參數(shù)和相應(yīng)閃電 事件的時(shí)間戳，將所述數(shù)據(jù)存儲到所述存儲器內(nèi)，并同時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到用于閃電定位 處理的計(jì)算機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種甚低頻與甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少四個(gè)閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收機(jī)、甚高頻閃電輻射接收機(jī)、GPS接收機(jī)、工控機(jī)，所述站點(diǎn)利用GPS接收機(jī)提供時(shí)間基準(zhǔn)，得到閃電電場變化脈沖和VHF輻射脈沖到達(dá)各站點(diǎn)的時(shí)間和波形，利用工控機(jī)對所獲得波形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過互聯(lián)網(wǎng)把所獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接糜诜治?、處理所述脈沖波形的工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)對閃電放電事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測和三維定位。在上述硬件與軟件的配合下，該系統(tǒng)可用于確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電放電事件的數(shù)量、類型和特征參數(shù)，以及其統(tǒng)計(jì)特征，對雷電活動進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。
文檔編號G01R29/08GK201555946SQ20092017291
公開日2010年8月18日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者劉恒毅, 張義軍, 王濤, 董萬勝 申請人:中國氣象科學(xué)研究院