專利名稱：甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣象觀測設備，具體涉及甚低頻與甚高頻全閃電定位 系統。
背景技術：
閃電是嚴重的主要自然災害之一，可引起森林和油庫火災、造成 供電及通訊信息系統故障或損壞，對航天航空、礦山及一些重要而敏 感的高技術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，特別是與高新技術關系密切的領域，如航空航天、國防、通 訊、電力、計算機、電子工業等由于廣泛應用對閃電電磁干擾極為敏
感的大規模及超大規模集成電路致使遭雷擊的幾率大大增加；據保守 估計，我國每年因雷害造成的直接經濟損失超過數億元，而由此造成 的間接經濟損失和影響難以估計，由于其成災迅速而給其研究、預報 和防治帶來了極大的困難。
而閃電探測和定位系統能對雷電活動進行預警，從而減小閃電所 導致的有害影響。由于閃電定位系統能夠不間斷地監測"地閃"和"云 閃"時空演變、甚至放電通道的發展，所以這些系統也可用于確定一 個指定區域內發生閃電的數量，以及放電參數的統計特征，因此發展 新的閃電探測技術是當前非常迫切的任務。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的缺陷，設計一種甚低頻與甚 高頻結合的全閃電定位系統，該系統根據雷電輻射特點以及閃電探測 的具體需求，專門設計雷電輻射信號釆集分析記錄系統。該系統可用 于確定一個指定區域內發生閃電的數量，以及放電參數的統計特征， 并能對雷電活動進行預警。為實現上述目的，本發明的全閃電定位系統是采用 一種甚低頻與 甚高頻相結合的技術方案，該系統包括至少五個閃電定位監測站點， 所述閃電定位監測站點內設有甚低頻閃電輻射接收機、甚高頻閃電輻
射接收機、GPS接收機、工控機，所述站點利用GPS接收機提供絕對 時間基準，得到閃電電場變化脈沖和VHF輻射脈沖到達各站點的時 間和波形，利用工控機對所獲得波形數據進行預處理，然后通過互 聯網把所獲得的數據實時傳輸到用于分析、處理所述脈沖的工控機， 實現對閃電放電事件的實時監測和三維定位。
其中，所述甚低頻閃電輻射接收機包括依次連接的接收天線、積 分放大器、濾波器、驅動輸出電路、模/數轉換電路及記錄設備，所 述接收機用于探測接收閃電產生的瞬態電場變化。
其中，所述甚高頻閃電輻射接收機包括依次連接的接收天線、預 選濾波器、變頻器、中頻濾波器、對數放大器、驅動輸出電路、模/ 數轉換電路及記錄設備，所述接收機用于探測小尺度放電過程產生的 VHF輻射信號。
其中，所述工控機內設有所述數據釆集模塊及數據處理軟件，所 述數據處理軟件用于分析、處理閃電波形，并得到閃電輻射信號到達 的時間戳。
其中，所述GPS接收機、所述甚低頻閃電輻射接收機、所述甚 高頻閃電輻射接收機集成于所述工控機內，所述GPS接收機用于頻 率基準校正，輸出準確的頻率信號，同時也向系統提供精確的時間基 準。
其中，所述甚高頻閃電輻射接收機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，所述數據釆集部件設有2個獨立的釆樣信道，所述兩個信 道的最高數據采樣速率分別為5MS/s和50MS/s。
其中，所述工控機內設有觸發電路與存儲器，所述觸發電路用于當采集部件接收到的信號大于設定的閾值后，所述觸發電路被觸發采 集閃電波形、閃電輻射強度及信號時間戳，并通過互聯網傳輸數據， 同時將所述信號存儲到所述存儲器內。
本發明的優點和有益效果在于在上述硬件與軟件的配合下，該
系統可用于確定一個指定區域內發生閃電(云閃和地閃)的數量，閃 電時空演變特征，放電類型，以及放電參數的統計特征，并能對雷電
活動進行預警。
圖l是本發明甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統框圖2是本發明甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統中甚低頻閃
電輻射接收機系統框圖3是本發明甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統中甚高頻閃
電輻射接收機系統框圖4是本發明甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統中GPS時鐘
模塊結構框圖5是本發明甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統中調諧電壓 控制算法軟件流程圖；圖5中Err:頻率誤差絕對值；Nzflag:當前誤 差極性；Preig:上次誤差極性；Zlag:連續零誤差數；Incre:控制量
增量；
圖6是本發明甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統中數據釆集 卡的結構框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步描 述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以 此來限制本發明的保護范圍。
如附圖1至圖5所示，本發明具體實施的技術方案是 如附圖l所示一種甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統，該系統包括至少五個閃電定位監測站點，所述閃電定位監測站點內設有甚
低頻閃電輻射接收機、甚高頻閃電輻射接收機、GPS接收機、工控機， 所述站點利用GPS接收機提供絕對時間基準，得到閃電電場變化輻 射脈沖和VHF輻射脈沖到達各站點的時間和波形，利用工控機對所 獲得波形數據進行預處理，然后通過互聯網把所獲得的數據實時傳 輸到用于分析、處理所述脈沖的工控機，實現對閃電放電事件的實 時監測和三維定位。
一般來講，甚低頻系統探測的信號往往對應于閃電放電過程中較 大尺度電流過程，通常僅可獲得一個有效的位置，而甚高頻系統探測 更小尺度的擊穿過程產生的輻射信號，它可以探測到云閃放電過程的 初始擊穿、先導放電等過程，也可描繪出閃電通道。因此，本發明結 合這兩種閃電定位系統特點，釆用甚低頻和甚高頻頻段探測系統聯合 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 生在云內的特殊放電事件)的全閃電探測設備。
閃電發生具有較大的離散性，在閃電密集時刻時段會產生數量巨 大的輻射脈沖，若要完整的監測雷電事件，系統必須準確記錄每個閃 電放電事件的特征參數和發生時刻，即必須設計一個數據吞吐率很高 的系統結構來實現雷電密集時段對全部事件的可靠記錄，且這樣做的 結果不單是獲取雷電細節波形數據量巨大，也使得后期分析的時間和 成本也非常高，對大多的監測目的下并不值得。因此，本發明根據雷 電輻射特點以及閃電探測的具體需求，專門設計研制了雷電輻射信號 采集分析記錄系統。
該套雷電探測系統甚低頻與甚高頻輻射相結合的方案。主要由甚 低頻閃電輻射接收機、甚高頻閃電輻射接收機、GPS時鐘同步系統和 雷電輻射信號數據釆集系統構成。甚低頻閃電輻射接收機用于探測的 閃電產生的瞬態電場變化，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主要用來探測小尺度放電過程產生的輻射信號，為避免當地無線通訊信號干擾，該接收機
中心頻率設置為30-300MHz連續可調，帶寬8MHz，將雷電輻射信 號經過預選濾波、變頻、中頻濾波、對數放大等處理，使其成為適應 數據釆樣的信號傳送給數據釆集系統。精確時鐘信息從GPS接收機 獲得，本機振蕩器由GPS的1PPS基準信號進行同步。系統板上根據 需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路(CPLD)實時處理兩種時 間窗口內的模/數(A/D)釆集數據的特征，并記錄精確的時間標記。 數據釆集器分別以5Msps和50Msps的釆樣速率數字化電場變化和 VHF輻射信號，此后信號連續地與預先設定的數值觸發閾值比較， 當信號強度超過給定闊值時，數字化后的電場變化波形借助釆集卡 (工控機I)總線傳輸至工控機內存，捕獲每一個電場變化脈沖而沒 有任何死時間，并實時提取波形特征參數，隨后原始波形和波形參數 被寫入存儲介質。對甚高頻信號，利用數據采集卡上的現場可編程門 陣列FPGA (￡ield ￡rogrammable ^ate A^ay )，對數字化后的輻射場 信號進行窗口化處理，記錄信號峰值、時間，以及其它主要波形參數, 轉移格式數據輸出到一個緩存器(FIFO),工控機從FIFO提取數據 然后寫入存儲介質。
如圖l所示，整個系統硬件由甚低頻閃電輻射接收機、甚高頻閃 電輻射接收機、GPS接收機、數據釆集卡及工控機組成。
如圖2所示，在本發明中所述甚低頻閃電輻射接收機包括依次連 接的接收天線、積分放大器、濾波器、驅動輸出電路、模/數轉換電 路及記錄設備，所述接收機用于探測接收閃電產生的瞬態電場變化。
如圖3所示，所述甚高頻閃電輻射接收機包括依次連接的接收天 線、預選濾波器、變頻器、中頻濾波器、對數放大器、驅動輸出電路、 模/數轉換電路及記錄設備，所述接收機用于探測小尺度放電過程產 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 程產生，可探測到閃電的初始擊穿、先導放電等過程，可較詳細的描
8繪出閃電發展通道，這對閃電物理機制、閃電發生發展時空演變特征 研究、以及閃電特征與雷暴云降水特征關系研究有很高的實用價值。 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或 不同時段而不同，這些信號有時會嚴重影響甚高頻閃電探測系統正常 工作。基于上述情況，本發明專門研制了調諧式閃電甚高頻信號接收
機。通過控制計算機RS232接口 ，其中心頻率可在30MHz-300MHz 內任意調節。該功能使得閃電定位探測系統的安裝架設更加容易、靈 活方便，而不必事先了解安裝站點附近的電磁環境。該接收機有本振 源(FS0330 )和接收機(RE0330 )兩部分構成，有對數檢波輸出和中 頻輸出，其中視頻輸出帶寬為8MHz，中頻輸出帶寬更寬為20MHz。
為配合調諧式特高頻接收機，釆用盤錐天線，這是一種線性極化 的寬帶全向天線。 GPS時鐘模塊設計
GPS接收機選用Motorola公司的M12T高精度GPS授時模塊。 該模塊能同時跟蹤12顆衛星，輸出高精度的1PPS脈沖信號及 NEMA-0183的串口數據。1PPS信號可用于釆樣時鐘的校準及釆集卡 的秒同步。串口數據包含UTC時刻、經度、緯度、海拔及接收機狀 態等信息，為釆集系統提供精確的時刻及釆集環境信息。
GPS時鐘模塊以GPS接收機送出的1PPS脈沖為參考，產生高精 度高穩定度的100M時鐘信號，為PCI數據采集卡提供高質量的釆樣 時鐘源，以減小時間誤差，提高雷電的定位精度。
GPS接收機模塊組成及原理
GPS時鐘模塊釆用一種模數混合、軟件鎖相的方案構造，其結構 如圖4所示。IOM壓控溫補晶振(VCTCXO)的輸出經倍頻得到100M 時鐘，該時鐘作為FPGA內部的模為10，000的計數器的時鐘，FPGA 在每個1PPS脈沖上升沿鎖存計數器的值，并向M6759單片機申請中 斷，工控機在讀出計數值后與上一次的計數值作比較得出該秒輸出時鐘的誤差，在工控機內根據調諧電壓控制算法將誤差轉換為壓控溫補
晶振的數字調諧電壓，經數模(D/A)轉換后控制VCTCXO，形成閉 環控制。
這種方案的好處是輸出頻率的長期穩定度由GPS的1 PPS信號保 證，而短期穩定度取決于VCTCXO晶振。選取的壓控溫補晶振的溫度 穩定度為土0.5ppm，年老化率為lppm。
由于壓控溫補晶振的穩定度為士0.5ppm，經測試，晶振在0 5V控 制電壓下的頻率變化為-200~300Hz，故選用10,OOO為模的計數器留有 充分的裕量。50MHz的時鐘一方面送入模為10，000的計數器作為計數 脈沖，另一方面作為時鐘去采樣1PPS脈沖的上升沿，采集到的上升沿 信號作為計數器的鎖存與單片機的中斷申請信號，當外部讀取計數值 時便可自動清除中斷請求信號。
實際選取的壓控溫補晶振的溫度穩定度為士0.5 ppm，年老化為l ppm，控制電壓的調節范圍為0 5V, D/A選用轉換精度為12位的 TLC5618。調諧電壓控制算法根據頻率誤差的大小與連續零誤差秒數 兩個特征量來計算調諧電壓的，在平衡位置處壓控溫補晶振的誤差模 型可近似為帶擾動的比例環節，其控制規律為在頻率誤差大于l時取 誤差的2倍作為調諧電壓的增量，在誤差小于等于l時根據連續零誤差 數與誤差極性查表得到調諧電壓的增量，該部分的軟件流程如圖5所 示。
GPS時鐘模塊外圍硬件擴展
為更方便的擴展GPS時鐘模塊，GPS時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數據，通過PC104總線可直接讀取解析后的NEMA-0183 數據，其中NEMA-0183數據的解析在單片機內實現。
數據采集卡
本系統使用的PCI數據釆集卡是并行兩通道數據采集卡改造而成。PCI數據釆集卡以1PPS脈沖為秒同步信號、以GPS時鐘模塊的 輸出為釆樣時鐘，兩通道獨立完成閃電輻射的脈沖峰值特征釆集與閃
電波形釆集，通過PCI總線將釆集數據送至工控機。
數據釆集卡硬件結構
PCI數據釆集卡核心算法釆用了 FPGA設計，集成度與可靠性高。 本機使用的A/D轉換器的最高釆樣頻率為70Msps，分辨率為12位， 脈沖峰值釆集通道釆樣頻率固定為50MHz,波形數據段釆集通道釆 樣頻率為200K、 500K、 1M、 2M、 5M可設，數據采集卡的結構如圖 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。釆集卡在每個l PPS脈 沖的上升沿復位釆集卡的秒內采樣時鐘周期計數器，使該計數器的計 數值能表示某脈沖峰值在該秒內的精確時刻，使得各分布節點的數據 有了統一的時間參考點，實現了節點間的計時同步，并能有效地消除 系統長期監測的時間累積誤差。脈沖峰值的識別釆用時間窗最大值 法，首先根據實際的特性，為脈沖峰值釆集選取合適的時間窗寬度與 觸發電平，釆集卡從秒起始處以窗寬為搜索單位分段查找最大值，記 錄最大值對應的秒序號、幅度、脈沖寬度及秒內的釆樣周期計數值， 并將四者拼成脈沖記錄，如果該最大值幅度大于所設定的觸發電平則 將該脈沖記錄壓入釆集卡的緩存，反之丟棄該條記錄。
釆樣時間窗查找法可能使得輸入的一個脈沖產生了兩個脈沖峰值 記錄，當輸入脈沖橫跨幾個窗時就可能輸出幾個脈沖，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，在多站點的 數據融合、雷電定位計算時減少錯誤或信號性質的誤判等。
脈沖峰值釆集大大降低了數據量。對于50MHz釆樣頻率、12位 A/D轉換的脈沖峰值采集系統，連續波形釆集時秒數據吞吐量為略為 100M,數據的傳輸、保存與分析都存在很大的困難。釆用脈沖峰值釆集時，若選定時間窗寬為10us，則最大會產生100,000個脈沖峰值 記錄，每個脈沖峰值記錄占6個字節，其總占用空間為連續波形釆集 時的1/166，大大降低了數據的存儲、傳輸與處理難度。 數據段釆集
數據段釆集通道用于釆集快電場變化信號，該通道的釆樣頻率較 低， 一般在2MHz，但要求能在該頻率下對輸入進行連續釆集。為降 低該通道的數據量，釆用了段采集方式，該通道有一個根據實際情況 設定的觸發電平與采集深度，每次觸發，釆集卡會連續釆集所設深度 的一個數據段。每個段由段起始標志、段起始秒序號、段起始秒內時 刻、有效數據及段結東標志組成。段的起始標志與結束標志是根據信 號的屬性確定的，釆集卡A/D為12位，釆集卡向上層傳數時，將連 續兩個釆集值拼接成一個24位的數通過PCI總線傳遞給工控機，釆 集卡對應0數據的A/D值為0x0，對應滿量程的A/D值為0xfff,則 在正常情況下不會連續兩次出現最小到最大或最大到最小的聚變，因 此該通道的數據取0x000fff、 0x000fff為一個段的起始標志，取 0xfff000、 Oxf節00為段的結束標志。
數據釆集卡與工控機的數據傳遞
采集卡與工控機間采用PCI總線傳遞數據。由于GPS數據是通過 串口傳遞至工控機的，釆集數據是通過PCI總線傳遞至工控機的，為 保證某一秒的串口數據與該秒的PCI總線數據在時刻上能正確對應， PCI數據釆集卡的數據傳遞必須保證嚴格的實時性，因此數據釆集卡 在每個1PPS脈沖的上升沿都會向工控機申請中斷，在數據量到達一定 量時也會向工控機申請中斷，工控機響應中斷，將PCI數據采集卡上 的數據全部讀取到工控機。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領 域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統，其特征在于，該系統包括至少四個以上閃電定位監測站點，所述閃電定位監測站點內設有甚低頻閃電輻射接收機、甚高頻閃電輻射接收機、GPS接收機、工控機，所述站點利用GPS接收機提供絕對時間基準，得到閃電電場變化脈沖和VHF輻射脈沖到達各站點的時間和波形，利用工控機對所獲得波形數據進行預處理，然后通過互聯網把所獲得的數據實時傳輸到用于分析、處理所述脈沖的工控機，實現對閃電放電事件的實時監測和三維定位。
2、 如權利要求1所述的甚低頻與甚高頻相結合的全閃電定位系 統，其特征在于，所述甚低頻閃電輻射接收機包括依次連接的接收天 線、積分放大器、濾波器、驅動輸出電路，所述接收機將接收到的信 號傳送給工控機中的模/數轉換電路和數據記錄設備，所述接收機用 于探測接收閃電產生的瞬態電場變化。
3、 如權利要求l所述的甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統, 其特征在于，所述特高頻閃電輻射接收機包括依次連接的接收天線、 預選濾波器、變頻器、中頻濾波器、對數放大器、驅動輸出電路，所 述接收機將接收到的信號傳送給工控機中的模/數轉換電路及記錄設 備，所述接收機用于探測閃電小尺度放電過程產生的VHF輻射信號。
4、 如權利要求2或3所述的甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位 系統，其特征在于，所述工控機內設有專門設計的閃電脈沖波形數據 采集電路及數據處理軟件，所述數據處理軟件用于分析、處理提取閃 電波形，閃電波形特征參數和閃電信號到達時間。
5、 如權利要求4所述的甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統， 其特征在于，所述GPS接收機、所述甚低頻閃電輻射接收機、所述 甚高頻閃電輻射接收機集成于所述工控機內，所述GPS接收機用于 頻率基準校正，輸出準確的頻率信號，同時也向系統提供精確的時間基準。
6、 如權利要求5所述的甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統, 其特征在于，所述甚高頻閃電輻射接收機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、 如權利要求6所述的甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統， 其特征在于，所述數據釆集部件設有2個獨立的釆樣信道，所述兩個 信道的最高數據釆樣速率分別為5MS/s和50MS/s。
8、 如權利要求2或3所述的甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位 系統，其特征在于，所述工控機內設有觸發電路與存儲器，所述觸發 電路用于當采集卡接收到的監測信號大于設定的閾值后，所述觸發電 路被觸發并記錄閃電脈沖波形、提取閃電波形特征參數和相應閃電事 件的時間戳，將所述數據存儲到所述存儲器內，并同時通過互聯網發 送到用于閃電定位處理的計算機。
全文摘要
本發明是一種甚低頻與甚高頻結合的全閃電定位系統，其特征在于，該系統包括至少四個閃電定位監測站點，所述閃電定位監測站點內設有甚低頻閃電輻射接收機、甚高頻閃電輻射接收機、GPS接收機、工控機，所述站點利用GPS接收機提供時間基準，得到閃電電場變化脈沖和VHF輻射脈沖到達各站點的時間和波形，利用工控機對所獲得波形數據進行預處理，然后通過互聯網把所獲得的數據實時傳輸到用于分析、處理所述脈沖波形的工控機，實現對閃電放電事件的實時監測和三維定位。在上述硬件與軟件的配合下，該系統可用于確定一個指定區域內發生閃電放電事件的數量、類型和特征參數，以及其統計特征，對雷電活動進行監測預警。
文檔編號G01S5/00GK101609145SQ20091009011
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者劉恒毅, 張義軍, 濤 王, 董萬勝 申請人:中國氣象科學研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
