專利名稱：甚低頻全閃電定位系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及氣象觀測設備，具體涉及甚低頻全閃電定位系統。
背景技術：
閃電是嚴重的自然災害之一，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。現有技術中多注意地閃回擊探測，還沒有有效的可用于云內 閃電活動探測的技術和閃電放電事件識別方法。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，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，因此發展閃電探測 技術和預警預報方法是當前非常迫切的任務。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術中的缺陷，設計一種甚低頻全閃電定位系 統，該系統通過軟件設計的浮動觸發電平，連續捕獲記錄閃電脈沖波形而無死時間。該系統 即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，用于雷電活動 進行預警，也可用于閃電機理的科學研究。也可用于閃電機理的科學研究。為實現上述目的，本實用新型的技術方案是采用一種甚低頻全閃電定位系統，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、GPS接收機、計算機。所述數據采集卡設置在所述計算機內；所述甚低頻閃電輻射接收 機與所述計算機相連，用于探測閃電產生的瞬態電場變化，并將閃電瞬態電場變化信號傳 送給所述計算機；所述GPS接收機與所述計算機相連，用于采樣頻率校正，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。其中，所述計算機內設有所述數據采集卡及數據處理軟件。其中，所述GPS接收機(模塊)設置與所述甚低頻閃電輻射接收機在所述計算機 內。所述GPS接收機(模塊)用于采樣頻率校正，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，所述甚低頻閃電輻射接收機設置在室外的玻璃鋼防護罩內。[0011]本實用新型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的數量、位置、閃電放電類型、以及相應放電參數的統計特 征，并能對雷電活動進行預警。
圖1是本實用新型甚低頻全閃電定位系統框圖；圖2是本實用新型甚低頻全閃電定位系統中甚低頻閃電輻射接收機系統框圖；圖3是本實用新型甚低頻全閃電定位系統中甚低頻閃電輻射接收機的防護罩結 構示意圖；圖4是本實用新型甚低頻全閃電定位系統中存儲程序框圖；圖5是本實用新型甚低頻全閃電定位系統中數據采集方式原理示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進一步描述。以下實施 例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。如附圖1至圖5所示，本實用新型具體實施的技術方案是如附圖1所示一種甚低頻全閃電定位系統，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(圖中的探頭)、計算機、GPS接 收機。所述站點利用GPS接收機提供的精確時鐘，得到閃電電場變化脈沖到達各站點的時 間，并記錄閃電快電場變化波形，通過計算機對所獲數據進行初步的處理，通過互聯網將數 據實時發送到用于分析、處理所述脈沖的計算機，通過專用軟件對閃電放電事件進行定位、 放電類型識別、統計處理多種放電參數。如附圖2所示該系統由甚低頻閃電輻射接收機(快電場變化儀)，高精度GPS同 步時鐘，以及計算機(閃電波形采集分析處理設備)構成。快電場變化傳感器運行在 200Hz 3MHz頻段，探測閃電產生的瞬態電場變化。GPS信號用于頻率基準校正，保證更高 準確度的頻率信號輸出，同時也向系統提供精確的時間基準。數據采集系統采用計算機+ 高速數字化儀，以lOMsps的采樣速率數字化電場變化信號。采用浮動電平觸發設置和閃電 輻射脈沖波形無間隔連續捕獲工作方式，即將觸發系統設計成完全基于軟件的、可靈活執 行不同觸發算法的模式，通過連續監視環境背景中的低頻非閃電干擾信號，實時自動調整 觸發電平，實現適用于浮動背景的雙極性觸發模式。將信號值連續地與預先設定的觸發閾 值比較，當一個采樣點被探測到大于這個閾值時，有一定前置觸發段和后置觸發段的波形 被捕獲。隨后根據閃電甚低頻輻射波形特點，對超過觸發閾值的數據片斷進行預處理，處理 后的電場變化波形數據以及相應觸發記錄開始時刻標記的時間信息存儲在本地磁盤，同時 通過互聯網實時傳輸到閃電定位、分析處理的計算機。軟件采用多線程安全變量和安全隊 列技術將數據采集、觸發預處理、存儲任務分給幾個獨立的線程同時執行，實現對閃電甚低 頻輻射脈沖波形的連續捕獲而沒有任何死時間。整個采集記錄系統由計算機統一控制實現 無人職守自動運行。本實用新型中的三維時差法閃電探測系統是利用GPS精確同步測量多站閃電快 電場變化脈沖波形，實現對云閃和地閃的三維定位及實時監測，其GPS接收機的測時精度 決定整個系統的定位精度。本系統中的GPS接收機采用了低相噪鎖相環技術和大規模集成電路設計，內置高穩定度恒溫晶振OCXO和高品質、高精度授時型GPS接收機，采用先進的 GPS頻率測控技術，對晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量與調節，采用智能學習算法，在 GPS馴服晶振的過程中能夠不斷“學習”晶振的漂移等特性，并將這些參數存入板載EEPROM 存儲器中。輸出的Ipps信號是GPS馴服晶振輸出IOMHz信號，信號經過10，000，000次分 頻后得到的，相位與載波信號嚴格一致，且不受GPS秒脈沖短時間隨機跳變帶來的影響，相 當于UTC時間基準的“復現”。當GPS出現異常或不可用時，自動切換到保持模式，利用高效 的智能保持算法，依靠內置高穩晶振繼續提供高可靠性的時間和頻率信號輸出，使其輸出 頻率精確同步在GPS系統上，提供高精度的時間頻率基準信號。為了能監測更大區域內閃電甚低頻輻射，本實用新型研制了 “寬帶高增益閃電低 中頻輻射接收機”，采用高集成精密放大器配以特殊的電路結構使其具有很高的輸入阻抗， 并采用有源濾波濾除工頻干擾且保證了系統的增益帶寬。如附圖3所示由于系統有比較高的帶寬增益，為防止暴雨對系統的影響及帶電雨 滴造成的頻繁誤觸發，系統采用具有很寬波透率的玻璃鋼防護罩結構。數據采集分析處理系統在本實用新型中數據采集分析處理系統主要由計算機、高速數據采集卡構成，前 述的GPS接收機為其提供絕對時間基準，其中IOMHz信號作為采集卡采樣的外部時鐘。利 用電源(UPS)為整個系統提供穩定的電源。采集卡本發實用新型采用的數據采集卡為數據采樣速率高達30MS/s ；具有12位AD轉換 精度；信道內建32K先入先出法(FIFO)內存，板卡數據采用DMA方式傳輸到控制計算機內 存，實現數據的高速采集及完整性。閃電數據高速傳輸如附圖4所示本發實用新型采用lOMS/s的采樣率對電場變化信號進行采集，同時 還要與GPS時鐘綁定。在這種情況下數據傳輸量很大，僅用采集卡板載的FIFO，很難實現對 閃電波形無間隙連續捕獲。因此，本發實用新型在計算機機內存中創建了一個較大的FIFO 緩存區，且把該緩存區分為兩段使用。板卡獲取的數據首先以直接存儲器存取(DMA)方式 傳輸到該緩存區(控制計算機內存)，當FIFO緩存區的任意段獲取數據完成后，其該段內的 數據被一次性讀走，兩段緩存區交替實現大量數據高速傳輸和處理。閃電波形無間隙連續捕獲如附圖5所示閃電快電場變化信號以10MSPS的采樣速率、12bit分辨率數字化，數 字化后的信號借助計算機總線連續傳輸到計算機的內存，同時連續5個樣點相加，對數據 進行壓縮，信號采樣率從10MSPS減小到2MSPS，但同時分辨率提高。此后信號連續的與預先 設定的數值觸發閾值比較，當一個采樣點被探測到大于這個閾值時，有一定前置觸發段和 后置觸發段的波形被存貯在計算機內存中的32MB環形存儲器中，波形長度設置為1ms，觸 發點前/后為300/700 μ s，相應觸發記錄開始時刻標記的時間信息被分別存儲在8MB的環 形存貯器內。每2分鐘形成一個新的數據文件和頭文件，前者包含連續的被觸發的數據流， 后者包含相應的事件時間信息。常規數據采集系統使用硬件觸發系統，即通過比較傳感器輸出電壓和預先設定的 觸發電平實現。缺點是為了避免在緩慢浮動背景干擾誤觸發，觸發閾值不得不被設置到相對較高的電平，犧牲了傳感器的靈敏度。這些干擾通常是來自電網的60Hz背景干擾、附近 云或雷暴的“DC”電場，有時是傳感器的偏置。與常規數據采集系統使用硬件觸發系統不 同，本實用新型采用的觸發系統完全是軟件設置的，可靈活執行不同的觸發算法，克服了上 述的缺點。本實用新型的觸發器算法以2kHz數據流平均的方式，連續監視低頻的非閃電的 干擾，設置成依賴于浮動背景的雙極性觸發器。在高速數據采集中，另一個缺點是在每次觸發后必須有很長時間的死時間 (IOms 30ms)，(主要是由于采集觸發后要傳數據、存盤，然后重新設置觸發等)。這歸因 于那時的計算機和計算機級的數字化技術。借助于從數字化儀到計算機存貯器連續數據 傳輸的能力，軟件基浮動觸發算法，本研究中的數據采集系統消除了連續觸發之間的死時 間，幾乎不受背景干擾制約。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改 進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種甚低頻金閃電定位系統，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、GPS接收機、數據采集卡和計算 機，所述數據采集卡設置在所述計算機內；所述甚低頻閃電輻射接收機與所述計算機相連， 用于探測閃電產生的瞬態電場變化，并將閃電瞬態電場變化信號傳送給所述計算機；所述 GPS接收機與所述計算機相連，用于采樣頻率校正，輸出準確的頻率信號，同時也向系統提 供精確的時間基準。
2.如權利要求1所述的甚低頻全閃電定位系統，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、模/數轉換電路及記 錄設備。
3.如權利要求2所述的甚低頻全閃電定位系統，其特征在于，計算機內設有數據采集 卡及數據采集軟件。
4.如權利要求2所述的甚低頻全閃電定位系統，其特征在于，所述甚低頻閃電輻射接 收機設置在室外的玻璃鋼防護罩內。
專利摘要本實用新型是一種甚低頻全閃電定位系統，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、計算機、GPS時鐘模塊，所述站點連續無間隔捕獲閃電脈沖波形及其到達絕對時間，通過互聯網實現各站點數據的傳輸，利用閃電電場變化輻射脈沖到達各站點的時間差，通過用于分析、處理所述脈沖的計算機軟件，對閃電放電事件進行二維、三維定位，并識別放電類型。在上述硬件與軟件的配合下，該系統可用于確定區域內發生閃電的數量、放電類型，以及閃電參數的統計特征，并能對雷電活動進行預警。
文檔編號G01W1/10GK201788276SQ20092017291
公開日2011年4月6日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者劉恒毅, 張義軍, 王濤, 董萬勝 申請人:中國氣象科學研究院