一種數字化閃電電場變化信號測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及氣象監測技術領域，特別設及一種數字化閃電電場變化信號測量系統 及其測量方法。
【背景技術】
[0002] 閃電是我國最嚴重的自然災害之一，具有大電流、強電磁福射等特性，一旦被擊 中，極易引發建筑物、設備等地面物體火災，威脅著人民的生命財產安全。閃電的產生有一 定的規律，其發展前期往往伴隨大量的積雨云。氣象上采用氣象雷達和氣象衛星往往可W 預測和監測一個區域的閃電活動情況。然而該種監測屬于廣域監測，不能精確定位，實際意 義并不大。目前高精度的閃電測量和定位系統一般都采用抓取閃電產生過程的電磁波為手 段，來精確測量和定位閃電，該對研究閃電物理本質和雷擊防護具有重要的意義。
[000引 目前，國內外用來測量閃電電場變化的設備包括兩種：閃電電場快變化探測儀 (常常稱為快天線）和閃電電場慢變化探測儀（常常稱為慢天線）。兩者分別用來觀測閃電 過程中的不同尺度的放電事件。通常情況下，閃電電場快變化探測儀用來觀測閃電過程的 快放電過程，比如預擊穿過程、回擊過程、先導過程、K過程等，而電場慢變化信號探測儀主 要用來觀測閃電過程中的慢放電過程，如連續電流（持續時間可長達幾百毫秒）等。其探 測原理如下；外界電場的變化會通過天線轉換成為變化的電流，變化的電流通過積分電路， 經積分調理之后輸出與電場變化成線性關系的電壓。閃電電場快變化探測儀和閃電電場慢 變化探測儀的區別在于積分時間常數的不同，一般閃電電場快變化探測儀的時間常數為毫 秒量級，閃電電場慢變化探測儀的時間常數為秒量級。
[0004] 雖然上述探測方法和手段已經被廣泛應用，但是在實際觀測試驗中，特別是在近 距離閃電觀測時，比如人工觸發閃電的觀測，發現傳統的電場變化探測裝置，尤其是閃電電 場慢變化探測裝置，能夠測量的電場強度范圍不夠大，對于較強的近距離閃電經常出現響 應飽和的問題。為了解決該個問題，科研人員也采取了一些相應的措施，主要手段為調節積 分電路中R(電阻）和C(電容）的量值入手，但是由于當前的器件技術水平的局限，一些相 應措施也很難達到近距離閃電回擊強度的要求。申請號為201220206637. 2的專利公開了 一種通過閃電變化快探測裝置還原閃電慢變化信號的裝置。但是該裝置仍然采用模擬積分 電路處理，也需要調節電路中R和C的值進行匹配，該樣集成程度不高，且并沒有從根本上 解決閃電電場快慢電場天線統一的問題。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的上述不足之處，提供一種數字 化閃電電場變化信號測量系統及其測量方法，低成本高功效的實現閃電電場快、慢變化的 測量。
[0006] 本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0007] 一種數字化閃電電場變化信號測量系統，至少包括平板天線、電場模數轉換模塊、 數字信號處理模塊，所述電場模數轉換模塊的輸入端與平板天線連接，電場模數轉換模塊 的輸出端與數字信號處理模塊連接；
[000引所述平板天線用于探測（感應）閃電產生的電場變化信號并傳輸至電場模數轉換 模塊；
[0009] 所述電場模數轉換模塊用于處理和轉換電場變化信號，得到數字化的閃電電場變 化信號，并將數字化的閃電電場變化信號傳輸至數字信號處理模塊；
[0010] 所述數字信號處理模塊用于觸發采集并處理所述數字化的閃電電場變化信號W 得到閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信號和閃電電場原始信號，并將上述信號進行 存儲，組合成為數據帖和外界進行通信。
[0011] 按上述方案，所述電場模數轉換模塊為模數轉換電路，包括依次相連的線性放大 器、電壓跟隨器、差分巧片W及AD模數轉換巧片，其中，線性放大器的輸入端與平板天線連 接、用于將輸入信號進行線性放大，電壓跟隨器用于進行電壓跟隨，差分巧片用于對信號差 分并送入AD模數轉換巧片，AD模數轉換巧片用于將模擬信號轉換成為數字信號并送入數 字信號處理模塊。
[0012] 按上述方案，所述數字信號處理模塊包括信號采入模塊、Fifio緩存模塊、枯直流 模塊、累加積分模塊、電場特性判據模塊、浮點轉換模塊、快積分模塊、慢積分模塊W及時鐘 對準模塊，其中，信號采入模塊用于按照電場模數轉換模塊中的AD模數轉換巧片的采樣速 率采集AD模數轉換巧片送入的數字信號，Fi化緩存模塊用于緩存送入的數字信號、確定枯 直流的精準度，枯直流模塊用于枯除信號的直流，浮點轉換模塊用于將輸入的定點信號轉 換為64位的雙精度浮點數；所述累加積分模塊、快積分模塊和慢積分模塊為不同積分常數 的數字積分器，分別用于獲取閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信 號，其中，累加積分模塊的積分常數最大、慢積分模塊的積分常數其次、快積分模塊的積分 常數最最小；電場特性判據模塊用于對比閃電電場原始信號，閃電電場快變化信號和閃電 電場慢變化信號，判定當前采入的電場變化信號是否滿足閃電的電場變化信號特征，如果 滿足，則通過時間對準模塊進行對準。
[0013] 按上述方案，系統還包括存儲模塊，所述數字信號處理模塊還包括存儲驅動模塊， 所述存儲模塊與數字信號處理模塊的存儲驅動模塊連接，用于存儲包括閃電電場快變化 信號、閃電電場慢變化信號、閃電電場原始信號（通過存儲驅動模塊將數據寫入存儲模塊 中），并對上述信號通信做緩存（在傳輸該些信號時的緩存）。
[0014] 按上述方案，系統還包括通信傳輸接口，所述數字信號處理模塊還包括通信驅動 模塊，所述通信傳輸接口與數字信號處理模塊連接，用于物理上將抓取的閃電電場快變化 信號、閃電電場慢變化信號和閃電電場原始信號和上位機或者網絡進行通信（將數據通過 通信驅動模塊傳出）。
[0015] 按上述方案，系統還包括GI^S模塊，GI^S模塊由一個GPS巧片和對應天線組成，用 于接收衛星時鐘信號并將時鐘信號傳輸給數字信號處理模塊，給處理的閃電電場變化信號 做時鐘標定。
[0016] 按上述方案，所述平板天線為中空形狀的圓形平板天線，所述電場模數轉換模塊、 數字信號處理模塊均處于專用處理平臺上，所述專用處理平臺位于戶外屏蔽室內。
[0017] 按上述方案，還包括絕緣子套管及底座支撐架，所述絕緣子套管連接所述平板天 線，所述底座支撐架用于支撐絕緣子套管和平板天線。
[0018] 本發明還提供了一種基于上述數字化閃電電場變化信號測量系統的測量方法，包 括：
[0019] 步驟S1，通過平板天線感應閃電產生的電場變化信號，電場模數轉換模塊對感應 到的電場變化信號進行調理和模數轉換，得到數字化的閃電電場變化信號；
[0020] 步驟S2,數字信號處理模塊對電場模數轉換模塊傳入的數字化的閃電電場變化 信號進行積分，包括；對輸入的數據進行緩存和格式轉換，對轉換后的數據進行不同積分常 數的數字積分，得到閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信號，并對 閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信號進行判斷，如果具有閃電特 征，則通過存儲模塊進行存儲或者通過通信傳輸接口與外界通信。
[0021] 按上述方案，測量方法具體流程如下；系統開始工作后，即持續采集AD模數轉換 巧片送入的信號，按照時鐘模塊，將AD模數轉換巧片送入的信號通過浮點轉換模塊進行浮 點轉換，然后分成=條數據鏈通路，分別進入快積分模塊、慢積分模塊和通過枯直流模塊后 進入累加積分模塊，進行積分常數不同的積分，通過枯直流模塊和累加積分模塊對天線感 應的閃電電場變化信號進行枯噪枯直流累加，得到閃電電場原始信號，通過快積分模塊、慢 積分模塊對天線感應的閃電電場變化信號進行積分，分別還原出閃電電場快變化信號和閃 電電場慢變化信號，并通過電場特性判據模塊對閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、 閃電電場慢變化信號（積分結果）進行判斷分析，如果符合閃電特征，則數據為有效數據， 通過時鐘對準模塊對有效數據進行時間標定，通過存儲驅動模塊將經過時間標定后的有效 數據輸出至存儲模塊中或通過通信驅動模塊將經過時鐘標定后的有效數據輸出至通信傳 輸接口，將數據傳出。
[0022] 本發明的工作原理；電場模數轉換模塊將輸入信號進行初步處理和轉換并直接送 入數字信號處理模塊；數字信號處理模塊接收電場模數轉換模塊傳入的數字化的閃電電 場變化信號，通過不同積分常數的積分器設計，通過不同的快慢積分常數的積分器對天線 感應的閃電電場變化信號進行積分，分別還原出閃電電場快變化信號和閃電電場慢變化信 號，通過對天線感應的閃電電場變化信號的枯噪枯直流累加，得到閃電電場原始信號