一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括：寬帶天線模塊，用于接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，將光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到信號調(diào)理模塊；信號調(diào)理模塊，用于接收寬帶天線模塊傳輸?shù)碾娦盘枺瑢ζ溥M(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；信號觸發(fā)模塊，包括波形特征提取單元、觸發(fā)過程判斷單元、多邏輯運(yùn)算單元和功能設(shè)置單元，用于接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取電信號的波性特征，并根據(jù)波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器；該系統(tǒng)可選擇性強(qiáng)，節(jié)約了磁盤資源且設(shè)備穩(wěn)定、簡便、宜攜；可擴(kuò)展性強(qiáng)，還可以用于雷電計數(shù)、回?fù)舳ㄎ坏阮I(lǐng)域，提高了雷電的探測效率。
【專利說明】一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣象觀測領(lǐng)域，具體涉及一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]雷電是大氣中的一種超強(qiáng)的放電現(xiàn)象，具有大電流、強(qiáng)電磁輻射的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的自然災(zāi)害，常常引起森林火災(zāi)、油庫爆炸、供電中斷、通訊故障、設(shè)備破壞等事故。雷電電磁場特征能夠反應(yīng)閃電放電的內(nèi)在機(jī)理，是闡明雷電電磁輻射對電子設(shè)備的作用機(jī)理、評價防護(hù)效能、研宄雷電電磁脈沖防護(hù)措施的重要基礎(chǔ)。雷電電磁信號探測一直是雷電研宄的重要工具。
[0003]雷電信號的探測一般包括探測傳感器和信號采集控制裝置，主要應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和觸發(fā)采集保存。雖然絕大多數(shù)采集卡都具有一定的硬件觸發(fā)功能，但是該功能比較簡單，主要基于邊沿觸發(fā)、電平觸發(fā)等方式。雖然復(fù)雜的觸發(fā)功能可以用軟件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)，但是，軟件觸發(fā)一般基于計算機(jī)平臺，同時會占用較大的處理器計算能力，從而影響采集及處理的實(shí)時性。另外，考慮到閃電信號的復(fù)雜性以及研宄工作中特定信號的采集需求，基于硬件的復(fù)雜觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)尤為必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對輸入的復(fù)雜的、高速的雷電放電信號進(jìn)行多過程觸發(fā)。
[0005]第一方面，本發(fā)明提供了一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)，包括:
[0006]寬帶天線模塊，用于接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，并將所述光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到信號調(diào)理模塊；
[0007]所述信號調(diào)理模塊，用于接收所述寬帶天線模塊傳輸?shù)碾娦盘?，對所述電信號進(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0008]信號觸發(fā)模塊，包括波形特征提取單元、觸發(fā)過程判斷單元、多邏輯運(yùn)算單元和功能設(shè)置單元，用于接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取所述電信號的波性特征，并根據(jù)所述波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器；
[0009]方波發(fā)生器，用于接收信號觸發(fā)模塊輸出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生可控的標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號輸出。
[0010]可選的，所述系統(tǒng)還包括與所述信號觸發(fā)模塊相連的復(fù)位電路、電源濾波電路、下載電路、外部時鐘電路和Sopc片外擴(kuò)展電路。
[0011]可選的，所述系統(tǒng)還包括與所述信號觸發(fā)模塊相連的矩陣鍵盤電路模塊和液晶顯示電路模塊。
[0012]可選的，所述信號觸發(fā)模塊中的所述波形特征提取單元與所述窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，所述觸發(fā)過程判斷單元與所述波形特征提取單元相連，所述多邏輯運(yùn)算單元與所述觸發(fā)過程判斷單元相連，所述功能設(shè)置單元與所述觸發(fā)過程判斷單元相連；
[0013]所述觸發(fā)過程判斷模塊，還用于將所述波性特征的參數(shù)與功能設(shè)置單元設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送給多邏輯運(yùn)算單元，以使所述多邏輯運(yùn)算單元根據(jù)對所述比較結(jié)果進(jìn)行分析，判斷是否滿足觸發(fā)條件。
[0014]可選的，所述波形特征提取單元包括上升時間判斷子單元、尋峰算法子單元、下降時間判斷子單元和半峰值寬度計算子單元，分別提取上升沿時間、下降沿時間和半峰值寬度；
[0015]所述尋峰算法子單元與所述上升時間判斷子單元相連，所述下降時間判斷子單元與所述尋峰算法子單元相連，所述半峰值寬度計算子單元與所述下降時間判斷子單元相連；
[0016]所述上升時間判斷子單元，用于判斷所述電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah ；
[0017]所述尋峰算法子單元，用于繼續(xù)根據(jù)Ah/At的值，判斷Ah/At極性是否變化，從而判斷是否到達(dá)峰值；
[0018]所述下降時間判斷子單元，用于判斷所述電信號是否下降，同時計算在At內(nèi)下降高度Ah ；
[0019]所述半峰值寬度計算子單元，用于檢測到峰值以后，找出上升沿到達(dá)半峰值時刻to，同時找到下降沿到達(dá)半峰值時刻tl，(tl-to)即為半峰值寬度。
[0020]可選的，所述觸發(fā)過程判斷單元包括回?fù)粲|發(fā)子單元、初始擊穿放電觸發(fā)子單元、連續(xù)電流觸發(fā)子單元、K放電過程觸發(fā)子單元、M分量觸發(fā)子單元和NBE觸發(fā)子單元。
[0021]可選的，所述方波發(fā)生器與所述信號觸發(fā)模塊中的多邏輯運(yùn)算單元相連，當(dāng)多邏輯運(yùn)算單元邏輯為真時，輸出信號給方波發(fā)生器，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)信號。
[0022]第二方面，本發(fā)明還提供了一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)方法，包括:
[0023]寬帶天線模塊接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，將所述光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入信號調(diào)理模塊；
[0024]所述信號調(diào)理模塊接收所述寬帶天線模塊傳輸?shù)乃鲭娦盘枺瑢λ鲭娦盘栠M(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0025]信號觸發(fā)模塊接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取所述電信號的波性特征，并根據(jù)所述波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器;
[0026]方波發(fā)生器接收信號觸發(fā)模塊輸出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生可控的標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號輸出。
[0027]可選的，所述提取電信號的波性特征，包括:
[0028]判斷所述光電磁電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah，若Ah/At大于設(shè)定閾值時，定為開始上升時刻；
[0029]根據(jù)Δ h/ Δ t的值，判斷Δ h/ Δ t的極性變化是否到達(dá)峰值；判斷所述光電磁電信號是否下降，同時計算在At內(nèi)下降高度Ah，若Ah除以At大于設(shè)定閾值時，定為開始下降時刻；
[0030]檢測到峰值以后，找出上升沿到達(dá)半峰值時刻t0，同時找到下降沿到達(dá)半峰值時刻tl，(tl-to)即為半峰值寬度；
[0031]所述光電磁電信號的上升時間、下降時間和半峰值寬度即為提取的所述電信號的波性特征。
[0032]可選的，所述方法還包括:根據(jù)所述波性特征判斷是否觸發(fā)條件:
[0033]所述觸發(fā)過程判斷模塊將所述波性特征的參數(shù)與功能設(shè)置單元設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送給多邏輯運(yùn)算單元，以使所述多邏輯運(yùn)算單元對所述比較結(jié)果進(jìn)行分析，判斷是否滿足觸發(fā)條件。
[0034]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)對輸入的快速且復(fù)雜的雷電觸發(fā)信號實(shí)現(xiàn)多過程觸發(fā)功能，如窗口觸發(fā)、回?fù)粲|發(fā)、初始擊穿放電觸發(fā)、連續(xù)電流過程觸發(fā)、K放電過程觸發(fā)、M分量觸發(fā)、NBE觸發(fā)等，進(jìn)而可針對特定的雷電信號波形如整個雷電波形、回?fù)舨ㄐ?、初始擊穿放電過程波形、連續(xù)電流過程波形、K放電過程波形、M分量波形、NBE波形進(jìn)行選擇性的觸發(fā)輸出；該系統(tǒng)可選擇性強(qiáng)，節(jié)約了磁盤資源且設(shè)備穩(wěn)定、簡便、宜攜；該系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，還可以用于雷電計數(shù)、回?fù)舳ㄎ坏阮I(lǐng)域，提高了雷電的探測效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的信號觸發(fā)模塊觸發(fā)雷電信號的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的信號觸發(fā)模塊提取信號波形特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)方法的流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖，對發(fā)明的【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發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0040]閃電主要包括正地閃和負(fù)地閃以及云閃，閃電放電過程非常復(fù)雜，包含很多子物理放電過程:初始擊穿過程，回?fù)暨^程、連續(xù)電流過程、K放電過程、M分量過程等。初始擊穿過程的脈沖與隨后的地閃回?fù)綦妶鲎兓瘶O性相同，總體為雙極性為特征，上升到峰值的時間為10us，其上疊加有寬度為2?3us的脈沖，后半周則變化平緩，脈寬為41.0us,脈沖之間的時間間隔為130us ;回?fù)舭状位負(fù)艉屠^后回?fù)魮簦状位負(fù)艉屠^后回?fù)魵w一化到10km的初始峰值(V/m)平均值分別為5.8-10.2,3.6-6.0 ;過零時間(us)平均值分別為2.4-7.0, 1.2-2.8 ;慢前沿持續(xù)時間(us)平均值分別為2.9-9.4，0.6-4.3 ;慢前沿與峰值百分比平均值分別為20-60，10-30 ;快轉(zhuǎn)化(10-90)%時間(ns)平均值分別為90-200，150-200 ； (10-90) %時間(us)平均值分別為2.6，1.5 ;連續(xù)電流過程是雷暴云中局地荷電中心在閃擊之后沿閃電通道對地的持續(xù)放電過程，分為大于40ms的長連續(xù)電流過程、10-40ms的中等連續(xù)電流和1-1Oms的短連續(xù)電流過程。連續(xù)電流大小在50-580A之間，而且連續(xù)電流在開始最大，并隨時間逐漸減??；1(過程是發(fā)生在地閃回?fù)糁g或最后一個回?fù)糁笠约霸崎W后期相對小的快電場變化，持續(xù)時間的幾何平均值為0.7ms，K變化之間的時間間隔幾何平均值為13ms，放電電流為I?4kA ;M分量在回?fù)暨^程之后伴隨通道微弱發(fā)光階段通道亮度的突然增加，并伴隨有電場的快變化。M分量以持續(xù)時間較短的U形(或鉤狀)電場變化為主要特征，即在近距離觀測到的M分量電場變化以負(fù)電場變化開始，緊接著是一個略大的正電場變化，其靜電場變化通常是回?fù)綦妶鲎兓?/15-1/100。整個U形過程持續(xù)200-800US，一次回?fù)暨^程之后可以產(chǎn)生一個或多個M分量。M變化持續(xù)時間的幾何平均值為2.lus，M變化的時間間隔幾何平均值為2.1ms ;NBE (雙極性窄脈沖)有正、負(fù)極性，NBE基本特點(diǎn)是:極窄的寬度、極大的峰值及孤立性。正、負(fù)極性NBE的脈沖平均寬度分別為6.42 μ s和5.46 μ s’正極性NBE的脈沖寬度更容易出現(xiàn)極大值，其最大值為19.76 μ so NBE的孤立性明顯，分別有73.5%和78.5%的NBE在其發(fā)生后和發(fā)生前的Is內(nèi)沒有其他任何觸發(fā)事件。從上述閃電放電過程中的子放電過程的具體放電特征，可以看出其放電的復(fù)雜性，為了獲得特定閃電放電子過程的數(shù)據(jù)，需要更針對性的、更復(fù)雜的觸發(fā)手段。
[0041]本發(fā)明的系統(tǒng)是一種適合針對雷電放電信號進(jìn)行觸發(fā)輸出的雷電信號檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對雷電信號波形進(jìn)行多觸發(fā)方式輸出，進(jìn)而提取回?fù)舨ㄐ?、初始擊穿放電波形、連續(xù)電流波形、K放電過程波形、M分量波形、NBE波形等。還可用于雷電計數(shù)、回?fù)舳ㄎ坏阮I(lǐng)域。
[0042]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該系統(tǒng)包括:
[0043]寬帶天線模塊11，用于接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，并將所述光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到信號調(diào)理模塊；
[0044]具體的，寬帶天線模塊與信號調(diào)理模塊相連，包含探測天線與光電磁接收機(jī)，探測天線用于探測閃電發(fā)生時的光電磁變化信號；光電磁接收機(jī)，用于接收處理天線測得的光電磁變化信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號。
[0045]所述信號調(diào)理模塊12，用于接收所述寬帶天線模塊傳輸?shù)碾娦盘?，對所述電信號進(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊21和A/D轉(zhuǎn)換模塊22 ;
[0046]具體的，信號調(diào)理模塊輸入與寬帶天線模塊相連，輸出與A/D轉(zhuǎn)換模塊及窗口比較器相連，該模塊的作用是對寬帶天線傳來的電信號進(jìn)行調(diào)理，以降低A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號源的噪聲。
[0047]上述對電信號進(jìn)行處理具體包括對寬帶天線模塊傳輸?shù)脑寄M信號進(jìn)行濾波、衰減、放大等運(yùn)算，使之符合A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入要求以及進(jìn)行窗口比較器模塊的要求。
[0048]其中，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入與信號調(diào)理模塊相連，輸出與信號觸發(fā)模塊相連，該模塊的作用是對輸入的模擬電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號給信號觸發(fā)模塊進(jìn)行處理。其中，該模塊包含兩路采樣通道；一路粗采樣通道，用于將模擬信號轉(zhuǎn)化為粗略的數(shù)字信號；一路精采樣通道，用于將模擬信號轉(zhuǎn)化為精細(xì)的數(shù)字信號。
[0049]窗口比較器模塊的輸入與信號調(diào)理模塊相連，輸出與信號觸發(fā)模塊相連，該模塊作用是對輸入的滿足條件的信號進(jìn)行窗口觸發(fā)。
[0050]信號觸發(fā)模塊13，包括波形特征提取單元、觸發(fā)過程判斷單元、多邏輯運(yùn)算單元和功能設(shè)置單元，用于接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取所述電信號的波性特征，并根據(jù)所述波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器23ο
[0051 ] 具體的，本發(fā)明實(shí)施例中的信號觸發(fā)模塊采用FPGA為主控芯片。FPGA主控芯片用于將接收到的數(shù)字波形信號實(shí)現(xiàn)閃電復(fù)雜信號的實(shí)時運(yùn)算及處理，提取波形特征并進(jìn)行判別該波形是否屬于特定的放電過程，滿足判別條件，輸出信號給波形發(fā)生模塊。
[0052]方波發(fā)生器23，用于接收信號觸發(fā)模塊輸出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生可控的標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號輸出。
[0053]所述方波發(fā)生器23與所述信號觸發(fā)模塊13中的多邏輯運(yùn)算單元133相連，用于輸出觸發(fā)信號。
[0054]上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寬帶閃電信號輸入并具有窗口觸發(fā)、閃電回?fù)粲|發(fā)、閃電初始擊穿脈沖觸發(fā)等專用觸發(fā)方式，并且具有標(biāo)準(zhǔn)TTL電平輸出的雷電專用信號觸發(fā)器，對輸入的復(fù)雜的、高速的雷電放電信號進(jìn)行多過程觸發(fā)，提高了雷電的探測效率。
[0055]在具體實(shí)施過程中，寬帶天線模塊進(jìn)一步包括:探測天線，用于探測閃電發(fā)生時的各種信號；光電電磁接收機(jī)，用于接收天線測得的各種信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。其中接收的信號可以是電磁場或者光輻射信號，寬帶天線可以是平板天線、雙錐天線、鞭狀天線、盤錐天線以及光探測傳感器。
[0056]窗口比較器模塊進(jìn)一步包括:超高速雙路比較器，用于實(shí)現(xiàn)窗口觸發(fā)；觸發(fā)器，用于調(diào)整超高速雙路比較器的輸出脈寬，使其符合觸發(fā)需要；
[0057]所述系統(tǒng)還包括與所述信號觸發(fā)模塊相連的復(fù)位電路14、電源濾波電路15、下載電路16、外部時鐘電路17和sopc片外擴(kuò)展電路18。
[0058]在具體應(yīng)用中，所述系統(tǒng)還包括與所述信號觸發(fā)模塊13相連的矩陣鍵盤電路模塊19和液晶顯示電路模塊20。
[0059]信號觸發(fā)模塊作為核心主控單元，與A/D轉(zhuǎn)換模塊，窗口比較器模塊，液晶顯示模塊，矩陣鍵盤模塊，復(fù)位電路模塊，電源濾波電路模塊，下載電路模塊，外部時鐘電路模塊相連。該模塊的作用主要是對輸入的復(fù)雜雷電信號進(jìn)行邏輯識別處理。通過比較測得的脈沖波形特征參數(shù)與設(shè)定的各種參數(shù)，從而針對特定的雷電信號波形過程進(jìn)行觸發(fā)輸出，如雷電回?fù)舨ㄐ?、初始擊穿波形、NBE事件波形等。
[0060]復(fù)位電路模塊與信號觸發(fā)模塊相連，該模塊的作用是采用手動復(fù)位避免程序跑飛，出現(xiàn)死循環(huán)問題。該復(fù)位電路通過彈簧式按鍵接地拉低電平實(shí)現(xiàn)復(fù)位。
[0061]電源濾波電路模塊與電源及信號觸發(fā)模塊相連，該模塊的作用是把由交流電壓整流而來的單向脈動電壓變?yōu)閹в猩倭考y波的直流電壓，提供給后邊的穩(wěn)壓電路作為工作電壓。
[0062]下載電路模塊與信號觸發(fā)模塊相連，該模塊的作用將軟件編寫好的程序下載到FPGA芯片中，執(zhí)行程序功能。包括JTAG方式的在線仿真下載電路及AS方式的下載電路。
[0063]外部時鐘電路模塊與信號觸發(fā)模塊相連，該模塊的作用是通過有源晶振給信號觸發(fā)模塊提供時鐘信號。
[0064]方波發(fā)生器模塊與信號觸發(fā)模塊相連，用于觸發(fā)時刻TTL信號的可調(diào)制輸出；
[0065]sopc片外擴(kuò)展電路模塊與信號觸發(fā)模塊相連，包括EEPROM、FLASH、SDRAM等外圍電路，該模塊的作用是用于緩存以及對接收到的雷電復(fù)雜數(shù)字信號波形進(jìn)行實(shí)時的運(yùn)算及處理。
[0066]矩陣鍵盤模塊與信號觸發(fā)模塊相連，該模塊的作用是進(jìn)行相關(guān)參數(shù)如窗口觸發(fā)閾值，初始擊穿觸發(fā)閾值，回?fù)粲|發(fā)閾值，邏輯運(yùn)算條件，方波發(fā)生寬度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。該參數(shù)通過觸發(fā)過程判斷與脈沖波形特征提取的參數(shù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果送給多觸發(fā)邏輯運(yùn)算；通過機(jī)械按鍵的方式將設(shè)置參數(shù)的數(shù)字電信號傳給信號觸發(fā)模塊。
[0067]液晶顯示模塊與信號觸發(fā)模塊相連，用于顯示矩陣鍵盤模塊調(diào)整的參數(shù)該模塊的作用是對系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行顯示，如窗口觸發(fā)閾值，初始擊穿觸發(fā)閾值，回?fù)粲|發(fā)閾值，邏輯運(yùn)算條件，方波發(fā)生寬度等參數(shù)。
[0068]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例提供的信號觸發(fā)模塊觸發(fā)雷電信號的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，所述信號觸發(fā)模塊13包括波形特征提取單元131、觸發(fā)過程判斷單元132、多邏輯運(yùn)算單元133和功能設(shè)置單元134 ；
[0069]所述波形特征提取單元131與所述窗口比較器模塊21和A/D轉(zhuǎn)換模塊22相連，所述觸發(fā)過程判斷單元132與所述波形特征提取單元131相連，所述多邏輯運(yùn)算單元133與所述觸發(fā)過程判斷單元132相連，所述功能設(shè)置單元134與所述觸發(fā)過程判斷單元132相連。
[0070]雷電信號是經(jīng)過信號調(diào)理后的信號，它是進(jìn)行后續(xù)處理的信號源，A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于信號觸發(fā)模塊進(jìn)行處理；窗口比較器模塊對輸入的滿足條件的信號進(jìn)行首次觸發(fā)，信號觸發(fā)模塊檢測到有觸發(fā)信號后進(jìn)行后續(xù)處理。
[0071]脈沖波形特征提取的作用是提取出信號上升時間、下降時間、半峰值寬度等參數(shù)。
[0072]觸發(fā)過程判斷單元用于將測得的特征參量與設(shè)定的參量進(jìn)行比較，以判別過程類別；
[0073]功能設(shè)置單元用于接收處理矩陣鍵盤傳來設(shè)置信號，將其保存并傳給相關(guān)模塊以輸出，還用于設(shè)定相關(guān)過程的參數(shù)，該參數(shù)通過觸發(fā)過程判斷單元與波形特征提取單元的參數(shù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果送給多邏輯運(yùn)算單元；
[0074]多邏輯運(yùn)算單元對輸入的比較結(jié)果進(jìn)行綜合分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的邏輯關(guān)系，進(jìn)行多過程觸發(fā)，輸出觸發(fā)信號。
[0075]在具體應(yīng)用中，所述觸發(fā)過程判斷單元132包括圖中未示出的回?fù)粲|發(fā)子單元1321、初始擊穿放電觸發(fā)子單元1322、連續(xù)電流觸發(fā)子單元1323、K放電過程觸發(fā)子單元1324、M分量觸發(fā)子單元1325和NBE觸發(fā)子單元1326。
[0076]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的信號觸發(fā)模塊提取信號波形特征參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，波形特征提取單元131包括上升時間判斷子單元1311、尋峰算法子單元1312、下降時間判斷子單元1313和半峰值寬度計算子單元1314 ;
[0077]所述尋峰算法子單元1312與所述上升時間判斷子單元1311相連，所述下降時間判斷子單元1313與所述尋峰算法子單元1312相連，所述半峰值寬度計算子單元1314與所述下降時間判斷子單元1313相連。
[0078]在具體應(yīng)用中，窗口比較器:對于在窗口內(nèi)的波形進(jìn)行觸發(fā)。
[0079]開啟閥值判斷子單元:高于噪聲信號門限幅值時觸發(fā)，用以過濾噪聲，同時控制啟動上升時間判斷。
[0080]上升時間判斷子單元:通過數(shù)字信號輸入，作分段插值計算后判斷雷電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah，若Ah除以At大于設(shè)定閾值時，定為開始上升時刻。
[0081]尋峰算法子單元:采用判斷Ah/At的極性變化判斷是否到達(dá)峰值。當(dāng)Ah/At由正變負(fù)時說明到達(dá)正峰值，當(dāng)Ah/At由負(fù)變正時說明到達(dá)負(fù)峰值。
[0082]下降時間判斷子單元:通過數(shù)字信號輸入，作分段插值計算后判斷雷電信號是否下降升，同時計算在At內(nèi)下降高度Ah，若Ah除以At大于設(shè)定閾值時，定為開始下降時刻。
[0083]半峰值寬度計算子單元:檢測到峰值以后，找出上升沿到達(dá)半峰值時刻t0，同時找到下降沿到達(dá)半峰值時刻tl，(tl-to)即為半峰值寬度。
[0084]上述系統(tǒng)的主要原理為:寬帶天線模塊接收到信號以后，經(jīng)過信號調(diào)理模塊，一路送給超高速窗口比較器模塊，另一路送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，若窗口比較器模塊有信號輸出，則信號觸發(fā)模塊的FPGA主控芯片立即控制開啟A/D轉(zhuǎn)換模塊的粗采樣通道，根據(jù)粗采樣通道采得數(shù)據(jù)，判斷是否是誤觸發(fā)。若是正常觸發(fā)，則關(guān)閉粗采樣通道，同時打開精采樣通道，對精采樣通道數(shù)據(jù)作分段插值計算后判斷雷電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah，若Ah除以At大于設(shè)定閾值時，定為開始上升時刻。同時啟動sopc將數(shù)據(jù)送入緩存。接著判斷Ah/At的極性是否變化，發(fā)生變化的那一刻所采得數(shù)據(jù)即為峰值，記錄下峰值及峰值時刻。峰值判斷完之后，繼續(xù)檢測Ah/At，判斷下降沿是否結(jié)束。當(dāng)下降沿結(jié)束時停止將數(shù)據(jù)送入緩存，找到上升沿等于半峰值時刻to的數(shù)據(jù)以及下降沿等于半峰值時刻的數(shù)據(jù)tl，可計算得出半峰值寬度為(tl-tO)。波形上升時間、下降時間、半峰值寬得到以后，在觸發(fā)過程判斷模塊里，這些參數(shù)將與設(shè)定的回?fù)魠?shù)、初始擊穿過程參數(shù)、連續(xù)電流過程參數(shù)、K放電過程參數(shù)、M分量過程參數(shù)、NBE過程參數(shù)進(jìn)行比較，決定是否觸發(fā)相應(yīng)過程的雷電信號波形。
[0085]圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)方法，如圖4所示，該方法包括以下步驟:
[0086]401、寬帶天線模塊接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，將所述光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入信號調(diào)理模塊；
[0087]402、所述信號調(diào)理模塊接收所述寬帶天線模塊傳輸?shù)乃鲭娦盘枺瑢λ鲭娦盘栠M(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0088]403、信號觸發(fā)模塊接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取所述電信號的波性特征，并根據(jù)所述波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器。
[0089]404、方波發(fā)生器接收信號觸發(fā)模塊輸出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生可控的標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號輸出。
[0090]具體的，上述步驟403中提取所述光電磁信號的波性特征，包括:
[0091]判斷所述電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah，若Ah/At大于設(shè)定閾值時，定為開始上升時刻；
[0092]根據(jù)Ah/At的值，判斷Ah/At的極性變化是否到達(dá)峰值；
[0093]判斷所述電信號是否下降，同時計算在At內(nèi)下降高度Ah，若Ah除以At大于設(shè)定閾值時，定為開始下降時刻；
[0094]檢測到峰值以后，找出上升沿到達(dá)半峰值時刻t0，同時找到下降沿到達(dá)半峰值時刻tl，(tl-to)即為半峰值寬度；
[0095]所述電信號的上升時間、下降時間和半峰值寬度即為提取的所述電信號的波性特征。
[0096]上述步驟403中，根據(jù)所述波性特征判斷是否觸發(fā)相應(yīng)過程的雷電信號波形，包括:
[0097]觸發(fā)過程判斷模塊將所述波性特征的參數(shù)與功能設(shè)置單元設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送給多邏輯運(yùn)算單元，以使所述多邏輯運(yùn)算單元對所述比較結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的邏輯關(guān)系，觸發(fā)相應(yīng)過程的雷電信號波形。
[0098]本發(fā)明的系統(tǒng)與方法是--對應(yīng)的，因此方法中一些參數(shù)的計算過程也適用于該系統(tǒng)中計算的過程，在系統(tǒng)中將不再進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0099]本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細(xì)節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對本說明書的理解。
[0100]最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 寬帶天線模塊，用于接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，并將所述光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入到信號調(diào)理模塊； 所述信號調(diào)理模塊，用于接收所述寬帶天線模塊傳輸?shù)碾娦盘?，對所述電信號進(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊； 信號觸發(fā)模塊，包括波形特征提取單元、觸發(fā)過程判斷單元、多邏輯運(yùn)算單元和功能設(shè)置單元，用于接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取所述電信號的波性特征，并根據(jù)所述波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器； 方波發(fā)生器，用于接收信號觸發(fā)模塊輸出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生可控的標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述信號觸發(fā)模塊相連的復(fù)位電路、電源濾波電路、下載電路、外部時鐘電路和sopc片外擴(kuò)展電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括與所述信號觸發(fā)模塊相連的矩陣鍵盤電路模塊和液晶顯示電路模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號觸發(fā)模塊中的所述波形特征提取單元與所述窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，所述觸發(fā)過程判斷單元與所述波形特征提取單元相連，所述多邏輯運(yùn)算單元與所述觸發(fā)過程判斷單元相連，所述功能設(shè)置單元與所述觸發(fā)過程判斷單元相連； 所述觸發(fā)過程判斷模塊，還用于將所述波性特征的參數(shù)與功能設(shè)置單元設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送給多邏輯運(yùn)算單元，以使所述多邏輯運(yùn)算單元根據(jù)對所述比較結(jié)果進(jìn)行分析，判斷是否滿足觸發(fā)條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述波形特征提取單元包括上升時間判斷子單元、尋峰算法子單元、下降時間判斷子單元和半峰值寬度計算子單元，分別提取上升沿時間、下降沿時間和半峰值寬度； 所述尋峰算法子單元與所述上升時間判斷子單元相連，所述下降時間判斷子單元與所述尋峰算法子單元相連，所述半峰值寬度計算子單元與所述下降時間判斷子單元相連； 所述上升時間判斷子單元，用于判斷所述電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah ； 所述尋峰算法子單元，用于繼續(xù)根據(jù)Ah/At的值，判斷Ah/At極性是否變化，從而判斷是否到達(dá)峰值； 所述下降時間判斷子單元，用于判斷所述電信號是否下降，同時計算在At內(nèi)下降高度Ah ； 所述半峰值寬度計算子單元，用于檢測到峰值以后，找出上升沿到達(dá)半峰值時刻to，同時找到下降沿到達(dá)半峰值時刻tl，(tl-tO)即為半峰值寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述觸發(fā)過程判斷單元包括回?fù)粲|發(fā)子單元、初始擊穿放電觸發(fā)子單元、連續(xù)電流觸發(fā)子單元、K放電過程觸發(fā)子單元、M分量觸發(fā)子單元和NBE觸發(fā)子單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述方波發(fā)生器與所述信號觸發(fā)模塊中的多邏輯運(yùn)算單元相連，當(dāng)多邏輯運(yùn)算單元邏輯為真時，輸出信號給方波發(fā)生器，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)信號。
8.一種雷電信號觸發(fā)器觸發(fā)方法，其特征在于，包括: 寬帶天線模塊接收雷電產(chǎn)生的光電磁信號，將所述光電磁信號轉(zhuǎn)化為電信號后輸入信號調(diào)理模塊； 所述信號調(diào)理模塊接收所述寬帶天線模塊傳輸?shù)乃鲭娦盘?，對所述電信號進(jìn)行處理后輸入到窗口比較器模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊； 信號觸發(fā)模塊接收經(jīng)所述窗口比較器和所述A/D轉(zhuǎn)換模塊處理后的電信號，提取所述電信號的波性特征，并根據(jù)所述波性特征在滿足觸發(fā)條件時輸出觸發(fā)信號給方波發(fā)生器；方波發(fā)生器接收信號觸發(fā)模塊輸出的觸發(fā)信號，并產(chǎn)生可控的標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述提取電信號的波性特征，包括: 判斷所述光電磁電信號是否上升，同時計算在At內(nèi)上升高度Ah，若Ah/At大于設(shè)定閾值時，定為開始上升時刻； 根據(jù)Ah/At的值，判斷Ah/At的極性變化是否到達(dá)峰值；判斷所述光電磁電信號是否下降，同時計算在At內(nèi)下降高度Ah，若Ah除以At大于設(shè)定閾值時，定為開始下降時刻； 檢測到峰值以后，找出上升沿到達(dá)半峰值時刻tO，同時找到下降沿到達(dá)半峰值時刻tl, (tl-tO)即為半峰值寬度； 所述光電磁電信號的上升時間、下降時間和半峰值寬度即為提取的所述電信號的波性特征。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括:根據(jù)所述波性特征判斷是否觸發(fā)條件: 觸發(fā)過程判斷模塊將所述波性特征的參數(shù)與功能設(shè)置單元設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果發(fā)送給多邏輯運(yùn)算單元，以使所述多邏輯運(yùn)算單元對所述比較結(jié)果進(jìn)行分析，判斷是否滿足觸發(fā)條件。
【文檔編號】G01R1/28GK104483519SQ201410790422
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】張陽, 呂偉濤, 鄭棟, 王 華 申請人:中國氣象科學(xué)研究院