本實用新型實施例涉及氣象監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

閃電是自然界中的一種超強(qiáng)放電現(xiàn)象，伴隨著瞬間強(qiáng)電流和寬頻帶強(qiáng)電磁輻射，常引起重大的災(zāi)害事故，造成人員和財產(chǎn)的損失。因此對閃電的研究的意義不僅在于擴(kuò)展了人類對自然現(xiàn)象及其內(nèi)在物理規(guī)律的認(rèn)識，也有助于減少相關(guān)災(zāi)害對人類社會生活帶來的損失。閃電放電本身是一個超強(qiáng)的寬帶輻射源，這意味著它能在很寬的頻率范圍內(nèi)對電磁設(shè)備造成干擾。認(rèn)識閃電在各個頻段的電磁輻射特征有助于防雷技術(shù)的發(fā)展。而且，閃電電磁輻射和閃電放電過程發(fā)展特征是閃電研究中非常重要的兩個方面。而這兩個研究方向也都需要根據(jù)研究內(nèi)容的不同對特定頻段的閃電電磁信號進(jìn)行采集和處理。

現(xiàn)有的閃電電磁輻射觀測設(shè)備大多使用采集卡或示波器記錄直接對天線或其他傳感器獲取的閃電信號進(jìn)行數(shù)字化采集。這種觀測方式所能達(dá)到的觀測頻率范圍主要取決于采集設(shè)備的最高采樣率，為了獲取大的頻率觀測范圍往往必須在垂直分辨率和采樣長度方面做出妥協(xié)，同時一味地增加采樣率也會使得觀測受到更多干擾源的影響也難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)完整記錄。也有一些閃電定位設(shè)備使用接收機(jī)將較高頻率的閃電信號檢波后使用。這些設(shè)備中采集裝置的觀測頻率通常為固定值或處于一個非常小的頻率范圍，而且觀測帶寬往往也都為窄帶。隨著科技的發(fā)展，人們使用的電磁信號頻段已經(jīng)逐漸拓寬，而為了弄清閃電這種寬帶輻射源在更廣頻率范圍的電磁輻射特性需要一套能再多頻段觀測可行的采集裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實施例的一個目的是解決現(xiàn)有技術(shù)無法在保證同時滿足大范圍觀測頻率和高抗干擾能力的要求。

本實用新型實施例提出了一種目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)，包括：天線陣列、下變頻模塊和采集器；

所述下變頻模塊分別連接所述天線陣列和所述采集器；

所述天線陣列，用于將感應(yīng)到的目標(biāo)閃電產(chǎn)生的第一預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號傳輸至所述下變頻模塊；

所述采集器，用于在接收到外部輸入的啟動采集指令時，生成第一控制指令，并將控制指令發(fā)送至所述下變頻模塊，以使所述下變頻模塊根據(jù)所述第一控制指令對接收到的電場變化信號進(jìn)行降頻處理；采集并存儲降頻處理后的電場變化信號。

優(yōu)選地，所述采集器包括：第一采集卡和控制器；

所述第一采集卡，用于根據(jù)第一預(yù)設(shè)采樣率采集所述下變頻模塊的降頻處理后的電場變化信號，并將采集到的電場變化信號發(fā)送至控制器；

所述控制器，用于對所述下變頻模塊和所述第一采集卡進(jìn)行運行控制；并對接收到的第一預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號進(jìn)行存儲。

優(yōu)選地，還包括：電場變化傳感器組；

所述電場變化傳感器組，用于將感應(yīng)到的所述目標(biāo)閃電產(chǎn)生的第二預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號傳輸至所述控制器；

相應(yīng)地，所述控制器，還用于對接收到的第二預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號進(jìn)行波形分析，以識別閃電放電的類型。

優(yōu)選地，所述采集器還包括：第二采集卡；

所述第二采集卡，用于根據(jù)第二預(yù)設(shè)采樣率采集所述電場變化傳感器組輸出的電場變化信號，并將采集獲得的電場變化信號傳輸至控制器。

優(yōu)選地，所述下變頻模塊包括：接收機(jī)組和時鐘源；

所述接收機(jī)組分別連接所述天線陣列和所述第一采集卡；所述時鐘源分別連接所述接收機(jī)組和所述第一采集卡；

所述接收機(jī)組，用于接收所述天線陣列傳輸?shù)碾妶鲎兓盘枺邮盏降碾妶鲎兓盘栠M(jìn)行降頻處理；

所述時鐘源，用于根據(jù)接收到的衛(wèi)星時間信息生成時鐘信號，并將時鐘信號傳輸至所述接收機(jī)組和所述第一采集卡，以使所述接收機(jī)組和所述第一采集卡對獲取的信號進(jìn)行時鐘標(biāo)定。

優(yōu)選地，所述接收機(jī)組包括：多個接收機(jī)；

所述多個接收機(jī)，用于在相干信號采集模式下，采用相同的接收頻率對接收到的電場變化信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)降頻；

或者，在多頻點同步采集模式下，采用各自的中心頻率對接收到的電場變化信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)降頻。

優(yōu)選地，還包括：GPS天線和GPS接收機(jī)；

所述GPS接收機(jī)分別連接所述GPS天線和所述控制器；

所述GPS天線，用于接收相應(yīng)衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星信號，并將所述衛(wèi)星信號傳輸至所述GPS接收機(jī)；

所述GPS接收機(jī)，用于根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號向所述時鐘源和所述控制器提供衛(wèi)星時間信息。

優(yōu)選地，所述第一采集卡和所述第二采集卡通過總線與所述控制器連接。

由上述技術(shù)方案可知，本實用新型實施例提出的目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)基于可調(diào)頻的下變頻模塊，使得系統(tǒng)可以使用有限的采用率即可在超寬頻段內(nèi)獲取閃電電磁輻射信號，利用基于閃電地面電場變化信號的閃電識別技術(shù)可以專門針對閃電進(jìn)行觀測，通過調(diào)節(jié)接收機(jī)的觀測中心頻率回避環(huán)境中的電磁干擾，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有頻率觀測范圍大、抗環(huán)境電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本實用新型的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本實用新型進(jìn)行任何限制，在附圖中：

圖1示出了本實用新型一實施例提供的一種目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本實用新型一實施例提供的一種目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)中控制器的工作流程圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。

圖1示出了本實用新型一實施例提供的一種目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖1，該系統(tǒng)包括：

天線陣列、下變頻模塊和采集器；

所述下變頻模塊分別連接所述天線陣列和所述采集器；

所述天線陣列，用于將感應(yīng)到的目標(biāo)閃電產(chǎn)生的第一預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號傳輸至所述下變頻模塊；此處的第一預(yù)設(shè)頻率范圍優(yōu)選為30MHz以上，具體數(shù)值視情況而定。

所述采集器，用于在接收到外部輸入的啟動采集指令時，生成第一控制指令，并將控制指令發(fā)送至所述下變頻模塊，以使所述下變頻模塊根據(jù)所述第一控制指令對接收到的電場變化信號進(jìn)行降頻處理；采集并存儲降頻處理后的電場變化信號。

本實用新型實施例基于可調(diào)頻的下變頻模塊，使得系統(tǒng)可以使用有限的采用率即可在超寬頻段內(nèi)獲取閃電電磁輻射信號，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有頻率觀測范圍大、抗環(huán)境電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。

參見圖1，本實施例中，采集器包括：第一采集卡和控制器；

所述第一采集卡，用于根據(jù)第一預(yù)設(shè)采樣率采集所述下變頻模塊的降頻處理后的電場變化信號，并將采集到的電場變化信號發(fā)送至控制器；

所述控制器，用于對所述下變頻模塊和所述第一采集卡進(jìn)行運行控制；并對接收到的第一預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號進(jìn)行存儲。

參見圖1，本實施例中，還包括：電場變化傳感器組；

所述電場變化傳感器組，用于將感應(yīng)到的所述目標(biāo)閃電產(chǎn)生的第二預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號傳輸至所述控制器；此處的第二預(yù)設(shè)頻率范圍與上述第一預(yù)設(shè)頻率范圍相對應(yīng)，分別對應(yīng)高頻頻率范圍和對應(yīng)低頻頻率范圍，具體數(shù)值視情況而定。相應(yīng)地，所述控制器，還用于對接收到的第二預(yù)設(shè)頻率范圍內(nèi)的電場變化信號進(jìn)行波形分析，以識別閃電放電的類型。

參見圖1，本實施例中，所述采集器還包括：第二采集卡；

所述第二采集卡，用于根據(jù)第二預(yù)設(shè)采樣率采集所述電場變化傳感器組輸出的電場變化信號，并將采集獲得的電場變化信號傳輸至控制器。

參見圖1，本實施例中，所述下變頻模塊包括：接收機(jī)組和時鐘源；

所述接收機(jī)組分別連接所述天線陣列和所述第一采集卡；所述時鐘源分別連接所述接收機(jī)組和所述第一采集卡；

所述接收機(jī)組，用于接收所述天線陣列傳輸?shù)碾妶鲎兓盘?，并對接收到的電場變化信號進(jìn)行降頻處理；

所述時鐘源，用于根據(jù)接收到的衛(wèi)星時間信息生成時鐘信號，并將時鐘信號傳輸至所述接收機(jī)組和所述第一采集卡，以使所述接收機(jī)組和所述第一采集卡對獲取的信號進(jìn)行時鐘標(biāo)定。

參見圖1，本實施例中，所述接收機(jī)組包括：多個接收機(jī)；

所述多個接收機(jī)，用于在相干信號采集模式下，采用相同的接收頻率對接收到的電場變化信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)降頻；

或者，在多頻點同步采集模式下，采用各自的中心頻率對接收到的電場變化信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)降頻。

參見圖1，本實施例中，還包括：GPS天線和GPS接收機(jī)；

所述GPS接收機(jī)分別連接所述GPS天線和所述控制器；

所述GPS天線，用于接收相應(yīng)衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星信號，并將所述衛(wèi)星信號傳輸至所述GPS接收機(jī)；

所述GPS接收機(jī)，用于根據(jù)接收到的衛(wèi)星信號向所述時鐘源和所述控制器提供衛(wèi)星時間信息。

參見圖1，本實施例中，所述第一采集卡和所述第二采集卡通過總線與所述控制器連接。

下面對本系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行實例說明：

天線陣列負(fù)責(zé)接收目標(biāo)閃電的寬頻帶信號，根據(jù)觀測需要的不同有相應(yīng)的頻率范圍及陣列形狀組合。相干信號采集模式下天線陣列一般設(shè)置為邊長10m以上的正方形，或根據(jù)架設(shè)地點的實際情況調(diào)整為規(guī)則的四邊形；在多頻點同步采集模式下陣列可根據(jù)需要使用不同頻段的天線，布設(shè)方式根據(jù)架設(shè)場地的實際條件架設(shè)為邊長10左右的四邊形即可。

下變頻模塊將天線陣列獲取的信號轉(zhuǎn)換為中心頻率21.4MHz，帶寬22MHz的中頻信號。接收機(jī)組中各接收機(jī)的接收頻率在20MHz-3000MHz之間可動態(tài)調(diào)。相干信號采集模式下各路接收機(jī)使用相同的接收頻率，多頻點同步采集模式下接收機(jī)可使用不同的中心頻率。接收機(jī)的信號增益可以在50dB范圍內(nèi)調(diào)整。接收機(jī)組中的每個接收機(jī)都配有獨立的本振源。這些本振源都使用系統(tǒng)內(nèi)的高穩(wěn)定時鐘源作為外部時鐘源。在相干信號采集模式下，所有接收機(jī)公用一個接收機(jī)的本振源；在多頻點同步觀測模式下所有接收機(jī)都使用各自的本振源?？烧{(diào)頻接收機(jī)的使用，使得系統(tǒng)可以使用有限的A/D采樣率在超寬頻段內(nèi)獲取閃電電磁輻射信息，并且有利于規(guī)避某些頻段的固有電磁干擾，并且相比于提高采樣率獲得的寬帶觀測降低了數(shù)據(jù)量，便于實現(xiàn)閃電輻射的連續(xù)完整記錄。

電場變化傳感器組包含一個頻響范圍1Hz～500kHz以及一個1kHz～6MHz的電場變化傳感器。這兩路信號的波形特征可提供給采集器以識別閃電放電的類型如云閃、地閃。

可理解的是，若采集器識別出采集到的信號為非閃電的信號，則系統(tǒng)執(zhí)行重新采集的步驟。

系統(tǒng)使用的A/D數(shù)據(jù)采集卡都具有14bits垂直分辨率、分別使用250MHz和20MHz的采樣率對接收機(jī)與電場變化傳感器的輸出信號進(jìn)行采集，使用PCI-E總線與控制器連接，采樣深度均可達(dá)到1s，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無間隔連續(xù)采集。

系統(tǒng)由GPS系統(tǒng)授時，并使用穩(wěn)定度為0.01ppm的高穩(wěn)定度時鐘作為下變頻接收機(jī)與GPS接收機(jī)的時鐘源。授時精度優(yōu)于100ns。

控制器為一臺高性能計算機(jī)，負(fù)責(zé)接收機(jī)模塊與數(shù)據(jù)采集卡的運行控制與獲取數(shù)據(jù)的分析、存儲。

圖2示出了本實用新型一實施例提供的一種目標(biāo)閃電電場變化信號采集系統(tǒng)中控制器的工作流程圖，下面參見圖2對控制器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明：

步驟一、在接收到外部設(shè)備輸入的啟動指令時，開始運行；

步驟二、預(yù)處理，對上述實施例中接收機(jī)的信號轉(zhuǎn)換和采集卡的采樣率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

步驟三、向采集卡發(fā)送控制指令，以使采集卡開始采集數(shù)據(jù)，并控制采集的數(shù)據(jù)流入緩沖區(qū)；

需要說明的是，步驟三中采集的數(shù)據(jù)包括：下變頻模塊傳輸?shù)慕殿l后的電場變化信號以及電場變化傳感器組傳輸?shù)牡孛骐妶鲎兓盘枺?/p>

步驟四、從采集到的數(shù)據(jù)中提取部分?jǐn)?shù)據(jù)段，并對提取出的數(shù)據(jù)段進(jìn)行波形分析，以根據(jù)波形特征是否存在閃電信號，若是，則將該部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行列隊；若否，則再次提取數(shù)據(jù)段；

步驟五、對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，以判斷在步驟四的提取后，是否還有數(shù)據(jù)，若有，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

下面對上述步驟進(jìn)行實例說明：

實例一：甚高頻段(30～300MHz)相干信號采集

系統(tǒng)使用四支相同的寬帶盤錐天線構(gòu)成天線陣列(參見圖1中的天線A1、天線A2、天線A3和天線A4)，配備電場變化傳感器。天線陣列的陣元間距設(shè)定為10m。使用相同長度的低損同軸電纜將天線陣列接入電調(diào)下變頻接收機(jī)模塊，將電場變化傳感器接入采集卡。為了尋找適合觀測的頻段，系統(tǒng)開始通過采集控制程序從30MHz開始調(diào)節(jié)接收機(jī)的中心頻率，以1MHz為步長直至300MHz。對架設(shè)地點的電磁環(huán)境觀測完畢后，在適于觀測的頻段中選取一個感興趣的區(qū)間進(jìn)行觀測。閃電發(fā)生時，采集程序會根據(jù)電場變化傳感器與天線陣列信號的波形特征進(jìn)行判斷。發(fā)現(xiàn)閃電事件發(fā)生時，系統(tǒng)自動對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

實例二：多頻點同步觀測

系統(tǒng)使用四支不同的天線覆蓋四個需要觀測的頻段。使用相同長度的低損同軸電纜將天線陣列接入電調(diào)下變頻接收機(jī)模塊，將電場變化傳感器接入采集卡。為了尋找適合觀測的頻段，系統(tǒng)開始通過采集控制程序控制接收機(jī)根據(jù)各自連接天線的帶寬范圍掃描電磁環(huán)境。對架設(shè)地點的電磁環(huán)境觀測完畢后，在每路信號適于觀測的頻段中選取一個感興趣的區(qū)間進(jìn)行觀測。閃電發(fā)生時，采集程序會根據(jù)電場變化傳感器與天線陣列信號的波形特征進(jìn)行判斷。發(fā)現(xiàn)閃電事件發(fā)生時，系統(tǒng)自動對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

本實用新型的各個部件實施方式可以以硬件實現(xiàn)，或者以在一個或者多個處理器上運行的軟件模塊實現(xiàn)，或者以它們的組合實現(xiàn)。本系統(tǒng)中，PC通過實現(xiàn)因特網(wǎng)對設(shè)備或者裝置遠(yuǎn)程控制，精準(zhǔn)的控制設(shè)備或者裝置每個操作的步驟。應(yīng)該注意的是上述實施方式對本實用新型進(jìn)行說明而不是對本實用新型進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計出替換實施方式。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號之間的任何參考符號構(gòu)造成對權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本實用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的計算機(jī)來實現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件項來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。

雖然結(jié)合附圖描述了本實用新型的實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。