專利名稱：數(shù)字式雷電探測方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷電探測領(lǐng)域，涉及雷電探測方法及其裝置，特別是數(shù)字式雷電探測方法及其裝置。它是一種以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的，具有靈活調(diào)整能力的數(shù)字式雷電探測方法及裝置。其適用于大區(qū)域范圍的雷電探測。
背景技術(shù)：
眾所周知，雷電發(fā)生時會產(chǎn)生強大的聲、光、電信號，其中聲和光信號由于其自身的特性，作用距離短，不適用于遠距離大區(qū)域雷電探測。然而，雷電活動所產(chǎn)生的電磁輻射場，尤其是主能量集中的低頻/甚低頻段的電磁輻射場，其產(chǎn)生的電磁輻射波可沿地球表面?zhèn)鞑?shù)百公里或更遠?，F(xiàn)有的雷電探測方法及裝置通常是檢測雷電活動所產(chǎn)生的低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應(yīng)的電磁感應(yīng)信號。據(jù)申請人所知，現(xiàn)代雷電探測技術(shù)始于二十世紀七十年代末，由美國科學(xué)家Martin A. Uman和E. Philip Krider教授提出并實現(xiàn)的，隨后該技術(shù)在美國、中國、法國、德國迅速發(fā)展，研究和實驗證明，準(zhǔn)確區(qū)分雷電活動中的云閃和地閃是雷電探測技術(shù)方法的關(guān)鍵。據(jù)申請人所知，目前所公開的用于區(qū)分云閃和地閃的識別判據(jù)有時間判別法，即檢測輸入信號的主峰由參考零點到峰值點的時間，因為云閃電檢信號具有短暫的上升時間；雙極性測試法，即與第一峰相比較，后續(xù)相反極性波峰的峰值偏大，則被判定為云閃；另一種方法是同極性測試法，即存在與第一峰極性相同的后續(xù)峰，且后續(xù)峰峰值偏大，則被判定為云閃。如果所輸入的感應(yīng)信號不滿足上述判定則將被假定為地閃雷電信號。但是，即使綜合利用上述判據(jù)，仍然存在地閃雷電信號被錯誤的判定。
申請人在研究中發(fā)現(xiàn)，利用上述這些方法實現(xiàn)的雷電探測方法及裝置，就是利用判據(jù)組建一種雷電信號識別數(shù)學(xué)模型，其實現(xiàn)方法一般是采用模擬信號處理或者模擬與數(shù)字信號混合處理實現(xiàn)的，其特點是雷電信號識別模型和處理系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為簡單，基本上能夠滿足多站系統(tǒng)同時監(jiān)測雷電要求。其不足之處是1、判據(jù)復(fù)雜時實現(xiàn)困難，對云閃、地閃的區(qū)分率相對低，在只接受地閃的探測系統(tǒng)中還可能影響探測效率；2、電路設(shè)計定型以后，雷電信號識別模型不便于根據(jù)使用情況的改變而改變或調(diào)整，從而造成部分不滿足預(yù)定判據(jù)條件的真雷電信號丟失，由此降低了探測裝置的接受效率；3、模擬電路存在固有的不穩(wěn)定性，隨著工作時間的延長會造成其內(nèi)部參數(shù)發(fā)生漂移；4、存在"寂靜時間"，模擬器件需要利用跟蹤和保持電路來檢測預(yù)選電檢信號、捕獲有用電檢信號、并完成對電檢信號特征的分析，在這一狀態(tài)中通常無法及時響應(yīng)后續(xù)信號。
中國專利文獻03808337. X閃電探測和數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)，其描述了一種可檢測雷電活動所產(chǎn)生的低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應(yīng)的電磁感應(yīng)信號的雷電探測器。它利用天線的導(dǎo)數(shù)特性和非線性放大器實現(xiàn)云閃和地閃振幅的調(diào)整和壓縮，降低了輸入信號的動態(tài)范圍。再利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱ADC)，從輸入端將信號進行了數(shù)字化采樣編碼，實現(xiàn)了由模擬判別向數(shù)字判別的進步，消除了以往硬件系統(tǒng)存在的固有的寂靜時間問題。該中國專利文獻描述的雷電信號探測器是用數(shù)字信號處理器(簡稱DSP)作為系統(tǒng)平臺，利用計算機程序語言描述雷電信號識別數(shù)學(xué)模型，并在DSP上實現(xiàn)雷電信號識別模型及其信號處理，具有可編程特性，相對于以往探測方法及裝置難以實現(xiàn)的復(fù)雜判據(jù)而言，其能夠通過計算機程序語言在DSP內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)平臺所要求的復(fù)雜模型，但其缺陷在于1、要實現(xiàn)復(fù)雜模型，需要進行大量的運算處理，有時不得不運用復(fù)雜算法，才能獲得較為真實的結(jié)果，但運用復(fù)雜算法時將會占用DSP龐大的資源，降低系統(tǒng)性能，影響信號響應(yīng)和處理速度，存在數(shù)據(jù)丟棄風(fēng)險和信號響應(yīng)暫停的可能。2、其所描述的用戶可選擇判據(jù)，是僅針對云閃判據(jù)或是地閃判據(jù)的選擇，從而僅獲取地閃數(shù)據(jù)或者云閃數(shù)據(jù)或者是兩種數(shù)據(jù)全部獲取，其識別判據(jù)依然是固定的，不能夠針對實際情況對判據(jù)進行實時修正或擴充，存在局限性。3、該專利所描述的探測器具有數(shù)據(jù)壓縮和十選一技術(shù)，但其所獲得的數(shù)據(jù)僅包含能夠判定雷電類型特征數(shù)據(jù)，不具備全波形數(shù)據(jù)的記錄和傳輸能力。4、其特征數(shù)據(jù)不具備本地離線存貯功能。
中國專利97109239.7 "雷電電磁波到達時刻的探測方法"，公開了一種雷電電磁波特征頻段的時間標(biāo)定法，但其具體的實現(xiàn)方式是采用模擬濾波器對雷電電磁波進行帶通濾波，存在一定的時間漂移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出數(shù)字式雷電探測方法及其裝置，實現(xiàn)地閃雷電信號全數(shù)字的準(zhǔn)確實時識別，實現(xiàn)識別模型的靈活調(diào)整，并實現(xiàn)信號特征數(shù)據(jù)和全波形數(shù)據(jù)的同步數(shù)字處理和存儲。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種數(shù)字式雷電探測方法，包括使用接收地閃雷電放電時產(chǎn)生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，并用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據(jù)，其特征在于，步驟如下
1. 由天線感應(yīng)接收地閃雷電放電時產(chǎn)生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，并產(chǎn)生對應(yīng)的電檢信號；
2. 對上述電檢信號進行調(diào)理；
3. 將調(diào)理后的電檢信號進行數(shù)字化處理，產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)字信號；
4. 對上述數(shù)字信號進行數(shù)字濾波；
5. 建立統(tǒng)一的時間標(biāo)尺；
6. 結(jié)合雷電電磁輻射波形的傳輸特征，并用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據(jù)，構(gòu)建數(shù)字化地閃雷電信號識別模型；7. 建立時間窗預(yù)處理區(qū)，記錄在此時間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)峰值和極性，記錄此峰值對應(yīng)的時間點，獲取輸入的數(shù)字信號的發(fā)展趨勢和對應(yīng)的典型參數(shù)；
8. 結(jié)合時間窗中的數(shù)據(jù)，用數(shù)字化地閃雷電信號識別模型對輸入的數(shù)字信號進行參數(shù)計算及判定。
9. 根據(jù)判定結(jié)果確定輸入的數(shù)字信號類型及產(chǎn)生此輸入的數(shù)字信號的雷電放電類型；
10. 根據(jù)判定結(jié)果及輸入的數(shù)字信號類型，計算并產(chǎn)生能夠確定此輸入的數(shù)字信號類型的多種特征數(shù)據(jù)和此輸入的數(shù)字信號的參考時間數(shù)據(jù)；
11. 對上述輸入的數(shù)字信號的特征數(shù)據(jù)和參考時間數(shù)據(jù)以及此輸入的數(shù)字信號對應(yīng)的全波形數(shù)據(jù)進行編碼存儲；
12. 利用通信通道傳送己編碼的數(shù)據(jù)。
上述數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于構(gòu)建數(shù)字化地閃雷電信號識別模型的具體方法
根據(jù)地閃雷電電磁輻射波的特征，及其在傳播過程中的變化特征確定雷電波形信號的上升參考時間^，下降參考時間G,先導(dǎo)參考時間/3，反向過沖參考時間^，再確定雷電波形信號
的參考閾值g，并且建立雷電波形信號主峰峰值a寄存器和極性寄存器，建立后續(xù)峰值寄存
器和極性寄存器，后續(xù)峰簡稱次峰，建立同極性次峰最大峰值比較器和最大峰值a寄存器，建立先導(dǎo)峰值a寄存器和極性寄存器，建立反向過沖峰值^寄存器，建立上述峰值和極性的
相關(guān)比較關(guān)系，即a〉g， a〉a， a〉a， Ip,I〉IaI， ^極性=/ 3極性，從而建立了基本的數(shù)字化地閃雷電信號識別模型；所輸入的數(shù)字信號在滿足上述所述的參考時間、相應(yīng)的峰值和極性關(guān)系后，可初步判定為地閃雷電信號。
上述數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于整個地閃雷電信號識別模型的構(gòu)建及信號處理過程是采用硬件描述語言VERIL0G程序；在整個地閃雷電信號識別模型的構(gòu)建中，所述的參考時間、峰值和極性的比較關(guān)系是可編程的，是可在使用過程中，根據(jù)使用者的需要進行靈活調(diào)整和進一步擴充的。
上述數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于，所述的時間窗、數(shù)字信號的判別和計算處理是釆用了并行流水線處理方法。
上述數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于所述的特征數(shù)據(jù)計算和參考時間數(shù)據(jù)計算是利用匯編語言和計算機程序語言C語言實現(xiàn)的；數(shù)字全波形編碼存儲采用高速直接讀取方法進行。
實現(xiàn)上述數(shù)字式雷電探測方法的數(shù)字式雷電探測裝置，包括天線、信號調(diào)理器，其特征在于由天線，信號調(diào)理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC，地閃雷電信號識別模型模塊，系統(tǒng)控制管理器，輔助控制管理器，通信接口，外部存儲器及時鐘組成；系統(tǒng)控制管理器采用的是數(shù)字信號處理器，簡稱DSP;輔助控制管理器采用復(fù)雜可編程邏輯器件，簡稱CPLD;外部存
儲器采用的是大容量并行高速靜態(tài)存儲器，簡稱SRAM;天線設(shè)有接收雷電電磁場輻射電磁波信號的輸入端，天線的輸出端與信號調(diào)理器的輸入端相連，信號調(diào)理器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與地閃雷電信號識別模型模塊的數(shù)據(jù)輸入端相連；模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時鐘輸入端與地閃雷電信號識別模型模塊的時鐘輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模塊的時鐘輸入端與時鐘的輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模塊通過數(shù)據(jù)和地址總線分別與系統(tǒng)控制管理器和輔助控制管理器相連；系統(tǒng)控制管理器通過數(shù)據(jù)和地址總線與輔助控制管理器相連，并且通過數(shù)據(jù)和地址總線與外部存儲器相連；地閃雷電信號識別模型模塊、系統(tǒng)控制管理器、輔助控制管理器和外部存儲器之間的控制輸入輸出端分別通過各自的控制總線相連；系統(tǒng)控制管理器的通信輸入輸出口分別與通信接口的內(nèi)側(cè)輸入輸出口相連；通信接口外側(cè)的輸入輸出口與外界通信網(wǎng)相連。
上述數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于所述的地閃雷電信號識別模型模塊采用的是現(xiàn)場可編程門陣列器件，簡稱FPGA; FPGA采用被動配置工作模式；內(nèi)部連接均采用的是并行同歩總線方式連接；FPGA內(nèi)部邏輯區(qū)是由波形預(yù)處理器、地閃雷電信號識別模型、雷電信號波形先入先出緩存器，簡稱FIF0、波形編碼器、波形特征值寄存器陣列、時鐘電路、時標(biāo)信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)接口電路組成；波形預(yù)處理器的輸入端與FPGA的數(shù)據(jù)輸入端相連；波形預(yù)處理器的輸出端與地閃雷電信號識別模型的輸入端相連地閃雷電信號識別模型的輸出端與波形特征值寄存器陣列的輸入端相連；波形特征值寄存器陣列的輸出端與數(shù)據(jù)接口電路的輸入端相連；波形編碼器的輸入端與FPGA的數(shù)據(jù)輸入端相連；波形編碼器的輸出端與FIFO的輸入端相連；FIFO的輸出端與數(shù)據(jù)接口的輸入端相連；數(shù)據(jù)接口的輸出端通過FPGA上的地址與數(shù)據(jù)總線與外界相連；時鐘的輸入端與FPGA的時鐘輸入端相連；時鐘電路輸出端分別與FPGA的時鐘輸出端、波形預(yù)處理器、地閃雷電信號識別模型、波形編碼器、時標(biāo)信號發(fā)生器的時鐘輸入端相連；時標(biāo)信號發(fā)生器的輸出端與波形編碼器的時標(biāo)信號輸入端相連。
上述數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于還包括大容量非易失性存儲器和系統(tǒng)控制管理器控制的自檢系統(tǒng)；大容量非易失性存儲器是一種高速并行存儲器；自檢系統(tǒng)是由高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器簡稱DAC、自檢信號發(fā)生器、電子開關(guān)及系統(tǒng)控制管理器組成；系統(tǒng)控制管理器的自檢信號輸出端與DAC的輸入端相連；DAC的輸入端與自檢信號發(fā)生器的輸入端相連；自檢信號發(fā)生器的輸出端與電子開關(guān)的輸入端相連；電子開關(guān)的輸出端輸出與天線的模擬信號輸入端相連。
上述數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于所述的信號調(diào)理器是由前置放放大器、低通濾波器、積分器、高通濾波器、差分變換器組成；前置放大器的輸入端與信號調(diào)理器的信號輸入端相連；前置放大器的輸出端與低通濾波器的輸入端相連；低通濾波器的輸出端與積分器的輸入端相連；積分器的輸出端與高通濾波器的輸入端相連；高通濾波器的輸出端與差分變換器的輸入端相連；差分變換器的輸出端入信號調(diào)理器的輸出端相連；信號調(diào)理器中所采用的運算放大器均采用超低噪聲運算放大器，信號調(diào)理器輸出的信號為差分信號。上述數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于所述的時鐘由高穩(wěn)定的、精度為土O. lppm的溫補晶振和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)組成，并建立有時鐘誤差修正的控制器。
本發(fā)明的優(yōu)點是，構(gòu)思新穎、設(shè)計合理、性能穩(wěn)定，提供了一種基于可編程門陣列的全數(shù)字化雷電波形識別方法和一種地閃雷電信號特征數(shù)據(jù)及全波形數(shù)據(jù)獲取方法和裝置。通過DSP、 CPLD和FPGA組合運用，實現(xiàn)了地閃雷電信號識別模型的完全可編程性，并具有可再配置能力，可針對要求靈活調(diào)整地閃雷電信號識別模型，以提高雷電信號的識別能力和類型區(qū)分能力。通過預(yù)處理區(qū)的建立，可預(yù)先了解輸入信號的趨勢和典型特征，為后續(xù)地閃雷電信號識別模型提供參考，可進一步提高信號判別能力。運用本發(fā)明所述的方法，雷電探測裝置具有高效的運行管理和響應(yīng)能力，能進行海量數(shù)據(jù)的實時處理和多種特征數(shù)據(jù)的計算，實現(xiàn)雷電信號特征信號和全波形數(shù)據(jù)的處理和記錄，即使運用復(fù)雜識別模型以及面對密集數(shù)據(jù)處理吋，系統(tǒng)亦能有良好的表現(xiàn)。本發(fā)明裝置，具有豐富的數(shù)據(jù)接口，可根據(jù)使用者需要進行功能擴展。此外，本發(fā)明裝置具有高速通信網(wǎng)絡(luò)接口，可實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)網(wǎng)。


圖1、本發(fā)明的實現(xiàn)方法框圖
圖2、典型的地閃波形示意圖
圖3、本發(fā)明的裝置原理框圖
圖4、本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖5、本發(fā)明的裝置的最佳實施例結(jié)構(gòu)示意圖 .
具體實施例方式
下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。
如圖1所示，其所描繪的是本發(fā)明方法中所需要實現(xiàn)的功能框圖，其中，l為接收雷電活動所產(chǎn)生的低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應(yīng)的電磁感應(yīng)信號，并將電磁感應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為能夠進行調(diào)理的電信號；2為輸入的電信號進行模擬信號調(diào)理，調(diào)理方法包括首先對微弱的電信號進行放大，然后對放大后的電信號進行低通濾波，以去除信號中的高頻噪聲以提高信號的信噪比，進一步對輸入信號進行積分變換，把感應(yīng)而來的微分信號還原為真實信號，積分后的信號將進行高通濾波，去除不必要的低頻噪聲信號，經(jīng)過高通濾波處理的信號在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前將進行差分變換，進一步提高模數(shù)轉(zhuǎn)換前的信號的抗干擾能力；3為對輸入的差分模擬信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)化。4為數(shù)字濾波，進一步消除或降低噪聲對所關(guān)心的信號的干擾。
圖1中，5為建立統(tǒng)一的時間標(biāo)尺，時間標(biāo)尺的精度達到0. lus單位，本發(fā)明中，所有的數(shù)字處理和識別過程均是基于這一時間標(biāo)尺進行的。時間標(biāo)尺的發(fā)生源是基于高精度、高穩(wěn)定度晶振和GPS秒脈沖實現(xiàn)。利用時鐘誤差補償計算方法對時間標(biāo)尺進行誤差修正，這一補償方法是基于連續(xù)的計數(shù)和平均算法實現(xiàn)的。
圖1中，6為構(gòu)建地閃雷電信號識別模型，地閃雷電信號識別模型是一種數(shù)學(xué)模型，通
9過多種參數(shù)和條件的設(shè)定來建立。這些參數(shù)參照圖2中所示，包括上升參考時間/,、下降參考時間^、先導(dǎo)參考時間g、反向過沖參考時間"、參考閾值g，信號主峰峰值a，次峰最大峰值a，先導(dǎo)峰值a，反向過沖峰值a。利用verilog語言建立上述峰值參數(shù)寄存器，并建立上述參數(shù)的相關(guān)條件，即a >g， A >p2 ， A > A , I a I 〉 I a i ， a極性=p3極性和時間對比條件。數(shù)字信號在進入模型后， 一旦存在高于閾值g的信號后，模型將結(jié)合時間窗預(yù)處理7的數(shù)據(jù)進一步精確確定輸入信號的各個峰值特征點，并標(biāo)記各個峰值特征點的時間點和幅值數(shù)據(jù)。
圖1中，7為一種時間窗預(yù)處理，是對數(shù)字濾波后的數(shù)字信號在進入模型的參數(shù)計算和判定之前進行的一種信號預(yù)處理，是建立一段固定長度的時間窗口，時間窗是連續(xù)不斷的隨時間向前移動，并且持續(xù)計算并記錄這一端時間內(nèi)的信號峰值數(shù)據(jù)和極性數(shù)據(jù)，判斷信號的發(fā)展趨勢，為地閃雷電信號識別模型提供參考數(shù)據(jù)。時間窗預(yù)處理方法也是利用verilog語言進行描述并建立的。
圖l中，8為信號的參數(shù)計算和參數(shù)判定，9為信號類型和雷電活動類型判定，這兩部分均為地閃雷電信號識別模型的一個處理過程。信號輸入后，針對信號各個數(shù)字樣本點計算出圖2中所示的各個參數(shù)的數(shù)值，并根據(jù)判據(jù)判定參數(shù)是否滿足所設(shè)定的條件， 一旦參數(shù)計算結(jié)果和參數(shù)判定結(jié)構(gòu)滿足模型所設(shè)定的條件，則類型判定9將會給出類型確認信號。
圖1中，io為進行特征參數(shù)計算和參考時間的計算。在收到類型判定9給出的確認信號后，其將會立即讀取參數(shù)計算和判定8中的全部計算結(jié)構(gòu)和波形數(shù)據(jù)，并計算出能夠表征型號類型的全部特征參數(shù)。
圖1中，ll為數(shù)據(jù)編碼和存儲，對已經(jīng)計算好的特征參數(shù)和對應(yīng)的全波形數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼操作，以便區(qū)分不同雷電過程的數(shù)據(jù)。編碼后的這些數(shù)據(jù)進行存儲。
圖l中，12為數(shù)據(jù)輸出，上述以編碼的全部數(shù)據(jù)可通過通信接口進行數(shù)據(jù)輸出。
如圖2所示，其所描繪的是典型的地閃波形示意圖，其中^為一次地閃雷電活動中主峰峰值，a為后續(xù)峰值中幅值最大的峰值，^為主峰前先導(dǎo)過程的峰值，a為反向過沖峰值。^為主峰的上升時間，/2為主峰后的下降時間，g為主峰前具有參考意義的先導(dǎo)發(fā)生時間段，^為具有參考意義的反向過沖發(fā)生的時間段，g為參考閾值線。在地閃雷電信號識別模型的
構(gòu)建中，上述峰值和時間段是作為模型的主要判據(jù)。結(jié)合地閃雷電電磁輻射波的特征，及其在傳播過程中的變化特征可確定上述峰值之間的關(guān)系以及對應(yīng)的時間關(guān)系等數(shù)據(jù)。
如圖3所示，本發(fā)明的裝置——數(shù)字式雷電探測裝置是由天線13、信號調(diào)理器14、模數(shù)轉(zhuǎn)換器15、地閃雷電信號識別模型模塊16、系統(tǒng)控制管理器17、輔助控制管理器18、外部存儲器21、時鐘20、通信接口22組成。其中，天線13的輸入端接收電磁場輻射信號，其輸出端與信號調(diào)理器14的輸入端相連,信號調(diào)理器14的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器15的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器15的輸出端與地閃雷電信號識別模型模塊16的數(shù)據(jù)輸入端相連；地閃雷電信號識別模型模塊16的時鐘輸入端與時鐘20的時鐘輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模塊16通過數(shù)據(jù)和地址總線19分別與系統(tǒng)控制管理器17和輔助控制管理器18相連；地閃雷電信號識別模型模塊16的控制輸入輸出端與系統(tǒng)控制管理器17的控制輸入輸出端相連；系統(tǒng)控制管理器17通過數(shù)據(jù)和地址總線19與輔助控制管理器18相連，并且通過數(shù)據(jù)和地址總線19與外部存儲器21相連；系統(tǒng)控制管理器17的通信輸入輸出口分別與通信接口 22的內(nèi)側(cè)輸入輸出口相連，通過通信接口 22外側(cè)的輸入輸出口實現(xiàn)與外界通信網(wǎng)相連。
其中，天線13是一種微分天線，并具有較寬的頻帶響應(yīng)，其中包括雷電信號所對應(yīng)的低頻/甚低頻頻段。天線13將所獲取的信號Sl送入信號調(diào)理器14。信號調(diào)理器14內(nèi)部包含有多級模擬信號處理器，分別對信號S1進行放大、低通濾波、積分、高通濾波和差分調(diào)制，并將信號Sl調(diào)整到適合的動態(tài)范圍內(nèi)。信號調(diào)理器14將已調(diào)理的信號S2送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器15內(nèi)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器15可以以高速采樣率和高精度方式對信號S2進行數(shù)字化編碼，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號S3。需要說明的是，本發(fā)明的裝置中，均采用多路通道并行方式，可同時實現(xiàn)多路信號同步輸入輸出。信號S3是多路高精度并行數(shù)字信號。信號S3被送入地閃雷電信號識別模型模塊16。地閃雷電信號識別模型模塊16就是本發(fā)明的方法中所述的識別模型的實現(xiàn)載體，其建立有多組信號識別條件和輔助信號處理器，并結(jié)合時鐘20的時鐘信號，在識別平臺內(nèi)建立有統(tǒng)一的時間標(biāo)尺，所輸入信號在這里將以流水線方式，并根據(jù)所設(shè)定的判別條件和方法逐一進行處理。識別平臺內(nèi)建有專門的波形記錄緩存區(qū)FIFO，可同步記錄波形數(shù)據(jù)。在識別出有效數(shù)據(jù)后，地閃雷電信號識別模型模塊16將給出確認中斷信號至系統(tǒng)控制管理器17。隨后系統(tǒng)控制管理器17將通過數(shù)據(jù)和地址總線19讀取信號特征數(shù)據(jù)，并且控制輔助控制管理器18讀取信號波形數(shù)據(jù)至外部緩存器21,系統(tǒng)控制管理器17在對信號特征數(shù)據(jù)處理后也將處理后的數(shù)據(jù)寫入外部緩存器21。隨后，系統(tǒng)控制管理器17將處理后的數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)從外部緩存器21中讀出并通過通信接口 22將數(shù)據(jù)送出。
如圖4所示，是根據(jù)上述裝置原理設(shè)計實現(xiàn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，天線13包括南北磁場天線NS、東西磁場天線EW和電場天線EO三種接收天線，這三種天線分別接收雷電信號對應(yīng)的特征分量并分別輸出以上三路信號。接收天線與高精度前置放大器23相連。高精度前置放大器23具有三路運算放大器，高精度前置放大器23對接收天線輸出的三路微弱信號進行放大處理，高精度前置放大器23所選用的運算放大器為高精度極低噪聲高速運放，其對經(jīng)過它放大的信號影響極小，并能確保輸入信號的良好頻率響應(yīng)特性。高精度前置放大器23的輸出端與低通濾波器24的輸入端相連，低通濾波器24具有三路低通濾波器，低通濾波器24設(shè)定為特定的頻率范圍，以去除信號中高頻分量，以提高信號的信噪比。，低通濾波器24的輸出端與積分器25的輸入端相連。積分器25具有三路積分器，積分器25可將接收天線輸入的微分信號還原為真實信號。積分器25的輸出端與高通濾波器26的輸入端相連，高通濾波器26具有三路高通濾波器，高通濾波器26設(shè)定為特定頻率范圍，以去除信號中不必要的低頻分量，例如工頻信號和低頻噪聲，以提高信號的信噪比。需要表明的是，上述濾波及積分器件所用的運算放大器均為高精度極低噪聲高速運算放大器，其中積分運算放大器也是高輸入阻抗和低偏執(zhí)電流的運算放大器。高通濾波器26的輸出端與差分變換器27的輸入端相連，差分變換器27具有三路差分變換器，差分變換器27將單端的輸入信號轉(zhuǎn)換為差分信號，以提高信號的抗千擾能力，方便實現(xiàn)高精度采樣。經(jīng)過上述處理后的輸入信號將被限定在一定的動態(tài)范圍內(nèi)，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器15 (簡稱ADC)輸入范圍的要求。差分變換器27的輸出端與ADC的輸入端相連，ADC具有三組變換器，本發(fā)明中采用的是ADC是高采樣率的12位精度的ADC。 ADC將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，便將三路12位數(shù)字信號并行送入地閃雷電信號識別模型模塊16，地閃雷電信號識別模型模塊16是基于FPGA建立的，并且地閃雷電信號識別模型以及PPGA內(nèi)部功能的實現(xiàn)是有VERIL0GA硬件描述語言構(gòu)建并實現(xiàn)的。
如圖4所示，地閃雷電信號識別模型模塊16內(nèi)部主要包括波形預(yù)處理器28、地閃雷電信號識別模型29、雷電信號波形先入先出緩存器31 (簡稱FIF0)、波形編碼器30、波形特征值寄存器陣列32、時鐘電路33、時標(biāo)信號發(fā)生器34、數(shù)據(jù)接口電路35。在這里，地閃雷電信號識別模型模塊16主要功能是快速準(zhǔn)確識別輸入信號類型，并對被確定為地閃雷電信號的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)計算，并記錄對應(yīng)雷電信號的波形數(shù)據(jù)。
需要進一步說明的是，在本發(fā)明中，F(xiàn)PGA的工作模式為被動工作模式，利用了雷電探測的遠程智能升級裝置和方法。通過利用這-方法及裝置，可實現(xiàn)地閃雷電信號識別模型模塊29的遠程智能升級，可根據(jù)應(yīng)用結(jié)果和使用需要，對FPGA進行調(diào)整或改進，從而可進一步提高對地閃雷電信號的識別率。
FPGA的工作方法(流程)是，ADC輸出的三路數(shù)字信號在進入FPGA內(nèi)后將被分為兩組。其中一組保持原有三路數(shù)字信號并進入波形預(yù)處理器28，波形預(yù)處理器28對輸入信號進行掃描，判斷信號趨勢，其處理時間窗口長度是根據(jù)識別條件而設(shè)定的，并根據(jù)識別模型需要的特征條件對處于時間窗口內(nèi)的信號進行特征標(biāo)記或記錄。時間窗口是連續(xù)的對信號進行選取的。經(jīng)過預(yù)處理的信號隨即進入地閃雷電信號識別模型29中，在29內(nèi)部，是根據(jù)地閃雷電信號判別方法設(shè)計的硬件識別邏輯，其結(jié)合28所記錄的數(shù)據(jù)對輸入信號進行綜合實時判別， 一旦輸入信號滿足設(shè)定，識別模型便將所計算的信號數(shù)據(jù)寫入特征值寄存器陣列35中，并給出確認信號SIOO。需要說明的是，上述FPGA內(nèi)處理過程是采用流水線方式進行的，具有三路流水線結(jié)構(gòu)，電場信號和兩路磁場信號同步處理，,并相互關(guān)聯(lián)。
另一組是將原有三路數(shù)字信號抽樣后，送入波形編碼器30。所抽樣的數(shù)字信號依然能夠完整描述輸入信號的波形，即其抽樣率依然滿足采樣定理的要求。在波形編碼器30內(nèi)，三路數(shù)字信號被進行串行分組并進行數(shù)字編碼，數(shù)字編碼主要包括類型編碼和時間編碼，以保證后期波形數(shù)據(jù)能夠容易區(qū)分和識別。經(jīng)過編碼后的串行波形數(shù)據(jù)進入FIFO中，己實現(xiàn)地閃雷電信號波形記錄。FIFO設(shè)計有足夠的存儲深度，以記錄使用者所關(guān)心的數(shù)據(jù)長度。如圖4所示，時鐘電路33是為整個FPGA和數(shù)據(jù)采樣提供統(tǒng)一的時鐘基準(zhǔn)的。時鐘20是由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)37，簡稱GPS，和高穩(wěn)定溫補晶振36組成，GPS提供秒脈沖時鐘，晶振提供10MHz時鐘。時鐘電路33為預(yù)處理器28、地閃雷電信號識別模型29、波形編碼器30、時標(biāo)信號發(fā)生器34提供高精度時鐘信號，以保證模數(shù)變換和信號處理的同步性。時標(biāo)信號發(fā)生器34根據(jù)時鐘電路33的時鐘信號為波形編碼器30提供時間標(biāo)簽數(shù)據(jù)。需要進一歩說明的是，為保證數(shù)據(jù)進程的同步性，在每個通道內(nèi)均設(shè)有延遲器，延遲器可根據(jù)需要調(diào)整時間參數(shù)。
如圖4所示， 一旦地閃雷電信號識別模型29給出確認信號S100中斷系統(tǒng)控制管理器17，本發(fā)明中系統(tǒng)控制管理器17是采用DSP處理器，DSP在收到S100中斷后將立即響應(yīng)中斷信號，通過并行數(shù)據(jù)總線和FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)接口電路35讀取計算數(shù)據(jù)并存儲于外部存儲器21內(nèi)。同時DSP將控制輔助控制管理器18，以DMA方式，通過并行數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)接口電路35迅速讀取FIF0內(nèi)對應(yīng)的雷電信號波形數(shù)據(jù)并寫入高速大容量存儲器21內(nèi)。本發(fā)明中，輔助控制管理器是利用CPLD建立的，外部存儲器是利用SRAM建立的。隨后，DSP將讀取SRAM內(nèi)的存儲數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)計算，得出特征數(shù)據(jù)，包括能夠確定信號類型和雷電活動類型的特征數(shù)據(jù)，以及其他用戶所關(guān)心的特征數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)時間數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將被DSP進行數(shù)據(jù)打包及編碼處理，并通過通信接口22，發(fā)出數(shù)據(jù)文件。
本發(fā)明中，DSP是負責(zé)全局控制管理的，在優(yōu)先響應(yīng)地閃雷電信號之外，DSP內(nèi)部還建立有實時監(jiān)控系統(tǒng)和人機對話窗口，可根據(jù)上位機命令要求，發(fā)送己定義好的各種數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
如圖5所示，其為本發(fā)明所采用的優(yōu)選實施方案。是在上述方案基礎(chǔ)上采用了自檢系統(tǒng)38和大容量非易失性存儲器42。其中，自檢系統(tǒng)38是由DSP，高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器39(簡稱DAC)、自檢信號發(fā)生器40、電子開關(guān)41組成。DAC根據(jù)DSP的輸入信號，產(chǎn)生對應(yīng)的模擬量信號給自檢信號發(fā)生器40，自檢信號發(fā)生器40將模擬量轉(zhuǎn)換為高驅(qū)動能力的模擬信號后，通過電子開關(guān)41,將模擬信號送入天線檢測入口。通過DSP的控制，自檢系統(tǒng)38可產(chǎn)生模擬雷電信號，包括電場和兩路磁場信號，用于數(shù)字式雷電探測裝置的系統(tǒng)校準(zhǔn)和功能測試，可增強數(shù)字式雷電探測裝置的環(huán)境適應(yīng)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，并可根據(jù)自檢狀態(tài)使使用者了解其運行狀態(tài)，以便采取處理措施。自檢系統(tǒng)38具有可編程特性，可根據(jù)需要輸出不同強度和方向角的模擬雷電信號。
圖5中，大容量非易失性存儲器42是一種非易失性存取器，通過DSP對其進行管理和數(shù)據(jù)讀寫。在數(shù)字式雷電探測裝置獨立運行或與外界通信中斷時，特征數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)依然可以通過大容量非易失性存儲器42進行數(shù)據(jù)保存，即使是失去電力供應(yīng)呢，其依然能夠長期保存，保證既有探測數(shù)據(jù)不會丟失。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字式雷電探測方法，包括使用接收地閃雷電放電時產(chǎn)生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，并用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據(jù)，其特征在于，步驟如下1)由天線感應(yīng)接收地閃雷電放電時產(chǎn)生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，并產(chǎn)生對應(yīng)的電檢信號；2)對上述電檢信號進行調(diào)理；3)將調(diào)理后的電檢信號進行數(shù)字化處理，產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)字信號；4)對上述數(shù)字信號進行數(shù)字濾波；5)建立統(tǒng)一的時間標(biāo)尺；6)結(jié)合雷電電磁輻射波形的傳輸特征，并用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據(jù)，構(gòu)建數(shù)字化地閃雷電信號識別模型；7)建立時間窗預(yù)處理區(qū)，記錄在此時間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)峰值和極性，記錄此峰值對應(yīng)的時間點，獲取輸入的數(shù)字信號的發(fā)展趨勢和對應(yīng)的典型參數(shù)；8)結(jié)合時間窗中的數(shù)據(jù)，用數(shù)字化地閃雷電信號識別模型對輸入的數(shù)字信號進行參數(shù)計算及判定。9)根據(jù)判定結(jié)果確定輸入的數(shù)字信號類型及產(chǎn)生此輸入的數(shù)字信號的雷電放電類型；10)根據(jù)判定結(jié)果及輸入的數(shù)字信號類型，計算并產(chǎn)生能夠確定此輸入的數(shù)字信號類型的多種特征數(shù)據(jù)和此輸入的數(shù)字信號的參考時間數(shù)據(jù)；11)對上述輸入的數(shù)字信號的特征數(shù)據(jù)和參考時間數(shù)據(jù)以及此輸入的數(shù)字信號對應(yīng)的全波形數(shù)據(jù)進行編碼存儲；12)利用通信通道傳送已編碼的數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于，構(gòu)建數(shù)字化地閃雷電信號 識別模型的具體方法根據(jù)地閃雷電電磁輻射波的特征，及其在傳播過程中的變化特征確定雷電波形信號的上 升參考時間^ ，下降參考時間^ ,先導(dǎo)參考時間6,反向過沖參考時間^ ,再確定雷電波形信號 的參考閾值G，并且建立雷電波形信號主峰峰值A(chǔ)寄存器和極性寄存器，建立后續(xù)峰值寄存 器和極性寄存器，后續(xù)峰簡稱次峰，建立同極性次峰最大峰值比較器和最大峰值/72寄存器， 建立先導(dǎo)峰值A(chǔ)寄存器和極性寄存器，建立反向過沖峰值p4寄存器，建立上述峰值和極性的 相關(guān)比較關(guān)系，即A 〉G, P, 〉 P2 ， P， 〉 A ， I A I > I P4 I ， P,極性=A極性，從而建立了基本的數(shù)字化地閃雷電信號識別模型；所輸入的數(shù)字信號在滿足上述所述的參考時間、相應(yīng)的峰 值和極性關(guān)系后，可初步判定為地閃雷電信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于，整個地閃雷電信號識別模 型構(gòu)建及信號處理過程是采用硬件描述語言VERIL0G程序；所述的參考時間、峰值和極性的 比較關(guān)系是可編程的，是可在使用過程中，根據(jù)使用者的需要進行靈活調(diào)整和進一步擴充的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于，所述的時間窗、數(shù)字信號 的判別和計算處理是采用了并行流水線處理方法。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的數(shù)字式雷電探測方法，其特征在于，所述的特征數(shù)據(jù)計算和參 考時間數(shù)據(jù)計算是利用匯編語言和計算機程序語言C語言實現(xiàn)的；數(shù)字全波形編碼存儲采用 高速直接讀取方法進行。
6、 數(shù)字式雷電探測裝置，包括天線、信號調(diào)理器，其特征在于，由天線(13),信號調(diào) 理器(14)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(15)，地閃雷電信號識別模型模塊(16)，系統(tǒng)控制管理器(17)， 輔助控制管理器(18)，通信接口 (22)，外部存儲器(21)及時鐘(20)組成；系統(tǒng)控制管 理器(17)采用的是數(shù)字信號處理器，簡稱DSP;輔助控制管理器(18)采用復(fù)雜可編程邏 輯器件，簡稱CPLD;外部存儲器(21)采用的是大容量并行高速靜態(tài)存儲器，簡稱SRAM;天 線(13)設(shè)有接收雷電電磁場輻射電磁波信號的輸入端，天線(13)的輸出端與信號調(diào)理器(14)的輸入端相連，信號調(diào)理器(14)的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(15)的輸入端相連，模數(shù) 轉(zhuǎn)換器(15)的輸出端與地閃雷電信號識別模型(29)模塊(16)的數(shù)據(jù)輸入端相連；模數(shù) 轉(zhuǎn)換器(15)的時鐘輸入端與地閃雷電信號識別模型(29)模塊(16)的時鐘輸出端相連； 地閃雷電信號識別模型(29)模塊(16)的時鐘輸入端與時鐘(20)的輸出端相連；地閃雷 電信號識別模型(29)模塊(16)通過數(shù)據(jù)和地址總線分別與系統(tǒng)控制管理器(17)和輔助 控制管理器(18)相連；系統(tǒng)控制管理器(17)通過數(shù)據(jù)和地址總線與輔助控制管理器(18) 相連，并且通過數(shù)據(jù)和地址總線與外部存儲器(21)相連；地閃雷電信號識別模型(29)模 塊(16)、系統(tǒng)控制管理器(17)、輔助控制管理器(18)和外部存儲器(21)之間的控制輸 入輸出端分別通過各自的控制總線相連；系統(tǒng)控制管理器(17)的通信輸入輸出口分別與通 信接口 (22)的內(nèi)側(cè)輸入輸出口相連；通信接口 (22)外側(cè)的輸入輸出口與外界通信網(wǎng)相連。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于，所述的地閃雷電信號識別 模型模塊(16)采用的是現(xiàn)場可編程門陣列器件,簡稱FPGA; FPGA采用被動配置工作模式； 內(nèi)部連接均采用的是并行同步總線方式連接；FPGA內(nèi)部邏輯區(qū)是由波形預(yù)處理器(28)、地 閃雷電信號識別模型(29)、雷電信號波形先入先出緩存器(31)簡稱FIF0、波形編碼器(30)、波形特征值寄存器陣列(32)、時鐘電路(33)、時標(biāo)信號發(fā)生器(34)和數(shù)據(jù)接口電路(35)組成；波形預(yù)處理器(28)的輸入端與FPGA的數(shù)據(jù)輸入端相連；波形預(yù)處理器(28)的輸出端與地閃雷電信號識別模型(29)的輸入端相連；地閃雷電信號識別模型(29)的輸出端與波形特征值寄存器陣列(32)的輸入端相連；波形特征值寄存器陣列(32)的輸出端與數(shù)據(jù)接口電路(35)的輸入端相連；波形編碼器(30)的輸入端與FPGA的數(shù)據(jù)輸入端相連；波形編碼器(30)的輸出端與FIFO的輸入端相連；FIFO的輸出端與數(shù)據(jù)接口的輸入端相連；數(shù)據(jù)接口的輸出端通過FPGA上的地址與數(shù)據(jù)總線與外界相連時鐘(20)的輸出端與FPGA的時鐘輸入端相連；時鐘電路(33)輸出端分別與FPGA的時鐘輸出端、波形預(yù)處理器(28)、地閃雷電信號識別模型(29)、波形編碼器(30)、時標(biāo)信號發(fā)生器(34)的時鐘輸入端相連；時標(biāo)信號發(fā)生器(34)的輸出端與波形編碼器(30)的時標(biāo)信號輸入端相連。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于還包括大容量非易失性存儲器(42)和系統(tǒng)控制管理器(17)控制的自檢系統(tǒng)(38);大容量非易失性存儲器(42)是一種高速并行存儲器；自檢系統(tǒng)(38)是由高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(39)，簡稱DAC、自檢信號發(fā)生器(40)、電子開關(guān)(41)及系統(tǒng)控制管理器(17)組成；系統(tǒng)控制管理器(17)的自檢信號輸出端與DAC的輸入端相連；DAC的輸入端與自檢信號發(fā)生器(40)的輸入端相連；自檢信號發(fā)生器(40)的輸出端與電子開關(guān)(41)的輸入端相連；電子開關(guān)(41>的輸出端輸出與天線(13)的模擬信號輸入端相連。
9、 根掘權(quán)利要求6所述的數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于所述的信號調(diào)理器(14)是由前置放大器(23)、低通濾波器(24)、積分器(25)、高通濾波器(26)和差分變換器(27)組成；前置放大器(23)的輸入端與信號調(diào)理器(14)的信號輸入端相連；前置放大器(23)的輸出端與低通濾波器(24)的輸入端相連；低通濾波器(24)的輸出端與積分器(25)的輸入端相連；積分器(25)的輸出端與高通濾波器(26)的輸入端相連；高通濾波器(26)的輸出端與差分變換器(27)的輸入端相連；差分變換器(27)的輸出端入信號調(diào)理器(14)的輸出端相連；信號調(diào)理器(14)中所采用的運算放大器均采用超低噪聲運算放大器，信號調(diào)理器(14)輸出的信號為差分信號。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字式雷電探測裝置，其特征在于所述的時鐘(20)由高穩(wěn)定的、精度為士O. lppm的溫補晶振(36)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(37)組成；并建立有時鐘誤差修正的控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字式雷電探測方法及其裝置，本發(fā)明的方法是，接收地閃雷電放電時產(chǎn)生的電磁信號，產(chǎn)生電檢信號；將調(diào)理后的電檢信號進行數(shù)字化處理；對數(shù)字信號進行濾波；建立統(tǒng)一的時間標(biāo)尺；結(jié)合雷電電磁輻射波形的傳輸特征，并用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據(jù)，構(gòu)建數(shù)字化地閃雷電信號識別模型；建立時間窗預(yù)處理區(qū)，獲取輸入的數(shù)字信號的發(fā)展趨勢和對應(yīng)的典型參數(shù)；結(jié)合時間窗中的數(shù)據(jù)，用數(shù)字化地閃雷電信號識別模型對輸入的數(shù)字信號進行參數(shù)計算及判定。本發(fā)明的裝置由天線，信號調(diào)理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，地閃雷電信號識別模型模塊，系統(tǒng)控制管理器，輔助控制管理器，通信接口，外部存儲器及時鐘組成。
文檔編號G06F17/50GK101539599SQ200910061599
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者馮萬興, 吳裕斌, 康文斌, 勤 張, 彭慶華, 方玉河, 曹丹華, 王海濤, 許遠根, 谷山強, 陳家宏 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院