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专利名称：一种光电信号同步采集的闪电探测方法
技术领域：
本发明涉及闪电监测领域，尤其涉及一种光电信号同步采集的闪电探测方法。
背景技术：
闪电是自然大气中的超强、瞬间放电现象，是联合国“国际减灾十年”公布的最严 重的十种自然灾害之一，一直对人类的生产生活构成严重危害。经常受到闪电影响的领域 包括建筑、电网、通讯、林业、交通、军事设置等，尤其现在广泛使用的微电子技术、信息网 络、无线通信设备，遭受闪击并造成重大损失的可能性愈来愈大。因此，如何准确地监测和 预报闪电，已日益成为人类急需解决的问题。闪电是发生在自然大气中的瞬间放电过程，同时伴有声、光、电磁等信号的出现。 当前，最适合大范围探测的信号是电磁脉冲信号，而利用声学、光学进行闪电监测的用途有 限。因此，当前的闪电探测设备主要通过探测闪电回击辐射的电磁脉冲信号来遥测闪电回 击放电参数、确定闪电的时间和位置(一般为二维位置，用经纬度表示)，其相应的处理软 件也仅仅利用电磁脉冲信号实现闪电识别，采用磁方向定位法或者时间差定位法完成闪电 的二维定位。单纯地探测闪电发生时辐射的电磁信号或者光信号，难以对闪电进行全面准确的 描述，不利闪电信号与噪声信号的分辨，也不利于对闪电物理机制的研究。而同时采集记录 闪电发生时辐射的光信号和电磁信号，可以为研究闪电的物理机制及其微观发展过程提供 充足的数据；通过光电信号的同步分析，可以有效的进行闪电识别，滤除干扰信号，降低误 报率，提高闪电识别的精度。因此，在闪电探测方面，研究闪电光信号和电磁信号同步采集的闪电探测方法具
有重要意义。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种光电信号同步采集的闪电探 测方法。利用全球定位系统接收器提供的时间基准，通过光信号探测器和电磁信号探测器 同步采集闪电发生时辐射的光信号数据和电磁信号数据，并将数据以文件形式进行存储。光电信号同步采集的闪电探测方法包括以下步骤1)光信号探测器采集闪电放电时辐射的光信号，并将信号传输至第一模数转换 器；2)电磁信号探测器采集闪电放电时辐射的甚低频段电磁信号，并将信号传输至第 二模数转换器；3)第一模数转换器和第二模数转换器分别将模拟形式的光信号数据和电磁信号 数据转化成数字信号形式，再将数字信号数据传输至数字信号处理器；4)全球定位系统接收器采集闪电电磁信号脉冲峰值到达探测站点的时间，并将时 间数据传输至数字信号处理器；
5)数字信号处理器接收由第一模数转换器、第二模数转换器和全球定位系统接收 器传输的闪电数据，将闪电数据进行汇总，并以文件形式进行存储。所述的光信号探测器由光电池、对数放大器和第一带通滤波器组成，其中光电池 与对数放大器、第一带通滤波器依次相连。所述的电磁信号探测器由接收天线、前置放大器和第二带通滤波器组成，其中接 收天线与前置放大器、第二带通滤波器依次相连。本发明构思新颖、设计合理、结构简单，提供了一种光电信号同步采集的闪电探测 方法。利用全球定位系统接收器提供的时间基准，通过光信号探测器和电磁信号探测器同 步采集闪电发生时辐射的光信号和电磁信号，可以为研究闪电的物理机制及其微观发展过 程提供更为充足的数据；通过闪电光信号和电磁信号的同步对比分析，可以有效的进行闪 电识别，滤除干扰信号，降低误报率，提高闪电识别的精度。


图1是光电信号同步采集的闪电探测方法原理图；图2是本发明的光信号探测器示意图；图3是本发明的电磁信号探测器示意图。
具体实施例方式下面，结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步的描述。如图1所示，光电信号同步采集的闪电探测方法的光信号探测器与第一模数转换 器相连，电磁信号探测器与第二模数转换器相连，第一模数转换器和第二模数转换器分别 与数字信号处理器相连，数字信号处理器与全球定位系统接收器相连。光电信号同步采集的闪电探测方法包括以下步骤1)光信号探测器采集闪电放电时辐射的光信号，并将信号传输至第一模数转换 器；2)电磁信号探测器采集闪电放电时辐射的甚低频段电磁信号，并将信号传输至第 二模数转换器；3)第一模数转换器和第二模数转换器分别将模拟形式的光信号数据和电磁信号 数据转化成数字信号形式，再将数字信号数据传输至数字信号处理器；4)全球定位系统接收器采集闪电电磁信号脉冲峰值到达探测站点的时间，并将时 间数据传输至数字信号处理器；5)数字信号处理器接收由第一模数转换器、第二模数转换器和全球定位系统接收 器传输的闪电数据，将闪电数据进行汇总，并以文件形式进行存储；第一模数转换器和第二模数转换器分别负责将闪电的光信号和电磁信号由模拟 形式转化为数字形式；本方法中的第一模数转换器和第二模数转换器均采用AD公司的 AD7276，AD7276是12Bit的模数转换器，采用SPI接口，最高采样率为3MSPS ；全球定位系统接收器用来采集闪电辐射的电磁脉冲峰值到达探测站点的时间；本 方法中的全球定位系统接收器采用GS-87智慧型卫星接收模组，GS-87采用美国瑟孚公司 所设计的第三代卫星定位接收晶片，是一个完整的卫星定位接收器，具备全方位功能，耗电
4量低，且能同时追踪20颗定位卫星的讯号，每0. 1秒接收一次，每秒更新一次定位资讯，时 间精度能达到2μ s以上；数字信号处理器实时接收第一模数转换器、第二模数转换器和全球定位系统接收 器发送的数据，并根据第二模数转换器发送的数据判断是否出现脉冲触发信号，若出现触 发信号，则连续记录并存储IOms的光和电磁数据；本方法中的数字信号处理器采用TI公 司的TMS320DM，信号采用频率为1MHz，外扩4M*32bit的SDRAM和8bit的FLASH，同时具有 SDAMC接口，10/100M自适应以太网接口，两路标准RS232串口通讯接口。如图2所示，光信号探测器由光电池、对数放大器和第一带通滤波器组成，其中光 电池与对数放大器、第一带通滤波器依次相连；光电池用来采集闪电发生时辐射的光信号，并把光强信号转化为电信号；本方法 中的光电池采用滨松公司的S7479硅光电池，其平均响应率为0. 72A/W，光敏面积为25mm2， 输入信号为10_2W/m2时，信号输出为0. 18 μ A，光强度的动态探测范围为Ilx IO5Ix,光信 号探测频率范围为IKHz IOOKHz ；对数放大器用来将电信号进行放大；本方法中的对数放大器采用美信公司的 ΜΑΧ4206, ΜΑΧ4206计算输入电流相对于基准电流的对数比例并提供相应的电压输出，比例 因子缺省值为0. 25/10倍，使电路参数满足光信号强度的动态探测范围11χ IO5Ix ；第一带通滤波器对放大后的电信号进行滤波，由一级高通滤波电路和一级低通滤 波电路组成，使电路参数满足光信号频率的动态探测范围=IKHz ΙΟΟΚΗζ。如图3所示，电磁信号探测器由接收天线、前置放大器和第二带通滤波器组成，其 中光电池与前置放大器、第二带通滤波器依次相连；接收天线用来采集闪电发生时辐射的甚低频段电磁信号，并将电磁信号转化为电 信号；本方法中的接收天线采用长度约80 IOOcm的全向鞭状天线，最后经标定确定其天 线系数，电磁波场强度的探测范围为50mV/m 100V/m，电磁信号探测频率范围为500Hz 200KHz ；前置放大器用来将电信号进行放大，采用一级正相放大，电压放大倍数为2倍，使 电路参数满足电磁信号强度的动态探测范围50mV/m 100V/m ；第二带通滤波器对放大后的电信号进行滤波，由一级高通滤波电路和一级低通滤 波电路组成，使电路参数满足电磁信号频率的动态探测范围500Hz 200KHz。
权利要求
一种光电信号同步采集的闪电探测方法，其特征在于包括以下步骤1)光信号探测器采集闪电放电时辐射的光信号，并将信号传输至第一模数转换器；2)电磁信号探测器采集闪电放电时辐射的甚低频段电磁信号，并将信号传输至第二模数转换器；3)第一模数转换器和第二模数转换器分别将模拟形式的光信号数据和电磁信号数据转化成数字信号形式，再将数字信号数据传输至数字信号处理器；4)全球定位系统接收器采集闪电电磁信号脉冲峰值到达探测站点的时间，并将时间数据传输至数字信号处理器；5)数字信号处理器接收由第一模数转换器、第二模数转换器和全球定位系统接收器传输的闪电数据，将闪电数据进行汇总，并以文件形式进行存储。
2.如权利要求1所述的一种光电信号同步采集的闪电探测方法，其特征在于所述的光 信号探测器由光电池、对数放大器和第一带通滤波器组成，其中光电池与对数放大器、第一 带通滤波器依次相连。
3.如权利要求1所述的一种光电信号同步采集的闪电探测方法，其特征在于所述的电 磁信号探测器由接收天线、前置放大器和第二带通滤波器组成，其中接收天线与前置放大 器、第二带通滤波器依次相连。
全文摘要
本发明公开了一种光电信号同步采集的闪电探测方法。探测站点根据全球定位系统接收器提供的时间基准，通过光信号探测器和电磁信号探测器同步采集闪电发生时辐射的光信号和电磁信号；采用模数转换器将模拟形式的光信号数据与电磁信号数据转换为数字形式，并将数字信号数据传输至数字信号处理器；利用全球定位系统接收器采集闪电电磁脉冲峰值到达探测站点的时间，将时间数据传输至数字信号处理器；数字信号处理器将收到的数据以文件形式进行汇总存储。本发明的方法设计简单、实现成本低，可以实现闪电光信号与电磁信号的同步采集探测，适用于闪电探测领域。
文档编号G01R29/08GK101937027SQ20101024898
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者刘明, 宁王师, 曹保锋, 李鹏, 程先友, 范江兵, 郑毅, 项震 申请人:浙江大学;中国人民解放军63973部队