雷电多物理效应同步融合探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了雷电多物理效应同步融合探测装置及方法，它的电磁场天线用于接收电磁场信号，静电感应极板用于感应大气静电场信号，光学摄像机用于监拍雷电过程光学影像；MEMS大气电场处理模块用于将大气静电场信号转换为静电场场强数值，并得到对应的静电场场强变化波形；雷电信号识别与处理模块用于建立雷电电磁场波形辅助识别模型；雷电信号识别与处理模块用于利用原有的雷电电磁场信号识别判据模型和辅助识别模型对输入的电磁场信号进行识别，本发明专利技术通过降低外部环境因素对静电场测量准确性的影响，辅助近距离雷电探测识别，同时改善雷电光学影像监拍长时间高算力盲动所导致的效能不高的问题。致的效能不高的问题。致的效能不高的问题。

【技术实现步骤摘要】
雷电多物理效应同步融合探测装置及方法


[0001]本专利技术涉及雷电监测预警
，具体地指一种雷电多物理效应同步融合探测装置及方法。

技术介绍

[0002]雷电的形成和发生过程会伴随多种物理效应，包括雷电形成和发生过程中引起的大气静电场变化，雷击放电过程中产生的闪光、强电磁辐射以及大电流等。这些雷电引发的物理效应会对电力、通信、交通、石油化工等人们的生产、生活带来严重的危害。为了了解和研究雷电的成因，掌握雷电的活动规律，提升对雷电的防护能力，人们利用电磁信号探测、地面大气静电场探测、光学影像监拍等多种技术开展了大量的雷电监测预警技术的研发与装备的研制。例如电网系统，雷击是导致其输电线路跳闸的首要原因，为此，我国电网已建成了技术水平先进的广域雷电监测网，并对重要输电通道建有雷击风险预警系统和雷击光学影像监拍装置，实现了对雷电活动“点”、“线”、“面”的临近预警、定点监拍和广域监测定位。
[0003]地面大气静电场探测是开展雷电预警的重要技术手段之一，目前主要采用的是场磨式电场仪和基于MEMS(Micro
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Electro
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Mechanical System，微机电系统)技术的电场仪。通过实验研究和长期的工程应用实践，在场磨式电场仪中，旋转动片的接地电极因持续的运动磨损，易造成动片的接地屏蔽失效，电极磨损产生的粉末会造成机体内部的污染，裸漏在外的旋转动片和感应电极片受环境的影像会形成污秽附着，在污秽严重地区这一现象尤为明显，因此场磨式电场仪需及时定期开展设备维护与回修；基于MEMS技术的电场仪克服了场磨式电场仪旋转机械结构固有特征带来的不便，利用静置的外部感应电极和MEMS芯片探测大气电场，由于电极外置，带电荷的雨滴、污秽极易干扰大气电场的测量，长期运行时，电极与参考平面间隙间进入的污秽和异物，例如蛛丝和昆虫等，会导致测量异常和设备失效。这些因素会严重干扰现有的场磨式电场仪、MEMS电场仪对大气电场测量的灵敏度、探测精度以及设备的运行可靠性。
[0004]广域雷电监测与定位主要是利用多点分布的雷电探测站，结合低频甚低频电磁场信号探测、信号特征识别、方向与时差定位等方法实现。根据雷电引起的静电场、感应场、辐射场的信号特征，在近距离探测时，受信号强度、信号特征等参数的影响，现有的雷电探测站探测能力有所下降，需要进行技术改进来提升近距离雷电信号的检出性能。
[0005]基于电磁信号探测的雷电监测与定位技术主要是一种电磁信号盲测技术，判断它的探测效率，定位的准确性常需要借助其他技术手段。雷电的光学影像信息就是重要的技术手段之一，也是研究雷电发展过程，雷击路径形态的重要手段。雷电的光学监拍需要高拍摄速度，帧率高、数据量大、对计算和处理性能有严格的要求，区别于实验室内的拍摄设备，在野外工况，特别是在输电线路上进行雷电拍摄的设备，其工作模式、算力与能耗的优化一直是值得研究的课题。
[0006]专利文献201220549090.6一种雷电及地面电场监测一体装置，提出了一种结合地
面大气静电场探测和雷电电磁场探测的雷电单站探测装置，用于对局地地面大气电场强度测量和远距离雷电的测向与定距。该专利雷电探测和大气静电场测量两个部件仍独立运行，仅是功能的相互补充和堆叠；其采用的静电场测量部件是基于场磨式电场测量方法，未克服该方法固有的不足；该专利使用了光电管，但主要是进行雷电的光学计数。
[0007]专利文献202022562582.6一种集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，提出了一种集成雷电探测、雷电预警与雷电光学图像记录的集成型雷电探测装置，主要是为了解决多种探测装备同一地点重复基础建设、通信通道复用的问题，从而减少建设成本和运维量，该专利的预警功能采用了基于MEMS的技术，未明确提出是否克服了感应极板受外部环境的影响而导致的数据测量异常的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是要提供一种雷电多物理效应同步融合探测装置及方法，本专利技术通过降低外部环境因素对静电场测量准确性的影响，辅助近距离雷电探测识别，改善雷电光学影像监拍长时间高算力盲动所导致的效能不高的问题，实现雷电监测预警装置的长期稳定可靠运行。
[0009]为实现此目的，本专利技术所设计的一种雷电多物理效应同步融合探测装置，它包括电磁场天线、静电感应极板、MEMS大气电场处理模块和雷电信号识别与处理模块，所述电磁场天线用于接收电磁场信号，静电感应极板用于感应大气静电场信号；
[0010]MEMS大气电场处理模块用于将大气静电场信号转换为静电场场强数值，并得到对应的静电场场强变化波形；
[0011]雷电信号识别与处理模块用于通过静电场场强变化波形得到静电场场强波形变化特征，并在原有的雷电电磁场信号识别判据模型的基础上，利用电磁场信号与大气静电场信号的时空相关性，融合静电场场强数值和静电场场强波形变化特征，建立雷电电磁场波形辅助识别模型；
[0012]雷电信号识别与处理模块用于利用原有的雷电电磁场信号识别判据模型对输入的电磁场信号进行识别，当输入的电磁场信号符合原有的雷电电磁场信号识别判据模型中典型雷电信号特征判据时，确认为雷电电磁场信号，雷电信号识别与处理模块用于对未被确认为雷电电磁场信号的电磁场信号利用雷电电磁场波形辅助识别模型，进行电磁场信号与大气静电场信号在空间和时间上的相关性的判断，以及进行电磁场信号与静电场场强波形变化特征相关性的判断，并根据判断结果进行电磁场信号是否为雷电电磁场信号的二次确认。
[0013]它还包括光学摄像机和雷电光学影像监拍模块，光学摄像机用于监拍雷电过程的光学影像，光学摄像机内部具有感光部件可获取雷电多物理效应同步融合探测装置站点周边视距范围内的光强信息并产生光强触发，雷电光学影像监拍模块用于利用光强信息并结合MEMS大气电场处理模块输出的静电场场强数值和雷电信号识别与处理模块输出的雷电电磁场信号以及中心站反馈的雷电预警信息、雷电定位信息和中心站发送的操作指令建立雷电光学影像监拍工作模式处理模型，并根据雷电光学影像监拍工作模式处理模型判断视距范围内是否有雷电发生的可能。
[0014]本专利技术构思新颖、设计合理、性能稳定，可长期户外运行，通过一种巧妙的结构设
计将GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)天线，电磁场天线，静电场感应极板，光学摄像机，雷电信号识别与处理模块，MEMS大气电场处理模块和雷电光学影像监拍模块融合在一个密封的防护罩仓体内，彼此协同又互不干扰，实现了雷电电磁场、静电场、光学三种物理效应的同步融合探测，避免了旋转机械结构的不足，降低了环境等因素对静电场测量的干扰，进一步改善了近距离雷电电磁场低频甚低频信号识别漏判的情况，增强了雷电探测站近距离雷电信号的检出能力，改善了雷电光学影像监拍长时间高算力盲动所导致的效能不高的问题，为开展雷电多物理效应长期同步探测提供了一种良好的技术手段和装置。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的原理框本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于，它包括电磁场天线(1)、静电感应极板(2)、MEMS大气电场处理模块(5)和雷电信号识别与处理模块(6)，所述电磁场天线(1)用于接收电磁场信号，静电感应极板(2)用于感应大气静电场信号；MEMS大气电场处理模块(5)用于将大气静电场信号转换为静电场场强数值，并得到对应的静电场场强变化波形；雷电信号识别与处理模块(6)用于通过静电场场强变化波形得到静电场场强波形变化特征，并在原有的雷电电磁场信号识别判据模型的基础上，利用电磁场信号与大气静电场信号的时空相关性，融合静电场场强数值和静电场场强波形变化特征，建立雷电电磁场波形辅助识别模型；雷电信号识别与处理模块(6)用于利用原有的雷电电磁场信号识别判据模型对输入的电磁场信号进行识别，当输入的电磁场信号符合原有的雷电电磁场信号识别判据模型中典型雷电信号特征判据时，确认为雷电电磁场信号，雷电信号识别与处理模块(6)用于对未被确认为雷电电磁场信号的电磁场信号利用雷电电磁场波形辅助识别模型，进行电磁场信号与大气静电场信号在空间和时间上的相关性的判断，以及进行电磁场信号与静电场场强波形变化特征相关性的判断，并根据判断结果进行电磁场信号是否为雷电电磁场信号的二次确认。2.根据权利要求1所述的雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于：它还包括光学摄像机(3)和雷电光学影像监拍模块(4)，光学摄像机(3)用于监拍雷电过程的光学影像，光学摄像机(3)内部具有感光部件可获取雷电多物理效应同步融合探测装置站点周边视距范围内的光强信息并产生光强触发，雷电光学影像监拍模块(4)用于利用光强信息并结合MEMS大气电场处理模块(5)输出的静电场场强数值和雷电信号识别与处理模块(6)输出的雷电电磁场信号以及中心站(8)反馈的雷电预警信息、雷电定位信息和中心站(8)发送的操作指令建立雷电光学影像监拍工作模式处理模型，并根据雷电光学影像监拍工作模式处理模型判断视距范围内是否有雷电发生的可能。3.根据权利要求2所述的雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于：雷电光学影像监拍模块(4)还用于利用光强信息并结合MEMS大气电场处理模块(5)输出的静电场场强和雷电信号识别与处理模块(6)输出的雷电电磁场信号以及中心站(8)反馈的雷电预警信息和雷电定位信息，形成雷电光学影像监拍模块(4)的L0～L4级工作状态。4.根据权利要求3所述的雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于：L0级工作状态为静默状态，雷电光学影像监拍模块(4)的运行功耗最低，雷电光学影像监拍模块(4)内部实时时钟电路守时，仅运行实时时钟电路和触发唤醒电路，每天两次定期唤醒，利用LTE
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Cat1模式上报状态报文；L1级工作状态为待机状态，在L0级工作状态的基础上通信模式调整为间隔在线，在线间隔可调，利用LTE
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Cat1模式通信。5.根据权利要求4所述的雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于：L2级工作状态中雷电光学影像监拍模块(4)内部实时时钟电路守时，每日一次GNSS时间校准，光学摄像机(3)处于受控拍照模式，光学摄像机(3)根据指令开机，获取站点周边照片或以25fps帧速获取影像资料，雷电光学影像监拍模块(4)处于在线状态，利用LTE
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Cat1模式通信；L3级工作状态中雷电光学影像监拍模块(4)在线运行，时间为GNSS同步授时，光学摄像
机(3)处于预触发状态，默认以150fps帧速运行，帧速25fps～200fps可调，雷电光学影像监拍模块(4)默认循环预存5s时长的影像数据，预存时长0s～10s可调，利用LTE
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Cat1模式进行指令性操作和状态报文，实时监测光强触发。6.根据权利要求4所述的雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于：L4级工作状态中雷电光学影像监拍模块(4)在线运行，时间为GNSS同步授时，光学摄像机(3)默认保持L3级运行帧速持续拍摄光学影像，或者预设固定帧速持续拍摄光学影像，雷电光学影像监拍模块(4)实时监测光强触发，当监测到光强触发则记录触发时间，并以光强触发时刻为起点，持续记录光学影像，并实时开展光学影像的图像AI识别，确认为雷电影像的数据利用LTE
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Cat4模式进行数据传输。7.根据权利要求1所述的雷电多物理效应同步融合探测装置，其特征在于：所述雷电光学影像监拍模块(4)选择L0～L4级工作状态的逻辑为：雷电光学影像监拍模块(4)初始上电时，处于L2级工作状态，当雷电光学影像监拍模块(4)未监测到光强触发，未监测到静电场高场强触发，未监测到雷电电磁信号高阈值触发，且未收到中心站(8)的操作指令时，雷电光学影像监拍模块(4)则跳转至L0级工作状态；静电场场强分级按照场强绝对值|E|＜2kV/m，2kV/m≤|E|＜5kV/m，5kV/m≤|E|＜8kV/m，|E|≥8kV/m，分为静电场无预警、静电场低预警、静电场中预警和静电场高预警四个等级，高预警等级时产生静电场高场强触发，分级数值可根据雷电多物理效应同步融合探测装置站点实测环境调整；雷电电磁信号按照磁场分量的感应强度B...

【专利技术属性】
技术研发人员：许远根，陈扬，王钊，王宇，张波，邓璐，郑贤龙，白冰洁，黎炎，韩冬，黄松，鄢佩瑶，刘泽，
申请(专利权)人：国网电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：