一种集成式的雷电快慢电场测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种集成式的雷电快慢电场测量系统，包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路。本实用新型专利技术实现对雷电发生时的快电场与慢电场信号进行数据采集、存储与传输。该系统设备安装便捷易携，可以不受环境因素影响，在不同时间、不同地点全天候的进行工作，采集工作人员需要的大气电场信息。大气电场信息。大气电场信息。

An integrated lightning fast and slow electric field measurement system

【技术实现步骤摘要】
一种集成式的雷电快慢电场测量系统


[0001]本技术涉及气象探测领域，特别是一种集成式的雷电快慢电场测量系统。

技术介绍

[0002]雷电观测一般主要有以下几个方法：高时间分辨率的特殊高速摄像、声音探测、光谱探测、电场探测、电流以及电磁辐射的探测，其中大气电场探测是雷电观测中最广泛的手段。国内外大气电场的测量方法有平板天线测量法、旋转(场磨)式大气静电场仪及大气电场探空仪三种。
[0003]大气电场作为大气电学的一个基本参数，它存在于地球表面与高空电离层之间，在有关大气电场、雷暴及闪电的研究中有重要的意义。大气电场强度的测量对于研究云的电结构，起电理论以及防雷等方面都是不可缺少的。雷电作为扰动大气电场的气象要素之一，它是发生在自然大气中的瞬间放电过程，并同时伴有声、光的出现。一次放电过程一般持续时间为0.1
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1.0s，其中可能包括几次大电流脉冲过程，被称为闪击。
[0004]通常晴天天气时，地面大气电场变化较为缓慢，采用平均大气电场仪来测量；而雷暴天气时，地面大气电场变化剧烈，采用平均大气电场仪难以实现精细观测。
[0005]常见的大气电场测量仪器可以分为准静态电场测量和高速变化电场测量，分别用于不同观测途径，准静态电场测量装置可以测量大气中的平均电场和极性变化，其特点是可以测量到近距离电场的缓慢变化，甚至幅值比较弱的慢变化，能够实时监测记录雷电发生前雷暴云中的电场变化，可以实现雷电预警，但该类设备的采样率比较低。高速变化电场测量仪器是使用在雷电发生的时段，用来记录瞬时放电时的电场细致变化，一般采样率高，工作时间短，用来研究雷电的放电特性。

技术实现思路

[0006]本技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种集成式的雷电快慢电场测量系统，同时观测到雷电发生时快慢电场信号的变化量。
[0007]本技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008]根据本技术提出的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路；其中，
[0009]感应探头与第一前置放大电路、第二前置放大电路分别连接，第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路、第一差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路、第二差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，高速A/D转换器与FPGA处理器连接。
[0010]作为本技术所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，积
分电路包括第一至第四电阻、第一放大器、第二放大器、第一至第五电容、第一二极管和第二二极管；其中，
[0011]第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一放大器的反相端分别连接，第一放大器的正电源端与第一电容的一端、电源、第二电容的一端分别连接，第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地，第一放大器的负电源端与第三电容的一端、负电源、第四电容的一端分别连接，第三电容的另一端接地，第四电容的另一端接地，第一放大器的输出端与第一电阻的另一端、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与第一二极管的正极、第二二极管的负极分别连接，第一二极管的负极与第五电容的一端、第四电阻的一端、第二放大器的正相端分别连接，第四电阻的另一端接地，第五电容的另一端与地、第二二极管的正极分别连接，第二放大器的反相端与第二放大器的输出端连接。
[0012]作为本技术所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，FPGA处理器为FPGA核心板。
[0013]作为本技术所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，FPGA处核心板包括NIOS II 处理器、SD卡接口、网络接口、 SDRAM存储单元、FLASH存储单元、RTC时钟单元和JTAG接口，其中，SD卡接口、网络接口、SDRAM存储单元、FLASH存储单元、RTC时钟单元和JTAG接口分别与NIOS II 处理器连接。
[0014]作为本技术所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，第一放大器、第二放大器的型号为AD8066AR。
[0015]本技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0016]（1）实现对雷电发生时的快电场与慢电场信号进行数据采集、存储与传输；
[0017]（2）该系统设备安装便捷易携，可以不受环境因素影响，在不同时间、不同地点全天候的进行工作，采集工作人员需要的大气电场信息；
[0018]（3）在现实生活中应用领域广泛，可为气象行业提供雷电预警服务，帮助林业部门做好雷电防火预警，为电力部门供电安全提供技术保障。
附图说明
[0019]图1是系统总体设计框图。
[0020]图2是快电场调理模块图。
[0021]图3是慢电场调理模块图。
[0022]图4是积分电路图。
[0023]图5是AD9248外围电路图。
[0024]图6是FPGA信号处理框图。
[0025]图7是幅值测量与极性检测框图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本技术的技术方案做进一步的详细说明：
[0027]本技术提出的雷电快慢电场数据采集系统包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大
电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路；其中，
[0028]感应探头与第一前置放大电路、第二前置放大电路分别连接，第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路、第一差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路、第二差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，高速A/D转换器与FPGA处理器连接。系统能够对采集到的雷电快慢电场信号进行电场幅值、极性等特性的分析。
[0029]系统通过感应探头捕捉到大气中电场对探头产生的微弱电流信号，一路电流信号经过快电场采集模块完成对模拟信号的放大、滤波，一路电流信号经过慢电场采集模块完成对模拟信号的放大、滤波，得到两个与电场强度E成比例的直流电压信号，以保证有足够的动态电压范围，使之符合高速A/D转换器的电压输入范围；高速A/D采集模块采集快、慢调理模块输出的电压信号并完成离散化；FPGA通过设置内部IP核参数实现对电场信号的数字化信号处理，完成大气电场强度的精确测量和电场极性的判断，以及最终数字电场信号的有效输出。SDRAM存储单元主要完成对采集的数据实时传输和保存；显示模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路；其中，感应探头与第一前置放大电路、第二前置放大电路分别连接，第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路、第一差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路、第二差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，高速A/D转换器与FPGA处理器连接。2.根据权利要求1所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，积分电路包括第一至第四电阻、第一放大器、第二放大器、第一至第五电容、第一二极管和第二二极管；其中，第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一放大器的反相端分别连接，第一放大器的正电源端与第一电容的一端、电源、第二电容的一端分别连接，第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地，第一放大器的负电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬梓荣，徐伟，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：