闪电电场变化信号测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种闪电电场变化信号测量系统，涉及气象监测技术领域，包括：探测天线、电场快变化接收机、信号处理模块，所述电场快变化接收机分别连接所述探测天线和所述信号处理模块；所述探测天线用于将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至所述电场快变化接收机；所述电场快变化接收机用于处理所述电场变化信号，以得到闪电电场快变化信号，并将所述闪电电场快变化信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块用于采集并处理所述闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。本实用新型专利技术实现了闪电电场快、慢变化信号的集成化测量。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及气象监测
，特别涉及一种闪电电场变化信号测量系统。
技术介绍
闪电是我国最严重的自然灾害之一，由于其具有大电流、强电磁辐射等特性，常常引起森林火灾、油库爆炸、供电中断、通讯故障、设备破坏等事故，也容易造成人员伤亡。据保守估计，我国每年因雷灾造成的人员伤亡上千人，直接经济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，闪电灾害已经波及到各行各业和生活的方方面面。闪电作为一种长距离放电现象，能够产生较强的电磁辐射，每次闪电放电都包含各种频率的放电子过程，在电场波形特征上表现出不同形式的脉冲，通过对这些电场变化脉冲的观测研究，揭示了闪电放电的基本物理过程。同时，闪电电场变化波形也是阐明闪电电磁辐射对电子设备的作用机理、评价防护效能、研究闪电电磁脉冲防护措施的重要基础。因此，闪电电场变化信号探测一直是雷电物理和雷电防护研究的重要工具。长期以来，国内外用来测量闪电电场变化的设备包括两种闪电电场快变化探测仪(常常称为快天线)和闪电电场慢变化探测仪(常常称为慢天线)。两者分别用来观测闪电过程中的不同尺度的放电事件。通常情况下，闪电电场快变化探测仪用来观测闪电过程的快放电过程，比如预击穿过程、回击过程、先导过程、K过程等，而电场慢变化信号探测仪主要用来观测闪电过程中的慢放电过程，如连续电流(持续时间可长达几百毫秒)等。其探测原理如下金属感应板在外界电场的作用下会产生感应电荷，当闪电发生时会引起空间电场变化时，空间电场的变化会导致金属板上的感应电荷随之变化，因感应电荷变化而产生的电流将会流过积分电路，经积分调理之后输出与电场变化成线性关系的电压。闪电电场快变化探测仪和闪电电场慢变化探测仪的区别在于积分时间常数的不同，一般闪电电场快变化探测仪的时间常数为毫秒量级，闪电电场慢变化探测仪的时间常数为秒量级。虽然上述探测方法和手段已经被广泛应用，但是在实际观测试验中，特别是在近距离闪电观测时，比如人工触发闪电的观测，发现传统的电场变化探测装置，尤其是闪电电场慢变化探测装置，能够测量的电场强度范围不够大，对于较强的近距离闪电经常出现响应饱和的问题。为了解决这个问题，科研人员也采取了一些相应的措施，主要手段为调节积分电路中R(电阻)和C(电容)的量值入手，但是由于当前的器件技术水平的局限，一些相应措施也很难达到近距离闪电回击强度的要求。而且闪电电场快变化信号和慢变化信号分别采用不同的设备测量，集成化程度不高。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本技术要解决的技术问题是如何实现闪电电场快、慢变化的集成化测量。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本技术提供了一种闪电电场变化信号测量系统，包括探测天线、电场快变化接收机、信号处理模块，所述电场快变化接收机分别连接所述探测天线和所述信号处理模块；所述探测天线用于将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至所述电场快变化接收机；所述电场快变化接收机用于处理所述电场变化信号，以得到闪电电场快变化信号，并将所述闪电电场快变化信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块用于触发采集并处理所述闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。其中，所述信号处理模块包括数字化仪和数字处理器，所述数字化仪分别连接所述数字处理器和所述电场快变化接收机，用于将接收到的所述闪电电场快变化信号数字化后传输至所述数字处理器，所述数字处理器对数字化后的闪电电场快变化信号进行解卷积 数字信号处理并得到所述闪电电场慢变化信号。其中，还包括GPS天线和GPS接收机，所述GPS天线连接所述GPS接收机，所述GPS接收机连接所述信号处理模块，所述GPS天线接收GPS卫星信号并传输至所述GPS接收机，所述信号处理模块在处理所述闪电电场快变化信号的同时触发所述GPS接收机输出闪电发生时的时间信息。其中，还包括存储模块，连接所述数字处理器和GPS接收机，用于存储包括闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号和闪电发生时的时间信息。其中，还包括面向仪器系统的专用处理平台，所述数字化仪、数字处理器、GPS接收机和存储模块集成在所述面向仪器系统的专用处理平台上。其中，所述探测天线为形状为中空的环形平板天线。其中，所述GPS天线为蘑菇头式天线，感应信号的头部位于所述环形平板天线的平板面之上，尾部位于所述环形平板天线的环形孔中。其中，还包括绝缘子，所述绝缘子连接所述探测天线。其中，还包括屏蔽仓室，所述屏蔽仓室连接所述绝缘子，所述电场快变化接收机位于所述屏蔽仓室内。 其中，还包括支撑架，连接所述屏蔽仓室。(三)有益效果本技术的闪电电场变化测量系统，通过电场快变化接收机获取闪电电场快变化信号，并对闪电电场快变化信号处理得到闪电电场慢变化信号，实现了对闪电电场快、慢变化信号的集成化测量。附图说明图I是本技术实施例的一种闪电电场变化测量系统结构示意图；图2是图I中电场快变化接收机的结构示意图；图3是采用传统的电场快/慢变化探测仪获得的电场快慢变化信号和对电场快变化信号解卷积后的输出信号波形对比图；图4是本技术实施例的一种闪电电场变化测量方法流程图；图5是图I所示的系统工作流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。如图I所示，本实施例的闪电电场变化测量系统包括用于探测闪电产生的电场变化信号的平板天线I、电场快变化接收机5和信号处理模块，电场快变化接收机5分别连接平板天线I和信号处理模块。平板天线将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至电场快变化接收机5，电场快变化接收机5对闪电产生的电场变化信号进行处理，即经过信号调理积分后获得闪电电场快变化信号，并将闪电电场快变化信号传输至信号处理模块；信号处理模块触发采集并处理闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。电场快变化接收机5为积分调理电路，主要作用是将输入信号经过转换得到闪电电场快变化信号，其原理图如图2所不,包括积分放大器51、信号滤波器52、驱动输出53、阻抗匹配54等部分，时间常数为ms或百微秒量级，带宽为IK 5MHz ;其中积分电路可以采用有源积分或者无源积分。所接收的信号为平板天线I的感应信号，信号经积分调理后输 送给信号处理模块。本实施例中信号处理模块包括数字化仪8和数字处理器9 (可以是FPGA或者CPLD编程数字处理器)，数字化仪8和数字处理器9连接。数字化仪8也称为数据采集卡，能够实现将积分调理电路输出的闪电电场快变化信号(模拟信号)转换成数字信号，同时传输数字信号至数字处理器9，数字处理器9将数字化后的闪电电场快变化信号进行解卷积处理，获得平板天线I探测得到的原始信号。解卷积获得的原始信号为包括闪电电场慢变化信号的一个宽带信号，也包含闪电电场快变化信号，但是，闪电电场慢变化信号体现的比较明显，一般现阶段的闪电电场慢变化测量仪也是测量的这个宽带信号，本技术的闪电电场慢变化信号指的是这个宽带信号。当然，为了直接获得闪电电场慢变化信号，可以使用电场慢变化接收机(一种积分调理电路)，由于闪电电场慢变化信号的长时间积分(积分常数一般取秒量级)，会使输出的电压超过电子元器件的要求。为此，本技术通过闪电电场快变化信号经过数字信号处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种闪电电场变化信号测量系统，其特征在于，包括：探测天线、电场快变化接收机、信号处理模块，所述电场快变化接收机分别连接所述探测天线和所述信号处理模块；所述探测天线用于将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至所述电场快变化接收机；所述电场快变化接收机用于处理所述电场变化信号，以得到闪电电场快变化信号，并将所述闪电电场快变化信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块用于触发采集并处理所述闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张阳，孟青，吕伟涛，张义军，
申请(专利权)人：中国气象科学研究院，
类型：实用新型
国别省市：