一種雷電及地面電場監測一體裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開一種雷電及地面電場監測一體裝置，包括地面電場監測單元、雷電探測單元和信號與數據處理單元；地面電場監測單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊；雷電探測單元包括天線組件、三個前置放大電路、三個信號調理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測模塊；所述信號與數據處理單元對前述接收的信號進行處理，并通過通信接口傳送給計算機進行顯示。此裝置將雷電預測和雷電定位功能集成于一體，克服單一設備不易攜帶、探測精度低的缺點，提高雷電監測精度和準確度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電子領域，特別涉及一種既能記錄閃電發生前雷暴的電活動，又能記錄雷暴過程中發生的閃電空間位置和放電參數的具有雷電監測及地面電場測量功能的一體裝置。
技術介紹
由雷電而引發的災害現象已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第三大氣象災害。由于雷電的形成機理、形成條件極其復雜，雷電發生后的衍生物理現象轉瞬即逝，單一的僅靠雷電發生后的衍生物理現象或是雷電發生不同階段的地面電場情況作為雷電探測的標準是遠遠不夠的。目前，測量大氣電場和閃電活動的設備分別是基于通過電場傳感器探頭來對大氣電場的變化進行監控的場磨式電場儀和基于單站定位的雷電探測儀大氣電場儀是一種通過前置傳感器探頭測量地面大氣電場強度的設備，能夠在野外惡劣的環境下長期對地面附近的大氣電場強度進行測量，通過雷暴發生過程中地面大氣電場變化對雷電進行預警；雷電探測儀利用電磁場信號和光信號對遠處發生的雷電進行定向和測距。兩種設備的功能不完全相同，大氣電場儀起到前期預測的作用，即根據雷暴發展過程中各階段電場變化的規律，判斷雷暴當前所處的階段，進而判斷出短時間內監測區域內雷擊發生的可能性；而雷電探測儀是對雷電進行準確定位的裝置。這兩種設備國際上一般都是分開、獨立的，尚未出現將兩種功能結合在一起的一體化測量裝置。另外，單站模式下，雷電的方向信息及其精度可以直接測量和滿足要求，但雷電的距離無法直接測量，精確到Ikm的定位無法實現。目前，單站精確定位還屬于世界級的難題。
技術實現思路
本專利技術的目的，在于提供一種雷電及地面電場監測一體裝置，其將雷電預測和雷電定位功能集成于一體，克服單一設備不易攜帶、探測精度低的缺點，提高雷電監測精度和準確度。為了達成上述目的，本專利技術的解決方案是一種雷電及地面電場監測一體裝置，包括地面電場監測單元、雷電探測單元和信號與數據處理單元；地面電場監測單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，電場儀的輸出端連接放大器的輸入端，將感測的外電場電流信號送入放大器進行放大，所述放大器的輸出端經由濾波器連接MCU模塊，將濾波后得到的正弦波信號送入MCU模塊；所述MCU模塊將前述正弦波信號進行模數轉換后通過RS232送入信號與數據處理單元，所述MCU模塊還將預設的設備自檢參數值進行數模轉換后控制自檢/自校模塊產生自檢信號；雷電探測單元包括天線組件、三個前置放大電路、三個信號調理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測模塊，其中，天線組件包括分別用于接收磁場信號的東西環天線、南北環天線和用于接收電場信號的電場天線，所述三個前置放大電路的輸入端與前述三種天線對應連接，所述前置放大電路的輸出端則與三個信號調理電路的輸入端對應連接；所述各信號調理電路的輸出端輸出電磁場信號，一方面通過總線連接信號與數據處理單元，另一方面連接波形鑒別電路，由波形鑒別電路判斷是否是雷電信號后，通過總線送入信號與數據處理單元；所述光電管的輸出端連接光探測模塊，將采集的紅外光信號轉換為光電電流，并經光探測模塊轉換為電脈沖信號后送入信號與數據處理單元；所述信號與數據處理單元對前述接收的信號進行處理，并通過通信接口傳送給計算機進行顯示。 上述電場儀包括動片和感應電極，所述動片在電機的帶動下旋轉，從而在感應電極上產生電流信號，該電流信號送入放大器的輸入端。上述放大器的輸出端與濾波器的輸入端之間還連接有跟隨器。采用上述方案后，本專利技術具有以下優點(I)本專利技術將電場強度測量技術和雷電定位技術相結合，對局地地面大氣電場強度進行測量，對遠距離發生的雷電進行測向和定距，通過綜合二者信息，對可能發生的雷電危害進行預警，在國際上尚屬創新；(2)本專利技術利用高速AD和DSP技術，綜合應用電磁場強度法、能譜法和光信號強度精確計算雷電距離，提高測量精度和可靠性。附圖說明圖I是本專利技術的結構示意圖；圖2是本專利技術中地面電場監測單元的原理框圖；圖3是本專利技術中雷電探測單元的原理框圖；圖4是本專利技術中信號與數據處理單元的原理框圖。具體實施例方式以下將結合附圖，對本專利技術的技術方案進行詳細說明。本專利技術提供一種雷電及地面電場監測一體裝置，包括地面電場監測單元、雷電探測單元和信號與數據處理單元，下面分別介紹。如圖2所示，是本專利技術中地面電場監測單元的結構框圖，所述地面電場監測單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，其中，電場儀米用JDC-5場磨式電場儀，其由動片和感應電極組成，動片位于裝置最下端，向上一層為標定電極板和感應電極(即一般所認為的定子)，電機帶動動片旋轉，動片循環遮擋大氣外電場，從而在感應電極上產生電流信號，該電流信號的強度正比于外電場強度。放大器的輸入端連接電場儀的輸出端，將電場儀產生的交變微弱電流信號進行放大，然后送入濾波器，在本實施例中，在放大器的輸出端與濾波器的輸入端之間還采用跟隨器進行隔離，以消除前后級電路之間的相互影響，跟隨器可采用LM148電路；在本實施例中，放大器采用高速運放CA3140，其壓擺率達9V/y s，增益帶寬4. 5MHz，輸入偏置電壓不高于5mV，共模抑制比320 μ V/V，完全滿足電路要求，而且，該運放可在-55° 125°溫度范圍內正常工作。電路連接采用單端輸入負反饋放大。作為小信號放大器，CA3140對工作電源要求精度很高，所以CA3140的正負電源輸入采用5V穩壓二極管穩壓。濾波器接收前級放大器輸出的放大信號，該放大信號為帶有50Hz和其它一些頻率成分的雜波干擾信號，濾波器對該放大信號進行帶通濾波得到干凈的正弦波信號，再經A/D轉換后送入MCU模塊。在本實施例中，MCU模塊采用C8051F020，其是一個完全集成的12位數據采集系統，在一個芯片內結合了高性能的自校準多通道12位ADC、雙12位DAC和可編程8位微控制器，該微控制器具有看門狗定時器、電源監視器和ADC DMA功能；其中，前級濾波器濾波后得到的正弦波信號可采用MCU模塊中自帶的ADC進行模擬量數字化后再進行預處理，然后通過RS232送入信號與數據處理單元進行交互計算；此外，MCU模塊還利用自身所帶的雙12位DAC將用戶設定的設備自檢參數值(數字量)轉換為模擬量后，控制自檢/自校模塊產生自檢信號。所述自檢/自校模塊包括模擬開關ADG509及外圍電路，所述ADG509在MCU模塊 提供的自檢控制信號控制下關斷與接通，從而控制其外圍電路產生的模擬電場信號輸入到地面電場監測單元電路中，用于實時檢測設備的運行狀況。如圖3所示，是本專利技術中雷電探測單元的結構框圖，所述雷電探測單元包括天線組件、三個前置放大電路、三個信號調理電路、波形鑒別電路、標定信號發生器、光電管和光探測模塊，其中，天線組件包括東西環天線、南北環天線和電場天線，東西環天線和南北環天線用于接收磁場信號，電場天線用于接收電場信號，三個前置放大電路的輸入端與前述三種天線一一對應連接，所述前置放大電路的輸出端則與三個信號調理電路的輸入端一一對應連接；所述天線組件接收到的電磁場信號分別通過各自的模擬通道傳送至與其連接的前置放大電路，進行前置放大后再送入各自連接的信號調理電路，對信號進行可選增益放大(高、中、低三檔，增益之比大約為4:2:1)和濾波后，一方面通過總線送入信號與數據處理單元，另一方面送入波形鑒別電路，由該波形鑒別電路進行本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雷電及地面電場監測一體裝置，其特征在于：包括地面電場監測單元、雷電探測單元和信號與數據處理單元；地面電場監測單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，電場儀的輸出端連接放大器的輸入端，將感測的外電場電流信號送入放大器進行放大，所述放大器的輸出端經由濾波器連接MCU模塊，將濾波后得到的正弦波信號送入MCU模塊；所述MCU模塊將前述正弦波信號進行模數轉換后通過RS232送入信號與數據處理單元，所述MCU模塊還將預設的設備自檢參數值進行數模轉換后控制自檢/自校模塊產生自檢信號；雷電探測單元包括天線組件、三個前置放大電路、三個信號調理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測模塊，其中，天線組件包括分別用于接收磁場信號的東西環天線、南北環天線和用于接收電場信號的電場天線，所述三個前置放大電路的輸入端與前述三種天線一一對應連接，所述前置放大電路的輸出端則與三個信號調理電路的輸入端一一對應連接；所述各信號調理電路的輸出端輸出電磁場信號，一方面通過總線連接信號與數據處理單元，另一方面連接波形鑒別電路，由波形鑒別電路判斷是否是雷電信號后，通過總線送入信號與數據處理單元；所述光電管的輸出端連接光探測模塊，將采集的紅外光信號轉換為光電電流，并經光探測模塊轉換為電脈沖信號后送入信號與數據處理單元；所述信號與數據處理單元對前述接收的信號進行處理，并通過通信接口傳送給計算機進行顯示。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：周樹道，陳加清，王敏，寧軍，程聰穎，張國勇，周賢哲，金永奇，劉星，
申請(專利權)人：中國人民解放軍理工大學氣象學院，
類型：發明
國別省市：