闪电信号采集系统

1.本发明涉及闪电信号采集领域，尤其涉及一种闪电信号采集系统。


背景技术：

2.闪电是严重的主要自然灾害之一，可引起森林和油库火灾、造成供电及通讯信息系统故障或损坏，对航天航空、矿山及一些重要而敏感的高技术装备等具有重大威胁；八十年代以后，闪电引起的危害显著增加，特别是与高新技术关系密切的领域，如航空航天、国防、通讯、电力、计算机、电子工业等由于广泛应用对闪电电磁干扰极为敏感的大规模及超大规模集成电路致使遭雷击的几率大大增加；据保守估计，我国每年因雷害造成的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，由于其成灾迅速而给其研究、预报和防治带来了极大的困难；而闪电探测和定位系统能对雷电活动进行预警，从而减小闪电所导致的有害影响。传统单通道的采集模式较为单一，选择触发采集会丢失闪电数据，而选择连续采集则会提升硬件和实验要求；此外，闪电数据的稳定获取以及数据授时的准确性对闪电定位观测也至关重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种闪电信号采集系统。
4.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
5.闪电信号采集系统，包括至少五个采集子系统，一个采集子系统用于采集一个闪电定位观测站的闪电信号，进行闪电信号时，五个采集子系统同时采集同一道闪电信号，被追踪的卫星数量不少于四个，每个采集子系统包括：
6.天线模块；
7.采集模块；采集模块为aba的双时基采集模式，双时基采集模式包括a时基连续采集和b时基触发采集，a时基与b时基的采样率不同，天线模块的数据信号输出端与采集模块的采集通道连接；
8.时钟模块；时钟模块包括gps天线和gps接收器，gps接收器分别接入采集模块的参考时钟端和附加选项端；
9.pc端；gps接收器通过pc串口与pc端连接，采集模块的信号端与pc端的信号端连接。
10.本发明的有益效果在于：通过采用闪电双时基数据采集模式(aba)，实现了单通道大幅值闪电信号的高采样率触发采集和完整信号的低采样率连续采集，既保证了闪电数据的获取效率、也兼顾了数据的完整性，通过设置fifo缓冲器、设计数据采集实时监控软件和双时间戳技术，使所建立的闪电探测定位网各测站数据采集系统具有较高的稳定性和可靠性。
附图说明
11.图1是本发明闪电信号采集系统的示意图；
12.图2是本发明aba双时基采集模式信号采集示意图；
13.图3是本发明闪电信号采集系统的双时间戳原理图；
14.图4是本发明闪电信号采集系统的fifo传输图。
具体实施方式
15.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
16.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
18.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
19.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
22.闪电信号采集系统，包括至少五个采集子系统，一个采集子系统用于采集一个闪电定位观测站的闪电信号，进行闪电信号时，五个采集子系统同时采集同一道闪电信号，被追踪的卫星数量不少于四个，每个采集子系统包括：
23.天线模块；天线模块包括de/dt天线、快天线和慢天线，有效频带范围分别为80khz-4mhz，1.5khz-2mhz，10hz-1mhz，时间常数分别为2μs、100μs和220ms。快天线和慢天线可观测闪电引起的电场变化，并提供识别闪电放电过程(如类型、极性)的特征，de/dt天线可以提供脉冲信息进行用于闪电定位。快慢天线主要由感应板、放大器和rc充放电路组成，当闪电在大气中击穿放电，天线感应板周围的环境电场变化，会在感应板上形成感应电流。通过调节rc的参数，能够得到不同的时间常数(τ)，慢天线时间常数τ通常大于1s，可以
表现闪电辐射源低频成分(静电场分量)，快天线时间常数τ通常小于1ms，可以表现闪电辐射源高频成分(辐射场分量)，放电常数越低，测得的闪电信号脉冲越尖锐，比如de/dt天线，τ为ns级别，闪电电场脉冲非常尖锐，比较适合低频辐射源闪电定位中的脉冲匹配；
24.采集模块；采集模块为aba的双时基采集模式，双时基采集模式包括a时基连续采集和b时基触发采集，a时基与b时基的采样率不同，天线模块的数据信号输出端与采集模块的采集通道连接，本实施例的采集模块采用德国spectrum采集卡进行闪电电场的变化信号的采集，垂直分辨率为16位，四个通道的最大采样率为60ms/s，采用同时具备触发采集(b时基)和连续采集(a时基)功能的双时基采集模式aba，a、b模式采样率可根据需求适当调节，b模式中一次触发的采样点数量可以设置为2n(n＝1，2，3
…
)，使用10ms/s的较高采样率，2
23
个采样点的采样长度大约为840ms，相当于一次闪电持续的时间，在模式a中，采样率设置为400ks/s。闪电定位的同步电场信号主要基于模式b采集的数据，连续采集模式a可以检测到微弱的辐射信号(可能无法通过模式b采集到低于触发阈值的信号)；
25.时钟模块；时钟模块包括gps天线和gps接收器，gps接收器分别接入采集模块的参考时钟端和附加选项端；
26.pc端；gps接收器通过pc串口与pc端连接，采集卡通过pc插槽与pc端相连。
27.采用aba的双时基采集模式对闪电信号进行采集，a时基连续采集对闪电信号进行低采样连续采集，可以获取雷暴期间的所有闪电信息，由于采样率较小，数据容量可控，在雷暴期间可以把数据存在当地硬盘中，而不需要频繁换盘，降低观测难度；预先设置触发电平，b时基触发采集对超过预设电平的闪电信号进行高采样触发采集，可以获得用于闪电电场分析以及闪电定位的高质量闪电数据，a、b时基的信号相互弥补，可以获得高效且完整的闪电数据。
28.时钟模块选用了泰福特公司gpshj5432c-d-1m接收机，时间精度为25ns，时钟模块可向采集模块提供两路恒温晶振脉冲信号，一路为10ms/s外部参考时钟，接入采集模块参考时钟端(clc)，相比与采集卡的计时器，gps提供的参考时钟更加稳定精确；另一路为1pps秒脉冲信号，接入采集模块附加选项端(basexio)，可以作为计数器的置零信号，防止计数的累计误差；同时1pps还可以精准同步各个闪电定位测站时间；通过pc端的rs232串口可以读取gps提供的信息，包括世界时间(utc)和三维地理坐标(经度，纬度，海拔)。
29.由于采集的闪电数据时间由gps提供，而读取utc存在延迟，降低了数据时间的精度，所以设计采集系统仅仅读取一次utc，然后根据gps提供的外部参考时钟和1pps两路信号获得的时间戳换算数据时间；gps提供的秒脉冲(1pps)进行整秒计数，而外部参考时钟进行秒后的计数(秒换算：计数次数/采样率)，结合gps提供的utc时间，可以计算出每个采样数据的精准时间。秒脉冲每计数一次，都会对采集模块的计数器清零，以避免累计误差。
30.采集模块还包括fifo缓存器，采集模块进行采集时采用fifo(先进先出)传输模式，fifo缓存器的数据信号输出端通过pci总线与pc端连接，采集的数据先存入fifo内存，再由pc端将fifo内存中的数据取出，以减少触发频繁时数据丢失的风险。
31.闪电信号采集系统还包括低频滤波模块和零漂修正模块，闪电信号依次经过括低频滤波模块和零漂修正模块进行低频滤波和零漂修正后通过dma传输方式到达pc端。
32.应用上述的闪电信号采集系统进行闪电信号的采集时：
33.s1、设置数据采集卡中a时基连续采集和b时基触发采集的采集模式参数，a时基的
参数包括通道偏置、外部参考时钟和采样率，b时基的参数包括主通触发通道号、通道偏置、外部参考时钟和采样率、正负触发阈值、触发模式(边沿触发)、采样长度、预触发采样长度(采样点)和采样脉冲宽度阈值：采样脉冲宽度阈值为脉冲触发所需宽度阈值，不满足宽度阈值的脉冲即使达到触发电平也不被采集；
34.s2、pc端读取gps通信协议，解析当下gps同时追踪的卫星数量；
35.s3、判断当下gps同时追踪的卫星数量是否在4以上，若是，则采集系统启动并进入s4，反之则返回s2；
36.s4、连续采集闪电信号，并实时记录采集时间，pc端在读取第一个接收机提供的1pps秒脉冲后开启连续采集闪电信号，并实时记录采集时间；
37.s5、判断是否接受到停止采集命令，若接收到则结束信号采集，反之则继续采集闪电信号，并进入s6；
38.s6、判断采集模块采集到的信号数据量是否达到预设容量，若达到预设容量，则进入s7，反之则进入s4；
39.s7、根据采集的预设量(n
size
)和采集时间t计算当下信号的采集速度是否匹配数据的后处理速度vm，即n
size/
t＜vm，若匹配则进入s4；反之则通过暂停采集来调节采集速度匹配实时数据处理速度，再进入s4。
40.本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。