閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站，包括：甚高頻輻射源探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀、寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀以及高速數(shù)據(jù)采集板卡；所述高速數(shù)據(jù)采集板卡包括至少三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀、所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀與所述高速數(shù)據(jù)采集板卡的三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道一一對(duì)應(yīng)連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集通道分別采集由所述甚高頻輻射源探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀所探測(cè)到的閃電信號(hào)。上述觀測(cè)站可實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻多頻段的綜合探測(cè)。
【專利說(shuō)明】閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及氣象觀測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種閃電探測(cè)觀測(cè)站及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 閃電是自然界中發(fā)生的一種強(qiáng)烈的大氣放電現(xiàn)象，通常伴隨著聲、光、電、磁等多 種特征效應(yīng)。閃電不僅會(huì)造成人畜傷亡、建筑損毀，引發(fā)森林大火、化工廠爆炸，還會(huì)造成廣 播、通信中斷和輸、配電線路故障等事故。隨著大規(guī)模集成電路和微電子器件在各行各業(yè)中 的廣泛應(yīng)用，閃電作為強(qiáng)電磁輻射源，對(duì)人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)重的影響。因此，如何 對(duì)閃電進(jìn)行系統(tǒng)全面的科學(xué)研宄，進(jìn)而對(duì)其災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防和防護(hù)，已成為迫切需要解決的 問(wèn)題。
[0003] 閃電輻射的電磁波的頻譜非常寬，從幾赫茲到幾吉赫茲，不同頻率范圍的電磁波 通常對(duì)應(yīng)著閃電的不同空間尺度的放電過(guò)程，例如，閃電的回?fù)暨^(guò)程輻射的電磁波頻率主 要集中在甚低頻（Very Low Frequency，簡(jiǎn)稱VLF)和低頻（Low Frequency，簡(jiǎn)稱LF)頻段， 梯級(jí)先導(dǎo)過(guò)程福射的電磁波頻率主要集中在甚高頻（Very High Frequency，簡(jiǎn)稱VHF)頻 段。通常情況下，閃電通道中的電流傳輸過(guò)程總是輻射出更多的低頻電磁波，而通道形成前 的擊穿過(guò)程輻射出更多的高頻和甚高頻電磁波。為了對(duì)閃電的放電過(guò)程及其發(fā)展傳輸特性 進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)的研宄，需要對(duì)閃電輻射的不同頻段電磁波進(jìn)行探測(cè)和研宄，這也對(duì)閃電探 測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，因此，發(fā)展新的閃電探測(cè)技術(shù)是當(dāng)前亟待完成的任務(wù)。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型提供一種閃電探測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻多 頻段的綜合探測(cè)。
[0005] 第一方面，本實(shí)用新型提供一種閃電探測(cè)觀測(cè)站，包括：甚高頻輻射源探測(cè)儀、寬 帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀、寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀和高速數(shù)據(jù)采集板卡；
[0006] 所述甚高頻輻射源探測(cè)儀用于探測(cè)甚高頻頻段的閃電信號(hào)；
[0007] 所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀均用于探測(cè)甚低頻、低頻及 高頻頻段的閃電信號(hào)；
[0008] 所述高速數(shù)據(jù)采集板卡包括至少三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀、 所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀與所述高速數(shù)據(jù)采集板卡的三 個(gè)數(shù)據(jù)采集通道一一對(duì)應(yīng)連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集通道分別采集由 所述甚高頻輻射源探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀所探測(cè)到的閃 電信號(hào)。
[0009] 可選地，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)于工控機(jī)內(nèi)。
[0010] 可選地，所述觀測(cè)站還包括：全球定位系統(tǒng)GPS接收機(jī)和GPS天線；
[0011] 所述GPS天線與所述GPS接收機(jī)連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡的觸發(fā)輸出端口與 所述GPS接收機(jī)的觸發(fā)輸入端口連接，所述GPS接收機(jī)與所述工控機(jī)連接。
[0012] 可選地，所述觀測(cè)站還包括：顯示器和存儲(chǔ)器；
[0013] 所述顯示器和所述存儲(chǔ)器分別與所述工控機(jī)連接。
[0014] 可選地，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀包括：接收天線和信號(hào)調(diào)理器；
[0015] 所述接收天線與所述信號(hào)調(diào)理器的輸入端連接；所述信號(hào)調(diào)理器的輸出端與所述 高速數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集通道連接。
[0016] 可選地，所述信號(hào)調(diào)理器包括：限幅電路、第一濾波電路、放大電路、第二濾波電 路、對(duì)數(shù)檢波電路和驅(qū)動(dòng)輸出電路；
[0017] 所述限幅電路、第一濾波電路、放大電路、第二濾波電路、對(duì)數(shù)檢波電路和驅(qū)動(dòng)輸 出電路依次連接；所述接收天線與所述限幅電路連接；所述驅(qū)動(dòng)輸出電路的輸出端與所述 高速數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集通道連接。
[0018] 可選地，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀的接收天線為盤(pán)錐天線。
[0019] 可選地，所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀包括：相互連接的第一平板天線和第一電荷 放大電路，所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀包括：相互連接的第二平板天線和第二電荷放大電 路。
[0020] 第二方面，本實(shí)用新型提供一種閃電多頻段探測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少五個(gè)上 述的觀測(cè)站。
[0021] 可選地，所述觀測(cè)站設(shè)置為幾何對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0022] 由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型的閃電多頻段探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置多個(gè)觀測(cè)站， 每個(gè)觀測(cè)站由寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和甚高頻輻射源探測(cè)儀探測(cè) 閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻頻段的信號(hào)，進(jìn)而由高速數(shù)據(jù)采集板卡采集上述三個(gè)探測(cè) 儀的不同頻段的閃電信號(hào)。由此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻多頻段的綜合 探測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本實(shí)用新型另一實(shí)施例提供的閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3為圖2中甚高頻輻射源探測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4為圖2中寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀的電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下 實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。
[0028] 圖1示出了本實(shí)用新型一實(shí)施例提供的閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站的結(jié)構(gòu)示意圖，如 圖1所示，本實(shí)施例的閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站包括：甚高頻輻射源探測(cè)儀11、寬帶快電場(chǎng)變 化探測(cè)儀12、寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13以及高速數(shù)據(jù)采集板卡16。
[0029] 其中，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀11用于探測(cè)甚高頻頻段的閃電信號(hào)；
[0030] 所述快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12和慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13均用于探測(cè)甚低頻、低頻及高 頻頻段閃電信號(hào)。
[0031] 舉例來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例的甚高頻輻射源探測(cè)儀11可探測(cè)69MHz至75MHz頻段的閃電 信號(hào)；寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12可探測(cè)1kHz至2MHz頻段的閃電信號(hào)；寬帶慢電場(chǎng)變化探 測(cè)儀13可探測(cè)10Hz至1MHz頻段的閃電信號(hào)。
[0032] 上述的寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀的放電時(shí)間常數(shù)不 同，通常放電時(shí)間常數(shù)大于〇. Is的探測(cè)儀為寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀，放電時(shí)間常數(shù)小于 〇. Is的探測(cè)儀為寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀。本實(shí)施例的寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12的放時(shí)時(shí) 間常數(shù)為200 y s，寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13的放電時(shí)間常數(shù)為200ms。
[0033] 具體地，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡16包括至少三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，所述甚高頻輻射 源探測(cè)儀11、所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12和所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13與所述高速 數(shù)據(jù)采集板卡的三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道一一對(duì)應(yīng)連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡16通過(guò)所述數(shù) 據(jù)采集通道分別采集由所述甚高頻輻射源探測(cè)儀11、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12和寬帶慢 電場(chǎng)變化探測(cè)儀13所探測(cè)到的閃電信號(hào)。
[0034] 在實(shí)際應(yīng)用中，可由至少五個(gè)前述的閃電探測(cè)觀測(cè)站組成一個(gè)閃電探測(cè)系統(tǒng)，用 于對(duì)甚低頻、低頻、高頻和甚高頻頻段閃電信號(hào)的綜合探測(cè)。
[0035] 應(yīng)該說(shuō)明的是，上述的高速數(shù)據(jù)采集板卡16通常具有偶數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，本實(shí) 施例可選用具有4個(gè)或4個(gè)以上采集通道的高速數(shù)據(jù)采集板卡，但本實(shí)施例不對(duì)其進(jìn)行限 定。
[0036] 由此，采用五個(gè)以上前述的閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站組成閃電多頻段探測(cè)系統(tǒng)，每 個(gè)觀測(cè)站由寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和甚高頻輻射源探測(cè)儀探測(cè)閃 電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻頻段的信號(hào)，進(jìn)而由高速數(shù)據(jù)采集板卡采集上述三個(gè)探測(cè)儀 的不同頻段的閃電信號(hào)，由此，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻多頻段的綜合探 測(cè)。
[0037] 在具體應(yīng)用過(guò)程中，前述的高速數(shù)據(jù)采集板卡16設(shè)于工控機(jī)17內(nèi)。
[0038] 前述的閃電探測(cè)觀測(cè)站還可包括：GPS (Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS)接 收機(jī)14、GPS天線15。如圖2所示，圖2中的閃電探測(cè)觀測(cè)站包括：用于提供時(shí)間信號(hào)的 GPS接收機(jī)14、GPS天線15。
[0039] 其中，所述GPS天線15與所述GPS接收機(jī)14連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡16的 觸發(fā)輸出端口與所述GPS接收機(jī)14的觸發(fā)輸入端口連接，所述GPS接收機(jī)14與所述工控 機(jī)17連接。
[0040] 可選地，所述觀測(cè)站還可包括：顯示器18和存儲(chǔ)器19 ;所述顯示器18和存儲(chǔ)器19 分別與所述工控機(jī)17連接。
[0041] 舉例來(lái)說(shuō)，所述工控機(jī)17通常設(shè)有周邊元件擴(kuò)展接口（Peripheral Component Interconnection，簡(jiǎn)稱PCI)、USB接口和串口等多個(gè)接口，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡16可插 入工控機(jī)17的PCI插槽內(nèi)，所述GPS接收機(jī)14可通過(guò)數(shù)據(jù)線接入工控機(jī)17的串口。
[0042] 進(jìn)一步地，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀11包括：接收天線111和信號(hào)調(diào)理器112 ;所 述接收天線111與所述信號(hào)調(diào)理器112的輸入端連接；所述信號(hào)調(diào)理器112的輸出端與所 述高速數(shù)據(jù)采集板卡16的數(shù)據(jù)采集通道連接。
[0043] 所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12包括：相互連接的第一平板天線121和第一電荷放 大電路122。
[0044] 所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13包括：相互連接的第二平板天線131和第二電荷放 大電路132。
[0045] 在實(shí)際應(yīng)用中，可由至少五個(gè)上述閃電探測(cè)觀測(cè)站構(gòu)成一個(gè)閃電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同 頻段的閃電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。
[0046] 應(yīng)該說(shuō)明的是，閃電探測(cè)系統(tǒng)中的觀測(cè)站的位置選擇應(yīng)考慮觀測(cè)地點(diǎn)的電磁環(huán)境 及地形地貌等因素。在具體應(yīng)用中，應(yīng)選擇電磁噪聲低，開(kāi)闊且無(wú)高大建筑和樹(shù)木遮擋的地 點(diǎn)為觀測(cè)地點(diǎn)。為了盡可能地觀測(cè)到更多有效的同步資料，各個(gè)觀測(cè)站之間的距離應(yīng)在15 千米到100千米之間，整個(gè)閃電探測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)盡量保持對(duì)稱結(jié)構(gòu)，例如，7個(gè)觀 測(cè)站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可設(shè)置為正六邊形和一個(gè)中心站的幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，會(huì)有多種因素造成觀測(cè) 站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，本實(shí)用新型不對(duì)所述觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行限定。
[0047] 在觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)設(shè)置完畢后，可對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定位誤差進(jìn)行理論估計(jì)和實(shí)際檢驗(yàn)。 理論估計(jì)可采用蒙特卡洛方法，假設(shè)一個(gè)理想的輻射源，計(jì)算其到達(dá)各個(gè)觀測(cè)站的時(shí)間，在 到達(dá)時(shí)間的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)高斯隨機(jī)噪聲，而后再反演輻射源的位置。在多次重復(fù)計(jì)算結(jié) 果中取平均值和理想輻射源的位置進(jìn)行比較，即可得到定位誤差的估計(jì)值。通過(guò)在多個(gè)位 置放置理想輻射源，經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，可以得到整個(gè)觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)的定位誤差分布圖。
[0048] 實(shí)際檢驗(yàn)定位誤差可以采用帶有GPS時(shí)間的高速攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)高建筑物拍攝的方 式進(jìn)行，當(dāng)高速攝像機(jī)拍攝到一個(gè)擊中高建筑物的閃電放電事件后，利用其同步的GPS時(shí) 間，可以找到探測(cè)網(wǎng)記錄的同一事件，再對(duì)該事件進(jìn)行定位計(jì)算并與高建筑物的確切位置 進(jìn)行比較，即可得到觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)內(nèi)被雷擊中的高建筑物附近區(qū)域的實(shí)際定位誤差。
[0049] 由此，上述的閃電探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置多個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站由寬帶慢電場(chǎng)變化 探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和甚高頻輻射源探測(cè)儀采集閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高 頻頻段的信號(hào)，進(jìn)而由高速數(shù)據(jù)采集板卡采集上述三個(gè)探測(cè)儀的不同頻段的閃電信號(hào)。由 此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻多頻段的綜合探測(cè)。
[0050] 在具體的應(yīng)用過(guò)程中，前述的信號(hào)調(diào)理器112包括圖3所示的限幅電路31、第一濾 波電路32、放大電路33、第二濾波電路34、對(duì)數(shù)檢波電路35和驅(qū)動(dòng)輸出電路36 ;
[0051 ] 所述限幅電路31、第一濾波電路32、放大電路33、第二濾波電路34、對(duì)數(shù)檢波電路 35和驅(qū)動(dòng)輸出電路36依次連接；前述的接收天線111與所述限幅電路31連接；所述驅(qū)動(dòng) 輸出電路36的輸出端與前述的高速數(shù)據(jù)采集板卡16的數(shù)據(jù)采集通道連接。
[0052] 所述甚高頻輻射源探測(cè)儀11的接收天線111為盤(pán)錐天線。
[0053] 應(yīng)該說(shuō)明的是，在選擇天線時(shí)，要考慮天線的便攜性，是否容易安裝，抗風(fēng)性和耐 腐蝕性。所述盤(pán)錐天線為線性極化的全向天線，其接收頻段涵蓋需要探測(cè)的甚高頻頻段。
[0054] 為了保護(hù)信號(hào)調(diào)理器112能常在其前端設(shè)置限幅電路31，第一濾波電路32濾除閃 電信號(hào)不需要的電磁波頻段，之后由放大電路33對(duì)閃電信號(hào)進(jìn)行放大，其放大倍數(shù)以百倍 即20dB-30dB為宜，放大后的閃電信號(hào)的頻段有所展寬，經(jīng)過(guò)第二濾波電路34再進(jìn)行一次 濾波，對(duì)數(shù)檢波電路35對(duì)閃電信號(hào)實(shí)施下變頻處理得到閃電甚高頻信號(hào)的峰值包絡(luò)，其輸 出電壓范圍為0-5V。最后驅(qū)動(dòng)輸出電路36對(duì)所得閃電信號(hào)進(jìn)行射級(jí)跟隨放大保證信號(hào)能 夠通過(guò)線纜的衰減順利到達(dá)室內(nèi)進(jìn)行采集。
[0055] 在實(shí)際應(yīng)用中，上述的甚高頻輻射源探測(cè)儀11可探測(cè)的頻段為69-75MHZ，增益為 23dB，其端口駐波比小于1. 5,輸入功率范圍為-80dBm至-20dBm。
[0056] 前述的寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13的電路原理圖相 同，如圖4所示，電荷放大電路中輸入電阻Ri與運(yùn)算放大器OP的反相端相連，在運(yùn)算放大 器1C的反相輸入端和輸出端之間并接有充放電電容和放電電阻R。運(yùn)算放大器0P的輸出 端通過(guò)輸出電阻R。再與高速數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集通道及負(fù)載電路連接。
[0057] 可以理解的是，上述的第一電荷放大電路122以及第二電荷放大電路132的核心 部分是一個(gè)反向連接的高速運(yùn)算放大器，在實(shí)際應(yīng)用中要保證該放大器具有足夠高的壓擺 率（通常大于15V/ y s)，以保證通過(guò)放大器的信號(hào)不會(huì)發(fā)生失真。通過(guò)選擇合適的放電電 阻R和充電電容C，可以得到放電時(shí)間常數(shù)。本實(shí)施例中，寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀的放電時(shí) 間常數(shù)為200 y s，寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀的放電時(shí)間常數(shù)為200ms。
[0058] 上述的寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀12和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀13以及甚高頻輻射源 探測(cè)11儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)甚低頻、低頻、高頻和甚高頻閃電信號(hào)的探測(cè)，并將探測(cè)到的閃電信號(hào) 通過(guò)同軸電纜或光纖引入室內(nèi)，與高速數(shù)據(jù)采集板卡16的數(shù)據(jù)采集通道連接。
[0059] 在具體應(yīng)用中，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡16至少具有三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，其采集模 式為外部信號(hào)觸發(fā)模式，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)高速數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)置的閾值時(shí)，信號(hào)進(jìn)入高速 數(shù)據(jù)采集板卡。舉例來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例可選擇NI PCI-5105高速采集卡，其采集率大于12MS/ s，垂直分辨率大于等于12bit，存儲(chǔ)深度不小于50M。
[0060] 應(yīng)該說(shuō)明的是，上述的高速數(shù)據(jù)采集板卡16具有預(yù)觸發(fā)功能，可通過(guò)軟件控制其 預(yù)觸發(fā)百分比。其觸發(fā)輸出端口與前述的GPS接收機(jī)14的觸發(fā)輸入端口連接。所述GPS接 收機(jī)14具有加時(shí)間戳的功能，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集板卡輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，GPS接收機(jī)14觸 發(fā)輸入端口接收觸發(fā)信號(hào)，并且能夠?qū)⒂|發(fā)時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間通過(guò)串口反饋給工控機(jī)17。為 了對(duì)不同觀測(cè)站進(jìn)行時(shí)間同步，識(shí)別出各觀測(cè)站探測(cè)到的同一閃電放電事件，要求GPS的 授時(shí)精度高于50ns。
[0061] 在實(shí)際操作中，所述工控機(jī)17可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的閃電信號(hào)數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，例如，可采用采集軟件讀取觸發(fā)時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間，作為一次記錄的文件名 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。由此，要求工控機(jī)17有較高配置，舉例來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例的工控機(jī)17的主 頻大于2GHz，內(nèi)存大于1G，且有多個(gè)串口或USB接口。
[0062] 另外，本實(shí)施例的觀測(cè)站還可包括可以顯示閃電不同頻段波形的顯示器18,和用 于存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器19。
[0063] 應(yīng)該說(shuō)明的是，由于觀測(cè)站可能設(shè)置于較偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)?shù)氐氖须娰|(zhì)量可能不高，如 果采用開(kāi)關(guān)電源，其輸出的直流電壓可能不夠穩(wěn)定甚至含有噪聲，在放大器中就可能造成 自激振蕩，影響信號(hào)質(zhì)量。因此實(shí)施例中為甚高頻輻射源探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和 寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀的供電電源選用線性電源，減小噪聲。
[0064] 在進(jìn)行閃電探測(cè)之前，要對(duì)寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀進(jìn)行 標(biāo)定?？刹捎脙蓧K面積相對(duì)于第一平板天線和第二平板天線較大的薄金屬板，間隔一定距 離，用信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)端子連接金屬板，在平板電容器中產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)，而后用示波器 讀取寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀或?qū)拵妶?chǎng)變化探測(cè)儀的輸出電壓，即可建立輸入電壓和輸 出電壓之間的關(guān)系，由此完成寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀的標(biāo)定。
[0065] 上述的閃電多頻段探測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電甚低頻、低頻、高頻和甚高頻多頻段的 綜合探測(cè)。
[0066] 本實(shí)施例的閃電多頻段探測(cè)系統(tǒng)可采用事后分析的方式處理采集到的閃電信號(hào) 數(shù)據(jù)，也可以利用互聯(lián)網(wǎng)將部分?jǐn)?shù)據(jù)傳回中心站后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
[0067] 舉例來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例可以利用標(biāo)定過(guò)的寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀采集的閃電信號(hào)數(shù) 據(jù)，對(duì)閃電放電中和的電荷量和等效電荷源的位置進(jìn)行擬合。設(shè)地面不同觀測(cè)站第二平板 天線對(duì)應(yīng)的臺(tái)階電場(chǎng)變化是由于云中（x，y，z)處一個(gè)點(diǎn)電荷Q的被突然中和所引起，則第 i個(gè)觀測(cè)站（Xi, yi, zD處的電場(chǎng)變化八￡1與（X，y, z, Q)有如下關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種閃電多頻段探測(cè)觀測(cè)站，其特征在于，所述觀測(cè)站包括：甚高頻輻射源探測(cè)儀、 寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀、寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀和高速數(shù)據(jù)采集板卡； 所述甚高頻輻射源探測(cè)儀用于探測(cè)甚高頻頻段的閃電信號(hào)； 所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀均用于探測(cè)甚低頻、低頻及高頻 頻段的閃電信號(hào)； 所述高速數(shù)據(jù)采集板卡包括至少三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀、所述 寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀與所述高速數(shù)據(jù)采集板卡的三個(gè)數(shù) 據(jù)采集通道一一對(duì)應(yīng)連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集通道分別采集由所述 甚高頻輻射源探測(cè)儀、寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀和寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀所探測(cè)到的閃電信 號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡設(shè)于工控機(jī)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述觀測(cè)站還包括：全球定位系統(tǒng)GPS 接收機(jī)和GPS天線； 所述GPS天線與所述GPS接收機(jī)連接，所述高速數(shù)據(jù)采集板卡的觸發(fā)輸出端口與所述 GPS接收機(jī)的觸發(fā)輸入端口連接，所述GPS接收機(jī)與所述工控機(jī)連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述觀測(cè)站還包括：顯示器和存儲(chǔ)器； 所述顯示器和所述存儲(chǔ)器分別與所述工控機(jī)連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀包 括：接收天線和信號(hào)調(diào)理器； 所述接收天線與所述信號(hào)調(diào)理器的輸入端連接；所述信號(hào)調(diào)理器的輸出端與所述高速 數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集通道連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理器包括：限幅電路、第一 濾波電路、放大電路、第二濾波電路、對(duì)數(shù)檢波電路和驅(qū)動(dòng)輸出電路； 所述限幅電路、第一濾波電路、放大電路、第二濾波電路、對(duì)數(shù)檢波電路和驅(qū)動(dòng)輸出電 路依次連接；所述接收天線與所述限幅電路連接；所述驅(qū)動(dòng)輸出電路的輸出端與所述高速 數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集通道連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述甚高頻輻射源探測(cè)儀的接收天線 為盤(pán)錐天線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的觀測(cè)站，其特征在于，所述寬帶快電場(chǎng)變化探測(cè)儀 包括：相互連接的第一平板天線和第一電荷放大電路； 所述寬帶慢電場(chǎng)變化探測(cè)儀包括：相互連接的第二平板天線和第二電荷放大電路。
9. 一種閃電多頻段探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括至少五個(gè)權(quán)利要求1至8任一 項(xiàng)所述的觀測(cè)站。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述觀測(cè)站設(shè)置為幾何對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK204188711SQ201420488037
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】郄秀書(shū), 王宇, 王東方, 劉明遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所