一種基于fpga的雷電光學(xué)影像采集裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于雷電信息監(jiān)測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于FPGA的雷電光學(xué)影像采集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]雷電是自然界的一種常見的云層-大地間放電現(xiàn)象，伴隨著巨大的能量釋放和強烈的破壞作用。電力輸電線路的桿塔一般是所在區(qū)域的最高點，常常成為雷電發(fā)生的首選對象，研究結(jié)果表明，雷電對電力輸電系統(tǒng)的破壞造成了巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失，因此，研究雷電在輸電線路桿塔上的形成過程，探索有效的防雷和避雷措施，就需要對雷電發(fā)展演化過程進(jìn)行精細(xì)測量，分析雷電特性和雷擊過程，直接獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義。目前，我國正在研究雷擊輸電線路光學(xué)影像資料的拍攝方法，技術(shù)瓶頸在于對雷擊信號的自動捕獲并觸發(fā)拍攝設(shè)備記錄有效信息。
[0003]雷電信息的捕獲有多種方式，例如，基于電磁感應(yīng)式電場強度計采集雷電信號，采用濾波器篩選出目標(biāo)雷電信號，但這種方式噪聲辨識度較差，容易產(chǎn)生誤觸發(fā)；基于振動式或旋轉(zhuǎn)式電場探測器則是根據(jù)運動電場的緩慢變化量來判斷雷電發(fā)生時間，具有響應(yīng)快，靈敏度高等優(yōu)點，但是成本高、探測范圍有限，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，還有基于電暈電流的雷電探測器，通過放大尖端導(dǎo)體釋放的電荷產(chǎn)生場強，得到雷電信號的縱向幅值及場強變化率，該方法雖然比電場強度計簡單，但由于受到電荷的干擾、靈敏度低，容易發(fā)生漏觸發(fā)和誤觸發(fā)。這些方法的共同特點是在雷電發(fā)生前啟動圖像采集裝置，獲取可能的雷電影像數(shù)據(jù)，因此存在較高頻率的誤判和漏判。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實用新型提供了一種基于FPGA的雷電光學(xué)影像采集裝置，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中由于在雷電發(fā)生前觸發(fā)圖像采集裝置導(dǎo)致雷電數(shù)據(jù)采集的誤判或漏判的技術(shù)問題。
[0005]本實用新型提供了一種基于FPGA的雷電光學(xué)影像采集裝置，包括:
[0006]用于將雷電的光輻照信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換模塊；
[0007]其輸入端與所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，用于對所述電信號進(jìn)行高通濾波的尚通濾波t旲塊；
[0008]其輸入端連接至所述高通濾波模塊的輸出端，用于對濾波后的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的AD采樣模塊；
[0009]用于根據(jù)閃電觸發(fā)信號獲取觸發(fā)時刻前后I?3秒鐘的影像數(shù)據(jù)并將所述影像數(shù)據(jù)輸出的攝像機；以及FPGA模塊，其第一輸入端連接至所述AD采樣模塊的輸出端，其輸出端連接至所述攝像機的輸入端，其第二輸入端連接至所述攝像機的輸出端，對所述AD采樣模塊輸出的信號進(jìn)行處理后輸出所述閃電觸發(fā)信號，并對所述影像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和壓縮后發(fā)送。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述FPGA模塊包括:
[0011 ] 數(shù)字濾波器模塊，其輸入端作為所述FPGA模塊的第一輸入端，對所述AD米樣模塊的輸出進(jìn)行濾波；
[0012]比較器模塊，其輸入端連接至所述數(shù)字濾波器模塊的輸出端，對濾波后的信號進(jìn)行比較判斷并輸出比較結(jié)果；
[0013]運算處理單元，其第一輸入端連接至所述比較器模塊的輸出端，其第二輸入端作為所述FPGA模塊的第二輸入端，用于根據(jù)比較結(jié)果輸出所述閃電觸發(fā)信號；以及
[0014]連接在所述運算處理單元的控制端的存儲單元。
[0015]更進(jìn)一步地，所述雷電光學(xué)影像采集裝置還包括用于給光電轉(zhuǎn)換模塊、高通濾波模塊、AD采樣模塊、攝像機和FPGA模塊供電的電源模塊。
[0016]更進(jìn)一步地，所述光電轉(zhuǎn)換模塊可以采用型號為S6967的硅光電池，其響應(yīng)頻率為 50MHz。
[0017]更進(jìn)一步地，所述高通濾波模塊可以采用型號為INA333的儀表運算放大器。
[0018]更進(jìn)一步地，F(xiàn)PGA模塊可以采用型號為EP4CE10E22C8N的芯片。
[0019]更進(jìn)一步地，安裝時，所述攝像頭和所述光電轉(zhuǎn)換模塊朝向輸電線路桿塔頂端或者監(jiān)測區(qū)域的制高點。
[0020]本實用新型采用有效探測雷電的光輻照，通過FPGA模塊進(jìn)行雷電信號解析，給攝像機傳輸有效的觸發(fā)信號，將觸發(fā)時刻前后I?3秒鐘的影像信息保存在存儲器中，且具有不受背景光干擾，白天黑夜均可探測雷電閃光信號，準(zhǔn)確度高，避免了雷電數(shù)據(jù)采集的誤判或漏判；具有準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝等特點。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型提供的基于FPGA的雷電光學(xué)影像采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是FPGA模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是一次閃電過程中閃電光強與時間的關(guān)系圖；
[0024]圖4是基于FPGA的雷電信號分析流程圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0026]如果在雷電發(fā)生時產(chǎn)生有效的雷電觸發(fā)信號，對觸發(fā)時刻前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和讀取，將大大降低誤判和漏判的可能性；本實用新型正是基于此才提出了一種用于監(jiān)測雷電光學(xué)影像信息的實驗裝置，可用于監(jiān)測記錄雷電次數(shù)，并采用專業(yè)攝像機拍攝有效的雷電影像資料。
[0027]本實用新型提供的一種基于FPGA的雷電光學(xué)影像采集裝置包括攝像機、光電轉(zhuǎn)換模塊、高通濾波模塊、AD采樣模塊、FPGA模塊以及為整個裝置提供工作電能的電源模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊與高通濾波模塊相連、高通濾波模塊的輸出與AD采樣模塊的輸入相連、FPGA模塊分別與AD采樣模塊和攝像機相連；FPGA模塊通過數(shù)字濾波器模塊、比較器模塊、運算處理單元和存儲單元完成背景噪聲去除、閥值觸發(fā)和上升速率判斷等三個過程，實現(xiàn)閃電觸發(fā)信號的準(zhǔn)確提取，從而獲得有效的閃電觸發(fā)信號，并輸出給攝像機，將觸發(fā)時刻前后I?3秒鐘的影像數(shù)據(jù)傳輸給FPGA模塊的存儲單元，進(jìn)行壓縮和發(fā)送。
[0028]本實用新型采用FPGA內(nèi)置的邏輯門電路構(gòu)成數(shù)字濾波器模塊、比較器模塊、運算處理單元和存儲單元，其中數(shù)字濾波器模塊與FPGA外部輸入輸出接口相連，實現(xiàn)外部輸入信號的數(shù)字濾波，去除背景噪聲；比較器模塊與數(shù)字濾波器模塊相連，實現(xiàn)輸入信號與閾值的比較，如果外部輸入值小于閾值，則不輸出閃電觸發(fā)信號，如果經(jīng)過數(shù)字濾波模塊處理的信號大于閾值，則運算處理單元啟動上升速率判斷程序，如果上升速率超過背景光噪聲的變化速率，則輸出一個閃電觸發(fā)信號；其中運算處理單元與比較器模塊和存儲單元相連，完成所有運算功能。整個FPGA模塊有效實現(xiàn)雷電圖像信息的直接采集和存儲，具有全天候探測雷電閃光信號，準(zhǔn)確度高，不受背景光線干擾，結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝等特點。
[0029]本實用新型提供的雷電光學(xué)影像采集裝置，采用高速的光電轉(zhuǎn)換模塊，結(jié)合背景噪聲去除、閥值觸發(fā)和上升速率判斷等處理過程，獲取更加準(zhǔn)確的雷電觸發(fā)信號；攝像機記錄了高清視頻信息，通過截取觸發(fā)時刻前后I?3秒鐘的數(shù)據(jù)傳輸，有效降低了視頻無線通信的數(shù)據(jù)量，通過FPGA將視頻數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器，方便數(shù)據(jù)的自動保存和遠(yuǎn)程傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。與現(xiàn)有的設(shè)備相比，本裝置還具有抗干擾能力、設(shè)備簡單和使用方便等優(yōu)點。
[0030]為了更進(jìn)一步的說明本實用新型提供的基于FPGA的雷電光學(xué)影像采集裝置，現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實施例詳述如下: