[发明专利]一种雷电监测定位系统及其定位方法

摘要

本发明公开了一种雷电监测定位系统及其定位方法，所述系统包括电场天线、磁场线圈、GPS天线、采样触发电路、电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路、FPGA模块、DSP处理器和显示模块。电场天线采集电场信号，磁场线圈采集磁场信号，采样触发电路根据磁场信号产生采样触发脉冲并输入FPGA模块，FPGA模块接收到触发脉冲后驱动AD采样电路采样电场信号和磁场信号，并送入FPGA模块，同时FPGA模块接收GPS天线采集的位置信息，DSP处理器根据接收到的信号进行雷电监测定位。本发明提升了处理数据的速度和精度，满足了雷电监测定位的实时性要求。

主权项

1.基于雷电监测定位系统的雷电定位方法，所述雷电监测定位系统包括电场天线、磁场线圈、GPS天线、采样触发电路、电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路、FPGA模块、DSP处理器和显示模块；所述电场天线采集电场信号，磁场线圈采集磁场信号，采样触发电路根据采集到的瞬时磁场信号，产生采样触发脉冲并输入FPGA模块，FPGA模块接收到采样触发脉冲后驱动AD采样电路采样电场信号和磁场信号，此时电场天线和磁场线圈将采集到的电场信号和磁场信号依次经电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路后送入FPGA模块，同时FPGA模块接收GPS天线采集的位置信息，FPGA模块再将接收到的电场信号、磁场信号、位置信息传送给DSP处理器，DSP处理器根据电场信号和磁场信号判断是否为闪电，并对闪电进行定向和定距计算，最终将结果上传至显示模块进行显示；其特征在于：磁场线圈采集4路磁场信号，分别为磁场1高灵敏度信号、磁场1低灵敏度信号、磁场2高灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号；所述雷电定位方法包括采样触发算法、波形鉴别算法、定向算法和定距算法；所述采样触发算法为，采样触发电路计算磁场1高灵敏度信号与磁场2高灵敏度信号的绝对值和，若该绝对值和大于设定的阈值时，采样触发电路产生峰值典型值为3.4V、持续时间为0.7ms的采样触发脉冲送给FPGA模块，FPGA模块接收到该采样触发脉冲后，产生中断，启动AD采样电路采集电场信号和磁场信号；所述波形鉴别算法如下：(1)电场信号和磁场信号10％～90％上升时间为1us～10us，则说明是闪电波形；(2)电场信号和磁场信号半峰值脉冲宽度大于15us，则说明是闪电波形；(3)磁场信号主峰后3～40us内超过主峰幅度的120％，则说明不是闪电波形；(4)电场信号主峰前60us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰25％，则说明不是闪电波形；(5)电场信号主峰后3～40us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰10％，则说明不是闪电波形；磁场信号分为高、低灵敏度两对信号：一对是磁场1高灵敏度信号和磁场2高灵敏度信号，另一对是磁场1低灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号，在这两对磁场信号中首先选择未发生饱和的一对磁场信号代入上述波形鉴别算法；所述定向算法的过程如下：(a)当判断是闪电之后，在两对磁场信号中选择未发生饱和且幅度较大的一对磁场信号B1、B2；(b)寻找B1、B2的主峰幅度B1max、B2max；(c)计算方向角度(d)若电场信号的主峰幅度为负数，则更新方向角度θ’＝θ+π；所述定距算法的过程如下：(ⅰ)选取电场信号E、未发生饱和并且幅度较大的一对磁场信号B1和B2作为待处理信号；(ⅱ)选取B1和B2中幅度较大者，记为Bi作为分析信号；(ⅲ)将E和Bi两路信号补零到2048点，做快速傅里叶变换，形成频率分辨率为976.56Hz的相位谱；(ⅳ)提取f₀＝976.56Hz、f₁＝1.953kHz、f₂＝3.906kHz的相位φ_Bi(f₀)、φ_Bi(f₁)、φ_Bi(f₂)和φ_E(f₀)、φ_E(f₁)、φ_E(f₂)，求三个频点的相位差：(ⅴ)(A)若Δφ(f₀)<0，则距离r>100km，否则转入步骤(B)；(B)若Δφ(f₁)<0，则50km<r≤100km，且r＝F(Δφ(f₀))，否则转入步骤(C)；(C)若Δφ(f₂)<0，则25km<r≤50km，且r＝[F(Δφ(f₀))+F(Δφ(f₁))]/2，否则转入步骤(D)；(D)r≤25km，且r＝[F(Δφ(f₀))+F(Δφ(f₁))+F(Δφ(f₂))]/3；其中，F(*)表示傅里叶逆变换。