[发明专利]雷电三维磁场数据采集系统

说明书

技术领域

本发明属于气象监测技术领域，具体涉及一种雷电三维磁场数据采集系统，由于其低功耗的特点，能够在野外无人看守的条件下应用。

背景技术

雷电是自然界中大气运动的放电现象，包括云闪和地闪，其中对人类社会威胁最大的是地闪。在雷电发生时，不仅大气电场会发生瞬变，还伴随着强烈的电磁脉冲，极易影响当前各种电子、电气设备的正常运行。因此，进行雷电电磁场的全面测量，能为雷电分析提供所需数据，对于雷电定位，雷电预警具有重要意义。

雷电电磁辐射场主要以低频/甚低频（LF/VLF）的方式沿着地球表面传播，根据其放电能量的大小，传播范围可达数百千米或更远。通过在地面上测量放电电流电磁辐射产生的雷电电磁脉冲（lightning electromagnetic pulse，LEMP）磁场和对雷击点及放电通道距离，可实现对地闪电流的间接测量。用两个以上的正交线圈，不仅可以对LEMP磁场进行测量，还可以为雷电进行定位。因此，对LEMP磁场的有效测量是进行雷电防护的首要前提。当前对于雷电磁场测量的方法有许多，如电磁感应法、磁共振法、磁通门法等。在众多测量方法中，主要是针对一维或二维的磁场测量，得到的数据不够全面，难以充分的认识雷电发生的变化规律。有些雷电磁场测量系统直接使用了示波器对磁场波形进行显示，可以看出磁场的变化波形，但不能准确的测出磁场强度的大小。传统的数据采集是工控机配合采集卡进行工作，体积大，功耗大，在野外使用时受到限制。近年来随着嵌入式系统的发展，具有单片机的体积小、低功耗的优点，但功能趋向PC机CPU的ARM微处理器，在许多领域得到广泛应用。

发明内容

本发明的针对现有技术中的不足，提供一种雷电三维磁场数据采集系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于，包括：磁场感应天线、主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置、上位机及金属屏蔽外壳，主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置和上位机均安装在金属屏蔽外壳中；磁场感应天线测量磁场产生的感应电动势信号，并将信号传输至信号调理电路，信号调理电路分别与A/D转换电路和触发电路相连，A/D转换电路、触发电路和GPS装置均连接至主控制器，触发电路作为A/D转换电路的工作开关，当触发电路检测到雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路，A/D转换电路采集经过信号调理电路调理的信号并转换为数字信号，并将数字信号发送给主控制器，同时GPS装置记录雷电发生的时间并发送给主控制器，主控制器对数字信号进行计算，并通过无线接收装置传输给上位机进行显示。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

信号调理电路包括依次相连的前置放大电路、滤波电路和主放大电路，磁场感应天线测量的感应电动势信号先经过前置放大电路放大达到既定的电压要求，再通过滤波电路过滤噪声，最后经过主放大电路进行二次放大。

前置放大电路采用运算放大器AD817，滤波电路采用通带范围为1kHz-1MHz的带通滤波器，主放大电路采用运算放大器AD818和多路开关选择器ADG5208相配合，构成1-100倍的程控放大器。

磁场感应天线采用内外导体结构，其中内导体由三个互相正交的环形线圈构成，线圈为带有绝缘外皮的铜线，每个线圈的外导体为通过绝缘接口连接的四段铝管，内导体的铜线通过铝管的间隙处引出，与前置放大器相连。

每个环形线圈的面积为0.64m²，匝数为1。

触发电路包括光电触发模块和阈值触发模块，光电触发模块通过光电二极管感应闪电的光后产生电流，经过I-V转换器后变为电压信号，通过高通滤波器过滤背景噪声后，经过后端电压比较器进行开关控制；阈值触发模块采用程控放大，若检测到放大后的信号大于阈值，则判断雷电的发生。

当光电触发模块和阈值触发模块都判断有雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路。

主控制器选择ARM11核心处理器，A/D转换电路采用AD9248芯片。

本发明的有益效果是：可置于野外无人看守的环境，体积小，功耗低，对于多点测量使用更加轻便；由三路通道同时进行采集，可有效对1MHz带宽以内的LEMP磁场进行全面的测量；可通过上位机直观的观察雷电信息，包括三维磁场的峰值信息、雷电发生的时间、雷电的方位角以及雷电的磁场变化波形，为雷电定位以及雷电预警提供了有效的前端技术支持。

附图说明