一种雷电信号触发器触发系统及方法

摘要

本发明公开了一种雷电信号触发器触发系统及方法，该系统包括：宽带天线模块，用于接收雷电产生的光电磁信号，将光电磁信号转化为电信号后输入到信号调理模块；信号调理模块，用于接收宽带天线模块传输的电信号，对其进行处理后输入到窗口比较器模块和A/D转换模块；信号触发模块，包括波形特征提取单元、触发过程判断单元、多逻辑运算单元和功能设置单元，用于接收经所述窗口比较器和所述A/D转换模块处理后的电信号，提取电信号的波性特征，并根据波性特征在满足触发条件时输出触发信号给方波发生器；该系统可选择性强，节约了磁盘资源且设备稳定、简便、宜携；可扩展性强，还可以用于雷电计数、回击定位等领域，提高了雷电的探测效率。

说明书

技术领域

本发明涉及气象观测领域，具体涉及一种雷电信号触发器触发系 统及方法。

背景技术

雷电是大气中的一种超强的放电现象，具有大电流、强电磁辐射 的特点，能够产生强烈的自然灾害，常常引起森林火灾、油库爆炸、 供电中断、通讯故障、设备破坏等事故。雷电电磁场特征能够反应闪 电放电的内在机理，是阐明雷电电磁辐射对电子设备的作用机理、评 价防护效能、研究雷电电磁脉冲防护措施的重要基础。雷电电磁信号 探测一直是雷电研究的重要工具。

雷电信号的探测一般包括探测传感器和信号采集控制装置，主要 应用数据采集卡实现模拟信号的模数转换和触发采集保存。虽然绝大 多数采集卡都具有一定的硬件触发功能，但是该功能比较简单，主要 基于边沿触发、电平触发等方式。虽然复杂的触发功能可以用软件触 发来实现，但是，软件触发一般基于计算机平台，同时会占用较大的 处理器计算能力，从而影响采集及处理的实时性。另外，考虑到闪电 信号的复杂性以及研究工作中特定信号的采集需求，基于硬件的复杂 触发方式实现方法和技术尤为必要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种雷电信号触发器触发 系统及方法，该系统实现了对输入的复杂的、高速的雷电放电信号进 行多过程触发。

第一方面，本发明提供了一种雷电信号触发器触发系统，包括：

宽带天线模块，用于接收雷电产生的光电磁信号，并将所述光电 磁信号转化为电信号后输入到信号调理模块；

所述信号调理模块，用于接收所述宽带天线模块传输的电信号， 对所述电信号进行处理后输入到窗口比较器模块和A/D转换模块；

信号触发模块，包括波形特征提取单元、触发过程判断单元、多 逻辑运算单元和功能设置单元，用于接收经所述窗口比较器和所述 A/D转换模块处理后的电信号，提取所述电信号的波性特征，并根据 所述波性特征在满足触发条件时输出触发信号给方波发生器；

方波发生器，用于接收信号触发模块输出的触发信号，并产生可 控的标准触发信号输出。

可选的，所述系统还包括与所述信号触发模块相连的复位电路、 电源滤波电路、下载电路、外部时钟电路和sopc片外扩展电路。

可选的，所述系统还包括与所述信号触发模块相连的矩阵键盘电 路模块和液晶显示电路模块。

可选的，所述信号触发模块中的所述波形特征提取单元与所述窗 口比较器模块和A/D转换模块相连，所述触发过程判断单元与所述波 形特征提取单元相连，所述多逻辑运算单元与所述触发过程判断单元 相连，所述功能设置单元与所述触发过程判断单元相连；

所述触发过程判断模块，还用于将所述波性特征的参数与功能设 置单元设定的参数进行比较，将比较结果发送给多逻辑运算单元，以 使所述多逻辑运算单元根据对所述比较结果进行分析，判断是否满足 触发条件。

可选的，所述波形特征提取单元包括上升时间判断子单元、寻峰 算法子单元、下降时间判断子单元和半峰值宽度计算子单元，分别提 取上升沿时间、下降沿时间和半峰值宽度；

所述寻峰算法子单元与所述上升时间判断子单元相连，所述下降 时间判断子单元与所述寻峰算法子单元相连，所述半峰值宽度计算子 单元与所述下降时间判断子单元相连；

所述上升时间判断子单元，用于判断所述电信号是否上升，同时 计算在Δt内上升高度Δh；

所述寻峰算法子单元，用于继续根据Δh/Δt的值，判断Δh/Δt 极性是否变化，从而判断是否到达峰值；

所述下降时间判断子单元，用于判断所述电信号是否下降，同时 计算在Δt内下降高度Δh；

所述半峰值宽度计算子单元，用于检测到峰值以后，找出上升沿 到达半峰值时刻t0，同时找到下降沿到达半峰值时刻t1，(t1-t0)即为半 峰值宽度。

可选的，所述触发过程判断单元包括回击触发子单元、初始击穿 放电触发子单元、连续电流触发子单元、K放电过程触发子单元、M 分量触发子单元和NBE触发子单元。

可选的，所述方波发生器与所述信号触发模块中的多逻辑运算单 元相连，当多逻辑运算单元逻辑为真时，输出信号给方波发生器，产 生标准的触发信号。

第二方面，本发明还提供了一种雷电信号触发器触发方法，包括：

宽带天线模块接收雷电产生的光电磁信号，将所述光电磁信号转 化为电信号后输入信号调理模块；

所述信号调理模块接收所述宽带天线模块传输的所述电信号，对 所述电信号进行处理后输入到窗口比较器模块和A/D转换模块；

信号触发模块接收经所述窗口比较器和所述A/D转换模块处理 后的电信号，提取所述电信号的波性特征，并根据所述波性特征在满 足触发条件时输出触发信号给方波发生器；

方波发生器接收信号触发模块输出的触发信号，并产生可控的标 准触发信号输出。

可选的，所述提取电信号的波性特征，包括：

判断所述光电磁电信号是否上升，同时计算在Δt内上升高度Δh， 若Δh/Δt大于设定阈值时，定为开始上升时刻；

根据Δh/Δt的值，判断Δh/Δt的极性变化是否到达峰值；判断所 述光电磁电信号是否下降，同时计算在Δt内下降高度Δh，若Δh除 以Δt大于设定阈值时，定为开始下降时刻；

检测到峰值以后，找出上升沿到达半峰值时刻t0，同时找到下降 沿到达半峰值时刻t1，(t1-t0)即为半峰值宽度；

所述光电磁电信号的上升时间、下降时间和半峰值宽度即为提取 的所述电信号的波性特征。

可选的，所述方法还包括：根据所述波性特征判断是否触发条件：

所述触发过程判断模块将所述波性特征的参数与功能设置单元 设定的参数进行比较，将比较结果发送给多逻辑运算单元，以使所述 多逻辑运算单元对所述比较结果进行分析，判断是否满足触发条件。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种雷电信号触发器触发系 统及方法，该系统对输入的快速且复杂的雷电触发信号实现多过程触 发功能，如窗口触发、回击触发、初始击穿放电触发、连续电流过程 触发、K放电过程触发、M分量触发、NBE触发等，进而可针对特定 的雷电信号波形如整个雷电波形、回击波形、初始击穿放电过程波形、 连续电流过程波形、K放电过程波形、M分量波形、NBE波形进行选 择性的触发输出；该系统可选择性强，节约了磁盘资源且设备稳定、 简便、宜携；该系统可扩展性强，还可以用于雷电计数、回击定位等 领域，提高了雷电的探测效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种雷电信号触发器触发系统的 结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的信号触发模块触发雷电信号的结 构示意图；

图3为本发明一实施例提供的信号触发模块提取信号波形特征 参数的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种雷电信号触发器触发方法的 流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施 例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发 明的保护范围。

闪电主要包括正地闪和负地闪以及云闪，闪电放电过程非常复杂， 包含很多子物理放电过程：初始击穿过程，回击过程、连续电流过程、 K放电过程、M分量过程等。初始击穿过程的脉冲与随后的地闪回击 电场变化极性相同，总体为双极性为特征，上升到峰值的时间为10us， 其上叠加有宽度为2～3us的脉冲，后半周则变化平缓，脉宽为41.0us， 脉冲之间的时间间隔为130us；回击包含首次回击和继后回击击，首 次回击和继后回击归一化到100km的初始峰值(V/m)平均值分别为 5.8-10.2，3.6-6.0；过零时间(us)平均值分别为2.4-7.0,1.2-2.8；慢前沿 持续时间(us)平均值分别为2.9-9.4,0.6-4.3；慢前沿与峰值百分比平均 值分别为20-60，10-30；快转化(10-90)％时间(ns)平均值分别为 90-200,150-200；(10-90)％时间(us)平均值分别为2.6,1.5；连续电流过程 是雷暴云中局地荷电中心在闪击之后沿闪电通道对地的持续放电过 程，分为大于40ms的长连续电流过程、10-40ms的中等连续电流和 1-10ms的短连续电流过程。连续电流大小在50-580A之间，而且连续 电流在开始最大，并随时间逐渐减小；K过程是发生在地闪回击之间 或最后一个回击之后以及云闪后期相对小的快电场变化，持续时间的 几何平均值为0.7ms，K变化之间的时间间隔几何平均值为13ms,放电 电流为1～4kA；M分量在回击过程之后伴随通道微弱发光阶段通道亮 度的突然增加，并伴随有电场的快变化。M分量以持续时间较短的U 形(或钩状)电场变化为主要特征，即在近距离观测到的M分量电场变 化以负电场变化开始，紧接着是一个略大的正电场变化，其静电场变 化通常是回击电场变化的1/15-1/100。整个U形过程持续200-800us， 一次回击过程之后可以产生一个或多个M分量。M变化持续时间的几 何平均值为2.1us，M变化的时间间隔几何平均值为2.1ms；NBE(双极 性窄脉冲)有正、负极性，NBE基本特点是：极窄的宽度、极大的峰 值及孤立性。正、负极性NBE的脉冲平均宽度分别为6.42μs和5.46μ s,正极性NBE的脉冲宽度更容易出现极大值,其最大值为19.76μs。 NBE的孤立性明显,分别有73.5％和78.5％的NBE在其发生后和发生前 的1s内没有其他任何触发事件。从上述闪电放电过程中的子放电过程 的具体放电特征，可以看出其放电的复杂性，为了获得特定闪电放电 子过程的数据，需要更针对性的、更复杂的触发手段。

本发明的系统是一种适合针对雷电放电信号进行触发输出的雷 电信号检测系统。该系统可对雷电信号波形进行多触发方式输出，进 而提取回击波形、初始击穿放电波形、连续电流波形、K放电过程波 形、M分量波形、NBE波形等。还可用于雷电计数、回击定位等领域。

图1为本发明一实施例提供的一种雷电信号触发器触发系统的 结构示意图，如图1所示，该系统包括：

宽带天线模块11，用于接收雷电产生的光电磁信号，并将所述光 电磁信号转化为电信号后输入到信号调理模块；

具体的，宽带天线模块与信号调理模块相连，包含探测天线与光 电磁接收机，探测天线用于探测闪电发生时的光电磁变化信号；光电 磁接收机，用于接收处理天线测得的光电磁变化信号并将其转换为电 信号。

所述信号调理模块12，用于接收所述宽带天线模块传输的电信号， 对所述电信号进行处理后输入到窗口比较器模块21和A/D转换模块 22；

具体的，信号调理模块输入与宽带天线模块相连，输出与A/D转 换模块及窗口比较器相连，该模块的作用是对宽带天线传来的电信号 进行调理，以降低A/D转换模块的输入信号源的噪声。

上述对电信号进行处理具体包括对宽带天线模块传输的原始模 拟信号进行滤波、衰减、放大等运算，使之符合A/D转换模块的输入 要求以及进行窗口比较器模块的要求。

其中，A/D转换模块的输入与信号调理模块相连，输出与信号触 发模块相连，该模块的作用是对输入的模拟电信号进行模数转换，输 出数字信号给信号触发模块进行处理。其中，该模块包含两路采样通 道；一路粗采样通道，用于将模拟信号转化为粗略的数字信号；一路 精采样通道，用于将模拟信号转化为精细的数字信号。

窗口比较器模块的输入与信号调理模块相连，输出与信号触发模 块相连，该模块作用是对输入的满足条件的信号进行窗口触发。

信号触发模块13，包括波形特征提取单元、触发过程判断单元、 多逻辑运算单元和功能设置单元，用于接收经所述窗口比较器和所述 A/D转换模块处理后的电信号，提取所述电信号的波性特征，并根据 所述波性特征在满足触发条件时输出触发信号给方波发生器23。

具体的，本发明实施例中的信号触发模块采用FPGA为主控芯片。 FPGA主控芯片用于将接收到的数字波形信号实现闪电复杂信号的实 时运算及处理，提取波形特征并进行判别该波形是否属于特定的放电 过程，满足判别条件，输出信号给波形发生模块。

方波发生器23，用于接收信号触发模块输出的触发信号，并产生 可控的标准触发信号输出。

所述方波发生器23与所述信号触发模块13中的多逻辑运算单元 133相连，用于输出触发信号。

上述系统实现了宽带闪电信号输入并具有窗口触发、闪电回击触 发、闪电初始击穿脉冲触发等专用触发方式，并且具有标准TTL电平 输出的雷电专用信号触发器，对输入的复杂的、高速的雷电放电信号 进行多过程触发，提高了雷电的探测效率。

在具体实施过程中，宽带天线模块进一步包括：探测天线，用于 探测闪电发生时的各种信号；光电电磁接收机，用于接收天线测得的 各种信号，并将其转化为电信号。其中接收的信号可以是电磁场或者 光辐射信号，宽带天线可以是平板天线、双锥天线、鞭状天线、盘锥 天线以及光探测传感器。

窗口比较器模块进一步包括：超高速双路比较器，用于实现窗口 触发；触发器，用于调整超高速双路比较器的输出脉宽，使其符合触 发需要；

所述系统还包括与所述信号触发模块相连的复位电路14、电源滤 波电路15、下载电路16、外部时钟电路17和sopc片外扩展电路18。

在具体应用中，所述系统还包括与所述信号触发模块13相连的矩 阵键盘电路模块19和液晶显示电路模块20。

信号触发模块作为核心主控单元，与A/D转换模块，窗口比较器 模块，液晶显示模块，矩阵键盘模块，复位电路模块，电源滤波电路 模块，下载电路模块，外部时钟电路模块相连。该模块的作用主要是 对输入的复杂雷电信号进行逻辑识别处理。通过比较测得的脉冲波形 特征参数与设定的各种参数，从而针对特定的雷电信号波形过程进行 触发输出，如雷电回击波形、初始击穿波形、NBE事件波形等。

复位电路模块与信号触发模块相连，该模块的作用是采用手动复 位避免程序跑飞，出现死循环问题。该复位电路通过弹簧式按键接地 拉低电平实现复位。

电源滤波电路模块与电源及信号触发模块相连，该模块的作用是 把由交流电压整流而来的单向脉动电压变为带有少量纹波的直流电 压，提供给后边的稳压电路作为工作电压。

下载电路模块与信号触发模块相连，该模块的作用将软件编写好 的程序下载到FPGA芯片中，执行程序功能。包括JTAG方式的在线仿 真下载电路及AS方式的下载电路。

外部时钟电路模块与信号触发模块相连，该模块的作用是通过有 源晶振给信号触发模块提供时钟信号。

方波发生器模块与信号触发模块相连，用于触发时刻TTL信号的 可调制输出；

sopc片外扩展电路模块与信号触发模块相连，包括EEPROM、 FLASH、SDRAM等外围电路，该模块的作用是用于缓存以及对接收 到的雷电复杂数字信号波形进行实时的运算及处理。

矩阵键盘模块与信号触发模块相连，该模块的作用是进行相关参 数如窗口触发阈值，初始击穿触发阈值，回击触发阈值，逻辑运算条 件，方波发生宽度等参数进行设定。该参数通过触发过程判断与脉冲 波形特征提取的参数进行比较，比较结果送给多触发逻辑运算；通过 机械按键的方式将设置参数的数字电信号传给信号触发模块。

液晶显示模块与信号触发模块相连，用于显示矩阵键盘模块调整 的参数该模块的作用是对系统的相关设定参数进行显示，如窗口触发 阈值，初始击穿触发阈值，回击触发阈值，逻辑运算条件，方波发生 宽度等参数。

图2为本发明一实施例提供的信号触发模块触发雷电信号的结构 示意图，如图2所示，所述信号触发模块13包括波形特征提取单元131、 触发过程判断单元132、多逻辑运算单元133和功能设置单元134；

所述波形特征提取单元131与所述窗口比较器模块21和A/D转换 模块22相连，所述触发过程判断单元132与所述波形特征提取单元131 相连，所述多逻辑运算单元133与所述触发过程判断单元132相连，所 述功能设置单元134与所述触发过程判断单元132相连。

雷电信号是经过信号调理后的信号，它是进行后续处理的信号源， A/D转换模块的作用是把模拟信号转换为数字信号，用于信号触发模 块进行处理；窗口比较器模块对输入的满足条件的信号进行首次触发， 信号触发模块检测到有触发信号后进行后续处理。

脉冲波形特征提取的作用是提取出信号上升时间、下降时间、半 峰值宽度等参数。

触发过程判断单元用于将测得的特征参量与设定的参量进行比 较，以判别过程类别；

功能设置单元用于接收处理矩阵键盘传来设置信号，将其保存并 传给相关模块以输出，还用于设定相关过程的参数，该参数通过触发 过程判断单元与波形特征提取单元的参数进行比较，比较结果送给多 逻辑运算单元；

多逻辑运算单元对输入的比较结果进行综合分析，根据预先设置 的逻辑关系，进行多过程触发，输出触发信号。

在具体应用中，所述触发过程判断单元132包括图中未示出的回 击触发子单元1321、初始击穿放电触发子单元1322、连续电流触发子 单元1323、K放电过程触发子单元1324、M分量触发子单元1325和NBE 触发子单元1326。

图3为本发明一实施例提供的信号触发模块提取信号波形特征参 数的结构示意图，如图3所示，波形特征提取单元131包括上升时间判 断子单元1311、寻峰算法子单元1312、下降时间判断子单元1313和半 峰值宽度计算子单元1314；

所述寻峰算法子单元1312与所述上升时间判断子单元1311相连， 所述下降时间判断子单元1313与所述寻峰算法子单元1312相连，所述 半峰值宽度计算子单元1314与所述下降时间判断子单元1313相连。

在具体应用中，窗口比较器：对于在窗口内的波形进行触发。

开启阀值判断子单元：高于噪声信号门限幅值时触发，用以过滤 噪声，同时控制启动上升时间判断。

上升时间判断子单元：通过数字信号输入，作分段插值计算后判 断雷电信号是否上升，同时计算在Δt内上升高度Δh，若Δh除以Δt 大于设定阈值时，定为开始上升时刻。

寻峰算法子单元：采用判断Δh/Δt的极性变化判断是否到达峰值。 当Δh/Δt由正变负时说明到达正峰值，当Δh/Δt由负变正时说明到达 负峰值。

下降时间判断子单元：通过数字信号输入，作分段插值计算后判 断雷电信号是否下降升，同时计算在Δt内下降高度Δh，若Δh除以 Δt大于设定阈值时，定为开始下降时刻。

半峰值宽度计算子单元：检测到峰值以后，找出上升沿到达半峰 值时刻t0，同时找到下降沿到达半峰值时刻t1，(t1-t0)即为半峰值宽度。

上述系统的主要原理为：宽带天线模块接收到信号以后，经过信 号调理模块，一路送给超高速窗口比较器模块，另一路送给A/D转换 模块，若窗口比较器模块有信号输出，则信号触发模块的FPGA主控 芯片立即控制开启A/D转换模块的粗采样通道，根据粗采样通道采得 数据，判断是否是误触发。若是正常触发，则关闭粗采样通道，同时 打开精采样通道，对精采样通道数据作分段插值计算后判断雷电信号 是否上升，同时计算在Δt内上升高度Δh，若Δh除以Δt大于设定阈 值时，定为开始上升时刻。同时启动sopc将数据送入缓存。接着判断 Δh/Δt的极性是否变化，发生变化的那一刻所采得数据即为峰值，记 录下峰值及峰值时刻。峰值判断完之后，继续检测Δh/Δt，判断下降 沿是否结束。当下降沿结束时停止将数据送入缓存，找到上升沿等于 半峰值时刻t0的数据以及下降沿等于半峰值时刻的数据t1，可计算得 出半峰值宽度为(t1-t0)。波形上升时间、下降时间、半峰值宽得到以 后，在触发过程判断模块里，这些参数将与设定的回击参数、初始击 穿过程参数、连续电流过程参数、K放电过程参数、M分量过程参数、 NBE过程参数进行比较，决定是否触发相应过程的雷电信号波形。

图4示出了本发明实施例提供的一种雷电信号触发器触发方法， 如图4所示，该方法包括以下步骤：

401、宽带天线模块接收雷电产生的光电磁信号，将所述光电磁 信号转化为电信号后输入信号调理模块；

402、所述信号调理模块接收所述宽带天线模块传输的所述电信 号，对所述电信号进行处理后输入到窗口比较器模块和A/D转换模块；

403、信号触发模块接收经所述窗口比较器和所述A/D转换模块 处理后的电信号，提取所述电信号的波性特征，并根据所述波性特征 在满足触发条件时输出触发信号给方波发生器。

404、方波发生器接收信号触发模块输出的触发信号，并产生可 控的标准触发信号输出。

具体的，上述步骤403中提取所述光电磁信号的波性特征，包括：

判断所述电信号是否上升，同时计算在Δt内上升高度Δh，若Δ h/Δt大于设定阈值时，定为开始上升时刻；

根据Δh/Δt的值，判断Δh/Δt的极性变化是否到达峰值；

判断所述电信号是否下降，同时计算在Δt内下降高度Δh，若Δ h除以Δt大于设定阈值时，定为开始下降时刻；

检测到峰值以后，找出上升沿到达半峰值时刻t0，同时找到下降 沿到达半峰值时刻t1，(t1-t0)即为半峰值宽度；

所述电信号的上升时间、下降时间和半峰值宽度即为提取的所述 电信号的波性特征。

上述步骤403中，根据所述波性特征判断是否触发相应过程的雷 电信号波形，包括：

触发过程判断模块将所述波性特征的参数与功能设置单元设定 的参数进行比较，将比较结果发送给多逻辑运算单元，以使所述多逻 辑运算单元对所述比较结果进行分析，并根据预先设置的逻辑关系， 触发相应过程的雷电信号波形。

本发明的系统与方法是一一对应的，因此方法中一些参数的计算 过程也适用于该系统中计算的过程，在系统中将不再进行详细说明。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本 发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中， 并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理 解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的 范围当中。