《數字式雷電探測方法及其裝置》是國網電力科學研究院於2009年4月14日申請的專利，該專利的申請號為2009100615999，公布號為CN101539599，公布日為2009年9月23日，發明人是陳家宏、吳裕斌、許遠根、曹丹華、張勤等。
《數字式雷電探測方法及其裝置》的方法是，接收地閃雷電放電時產生的電磁信號，產生電檢信號；將調理後的電檢信號進行數位化處理；對數位訊號進行濾波；建立統一的時間標尺；結合雷電電磁輻射波形的傳輸特徵，並用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據，構建數位化地閃雷電信號識別模型；建立時間窗預處理區，獲取輸入的數位訊號的發展趨勢和對應的典型參數；結合時間窗中的數據，用數位化地閃雷電信號識別模型對輸入的數位訊號進行參數計算及判定。該發明的裝置由天線，信號調理器，模數轉換器，地閃雷電信號識別模型模組，系統控制管理器，輔助控制管理器，通信接口，外部存儲器及時鐘組成。
2013年10月，《數字式雷電探測方法及其裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《數字式雷電探測方法及其裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：數字式雷電探測方法及其裝置
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101539599
- 公布日：2009年9月23日
- 申請號：2009100615999
- 申請日：2009年4月14日
- 申請人：國網電力科學研究院
- 地址：江蘇省南京市南瑞路8號
- 發明人：陳家宏、吳裕斌、許遠根、曹丹華、張勤、康文斌、馮萬興、方玉河、谷山強、彭慶華、王海濤
- 分類號：G01R29/08（2006.01）I、G06F17/50（2006.01）I
- 專利代理機構：湖北武漢永嘉專利代理有限公司
- 代理人：李雙全、莫青
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,技術領域,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
雷電發生時會產生強大的聲、光、電信號，其中聲和光信號由於其自身的特性，作用距離短，不適用於遠距離大區域雷電探測。然而，雷電活動所產生的電磁輻射場，尤其是主能量集中的低頻/甚低頻段的電磁輻射場，其產生的電磁輻射波可沿地球表面傳播數百公里或更遠。截至2009年4月，雷電探測方法及裝置通常是檢測雷電活動所產生的低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應的電磁感應信號。據申請人所知，現代雷電探測技術始於二十世紀七十年代末，由美國科學家Martin A.Uman和E.Philip Krider教授提出並實現的，隨後該技術在美國、中國、法國、德國迅速發展，研究和實驗證明，準確區分雷電活動中的雲閃和地閃是雷電探測技術方法的關鍵。截至2009年4月，所公開的用於區分雲閃和地閃的識別判據有：時間判別法，即檢測輸入信號的主峰由參考零點到峰值點的時間，因為雲閃電檢信號具有短暫的上升時間；雙極性測試法，即與第一峰相比較，後續相反極性波峰的峰值偏大，則被判定為雲閃；另一種方法是同極性測試法，即存在與第一峰極性相同的後續峰，且後續峰峰值偏大，則被判定為雲閃。如果所輸入的感應信號不滿足上述判定則將被假定為地閃雷電信號。但是，即使綜合利用上述判據，仍然存在地閃雷電信號被錯誤的判定。
申請人在研究中發現，利用上述這些方法實現的雷電探測方法及裝置，就是利用判據組建一種雷電信號識別數學模型，其實現方法一般是採用模擬信號處理或者模擬與數位訊號混合處理實現的，其特點是雷電信號識別模型和處理系統實現起來較為簡單，基本上能夠滿足多站系統同時監測雷電要求。其不足之處是：1、判據複雜時實現困難，對雲閃、地閃的區分率相對低，在只接受地閃的探測系統中還可能影響探測效率；2、電路設計定型以後，雷電信號識別模型不便於根據使用情況的改變而改變或調整，從而造成部分不滿足預定判據條件的真雷電信號丟失，由此降低了探測裝置的接受效率；3、模擬電路存在固有的不穩定性，隨著工作時間的延長會造成其內部參數發生漂移；4、存在“寂靜時間”，模擬器件需要利用跟蹤和保持電路來檢測預選電檢信號、捕獲有用電檢信號、並完成對電檢信號特徵的分析，在這一狀態中通常無法及時回響後續信號。
中國專利文獻03808337.X閃電探測和數據獲得系統，其描述了一種可檢測雷電活動所產生的低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應的電磁感應信號的雷電探測器。它利用天線的導數特性和非線性放大器實現雲閃和地閃振幅的調整和壓縮，降低了輸入信號的動態範圍。再利用高速模數轉換器（簡稱ADC），從輸入端將信號進行了數位化採樣編碼，實現了由模擬判別向數字判別的進步，消除了以往硬體系統存在的固有的寂靜時間問題。該中國專利文獻描述的雷電信號探測器是用數位訊號處理器（簡稱DSP）作為系統平台，利用電腦程式語言描述雷電信號識別數學模型，並在DSP上實現雷電信號識別模型及其信號處理，具有可程式特性，相對於以往探測方法及裝置難以實現的複雜判據而言，其能夠通過電腦程式語言在DSP內實現系統平台所要求的複雜模型，但其缺陷在於：1、要實現複雜模型，需要進行大量的運算處理，有時不得不運用複雜算法，才能獲得較為真實的結果，但運用複雜算法時將會占用DSP龐大的資源，降低系統性能，影響信號回響和處理速度，存在數據丟棄風險和信號回響暫停的可能。2、其所描述的用戶可選擇判據，是僅針對雲閃判據或是地閃判據的選擇，從而僅獲取地閃數據或者雲閃數據或者是兩種數據全部獲取，其識別判據依然是固定的，不能夠針對實際情況對判據進行實時修正或擴充，存在局限性。3、該專利所描述的探測器具有數據壓縮和十選一技術，但其所獲得的數據僅包含能夠判定雷電類型特徵數據，不具備全波形數據的記錄和傳輸能力。4、其特徵數據不具備本地離線存貯功能。
中國專利97109239.7“雷電電磁波到達時刻的探測方法”，公開了一種雷電電磁波特徵頻段的時間標定法，但其具體的實現方式是採用模擬濾波器對雷電電磁波進行帶通濾波，存在一定的時間漂移。
發明內容
專利目的
《數字式雷電探測方法及其裝置》的目的是針對上述2009年4月以前技術存在的不足，提出數字式雷電探測方法及其裝置，實現地閃雷電信號全數字的準確實時識別，實現識別模型的靈活調整，並實現信號特徵數據和全波形數據的同步數字處理和存儲。
技術方案
《數字式雷電探測方法及其裝置》的技術解決方案是：一種數字式雷電探測方法，包括使用接收地閃雷電放電時產生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，並用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據，其特徵在於，步驟如下：
1.由天線感應接收地閃雷電放電時產生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，並產生對應的電檢信號；
2.對上述電檢信號進行調理；
3.將調理後的電檢信號進行數位化處理，產生對應的數位訊號；
4.對上述數位訊號進行數字濾波；
5.建立統一的時間標尺；
6.結合雷電電磁輻射波形的傳輸特徵，並用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據，構建數位化地閃雷電信號識別模型；
7.建立時間窗預處理區，記錄在此時間窗內的數據峰值和極性，記錄此峰值對應的時間點，獲取輸入的數位訊號的發展趨勢和對應的典型參數；
8.結合時間窗中的數據，用數位化地閃雷電信號識別模型對輸入的數位訊號進行參數計算及判定。
9.根據判定結果確定輸入的數位訊號類型及產生此輸入的數位訊號的雷電放電類型；
10.根據判定結果及輸入的數位訊號類型，計算並產生能夠確定此輸入的數位訊號類型的多種特徵數據和此輸入的數位訊號的參考時間數據；
11.對上述輸入的數位訊號的特徵數據和參考時間數據以及此輸入的數位訊號對應的全波形數據進行編碼存儲；
12.利用通信通道傳送已編碼的數據。
上述數字式雷電探測方法，其特徵在於：構建數位化地閃雷電信號識別模型的具體方法：
根據地閃雷電電磁輻射波的特徵，及其在傳播過程中的變化特徵確定雷電波形信號的上升參考時間t1，下降參考時間t2，先導參考時間t3，反向過沖參考時間t4，再確定雷電波形信號的參考閾值G，並且建立雷電波形信號主峰峰值p1暫存器和極性暫存器，建立後續峰值暫存器和極性暫存器，後續峰簡稱次峰，建立同極性次峰最大峰值比較器和最大峰值p2暫存器，建立先導峰值p3暫存器和極性暫存器，建立反向過沖峰值p4暫存器，建立上述峰值和極性的相關比較關係，即p1＞G，p1＞p2，p1＞p3，|p1|＞|p4|，p1極性＝p3極性，從而建立了基本的數位化地閃雷電信號識別模型；所輸入的數位訊號在滿足上述所述的參考時間、相應的峰值和極性關係後，可初步判定為地閃雷電信號。
上述數字式雷電探測方法，其特徵在於：整個地閃雷電信號識別模型的構建及信號處理過程是採用硬體描述語言VERILOG程式；在整個地閃雷電信號識別模型的構建中，所述的參考時間、峰值和極性的比較關係是可程式的，是可在使用過程中，根據使用者的需要進行靈活調整和進一步擴充的。
上述數字式雷電探測方法，其特徵在於，所述的時間窗、數位訊號的判別和計算處理是採用了並行流水線處理方法。
上述數字式雷電探測方法，其特徵在於：所述的特徵數據計算和參考時間數據計算是利用彙編語言和電腦程式語言C語言實現的；數字全波形編碼存儲採用高速直接讀取方法進行。
實現上述數字式雷電探測方法的數字式雷電探測裝置，包括天線、信號調理器，其特徵在於：由天線，信號調理器，模數轉換器，簡稱ADC，地閃雷電信號識別模型模組，系統控制管理器，輔助控制管理器，通信接口，外部存儲器及時鐘組成；系統控制管理器採用的是數位訊號處理器，簡稱DSP；輔助控制管理器採用複雜可程式邏輯器件，簡稱CPLD；外部存儲器採用的是大容量並行高速靜態存儲器，簡稱SRAM；天線設有接收雷電電磁場輻射電磁波信號的輸入端，天線的輸出端與信號調理器的輸入端相連，信號調理器的輸出端與模數轉換器的輸入端相連，模數轉換器的輸出端與地閃雷電信號識別模型模組的數據輸入端相連；模數轉換器的時鐘輸入端與地閃雷電信號識別模型模組的時鐘輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模組的時鐘輸入端與時鐘的輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模組通過數據和地址匯流排分別與系統控制管理器和輔助控制管理器相連；系統控制管理器通過數據和地址匯流排與輔助控制管理器相連，並且通過數據和地址匯流排與外部存儲器相連；地閃雷電信號識別模型模組、系統控制管理器、輔助控制管理器和外部存儲器之間的控制輸入輸出端分別通過各自的控制匯流排相連；系統控制管理器的通信輸入輸出口分別與通信接口的內側輸入輸出口相連；通信接口外側的輸入輸出口與外界通信網相連。
上述數字式雷電探測裝置，其特徵在於：所述的地閃雷電信號識別模型模組採用的是現場可程式門陣列器件，簡稱FPGA；FPGA採用被動配置工作模式；內部連線均採用的是並行同步匯流排方式連線；FPGA內部邏輯區是由波形預處理器、地閃雷電信號識別模型、雷電信號波形先入先出快取器，簡稱FIFO、波形編碼器、波形特徵值暫存器陣列、時鐘電路、時標信號發生器、數據接口電路組成；波形預處理器的輸入端與FPGA的數據輸入端相連；波形預處理器的輸出端與地閃雷電信號識別模型的輸入端相連；地閃雷電信號識別模型的輸出端與波形特徵值暫存器陣列的輸入端相連；波形特徵值暫存器陣列的輸出端與數據接口電路的輸入端相連；波形編碼器的輸入端與FPGA的數據輸入端相連；波形編碼器的輸出端與FIFO的輸入端相連；FIFO的輸出端與數據接口的輸入端相連；數據接口的輸出端通過FPGA上的地址與數據匯流排與外界相連；時鐘的輸入端與FPGA的時鐘輸入端相連；時鐘電路輸出端分別與FPGA的時鐘輸出端、波形預處理器、地閃雷電信號識別模型、波形編碼器、時標信號發生器的時鐘輸入端相連；時標信號發生器的輸出端與波形編碼器的時標信號輸入端相連。
上述數字式雷電探測裝置，其特徵在於：還包括大容量非易失性存儲器和系統控制管理器控制的自檢系統；大容量非易失性存儲器是一種高速並行存儲器；自檢系統是由高速數模轉換器簡稱DAC、自檢信號發生器、電子開關及系統控制管理器組成；系統控制管理器的自檢信號輸出端與DAC的輸入端相連；DAC的輸入端與自檢信號發生器的輸入端相連；自檢信號發生器的輸出端與電子開關的輸入端相連；電子開關的輸出端輸出與天線的模擬信號輸入端相連。
上述數字式雷電探測裝置，其特徵在於：所述的信號調理器是由前置放放大器、低通濾波器、積分器、高通濾波器、差分變換器組成；前置放大器的輸入端與信號調理器的信號輸入端相連；前置放大器的輸出端與低通濾波器的輸入端相連；低通濾波器的輸出端與積分器的輸入端相連；積分器的輸出端與高通濾波器的輸入端相連；高通濾波器的輸出端與差分變換器的輸入端相連；差分變換器的輸出端入信號調理器的輸出端相連；信號調理器中所採用的運算放大器均採用超低噪聲運算放大器，信號調理器輸出的信號為差分信號。
上述數字式雷電探測裝置，其特徵在於：所述的時鐘由高穩定的、精度為±0.1ppm的溫補晶振和全球衛星定位系統組成，並建立有時鐘誤差修正的控制器。
有益效果
《數字式雷電探測方法及其裝置》構思新穎、設計合理、性能穩定，提供了一種基於可程式門陣列的全數位化雷電波形識別方法和一種地閃雷電信號特徵數據及全波形數據獲取方法和裝置。通過DSP、CPLD和FPGA組合運用，實現了地閃雷電信號識別模型的完全可程式性，並具有可再配置能力，可針對要求靈活調整地閃雷電信號識別模型，以提高雷電信號的識別能力和類型區分能力。通過預處理區的建立，可預先了解輸入信號的趨勢和典型特徵，為後續地閃雷電信號識別模型提供參考，可進一步提高信號判別能力。運用該發明所述的方法，雷電探測裝置具有高效的運行管理和回響能力，能進行海量數據的實時處理和多種特徵數據的計算，實現雷電信號特徵信號和全波形數據的處理和記錄，即使運用複雜識別模型以及面對密集數據處理時，系統亦能有良好的表現。該發明裝置，具有豐富的數據接口，可根據使用者需要進行功能擴展。此外，該發明裝置具有高速通信網路接口，可實現與外部系統的數據通信和聯網。
附圖說明
圖1、《數字式雷電探測方法及其裝置》的實現方法框圖
圖2、典型的地閃波形示意圖
圖3、該發明的裝置原理框圖
圖4、該發明的裝置的結構示意圖
圖5、該發明的裝置的最佳實施例結構示意圖
權利要求
1.一種數字式雷電探測方法，包括使用接收地閃雷電放電時產生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，並用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據，步驟包括：1）由天線感應接收地閃雷電放電時產生的低頻/甚低頻段的電磁輻射場信號，並產生對應的電檢信號；2）對上述電檢信號進行調理；3）將調理後的電檢信號進行數位化處理，產生對應的數位訊號；4）對上述數位訊號進行數字濾波；5）建立統一的時間標尺；6）結合雷電電磁輻射波形的傳輸特徵，並用時間判別法、雙極性測試法和同極性測試法建立雷電信號識別判據，構建數位化地閃雷電信號識別模型；7）建立時間窗預處理區，記錄在此時間窗內的數據峰值和極性，記錄此峰值對應的時間點，獲取輸入的數位訊號的發展趨勢和對應的典型參數；其特徵在於：步驟還包括，8）結合時間窗中的數據，用數位化地閃雷電信號識別模型對輸入的數位訊號進行參數計算及判定；9）根據判定結果確定輸入的數位訊號類型及產生此輸入的數位訊號的雷電放電類型；10）根據判定結果及輸入的數位訊號類型，計算並產生能夠確定此輸入的數位訊號類型的多種特徵數據和此輸入的數位訊號的參考時間數據；11）對上述輸入的數位訊號的特徵數據和參考時間數據以及此輸入的數位訊號對應的全波形數據進行編碼存儲；12）利用通信通道傳送已編碼的數據；整個數位化地閃雷電信號識別模型構建及信號處理過程是採用硬體描述語言VERILOG程式；所述的參考時間、峰值和極性的比較關係是可程式的，是可在使用過程中，根據使用者的需要進行靈活調整和進一步擴充的；利用硬體描述語言，在現場可程式邏輯陣列上構建數位化地閃雷電信號識別模型，實現雷電波形信號的數字波形匹配和探測。
2.根據權利要求1所述的數字式雷電探測方法，其特徵在於，構建數位化地閃雷電信號識別模型的具體方法：根據地閃雷電電磁輻射波的特徵，及其在傳播過程中的變化特徵確定雷電波形信號的上升參考時間t1，下降參考時間t2，先導參考時間t3，反向過沖參考時間t4，再確定雷電波形信號的參考閾值G，並且建立雷電波形信號主峰峰值p1暫存器和極性暫存器，建立後續峰值暫存器和極性暫存器，後續峰簡稱次峰，建立同極性次峰最大峰值比較器和最大峰值p2暫存器，建立先導峰值p3暫存器和極性暫存器，建立反向過沖峰值p4暫存器，建立上述峰值和極性的相關比較關係，即p1＞G，p1＞p2，p1＞p3，|p1|＞|p4|，p1極性＝p3極性，從而建立了基本的數位化地閃雷電信號識別模型；所輸入的數位訊號在滿足上述所述的參考時間、相應的峰值和極性關係後，可初步判定為地閃雷電信號。
3.根據權利要求1所述的數字式雷電探測方法，其特徵在於，所述的時間窗、數位訊號的判別和計算處理是採用了並行流水線處理方法。
4.根據權利要求1所述的數字式雷電探測方法，其特徵在於，所述的特徵數據計算和參考時間數據計算是利用彙編語言和電腦程式語言C語言實現的；數字全波形編碼存儲採用高速直接讀取方法進行。
5.數字式雷電探測裝置，包括天線、信號調理器、模數轉換器、通信接口、時鐘，其特徵在於，由天線（13），信號調理器（14），模數轉換器（15），地閃雷電信號識別模型模組（16），系統控制管理器（17），輔助控制管理器（18），通信接口（22），外部存儲器（21）及時鐘（20）組成；系統控制管理器（17）採用的是數位訊號處理器，簡稱DSP；輔助控制管理器（18）採用複雜可程式邏輯器件，簡稱CPLD；外部存儲器（21）採用的是大容量並行高速靜態存儲器，簡稱SRAM；天線（13）設有接收雷電電磁場輻射電磁波信號的輸入端，天線（13）的輸出端與信號調理器（14）的輸入端相連，信號調理器（14）的輸出端與模數轉換器（15）的輸入端相連，模數轉換器（15）的輸出端與地閃雷電信號識別模型模組（16）的數據輸入端相連；模數轉換器（15）的時鐘輸入端與地閃雷電信號識別模型模組（16）的時鐘輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模組（16）的時鐘輸入端與時鐘（20）的輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模組（16）通過數據和地址匯流排分別與系統控制管理器（17）和輔助控制管理器（18）相連；系統控制管理器（17）通過數據和地址匯流排與輔助控制管理器（18）相連，並且通過數據和地址匯流排與外部存儲器（21）相連；地閃雷電信號識別模型模組（16）、系統控制管理器（17）、輔助控制管理器（18）和外部存儲器（21）之間的控制輸入輸出端分別通過各自的控制匯流排相連；系統控制管理器（17）的通信輸入輸出口分別與通信接口（22）的內側輸入輸出口相連；通信接口（22）外側的輸入輸出口與外界通信網相連；還包括大容量非易失性存儲器（42）和系統控制管理器（17）控制的自檢系統（38）；所述的地閃雷電信號識別模型模組（16）採用的是現場可程式門陣列器件，簡稱FPGA；FPGA採用被動配置工作模式；內部連線均採用的是並行同步匯流排方式連線；FPGA內部邏輯區是由波形預處理器（28）、地閃雷電信號識別模型（29）、雷電信號波形先入先出快取器（31）簡稱FIFO、波形編碼器（30）、波形特徵值暫存器陣列（32）、時鐘電路（33）、時標信號發生器（34）和數據接口電路（35）組成；波形預處理器（28）的輸入端與FPGA的數據輸入端相連；波形預處理器（28）的輸出端與地閃雷電信號識別模型（29）的輸入端相連；地閃雷電信號識別模型（29）的輸出端與波形特徵值暫存器陣列（32）的輸入端相連；波形特徵值暫存器陣列（32）的輸出端與數據接口電路（35）的輸入端相連；波形編碼器（30）的輸入端與FPGA的數據輸入端相連；波形編碼器（30）的輸出端與FIFO的輸入端相連；FIFO的輸出端與數據接口的輸入端相連；數據接口的輸出端通過FPGA上的地址與數據匯流排與外界相連；時鐘（20）的輸出端與FPGA的時鐘輸入端相連；時鐘電路（33）輸出端分別與FPGA的時鐘輸出端、波形預處理器（28）、地閃雷電信號識別模型（29）、波形編碼器（30）、時標信號發生器（34）的時鐘輸入端相連；時標信號發生器（34）的輸出端與波形編碼器（30）的時標信號輸入端相連。
6.根據權利要求5所述的數字式雷電探測裝置，其特徵在於：大容量非易失性存儲器（42）是一種高速並行存儲器；自檢系統（38）是由高速數模轉換器（39），簡稱DAC、自檢信號發生器（40）、電子開關（41）及系統控制管理器（17）組成；系統控制管理器（17）的自檢信號輸出端與DAC的輸入端相連；DAC的輸出端與自檢信號發生器（40）的輸入端相連；自檢信號發生器（40）的輸出端與電子開關（41）的輸入端相連；電子開關（41）的輸出端輸出與天線（13）的模擬信號輸入端相連。
7.根據權利要求5所述的數字式雷電探測裝置，其特徵在於：所述的信號調理器（14）是由前置放大器（23）、低通濾波器（24）、積分器（25）、高通濾波器（26）和差分變換器（27）組成；前置放大器（23）的輸入端與信號調理器（14）的信號輸入端相連；前置放大器（23）的輸出端與低通濾波器（24）的輸入端相連；低通濾波器（24）的輸出端與積分器（25）的輸入端相連；積分器（25）的輸出端與高通濾波器（26）的輸入端相連；高通濾波器（26）的輸出端與差分變換器（27）的輸入端相連；差分變換器（27）的輸出端與信號調理器（14）的輸出端相連；信號調理器（14）中採用了超低噪聲運算放大器，信號調理器（14）輸出的信號為差分信號。
8.根據權利要求5所述的數字式雷電探測裝置，其特徵在於：所述的時鐘（20）由高穩定的、精度為±0.1ppm的溫補晶振（36）和全球衛星定位系統（37）組成；並建立有時鐘誤差修正的控制器。
技術領域
《數字式雷電探測方法及其裝置》屬於雷電探測領域，涉及雷電探測方法及其裝置，特別是數字式雷電探測方法及其裝置。它是一種以數位訊號處理為基礎的，具有靈活調整能力的數字式雷電探測方法及裝置。其適用於大區域範圍的雷電探測。
實施方式
如圖1所示，其所描繪的是《數字式雷電探測方法及其裝置》方法中所需要實現的功能框圖，其中，1為接收雷電活動所產生的低頻/甚低頻段電磁輻射波所對應的電磁感應信號，並將電磁感應信號轉換為能夠進行調理的電信號；2為輸入的電信號進行模擬信號調理，調理方法包括：首先對微弱的電信號進行放大，然後對放大後的電信號進行低通濾波，以去除信號中的高頻噪聲以提高信號的信噪比，進一步對輸入信號進行積分變換，把感應而來的微分信號還原為真實信號，積分後的信號將進行高通濾波，去除不必要的低頻噪聲信號，經過高通濾波處理的信號在進行模數轉換前將進行差分變換，進一步提高模數轉換前的信號的抗干擾能力；3為對輸入的差分模擬信號進行數字轉化。4為數字濾波，進一步消除或降低噪聲對所關心的信號的干擾。
圖1中，5為建立統一的時間標尺，時間標尺的精度達到0.1微妙單位，該發明中，所有的數字處理和識別過程均是基於這一時間標尺進行的。時間標尺的發生源是基於高精度、高穩定度晶振和GPS秒脈衝實現。利用時鐘誤差補償計算方法對時間標尺進行誤差修正，這一補償方法是基於連續的計數和平均算法實現的。
圖1中，6為構建地閃雷電信號識別模型，地閃雷電信號識別模型是一種數學模型，通過多種參數和條件的設定來建立。這些參數參照圖2中所示，包括：上升參考時間t1、下降參考時間t2、先導參考時間t3、反向過沖參考時間t4、參考閾值G，信號主峰峰值p1，次峰最大峰值p2，先導峰值p3，反向過沖峰值p4。利用VERILOG語言建立上述峰值參數暫存器，並建立上述參數的相關條件，即p1＞G，p1＞p2，p1＞p3，|p1|＞|p4|，p1極性＝p3極性和時間對比條件。數位訊號在進入模型後，一旦存在高於閾值G的信號後，模型將結合時間窗預處理7的數據進一步精確確定輸入信號的各個峰值特徵點，並標記各個峰值特徵點的時間點和幅值數據。
圖1中，7為一種時間窗預處理，是對數字濾波後的數位訊號在進入模型的參數計算和判定之前進行的一種信號預處理，是建立一段固定長度的時間視窗，時間窗是連續不斷的隨時間向前移動，並且持續計算並記錄這一端時間內的信號峰值數據和極性數據，判斷信號的發展趨勢，為地閃雷電信號識別模型提供參考數據。時間窗預處理方法也是利用VERILOG語言進行描述並建立的。
圖1中，8為信號的參數計算和參數判定，9為信號類型和雷電活動類型判定，這兩部分均為地閃雷電信號識別模型的一個處理過程。信號輸入後，針對信號各個數字樣本點計算出圖2中所示的各個參數的數值，並根據判據判定參數是否滿足所設定的條件，一旦參數計算結果和參數判定結構滿足模型所設定的條件，則類型判定9將會給出類型確認信號。
圖1中，10為進行特徵參數計算和參考時間的計算。在收到類型判定9給出的確認信號後，其將會立即讀取參數計算和判定8中的全部計算結構和波形數據，並計算出能夠表征型號類型的全部特徵參數。
圖1中，11為數據編碼和存儲，對已經計算好的特徵參數和對應的全波形數據進行統一編碼操作，以便區分不同雷電過程的數據。編碼後的這些數據進行存儲。
圖1中，12為數據輸出，上述以編碼的全部數據可通過通信接口進行數據輸出。
如圖2所示，其所描繪的是典型的地閃波形示意圖，其中p1為一次地閃雷電活動中主峰峰值，p2為後續峰值中幅值最大的峰值，p3為主峰前先導過程的峰值，p4為反向過沖峰值。t1為主峰的上升時間，t2為主峰後的下降時間，t3為主峰前具有參考意義的先導發生時間段，t4為具有參考意義的反向過沖發生的時間段，G為參考閾值線。在地閃雷電信號識別模型的構建中，上述峰值和時間段是作為模型的主要判據。結合地閃雷電電磁輻射波的特徵，及其在傳播過程中的變化特徵可確定上述峰值之間的關係以及對應的時間關係等數據。
如圖3所示，該發明的裝置——數字式雷電探測裝置是由天線13、信號調理器14、模數轉換器15、地閃雷電信號識別模型模組16、系統控制管理器17、輔助控制管理器18、外部存儲器21、時鐘20、通信接口22組成。其中，天線13的輸入端接收電磁場輻射信號，其輸出端與信號調理器14的輸入端相連，信號調理器14的輸出端與模數轉換器15的輸入端相連，模數轉換器15的輸出端與地閃雷電信號識別模型模組16的數據輸入端相連；地閃雷電信號識別模型模組16的時鐘輸入端與時鐘20的時鐘輸出端相連；地閃雷電信號識別模型模組16通過數據和地址匯流排19分別與系統控制管理器17和輔助控制管理器18相連；地閃雷電信號識別模型模組16的控制輸入輸出端與系統控制管理器17的控制輸入輸出端相連；系統控制管理器17通過數據和地址匯流排19與輔助控制管理器18相連，並且通過數據和地址匯流排19與外部存儲器21相連；系統控制管理器17的通信輸入輸出口分別與通信接口22的內側輸入輸出口相連，通過通信接口22外側的輸入輸出口實現與外界通信網相連。
其中，天線13是一種微分天線，並具有較寬的頻帶回響，其中包括雷電信號所對應的低頻/甚低頻頻段。天線13將所獲取的信號S1送入信號調理器14。信號調理器14內部包含有多級模擬信號處理器，分別對信號S1進行放大、低通濾波、積分、高通濾波和差分調製，並將信號S1調整到適合的動態範圍內。信號調理器14將已調理的信號S2送入模數轉換器15內。模數轉換器15可以以高速採樣率和高精度方式對信號S2進行數位化編碼，轉換為數位訊號S3。需要說明的是，該發明的裝置中，均採用多路通道並行方式，可同時實現多路信號同步輸入輸出。信號S3是多路高精度並行數位訊號。信號S3被送入地閃雷電信號識別模型模組16。地閃雷電信號識別模型模組16就是該發明的方法中所述的識別模型的實現載體，其建立有多組信號識別條件和輔助信號處理器，並結合時鐘20的時鐘信號，在識別平台內建立有統一的時間標尺，所輸入信號在這裡將以流水線方式，並根據所設定的判別條件和方法逐一進行處理。識別平台內建有專門的波形記錄快取區FIFO，可同步記錄波形數據。在識別出有效數據後，地閃雷電信號識別模型模組16將給出確認中斷信號至系統控制管理器17。隨後系統控制管理器17將通過數據和地址匯流排19讀取信號特徵數據，並且控制輔助控制管理器18讀取信號波形數據至外部快取器21，系統控制管理器17在對信號特徵數據處理後也將處理後的數據寫入外部快取器21。隨後，系統控制管理器17將處理後的數據和波形數據從外部快取器21中讀出並通過通信接口22將數據送出。
如圖4所示，是根據上述裝置原理設計實現的裝置的結構示意圖，其中，天線13包括南北磁場天線NS、東西磁場天線EW和電場天線EO三種接收天線，這三種天線分別接收雷電信號對應的特徵分量並分別輸出以上三路信號。接收天線與高精度前置放大器23相連。高精度前置放大器23具有三路運算放大器，高精度前置放大器23對接收天線輸出的三路微弱信號進行放大處理，高精度前置放大器23所選用的運算放大器為高精度極低噪聲高速運放，其對經過它放大的信號影響極小，並能確保輸入信號的良好頻率回響特性。高精度前置放大器23的輸出端與低通濾波器24的輸入端相連，低通濾波器24具有三路低通濾波器，低通濾波器24設定為特定的頻率範圍，以去除信號中高頻分量，以提高信號的信噪比。，低通濾波器24的輸出端與積分器25的輸入端相連。積分器25具有三路積分器，積分器25可將接收天線輸入的微分信號還原為真實信號。積分器25的輸出端與高通濾波器26的輸入端相連，高通濾波器26具有三路高通濾波器，高通濾波器26設定為特定頻率範圍，以去除信號中不必要的低頻分量，例如工頻信號和低頻噪聲，以提高信號的信噪比。需要表明的是，上述濾波及積分器件所用的運算放大器均為高精度極低噪聲高速運算放大器，其中積分運算放大器也是高輸入阻抗和低偏執電流的運算放大器。高通濾波器26的輸出端與差分變換器27的輸入端相連，差分變換器27具有三路差分變換器，差分變換器27將單端的輸入信號轉換為差分信號，以提高信號的抗干擾能力，方便實現高精度採樣。經過上述處理後的輸入信號將被限定在一定的動態範圍內，以滿足模數轉換器15（簡稱ADC）輸入範圍的要求。差分變換器27的輸出端與ADC的輸入端相連，ADC具有三組變換器，該發明中採用的是ADC是高採樣率的12位精度的ADC。ADC將輸入信號轉換為數位訊號後，便將三路12位數位訊號並行送入地閃雷電信號識別模型模組16，地閃雷電信號識別模型模組16是基於FPGA建立的，並且地閃雷電信號識別模型以及FPGA內部功能的實現是有VERILOGA硬體描述語言構建並實現的。
如圖4所示，地閃雷電信號識別模型模組16內部主要包括：波形預處理器28、地閃雷電信號識別模型29、雷電信號波形先入先出快取器31（簡稱FIFO）、波形編碼器30、波形特徵值暫存器陣列32、時鐘電路33、時標信號發生器34、數據接口電路35。在這裡，地閃雷電信號識別模型模組16主要功能是快速準確識別輸入信號類型，並對被確定為地閃雷電信號的數據進行數據計算，並記錄對應雷電信號的波形數據。
需要進一步說明的是，在該發明中，FPGA的工作模式為被動工作模式，利用了雷電探測的遠程智慧型升級裝置和方法。通過利用這一方法及裝置，可實現地閃雷電信號識別模型模組29的遠程智慧型升級，可根據套用結果和使用需要，對FPGA進行調整或改進，從而可進一步提高對地閃雷電信號的識別率。
FPGA的工作方法（流程）是，ADC輸出的三路數位訊號在進入FPGA內後將被分為兩組。其中一組保持原有三路數位訊號並進入波形預處理器28，波形預處理器28對輸入信號進行掃描，判斷信號趨勢，其處理時間視窗長度是根據識別條件而設定的，並根據識別模型需要的特徵條件對處於時間視窗內的信號進行特徵標記或記錄。時間視窗是連續的對信號進行選取的。經過預處理的信號隨即進入地閃雷電信號識別模型29中，在29內部，是根據地閃雷電信號判別方法設計的硬體識別邏輯，其結合28所記錄的數據對輸入信號進行綜合實時判別，一旦輸入信號滿足設定，識別模型便將所計算的信號數據寫入特徵值暫存器陣列35中，並給出確認信號S100。需要說明的是，上述FPGA內處理過程是採用流水線方式進行的，具有三路流水線結構，電場信號和兩路磁場信號同步處理，並相互關聯。
另一組是將原有三路數位訊號抽樣後，送入波形編碼器30。所抽樣的數位訊號依然能夠完整描述輸入信號的波形，即其抽樣率依然滿足採樣定理的要求。在波形編碼器30內，三路數位訊號被進行串列分組並進行數字編碼，數字編碼主要包括類型編碼和時間編碼，以保證後期波形數據能夠容易區分和識別。經過編碼後的串列波形數據進入FIFO中，已實現地閃雷電信號波形記錄。FIFO設計有足夠的存儲深度，以記錄使用者所關心的數據長度。
如圖4所示，時鐘電路33是為整個FPGA和數據採樣提供統一的時鐘基準的。時鐘20是由全球衛星定位系統37，簡稱GPS，和高穩定溫補晶振36組成，GPS提供秒脈衝時鐘，晶振提供10MHz時鐘。時鐘電路33為預處理器28、地閃雷電信號識別模型29、波形編碼器30、時標信號發生器34提供高精度時鐘信號，以保證模數變換和信號處理的同步性。時標信號發生器34根據時鐘電路33的時鐘信號為波形編碼器30提供時間標籤數據。需要進一步說明的是，為保證數據進程的同步性，在每個通道內均設有延遲器，延遲器可根據需要調整時間參數。
如圖4所示，一旦地閃雷電信號識別模型29給出確認信號S100中斷系統控制管理器17，該發明中系統控制管理器17是採用DSP處理器，DSP在收到S100中斷後將立即回響中斷信號，通過並行數據匯流排和FPGA內部數據接口電路35讀取計算數據並存儲於外部存儲器21內。同時DSP將控制輔助控制管理器18，以DMA方式，通過並行數據匯流排和數據接口電路35迅速讀取FIFO內對應的雷電信號波形數據並寫入高速大容量存儲器21內。該發明中，輔助控制管理器是利用CPLD建立的，外部存儲器是利用SRAM建立的。隨後，DSP將讀取SRAM內的存儲數據並進行數據計算，得出特徵數據，包括能夠確定信號類型和雷電活動類型的特徵數據，以及其他用戶所關心的特徵數據，以及對應時間數據。這些數據將被DSP進行數據打包及編碼處理，並通過通信接口22，發出數據檔案。
該發明中，DSP是負責全局控制管理的，在優先回響地閃雷電信號之外，DSP內部還建立有實時監控系統和人機對話視窗，可根據上位機命令要求，傳送已定義好的各種數據和系統狀態數據。
如圖5所示，其為該發明所採用的優選實施方案。是在上述方案基礎上採用了自檢系統38和大容量非易失性存儲器42。其中，自檢系統38是由DSP，高速數模轉換器39（簡稱DAC）、自檢信號發生器40、電子開關41組成。DAC根據DSP的輸入信號，產生對應的模擬量信號給自檢信號發生器40，自檢信號發生器40將模擬量轉換為高驅動能力的模擬信號後，通過電子開關41，將模擬信號送入天線檢測入口。通過DSP的控制，自檢系統38可產生模擬雷電信號，包括電場和兩路磁場信號，用於數字式雷電探測裝置的系統校準和功能測試，可增強數字式雷電探測裝置的環境適應能力和系統穩定性，並可根據自檢狀態使使用者了解其運行狀態，以便採取處理措施。自檢系統38具有可程式特性，可根據需要輸出不同強度和方向角的模擬雷電信號。
圖5中，大容量非易失性存儲器42是一種非易失性存取器，通過DSP對其進行管理和數據讀寫。在數字式雷電探測裝置獨立運行或與外界通信中斷時，特徵數據和波形數據依然可以通過大容量非易失性存儲器42進行數據保存，即使是失去電力供應呢，其依然能夠長期保存，保證既有探測數據不會丟失。
榮譽表彰
2013年10月，《數字式雷電探測方法及其裝置》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
