[发明专利]数字式雷电探测方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于雷电探测领域，涉及雷电探测方法及其装置，特别是数字式雷电探测方法及其装置。它是一种以数字信号处理为基础的，具有灵活调整能力的数字式雷电探测方法及装置。其适用于大区域范围的雷电探测。

背景技术

众所周知，雷电发生时会产生强大的声、光、电信号，其中声和光信号由于其自身的特性，作用距离短，不适用于远距离大区域雷电探测。然而，雷电活动所产生的电磁辐射场，尤其是主能量集中的低频/甚低频段的电磁辐射场，其产生的电磁辐射波可沿地球表面传播数百公里或更远。现有的雷电探测方法及装置通常是检测雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号。据申请人所知，现代雷电探测技术始于二十世纪七十年代末，由美国科学家Martin A.Uman和E.Philip Krider教授提出并实现的，随后该技术在美国、中国、法国、德国迅速发展，研究和实验证明，准确区分雷电活动中的云闪和地闪是雷电探测技术方法的关键。据申请人所知，目前所公开的用于区分云闪和地闪的识别判据有：时间判别法，即检测输入信号的主峰由参考零点到峰值点的时间，因为云闪电检信号具有短暂的上升时间；双极性测试法，即与第一峰相比较，后续相反极性波峰的峰值偏大，则被判定为云闪；另一种方法是同极性测试法，即存在与第一峰极性相同的后续峰，且后续峰峰值偏大，则被判定为云闪。如果所输入的感应信号不满足上述判定则将被假定为地闪雷电信号。但是，即使综合利用上述判据，仍然存在地闪雷电信号被错误的判定。

申请人在研究中发现，利用上述这些方法实现的雷电探测方法及装置，就是利用判据组建一种雷电信号识别数学模型，其实现方法一般是采用模拟信号处理或者模拟与数字信号混合处理实现的，其特点是雷电信号识别模型和处理系统实现起来较为简单，基本上能够满足多站系统同时监测雷电要求。其不足之处是：1、判据复杂时实现困难，对云闪、地闪的区分率相对低，在只接受地闪的探测系统中还可能影响探测效率；2、电路设计定型以后，雷电信号识别模型不便于根据使用情况的改变而改变或调整，从而造成部分不满足预定判据条件的真雷电信号丢失，由此降低了探测装置的接受效率；3、模拟电路存在固有的不稳定性，随着工作时间的延长会造成其内部参数发生漂移；4、存在“寂静时间”，模拟器件需要利用跟踪和保持电路来检测预选电检信号、捕获有用电检信号、并完成对电检信号特征的分析，在这一状态中通常无法及时响应后续信号。

中国专利文献03808337.X闪电探测和数据获得系统，其描述了一种可检测雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号的雷电探测器。它利用天线的导数特性和非线性放大器实现云闪和地闪振幅的调整和压缩，降低了输入信号的动态范围。再利用高速模数转换器(简称ADC)，从输入端将信号进行了数字化采样编码，实现了由模拟判别向数字判别的进步，消除了以往硬件系统存在的固有的寂静时间问题。该中国专利文献描述的雷电信号探测器是用数字信号处理器(简称DSP)作为系统平台，利用计算机程序语言描述雷电信号识别数学模型，并在DSP上实现雷电信号识别模型及其信号处理，具有可编程特性，相对于以往探测方法及装置难以实现的复杂判据而言，其能够通过计算机程序语言在DSP内实现系统平台所要求的复杂模型，但其缺陷在于：1、要实现复杂模型，需要进行大量的运算处理，有时不得不运用复杂算法，才能获得较为真实的结果，但运用复杂算法时将会占用DSP庞大的资源，降低系统性能，影响信号响应和处理速度，存在数据丢弃风险和信号响应暂停的可能。2、其所描述的用户可选择判据，是仅针对云闪判据或是地闪判据的选择，从而仅获取地闪数据或者云闪数据或者是两种数据全部获取，其识别判据依然是固定的，不能够针对实际情况对判据进行实时修正或扩充，存在局限性。3、该专利所描述的探测器具有数据压缩和十选一技术，但其所获得的数据仅包含能够判定雷电类型特征数据，不具备全波形数据的记录和传输能力。4、其特征数据不具备本地离线存贮功能。

中国专利97109239.7“雷电电磁波到达时刻的探测方法”，公开了一种雷电电磁波特征频段的时间标定法，但其具体的实现方式是采用模拟滤波器对雷电电磁波进行带通滤波，存在一定的时间漂移。

发明内容

本发明的目的，是针对上述现有技术存在的不足，提出数字式雷电探测方法及其装置，实现地闪雷电信号全数字的准确实时识别，实现识别模型的灵活调整，并实现信号特征数据和全波形数据的同步数字处理和存储。