[发明专利]雷电多物理效应同步融合探测装置及方法

说明书

本发明公开了雷电多物理效应同步融合探测装置及方法，它的电磁场天线用于接收电磁场信号，静电感应极板用于感应大气静电场信号，光学摄像机用于监拍雷电过程光学影像；MEMS大气电场处理模块用于将大气静电场信号转换为静电场场强数值，并得到对应的静电场场强变化波形；雷电信号识别与处理模块用于建立雷电电磁场波形辅助识别模型；雷电信号识别与处理模块用于利用原有的雷电电磁场信号识别判据模型和辅助识别模型对输入的电磁场信号进行识别，本发明通过降低外部环境因素对静电场测量准确性的影响，辅助近距离雷电探测识别，同时改善雷电光学影像监拍长时间高算力盲动所导致的效能不高的问题。

技术领域

本发明涉及雷电监测预警技术领域，具体地指一种雷电多物理效应同步融合探测装置及方法。

背景技术

雷电的形成和发生过程会伴随多种物理效应，包括雷电形成和发生过程中引起的大气静电场变化，雷击放电过程中产生的闪光、强电磁辐射以及大电流等。这些雷电引发的物理效应会对电力、通信、交通、石油化工等人们的生产、生活带来严重的危害。为了了解和研究雷电的成因，掌握雷电的活动规律，提升对雷电的防护能力，人们利用电磁信号探测、地面大气静电场探测、光学影像监拍等多种技术开展了大量的雷电监测预警技术的研发与装备的研制。例如电网系统，雷击是导致其输电线路跳闸的首要原因，为此，我国电网已建成了技术水平先进的广域雷电监测网，并对重要输电通道建有雷击风险预警系统和雷击光学影像监拍装置，实现了对雷电活动“点”、“线”、“面”的临近预警、定点监拍和广域监测定位。

地面大气静电场探测是开展雷电预警的重要技术手段之一，目前主要采用的是场磨式电场仪和基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的电场仪。通过实验研究和长期的工程应用实践，在场磨式电场仪中，旋转动片的接地电极因持续的运动磨损，易造成动片的接地屏蔽失效，电极磨损产生的粉末会造成机体内部的污染，裸漏在外的旋转动片和感应电极片受环境的影像会形成污秽附着，在污秽严重地区这一现象尤为明显，因此场磨式电场仪需及时定期开展设备维护与回修；基于MEMS技术的电场仪克服了场磨式电场仪旋转机械结构固有特征带来的不便，利用静置的外部感应电极和MEMS芯片探测大气电场，由于电极外置，带电荷的雨滴、污秽极易干扰大气电场的测量，长期运行时，电极与参考平面间隙间进入的污秽和异物，例如蛛丝和昆虫等，会导致测量异常和设备失效。这些因素会严重干扰现有的场磨式电场仪、MEMS电场仪对大气电场测量的灵敏度、探测精度以及设备的运行可靠性。

广域雷电监测与定位主要是利用多点分布的雷电探测站，结合低频甚低频电磁场信号探测、信号特征识别、方向与时差定位等方法实现。根据雷电引起的静电场、感应场、辐射场的信号特征，在近距离探测时，受信号强度、信号特征等参数的影响，现有的雷电探测站探测能力有所下降，需要进行技术改进来提升近距离雷电信号的检出性能。

基于电磁信号探测的雷电监测与定位技术主要是一种电磁信号盲测技术，判断它的探测效率，定位的准确性常需要借助其他技术手段。雷电的光学影像信息就是重要的技术手段之一，也是研究雷电发展过程，雷击路径形态的重要手段。雷电的光学监拍需要高拍摄速度，帧率高、数据量大、对计算和处理性能有严格的要求，区别于实验室内的拍摄设备，在野外工况，特别是在输电线路上进行雷电拍摄的设备，其工作模式、算力与能耗的优化一直是值得研究的课题。

专利文献201220549090.6一种雷电及地面电场监测一体装置，提出了一种结合地面大气静电场探测和雷电电磁场探测的雷电单站探测装置，用于对局地地面大气电场强度测量和远距离雷电的测向与定距。该专利雷电探测和大气静电场测量两个部件仍独立运行，仅是功能的相互补充和堆叠；其采用的静电场测量部件是基于场磨式电场测量方法，未克服该方法固有的不足；该专利使用了光电管，但主要是进行雷电的光学计数。