CN115128332A - 一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置和方法，所述雷电探测辅助装置包括光纤传感器模块、光电转换模块、供电模块、信号处理模块；所述光纤传感器模块，用于捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；所述光电转换模块，用于将光信号转换成电压信号，并将其传输到信号处理模块；所述供电模块，用于为光电转换模块稳定供电；所述信号处理模块，用于对电压信号进行显示、采集、处理与存储。本发明利用光信号检测不受复杂电磁环境干扰的优点，大大降低雷电探测的误报率。

Description

一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置和方法

技术领域

本发明属于雷电探测技术领域，涉及一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置和方法。

背景技术

雷电产生时将会伴随其辐射出电磁信号、光信号、声信号等信号。雷电所产生的声信号在大气空间进行传输时会发生各种折反射，导致传输距离不足，且雷电声信号检测中，有效信号与背景声音较为难易区分，所以雷电声信号探测的效果有限。

目前，雷电探测所使用的方法大多都是基于电磁信号的检测，而现实环境中，如果空间存在复杂的电磁环境将导致基于电磁信号的雷电探测方法产生误报等问题。当雷电发生时，将会产生强大的闪电电流，这不仅形成电磁辐射，而且在温度高达上万度的放电通道中，各种大气气体原子和分子等粒子将被激发到高能态，如图1所示。当这些处于高能态的气体分子和原子自发由高能级跃迁到低能级的退激过程中，就会形成光辐射，所激发的光信号光谱范围从紫外到红外，其主要能量集中在600～950nm谱段，该波段光辐射具有较强的穿透云雾的能力。

利用光纤作为传感器接收光辐射信号是一种光信号检测技术，该技术通过检测光信号强度判断雷电发生的剧烈情况。由于光纤传感器布置方式灵活、抗电磁干扰能力强等优点，使得光测法在探测雷电方面有着独特的优势。但是现有的光信号检测技术对光学检测装置的研究不够透彻，尚存在诸多问题。例如，缺少具体如何将其应用于雷电探测的指导方案；以及，普遍采用的光敏二极管结合I-V转换器的等构成的光学检测装置结构，其存在检测灵敏度和检测信噪比低、损坏率和更换维修成本高等缺点。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置和方法，利用光信号检测不受复杂电磁环境干扰的优点，大大降低雷电探测的误报率。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，所述雷电探测辅助装置包括光纤传感器模块、光电转换模块、供电模块、信号处理模块；

所述光纤传感器模块，用于采用光纤捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；

所述光电转换模块，用于将光信号转换成电压信号，并将其传输到信号处理模块；

所述供电模块，用于为光电转换模块稳定供电并调节光电转换模块的灵敏度；

所述信号处理模块，用于对电压信号进行处理、显示与存储，当超过设定值时，认为探测到雷电信号；

所述雷电探测辅助装置辅助基于电磁信号探测的雷电探测装置进行雷电探测，当两个装置同时探测到雷电信号时，最终确认探测到雷电信号。

优选地，所述光纤传感器模块选用普通石英光纤作为光传感器。

优选地，所述光纤竖直安装以探测天空中传输而来的光信号，且光纤通过SMA905接头与光电转换模块相连。

优选地，所述光电转换模块采用光电倍增管进行光电转换；

且所述光电倍增管的灵敏度通过供电模块控制光电倍增管工作电压的方式进行调节。

优选地，所述光电倍增管为H9656-02型光电倍增管，其光谱响应范围为300～880nm。

优选地，所述供电模块通过电位计分压的方法改变所输出电压，以达到控制光电转换模块灵敏度的目的。

优选地，所述供电模块使用型号为LPS305的线性电源，其纹波峰值为10mVp-p，噪声有效值为1.5mVrms。

优选地，所述信号处理模块包括模数转换单元、脉冲提取单元、微控制单元、网络传输单元、PC端；

所述模数转换单元，用于对光电转换模块的输出信号进行模数转换；

所述脉冲提取单元，用于利用可编程逻辑电路提取模数转换后信号的峰值；

所述微控制单元，用于通过MCU微控制单元控制器实现对信号处理过程的协调控制；

所述网络传输单元，用于利用网口通信电路和网线将超过阈值的峰值数据传输到PC端；

所述PC端，用于显示并存储接收到的数据，当超过设定值时，认为探测到雷电信号。

优选地，所述脉冲提取单元以固定时间长度分段，将每段长度内信号的最大值提取出来，并传送给微控制单元。

优选地，所述模数转换单元使用ADC08100型高速模数转换芯片进行搭建；

所述脉冲提取单元使用MAX V系列5m160z芯片搭建；

所述微控制单元的控制器芯片型号选取STM32F407VET6；

所述网络传输单元基于集成以太网控制芯片DP83848C搭建。

本发明的基于光信号检测的雷电探测辅助装置的雷电探测辅助方法，所述方法包括：

步骤1：光纤传感器模块捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；

步骤2：光电转换模将光信号转换成电压信号，并将其传输到信号处理模块，供电模块为光电转换模块稳定供电并调节光电转换模块的灵敏度；

步骤3：信号处理模块对光电转换模块输出的电压信号进行处理、显示与存储，当超过设定值时，认为探测到雷电信号；

步骤4：雷电探测辅助装置辅助基于电磁信号探测的雷电探测装置进行雷电探测，当两个装置同时探测到雷电信号时，最终确认探测到雷电信号。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

1、本发明通过引入辅助性的光学检测装置与基于电磁信号检测的雷电探测装置相串联形成串联逻辑的雷电检测手段，能够大大降低雷电探测的误报率；

2、本发明的光学检测装置的使用光纤结合光电倍增管等模块组成，具有检测更灵敏，检测信噪比高的优点，且本发明的整套装置使用光纤作为传感器去接收光信号，不易损坏，即使损坏，更换光纤也及其便利，且更换成本极低；

3、本发明利用普通石英光纤作为光传感器，光纤既起到探测雷电光传感器的作用，也起到传输雷电光信号的作用。光纤为无源器件，相较于传统的光电二极管，因不存在暗电流的影响，具有极强的抗电磁干扰能力，故而检测中噪声小，能取得更好的检测效果，且光纤可弯曲，便于布置。

附图说明

图1为能级跃迁示意图；

图2为本发明雷电探测辅助装置结构图；

图3为本发明供电模块控制原理图；

图4为本发明信号处理模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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。

如图2所示，本发明提供了一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，在本发明优选但非限制性的实施方式中，包括光纤传感器模块、光电转换模块、供电模块、信号处理模块；

进一步优选地，依据雷电-光信号-电信号的转换传输过程介绍各模块如下：

所述光纤传感器模块，用于采用光纤捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；

光纤传感器模块的功能为捕捉光信号，并将光信号引导传输至下个模块，该模块就是由光纤传感器组成。

按照收光信号原理划分可将光纤传感器分为普通石英光纤和荧光光纤两种，其中荧光光纤激发波长在300～500nm之间、普通石英光纤激发波长可覆盖200～2400nm,因为雷电所产生光信号波长集中在600～950nm间，故而本模块选用普通石英光纤作为光传感器。

普通石英光纤存在感光存在数值孔径角，只有在数值孔径角以内的光信号才能被光纤吸收，并在光纤中传输，光信号会在光纤内部发生不断的折射从而在实现光信号的捕捉的同时，实现了光信号的传输。同时，如上所述，所选用的普通石英光纤激发波长可覆盖200～2400nm,因为雷电所产生光信号波长集中在600～950nm间，故而本装置选用普通石英光纤作为光传感器能够完全有能力实现雷电光信号检测。由于普通石英光纤存在数值孔径角，故而在安装光纤位置时，需要额外注意将光纤竖直安放，从而实现探测天空中传输而来的光信号的目的。

光纤通过SMA905接头与光电转换模块相连，所述光电转换模块，用于将光信号转换成电压信号，并将其通过同轴电缆传输到信号处理模块；

由光传感器传输而来的雷电光信号，是需要经过光电转换模块将其转换为电信号输出，然后进行处理与分析。因此，光电转换模块是光信号检测系统中的核心模块。

本发明采用光电倍增管作为光电转换模块，它具有灵敏度高、响应速度快以及噪声低等优点，适合检测光信号。

本发明使用的光电转换模块为光电倍增管，其光谱响应范围应能够较好地与雷电光的波段范围(600～950nm)相吻合，从何满足并实现雷电光信号检测。

本发明使用的光电转换模块为滨松公司H9656-02型光电倍增管，其光谱响应范围为300～880nm，能够较好地与雷电光的波段范围(600～950nm)相吻合，从而准确探测雷电光信号。

所述供电模块，用于为光电转换模块稳定供电并调节光电转换模块的灵敏度。

供电模块由于工作电压的波动会影响光电倍增管工作性能，因此要求光电倍增管工作电源具有非常稳定的输出电压，从而满足光电倍增管对工作电压的要求。

光电倍增管要求的工作电压为直流±5V，纹波系数小于80mV。

本发明选用可双组同步输出的LPS305型直流稳压电源，该电源纹波峰值为10mVp-p，噪声有效值为1.5mVrms，在10Hz～20MHz的范围内，该电源的纹波峰值不超过20mV；同时，该电源的输出电压为0V～+30V和0V～－30V，该电源满足光电倍增管对工作电压的要求。

因为所使用光电倍增管的灵敏度可通过控制其工作电压的方式进行调节，所以本发明基于外部分压的办法，使用在控制电压上连接电位器实现分压。如图3所示，通过旋转电位器上的旋转端子，从而调整控制电压，达到控制检测灵敏度的目的。

所述信号处理模块，用于对电压信号进行显示、采集、处理与存储等。光电转换模块输出的电压信与信号处理模块相连，进行信号的采集、显示、存储以及分析。

为处理光电转换模块的输出信号，本发明设计信号处理模块对光电转换模块输出信号进行处理，处理过程如图4所示：

首先需要用到模数转换单元实现光电转换模块的输出信号的模数转换；

脉冲提取单元再利用可编程逻辑电路提取信号峰值；

而后通过MCU微控制单元控制器实现对信号的采集传输及系统整体控制协调；

最后网络传输单元利用网口通信电路通过网线将所处理得到的数据传输到PC端。

因此，所述信号处理模块包括模数转换单元、脉冲提取单元、微控制单元、网络传输单元、PC端；

所述模数转换单元，用于对光电转换模块的输出模拟电信号进行模数转换；

所述脉冲提取单元，用于利用可编程逻辑电路提取模数转换后信号的峰值，具体实施时，将前级每312.5us长度信号的最大值提取出来，并传送给微控制单元；

所述微控制单元，用于通过MCU微控制单元控制器实现对信号的采集传输、处理及系统整体协调控制；MCU微控制单元，微控制单元一方面采集脉冲信号，一方面将信号传送给屏幕及PC端，同时进行信号同步；

所述网络传输单元，用于利用网口通信电路和网线将超过阈值的峰值数据传输到PC端；

所述PC端，用于显示并存储接收到的数据，当超过设定值时，认为探测到雷电信号。

进一步优选地，模数转换单元采用ADC08100型高速模数转换芯片，该芯片针对低成本，低功耗，小尺寸和易用性进行了优化，能以20Msps至100Msps的转换速率运行，在整个工作范围内均具有出色的动态性能。

脉冲提取单元以固定时间长度分段，将每段长度内信号的最大值提取出来，并传送给后级电路。

可编程逻辑器件选择MAX V系列5m160z芯片，由于本发明仅仅实现一段时间内的峰值的提取，5m160z有160个逻辑资源，满足逻辑资源的需求并且不太浪费。

控制器芯片型号选择为STM32F407VET6。

网络传输单元选用美国国家半导体公司生产的集成以太网控制芯片DP83848C，该芯片是一种100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，本发明选用RMI接口模式连接电路实现传输功能。该器件在基于高端外围设备、工业控制、工厂自动化、通用的嵌入式应用等领域中广泛采用，并确保与基于其他标准的以太网产品相互兼容及实现互操作。通过该部分电路传输所测信号至PC端，在PC端实现数据的显示与储存。

本发明基于光信号检测的雷电探测辅助方法，包括：

步骤1：光纤传感器模块捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；

步骤2：光电转换模将光信号转换成电压信号，并将其传输到信号处理模块，供电模块为光电转换模块稳定供电并调节光电转换模块的灵敏度；

步骤3：信号处理模块对光电转换模块输出的电压信号进行处理、显示与存储，当超过设定值时，认为探测到雷电信号；

具体的：信号处理模块中，模数转换单元对光电转换模块的输出信号进行模数转换；脉冲提取单元利用可编程逻辑电路提取模数转换后信号的峰值；当峰值超过阈值时，网络传输单元利用网口通信电路和网线将超过阈值的峰值数据传输到PC端，PC端显示并存储接收到的数据，当超过设定值时，认为检测到雷电所产生的光信号。

即最终在PC端所得到的信号数据即是表征所测光信号的特征量，当信号大于设定值时，即可认为检测到雷电所产生的光信号，从而实现探测雷电的目的。

步骤4：雷电探测辅助装置辅助基于电磁信号探测的雷电探测装置进行雷电探测，当两个装置同时探测到雷电信号时，最终确认探测到雷电信号。

由于本发明的初衷是设计一种辅助型雷电探测装置，从而提高雷电报导的准确性。因此在具体实施过程中，该装置配合其他雷电探测装置，如基于电磁信号探测的雷电探测装置，逻辑上，只有两个装置同时检测到雷电信号，才认为该雷电信号为有效的、真实发生的，在逻辑上形成串联的关系。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

1、本发明通过引入辅助性的光学检测装置与基于电磁信号检测的雷电探测装置相串联形成串联逻辑的雷电检测手段，能够大大降低雷电探测的误报率；

2、本发明的光学检测装置的使用光纤结合光电倍增管等模块组成，具有检测更灵敏，检测信噪比高的优点，且本发明的整套装置使用光纤作为传感器去接收光信号，不易损坏，即使损坏，更换光纤也及其便利，且更换成本极低；

3、本发明利用普通石英作为光传感器，具有极强的抗电磁干扰能力，且价格及其低廉。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述雷电探测辅助装置包括光纤传感器模块、光电转换模块、供电模块、信号处理模块；

所述光纤传感器模块，用于采用光纤捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；

所述光电转换模块，用于将光信号转换成电压信号，并将其传输到信号处理模块；

所述供电模块，用于为光电转换模块稳定供电并调节光电转换模块的灵敏度；

所述信号处理模块，用于对电压信号进行处理、显示与存储，当超过设定值时，认为探测到雷电信号；

所述雷电探测辅助装置辅助基于电磁信号探测的雷电探测装置进行雷电探测，当两个装置同时探测到雷电信号时，最终确认探测到雷电信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述光纤传感器模块选用普通石英光纤作为光传感器。

3.根据权利要求2所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述光纤竖直安装以探测天空中传输而来的光信号，且光纤通过SMA905接头与光电转换模块相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述光电转换模块采用光电倍增管进行光电转换；

且所述光电倍增管的灵敏度通过供电模块控制光电倍增管工作电压的方式进行调节。

5.根据权利要求4所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述光电倍增管为H9656-02型光电倍增管，其光谱响应范围为300～880nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述供电模块通过电位计分压的方法改变所输出电压，以达到控制光电转换模块灵敏度的目的。

7.根据权利要求1所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述供电模块使用型号为LPS305的线性电源，其纹波峰值为10mVp-p，噪声有效值为1.5mVrms。

8.根据权利要求1所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述信号处理模块包括模数转换单元、脉冲提取单元、微控制单元、网络传输单元、PC端；

所述模数转换单元，用于对光电转换模块的输出信号进行模数转换；

所述脉冲提取单元，用于利用可编程逻辑电路提取模数转换后信号的峰值；

所述微控制单元，用于通过MCU微控制单元控制器实现对信号处理过程的协调控制；

所述网络传输单元，用于利用网口通信电路和网线将超过阈值的峰值数据传输到PC端；

所述PC端，用于显示并存储接收到的数据，当超过设定值时，认为探测到雷电信号。

9.根据权利要求8所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述脉冲提取单元以固定时间长度分段，将每段长度内信号的最大值提取出来，并传送给微控制单元。

10.根据权利要求8所述的一种基于光信号检测的雷电探测辅助装置，其特征在于：

所述模数转换单元使用ADC08100型高速模数转换芯片进行搭建；

所述脉冲提取单元使用MAX V系列5m160z芯片搭建；

所述微控制单元的控制器芯片型号选取STM32F407VET6；

所述网络传输单元基于集成以太网控制芯片DP83848C搭建。

11.基于权利要求1-10任意一项所述的基于光信号检测的雷电探测辅助装置的雷电探测辅助方法，其特征在于：

所述方法包括：

步骤1：光纤传感器模块捕捉由于雷电所引起的光信号，并将其传输至光电转换模块；

步骤2：光电转换模将光信号转换成电压信号，并将其传输到信号处理模块，供电模块为光电转换模块稳定供电并调节光电转换模块的灵敏度；

步骤3：信号处理模块对光电转换模块输出的电压信号进行处理、显示与存储，当超过设定值时，认为探测到雷电信号；

步骤4：雷电探测辅助装置辅助基于电磁信号探测的雷电探测装置进行雷电探测，当两个装置同时探测到雷电信号时，最终确认探测到雷电信号。

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