[發明專利]一種高精度雷電監測系統及實現方法

在審

• 申請號: 202210076021.6
• 申請日: 2022-01-23
• 公開（公告）號: CN114487672A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 華國環;張文鋒;徐瀚文;舒梁
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01S19/42;G05B19/042
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 何靜

本發明公開一種高精度雷電監測系統及實現方法，涉及氣象監測領域，所述的監測系統硬件組成主要包括主控芯片模塊、雷電流感應模塊、信號處理模塊、BD授時定位模塊、4G無線傳輸模塊、SD卡存儲模塊和電源模塊。所述主控芯片模塊主要由微處理器、時鐘電路、存儲和復位電路等組成。主控芯片模塊主要完成電壓數據的準確采集和納秒級時間戳的獲取，所述雷電流感應模塊負責完成雷電數據的轉換，便于信號的處理；上限頻率大于3MHz，保證雷電信號無損采樣；同時，本發明在使用時，通過采用北斗定位芯片與MCU內置的32位計時器獲取納秒級定位時間戳，并通過校正算法使得時間戳誤差小于100納秒，大大提高了時差法定位精度，降低了成本。

技術領域

本發明涉及氣象監測領域，具體的是一種高精度雷電監測系統及實現方法。

背景技術

雷電現象是指在強對流天氣情況下發生在雷雨云層之間，或者在雷雨云層和地面之間出現的瞬間放電過程。雷電現象產生的災害事故已經被聯合國列入“全球十大自然災害之一”，雷電造成的危害具體可以分為兩類：一是直擊雷對建筑物或者人所釋放的電能和熱能，二是雷電流經過是產生的靜電感應和電磁感應。隨著近年來電網電力、信息通信技術、計算機網絡技術的迅速發展，各類智能化電子設備更頻繁的出現在人們的生活。城市中建筑物的平均高度的提高也直接增加了雷電擊中各類建筑物的概率。雷電災害也從電力、建筑這兩個傳統領域擴展到航空航天、郵電通信、國防、計算機、石油化工、電子工業等與高新技術關系最密切的領域。受災行業大幅擴大，造成的經濟損失也大大增加，嚴重時危及居民的生命安全。

盡管雷電災害無法杜絕，但利用合理的雷電監測與防護系統能夠有效達到防雷減災的目的。目前市場上成熟的產品方案主要是基于甚低頻電磁信號的二維定位技術，精度不高；雖然也出現了基于甚高頻電磁信號的三維定位設備，但其設備復雜、造價昂貴，市場普及難度大，同時其本身的技術方案，也存在一定的局限性，不能完全滿足實際應用需求。

發明內容

為解決上述背景技術中提到的不足，本發明的目的在于提供一種高精度雷電監測系統及實現方法，本發明設計了一款精度高、實用性強、成本低、應用范圍廣的以STM32F407為主控芯片、基于4G通信和北斗定位芯片的雷電信號監測系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種高精度雷電監測系統，所述的監測系統硬件組成主要包括主控芯片模塊、雷電流感應模塊、信號處理模塊、BD授時定位模塊、4G無線傳輸模塊、SD卡存儲模塊和電源模塊。所述主控芯片模塊主要由微處理器、時鐘電路、存儲和復位電路等組成。主控芯片模塊主要完成電壓數據的準確采集和納秒級時間戳的獲取。

進一步地，所述雷電流感應模塊負責完成雷電數據的轉換，便于信號的處理。信號處理模塊將雷電流傳感器輸出的±10V范圍內的電壓轉為MCU能采集的0～3.3V范圍的電壓，并有效濾除50Hz工頻干擾；上限頻率大于3MHz，保證雷電信號無損采樣。

進一步地，所述BD授時定位模塊主要用于獲取子站的經緯度信息，同時同步系統各子站的時間。該模塊采用中科微的ATGM332D定位芯片，能夠以99通道同時接收北斗和GPS衛星信號，功耗低的同時又保持高靈敏度，并且能夠適應多種弱信號場景并迅速準確定位，滿足探測子站野外布站的工作需求。其產生的1pps脈沖信號能夠同步各探測子站的秒基準，結合主控芯片內置的32位的定時器可以獲取精確的納秒級時間戳，為時差法雷電定位提供了精確數據。

進一步地，4G無線傳輸模塊能夠連接HTTP、MQTT、FTP服務器等，本系統利用AT指令連接指定的FTP服務器，發送各個子站采集的數據。該模塊使用移遠通信的EC200T-CN自帶分集接收功能，支持LTE-FDD、LTE-TDD、CDMA和GPRS等多種制式的網絡傳輸。既滿足了日常情況下的高速率傳輸，又確保了在4G網絡覆蓋不完善的偏遠地區能正常工作。