三维雷电实时监测预警系统的制作方法

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1.本发明涉及三维雷电实时监测预警系统。


背景技术：

2.雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性，根据不同的地形及气象条件，雷电一般可分为热雷电、锋雷电和地形雷电三大类。
3.通常情况下，热雷电是夏天经常在午后发生的一种雷电，经常伴有暴雨或冰雹。热雷电形成很快、持续时间不长，1～2小时；雷区长度不超过200～300km，宽度不超过几十千米；而强大的冷气或暖气流同时侵入某处时，冷暖空气接触的封面或附近可产生冷锋雷电，地形雷电一般出现于地形空旷地区，它的规模较小，发生频率较高。
4.为了防止雷电造成的损害，需要设置雷电实时监测预警系统，目前，现有的监测预警系统基本都是二维定位系统，只可以提供云-地闪电的落地点位置，无法提供闪电发生发展的三维通道形态，在一定程度上限制了雷电灾害事故的鉴定、预防及防护工作；由于现有的二维预警定位系统采用阈值法进行简单的雷电定位，导致定位精度差，并且无法提供闪电发生发展的全过程，不能实时采集和记录相应的基础参数数据，限制了在电力、交通、民航、林业、化工等行业和部门的定制服务能力；同时，现有一些三维预警系统在每次发生闪电时都只能通过一个点来代表，不能提供每次闪电的精细通道结构。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了三维雷电实时监测预警系统，结构设计合理，基于控制器的集成控制作用和脉冲定位原理，结合多种电气元件和构造，能够针对每一次闪电，实时提供其发生发展的三维精细通道结构，实时采集、记录和传输雷电信号全波形，可克服传统二维雷电阈值法的缺陷，提高定位精度，采取八路变频式探测技术，大大降低了漏测率，提升安全系数；同时借助三维gis可视化技术，能够非常真实的再现闪电发生发展的三维特性，解决了现有技术中存在的问题。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
7.三维雷电实时监测预警系统，包括控制组件，在控制组件上连接有八路变频探测组件，所述八路变频探测组件用于检测获取雷电激发的脉冲信号，并转换成控制组件可识别的数据类型，所述八路变频探测组件包括雷电电磁脉冲信号传感器和信号输入器；在控制组件上连接有三维成像组件，所述三维成像组件用于生成三维精细通道结构并显示出来，所述三维成像组件包括gis成像装置和液晶显示屏；所述控制组件包括控制器，在控制器上连接有互锁装置、触发器和驱动器，在控制组件上还连接有辅助功能组件，所述辅助功能组件包括计时器、声光报警器和无线收发器，所述控制器通过无线收发器连接有上位机，以实现远程通讯，所述控制器通过互锁装置与信号输入器相连，以保证多个信号输入器之间不发生干扰；所述控制器通过触发器与计时器相连，所述计时器用于记录雷电电磁脉冲
信号传感器动作的时间节点，所述控制器通过驱动器与声光报警器相连，所述声光报警器用于在出现紧急状况时反馈出声光报警信息；在控制器上还连接有供电组件，所述供电组件包括稳压器和ups电源，以为控制器提供稳定的供电电压。
8.所述控制器的型号为stm32f103c8t6，在控制器上设有64个引脚，所述控制器通过一号引脚与稳压器相连，所述控制器通过二号引脚、三号引脚和四号引脚与信号输入器相连，所述控制器通过十五号引脚与gis成像装置相连，所述控制器通过二十号引脚和二十一号引脚与无线收发器相连，所述控制器通过三十三号引脚和三十四号引脚与触发器相连，所述控制器通过三十八号引脚和四十五号引脚与驱动器相连。
9.所述互锁装置包括相并联的第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关，在第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关上分别设有相并联的电阻和电容，并与信号输入器相连，在第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关上分别设有第一按键、第二按键和第三按键，所述第一按键与控制器的二号引脚相连，所述第二按键与控制器的三号引脚相连，所述第三按键与控制器的四号引脚相连。
10.所述信号输入器包括光电耦合器tlp290，所述光电耦合器的一号引脚与第一按键、第二按键和第三按键分别相连，在光电耦合器的一号引脚和二号引脚之间设有相并联的第九电阻、第四电容和第十电阻，在光电耦合器的三号引脚和四号引脚之间设有相并联的第五电容和第八电阻，所述光电耦合器的三号引脚为输入引脚，与雷电电磁脉冲信号传感器相连。
11.所述触发器的型号为fds9945，在触发器上设有8个引脚，所述触发器二号引脚和三号引脚与控制器的三十三号引脚和三十四号引脚分别对应相连，在触发器的一号引脚和二号引脚之间连接有第一电阻，在触发器的三号引脚和四号引脚之间连接有第二电阻，所述触发器的八号引脚与计时器相连。
12.所述计时器的型号为ds1302，在计时器上设有8个引脚，在计时器的六号引脚和七号引脚之间设有第四电阻和第四电容，所述计时器的七号引脚与触发器的八号引脚相连。
13.所述驱动器的型号为uln2003，在驱动器上设有16个引脚，所述驱动器的一号引脚与控制器的四十五号引脚相连，所述驱动器的七号引脚与控制器的三十八号引脚相连，在驱动器的十六号引脚上设有第三电磁继电器，在第三电磁继电器上设有相并联的第五电阻和第一二极管，在驱动器的十号引脚上设有第一电磁继电器，在第一电磁继电器上设有相并联的第六电阻和第二二极管，在第二电磁继电器和第二电磁继电器上分别设有指示灯接口和扬声器接口。
14.所述无线收发器的型号为esp8266，在无线收发器上设有8个引脚，所述无线收发器的四号引脚与控制器的二十号引脚相连，所述无线收发器的八号引脚与控制器的二十一号引脚相连。
15.所述稳压器包括稳压芯片lm7815，在稳压芯片的一号引脚上通过相并联的第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻与ups电源相连，在ups电源上设有整流桥，所述稳压芯片的三号引脚与控制器的一号引脚相连。
16.在控制器上连接有散热器，所述散热器的型号为tc4427，在散热器上设有 8个引脚，所述散热器的二号引脚与控制器的二十四号引脚相连，所述散热器的四号引脚与控制器的二十五号引脚相连，在散热器的五号引脚上通过相并联的第十一电阻和第十二电阻连
接有mos管，在mos管上设有冷凝管。
17.本发明采用上述结构，通过八路变频探测组件检测检测获取雷电激发的脉冲信号，并转换成控制组件可识别的数据类型传输给控制器，大大降低了漏测率，扩大探测半径可达300km左右；通过雷电电磁脉冲信号传感器和计时器相配合，实时采集、记录和传输雷电信号全波形，可克服传统二维雷电阈值法的缺陷，提高定位精度；通过gis成像装置和液晶显示屏相配合采用互相关最优化方法计算闪电同步脉冲辐射源三维空间位置，能够非常真实的再现闪电发生发展的三维特性，可解决雷电高精度定位的问题；通过变网格二维fdtd技术，解决真实地形地貌孤立山体对雷电电磁信号的遮挡和衰减，减小雷电定位误差和强度估算精度；实时提供闪电发生发展的三维通道结构，能够真实地再现闪电事件，这对雷电灾害事故鉴定可提供强有力的支撑，具有高效精准、简便实用的优点。
附图说明：
18.图1为本发明的结构示意图。
19.图2为本发明的控制组件的结构示意图。
20.图3为本发明的控制器的电气原理图。
21.图4为本发明的互锁装置的电气原理图。
22.图5为本发明的信号输入器的电气原理图。
23.图6为本发明的触发器的电气原理图。
24.图7为本发明的计时器的电气原理图。
25.图8为本发明的雷电脉冲信号传感器的结构示意图。
26.图9为本发明的无线收发器的结构示意图。
27.图10为本发明的驱动器的电气原理图。
28.图11为本发明的声光报警器的电气原理图。
29.图12为本发明的稳压器的电气原理图。
30.图13为本发明的散热器的电气原理图。
具体实施方式：
31.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
32.如图1-13中所示，三维雷电实时监测预警系统，包括控制组件，在控制组件上连接有八路变频探测组件，所述八路变频探测组件用于检测获取雷电激发的脉冲信号，并转换成控制组件可识别的数据类型，所述八路变频探测组件包括雷电电磁脉冲信号传感器和信号输入器；在控制组件上连接有三维成像组件，所述三维成像组件用于生成三维精细通道结构并显示出来，所述三维成像组件包括gis成像装置和液晶显示屏；所述控制组件包括控制器，在控制器上连接有互锁装置、触发器和驱动器，在控制组件上还连接有辅助功能组件，所述辅助功能组件包括计时器、声光报警器和无线收发器，所述控制器通过无线收发器连接有上位机，以实现远程通讯，所述控制器通过互锁装置与信号输入器相连，以保证多个信号输入器之间不发生干扰；所述控制器通过触发器与计时器相连，所述计时器用于记录雷电电磁脉冲信号传感器动作的时间节点，所述控制器通过驱动器与声光报警器相连，所
述声光报警器用于在出现紧急状况时反馈出声光报警信息；在控制器上还连接有供电组件，所述供电组件包括稳压器和ups电源，以为控制器提供稳定的供电电压。
33.所述控制器的型号为stm32f103c8t6，在控制器上设有64个引脚，所述控制器通过一号引脚与稳压器相连，所述控制器通过二号引脚、三号引脚和四号引脚与信号输入器相连，所述控制器通过十五号引脚与gis成像装置相连，所述控制器通过二十号引脚和二十一号引脚与无线收发器相连，所述控制器通过三十三号引脚和三十四号引脚与触发器相连，所述控制器通过三十八号引脚和四十五号引脚与驱动器相连。
34.所述互锁装置包括相并联的第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关，在第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关上分别设有相并联的电阻和电容，并与信号输入器相连，在第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关上分别设有第一按键、第二按键和第三按键，所述第一按键与控制器的二号引脚相连，所述第二按键与控制器的三号引脚相连，所述第三按键与控制器的四号引脚相连。
35.所述信号输入器包括光电耦合器tlp290，所述光电耦合器的一号引脚与第一按键、第二按键和第三按键分别相连，在光电耦合器的一号引脚和二号引脚之间设有相并联的第九电阻、第四电容和第十电阻，在光电耦合器的三号引脚和四号引脚之间设有相并联的第五电容和第八电阻，所述光电耦合器的三号引脚为输入引脚，与雷电电磁脉冲信号传感器相连。
36.所述触发器的型号为fds9945，在触发器上设有8个引脚，所述触发器二号引脚和三号引脚与控制器的三十三号引脚和三十四号引脚分别对应相连，在触发器的一号引脚和二号引脚之间连接有第一电阻，在触发器的三号引脚和四号引脚之间连接有第二电阻，所述触发器的八号引脚与计时器相连。
37.所述计时器的型号为ds1302，在计时器上设有8个引脚，在计时器的六号引脚和七号引脚之间设有第四电阻和第四电容，所述计时器的七号引脚与触发器的八号引脚相连。
38.所述驱动器的型号为uln2003，在驱动器上设有16个引脚，所述驱动器的一号引脚与控制器的四十五号引脚相连，所述驱动器的七号引脚与控制器的三十八号引脚相连，在驱动器的十六号引脚上设有第三电磁继电器，在第三电磁继电器上设有相并联的第五电阻和第一二极管，在驱动器的十号引脚上设有第一电磁继电器，在第一电磁继电器上设有相并联的第六电阻和第二二极管，在第二电磁继电器和第二电磁继电器上分别设有指示灯接口和扬声器接口。
39.所述无线收发器的型号为esp8266，在无线收发器上设有8个引脚，所述无线收发器的四号引脚与控制器的二十号引脚相连，所述无线收发器的八号引脚与控制器的二十一号引脚相连。
40.所述稳压器包括稳压芯片lm7815，在稳压芯片的一号引脚上通过相并联的第十二电阻、第十三电阻和第十四电阻与ups电源相连，在ups电源上设有整流桥，所述稳压芯片的三号引脚与控制器的一号引脚相连。
41.在控制器上连接有散热器，所述散热器的型号为tc4427，在散热器上设有 8个引脚，所述散热器的二号引脚与控制器的二十四号引脚相连，所述散热器的四号引脚与控制器的二十五号引脚相连，在散热器的五号引脚上通过相并联的第十一电阻和第十二电阻连接有mos管，在mos管上设有冷凝管。
42.本发明实施例中的三维雷电实时监测预警系统的工作原理为：基于控制器的集成控制作用和脉冲定位原理，结合多种电气元件和构造，能够针对每一次闪电，实时提供其发生发展的三维精细通道结构，实时采集、记录和传输雷电信号全波形，可克服传统二维雷电阈值法的缺陷，提高定位精度，采取八路变频式探测技术，大大降低了漏测率，提升安全系数；同时借助三维gis可视化技术，能够非常真实的再现闪电发生发展的三维特性。
43.整个工作流程为：首先，利用高增益、调频式雷电电磁脉冲信号传感器实现对闪电激发的不同频段脉冲信号的实时捕获；然后，通过实验手段和各种电磁仿真技术，剔除复杂地形地貌和场地环境带来的电磁干扰；最后，将“波形相关”和“寻峰匹配”等关键定位技术相融合，并结合多频段磁信号和电信号在定位技术中的各自优势，实现对不同距离、不同类型闪电在三维空间发生发展的轨迹运动描绘。
44.具体的，利用变网格二维fdtd技术，解决真实地形地貌孤立山体对雷电电磁信号的遮挡和衰减，减小雷电定位误差和强度估算精度；也可以根据不同地区的特殊地形地貌和场地电磁干扰对探测的影响情况，采取变频式探测技术来提高探测效率。
45.本发明实施例中的三维雷电实时监测预警系统的目标为通过三维雷电定位系统与无源电晕场驱雷器的兼容配套应用，来达到对重点雷电防范区域监测、预警、防护的目的，通过建立三维雷电全信息探测网络，有针对性地给出不同类型雷暴活动过程中的雷击风险等级区划，准确定位，早期预警，及时雷电防护，使雷击灾防治工作达到有效性、合理性和经济性的统一，最大程度减少雷电灾害的损失。
46.为了保证用户及时获取相关的雷电预警信息，需设置计时器来记录相应的动作时间节点，再采用c/s和b/s等不同的信号发布形式，针对不同行业和部门的需求进行设置。
47.在整体方案中，以控制器为核心组件，在控制器上设有64个引脚，控制器通过一号引脚与稳压器相连，控制器通过二号引脚、三号引脚和四号引脚与信号输入器相连，控制器通过十五号引脚与gis成像装置相连，控制器通过二十号引脚和二十一号引脚与无线收发器相连，控制器通过三十三号引脚和三十四号引脚与触发器相连，控制器通过三十八号引脚和四十五号引脚与驱动器相连，从而实现对雷电的实时监测预警，提供其发生发展的三维精细通道结构，实时采集、记录和传输雷电信号全波形。
48.优选的，控制器通过互锁装置与信号输入器相连，以保证多个信号输入器之间不发生干扰；互锁装置包括相并联的第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关，在第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关上分别设有相并联的电阻和电容，并与信号输入器相连，在第一常开开关、第二常开开关和第三常开开关上分别设有第一按键、第二按键和第三按键，第一按键与控制器的二号引脚相连，第二按键与控制器的三号引脚相连，第三按键与控制器的四号引脚相连；而信号输入器包括光电耦合器tlp290，光电耦合器的一号引脚与第一按键、第二按键和第三按键分别相连，在光电耦合器的一号引脚和二号引脚之间设有相并联的第九电阻、第四电容和第十电阻，在光电耦合器的三号引脚和四号引脚之间设有相并联的第五电容和第八电阻，光电耦合器的三号引脚为输入引脚，与雷电电磁脉冲信号传感器相连；互锁装置内的常开开关的数量根据雷电电磁脉冲信号传感器的数量进行设置，呈指数对应，互锁装置内的3个常开开关能够在8个雷电电磁脉冲信号传感器采集信号时依次输入到控制器内，保证控制器接收的信号不会发生紊乱。
49.优选的，控制器通过触发器与计时器相连，计时器用于记录雷电电磁脉冲信号传
感器动作的时间节点，从而使功能电气元件的动作同步；触发器的型号为fds9945，在触发器上设有8个引脚，触发器二号引脚和三号引脚与控制器的三十三号引脚和三十四号引脚分别对应相连，在触发器的一号引脚和二号引脚之间连接有第一电阻，在触发器的三号引脚和四号引脚之间连接有第二电阻，所述触发器的八号引脚与计时器相连；计时器的型号为ds1302，在计时器上设有8个引脚，在计时器的六号引脚和七号引脚之间设有第四电阻和第四电容，计时器的七号引脚与触发器的八号引脚相连，每一次信号的输入都会有触发器来触发计时器进行动作从而记录出相应的时间节点，保证每个信号采集都有一一对应的时间节点，减少误差。
50.优选的，控制器通过gis成像装置与液晶显示屏相连，以在液晶显示屏上显示出对应的三维精细通道结构；gis属于信息系统的一类，不同在于它能运作和处理地理参照数据，地理参照数据描述地球表面空间要素的位置和属性，在 gis中的两种地理数据成分：空间数据，与空间要素几何特性有关；属性数据，提供空间要素的信息，从而能够应用在雷电预警和成像领域；液晶显示屏能够清晰展示出对应的详细图像，更加直观的展示出三维结构。
51.优选的，控制器通过驱动器与声光报警器相连，声光报警器用于在出现紧急状况时反馈出声光报警信息；即出现雷电灾害时，及时反馈到用户端，发出声光报警信息提示用户采用相应的防护措施；驱动器的型号为uln2003，在驱动器上设有16个引脚，驱动器的一号引脚与控制器的四十五号引脚相连，驱动器的七号引脚与控制器的三十八号引脚相连，在驱动器的十六号引脚上设有第三电磁继电器，在第三电磁继电器上设有相并联的第五电阻和第一二极管，在驱动器的十号引脚上设有第一电磁继电器，在第一电磁继电器上设有相并联的第六电阻和第二二极管，在第二电磁继电器和第二电磁继电器上分别设有指示灯接口和扬声器接口。
52.优选的，无线收发器的型号为esp8266，在无线收发器上设有8个引脚，无线收发器的四号引脚与控制器的二十号引脚相连，无线收发器的八号引脚与控制器的二十一号引脚相连，使控制器和用户上位机之间建立无线通讯，实现雷电监测预警数据的实时上传。
53.优选的，在控制器上连接有散热器，散热器的型号为tc4427，在散热器上设有8个引脚，散热器的二号引脚与控制器的二十四号引脚相连，散热器的四号引脚与控制器的二十五号引脚相连，在散热器的五号引脚上通过相并联的第十一电阻和第十二电阻连接有mos管，在mos管上设有冷凝管，能够降低控制器的温升过高，保持控制器长时间稳定运行。
54.综上所述，本发明实施例中的三维雷电实时监测预警系统基于控制器的集成控制作用和脉冲定位原理，结合多种电气元件和构造，能够针对每一次闪电，实时提供其发生发展的三维精细通道结构，实时采集、记录和传输雷电信号全波形，可克服传统二维雷电阈值法的缺陷，提高定位精度，采取八路变频式探测技术，大大降低了漏测率，提升安全系数；同时借助三维gis可视化技术，能够非常真实的再现闪电发生发展的三维特性。
55.上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
56.本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。