CN110108929B - 一种抗干扰型雷电流采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗干扰型雷电流采集装置，为了增加雷电流采集装置的抗干扰性，采用冗余信号调理通道的方式即多加入一个信号采集通道采集雷电流信号，采用双通道ADC同时对同一导体感应出的两路雷电流信号进行采集，随后将采集到的数据送入DSP进行相似度匹配，若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，判定雷电流数据为有效的雷电流数据，并进行存储，否则丢弃，等待下一个雷电流数据的到来。通过这种处理方式，在获取雷电流特征参数并复现雷电流信号波形的同时，剔除干扰信号，只保留真实的雷电流信号，提高了雷电流监测的准确性。同时，节省宝贵的存储资源，提升的处理效率，保证监测的实时性。
Description
技术领域
本发明属于雷电流采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种抗干扰型雷电流采集装置。
背景技术
雷电已成为信息化技术中的一大公害，雷电流特征参数的测量对于雷电研究和雷电防护有着十分重要的意义。
传统的雷电流采集装置采用单通道的设计，运行时工作在采集状态，若未产生有效的触发信号，则不断地将采集到的数据丢弃，当雷击发生时，产生的雷电流信号会触发采集装置的存储***，此时便将雷电流信号记录下来。然而雷电流采集装置通常工作于环境干扰较为严重的区域，装置会因为外界的干扰造成误触发，且装置无法区分采集到的信号是雷电流信号还是外部的噪声信号，只能将其全部存储下来，不仅浪费存储资源，而且还可能因为这些错误的记录致使真正的雷电流信号被遗漏。同时，传统的雷电流采集装置多用于记录雷击发生的时间、雷电流的幅值和能量等信息，无法复现雷电流信号的波形，不利于用户对雷电进行更为详细的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗干扰型雷电流采集装置，在获取雷电流特征参数并复现雷电流信号波形的同时，还可以剔除干扰信号，只保留真实的雷电流信号，提高了雷电流监测的准确性。
为实现上述目的，本发明抗干扰型雷电流采集装置，其特征在于，包括
两路信号采集通道，每一路信号采集通道包括一个罗夫斯基电流传感器(简称罗氏传感器)、一个信号调理通道以及一个ADC，同一导体感应出的两路雷电流信号分别输入到两路信号采集通道中，通过罗氏传感器转换成电压信号，电压信号经过信号调理通道调理，使其幅值在ADC输入范围内，然后再通过ADC转换为雷电流数据；这样两路信号采集通道，得到两路雷电流数据，并送入DSP中；
一DSP，用于对接收的两路雷电流数据进行相似度匹配，若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，采集到的雷电流数据为有效的雷电流数据，并存储至FLASH中，若相似度没有达到设定值，则认为两路雷电流数据不匹配，则将采集到的雷电流数据丢弃，等待下一个雷电流数据的到来。
本发明的目的是这样实现的。
本发明抗干扰型雷电流采集装置，为了增加雷电流采集装置的抗干扰性，采用冗余信号调理通道的方式即多加入一个信号采集通道采集雷电流信号，采用双通道ADC(Analog-to-Digital Converter，模拟数字转换器)同时对同一导体感应出的两路雷电流信号进行采集，随后将采集到的数据送入DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)进行相似度匹配，若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，判定雷电流数据为有效的雷电流数据，并进行存储，否则丢弃，等待下一个雷电流数据的到来。通过这种处理方式，在获取雷电流特征参数并复现雷电流信号波形的同时，剔除干扰信号，只保留真实的雷电流信号，提高了雷电流监测的准确性。同时，节省宝贵的存储资源，提升的处理效率，保证监测的实时性。
附图说明
图1是本发明抗干扰型雷电流采集装置一种具体实施方式结构示意图；
图2是图1所示信号调理通道的结构示意图；
图3是正极性雷电流波形示意图；
图4是负极性雷电流波形示意图；
图5是相似度匹配的处理流程；
图6是雷电流波形主体部分数据的起始位置和结束位置示意图；
图7是筛选后的参考雷电流数据示意图；
图8是相似度计算的处理过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明抗干扰型雷电流采集装置一种具体实施方式结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明抗干扰型雷电流采集装置包括两路信号采集通道1、数据接收与预处理模块2以及DSP 3，采用ADC+FPGA+DSP的处理架构。
每一路信号采集通道包括一个罗夫斯基电流传感器101(简称罗氏传感器)、一个信号调理通道102以及一个ADC 103(两个信号采集通道的ADC分别标记为ADC1、ADC2)，同一导体感应出的两路雷电流信号CH1、CH2分别输入到两路信号采集通道中，通过罗氏传感器101转换成电压信号，电压信号经过信号调理通道102调理，使其幅值在ADC 103输入范围内，然后再通过ADC 103转换为雷电流数据，这样两路信号采集通道，得到两路雷电流数据。
在本实施例中，信号调理通道102的具体组成如图2所示，无源衰减网络对输入雷电流信号进行粗衰；限幅网络用于将衰减后的信号限制在一定的范围内，以防止幅度超过预期的雷电流信号对采集装置造成损坏；阻抗变换网络用于匹配信号调理通道前后级的阻抗；压控增益调节网络采用了VGA(VariableGain Amplifier，压控增益放大器)来实现可变增益；ADC驱动电路用于将单端信号转换为差分信号1、2。
在本实施例中，如图1所示，还包括一数据接收与预处理模块2，为一FPGA，用于对两路雷电流数据的接收和预处理，其中，预处理内容包括计算雷电流信号的幅值、能量和极性。在完成雷电流数据的接收后，将雷电流数据传送到DSP3中进行相似度匹配。在本实施例中，***采用12V供电，FPGA采用50MHz晶振提供时钟信号。
DSP 3对接收的两路雷电流数据进行相似度匹配，若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，采集到的雷电流数据为有效的雷电流数据，并存储至FLASH中，若相似度没有达到设定值，则认为两路雷电流数据不匹配，则将采集到的雷电流数据丢弃，等待下一个雷电流数据的到来。
雷电流采集装置采集到的典型的正极性雷电流波形和负极性雷电流波形分别如图3和图4所示。从图3、4，我们可以将雷电流波形分为四个区域即区域I、区域II、区域III和区域IV。DSP中的相似度匹配就是完成对这样一幅波形的相似度计算及判断。
区域I为无雷电流信号输入时雷电流采集装置采集的情况，即只采集到基线；区域II为雷电流信号刚产生时雷电流采集装置采集的情况，此时雷电流信号幅度较小，但从区域I到区域II采集的雷电流信号发生突变，如图3、4虚线圆框所示。区域III为雷电流信号的主体部分，相似度匹配主要目的是从区域I～区域IV中提取出区域III这部分的采样点进行处理；区域IV为雷电流信号消散时的情况，此时雷达电流信号逐渐回归至基线。
相似度匹配的处理流程如图5所示：首先计算基准值，随后寻找波形段，接着进行相似度计算，若相似度达到设定值，则进行噪声识别，否者丢弃此次采集的雷电流数据。噪声识别时，若被判定为是非噪声信号，则对采集到的雷电流数据进行存储，否者丢弃此次采集的雷电流数据。具体步骤为：
步骤S1：计算基准值
如图3、4所示，雷电流波形从区域I到区域II有明显的提升趋势，即区域II中的采样点相较于基线有一定的垂直偏移，为了保证后续计算的准确性，在本实施例中，将一路雷电流数据作为参考雷电流数据，对其前n1个采样点(对应于区域II，在本实施例中，在n1＝50)求平均值，所得的平均值被称为基准值。
步骤S2：寻找波形段
相似度计算并非将所有采集到的雷电流数据都进行处理，而是选取雷电流波形主体部分数据，即图3、4区域III中的雷电流数据。从图3、4可知，雷电流波形的特点是幅值先递增，待达到最大幅值后再递减。当雷电流幅值达到触发电平后，即图3、4中触发点的位置，此时将激活的数据接收与预处理模块2即FPGA完成触发点前的若干个雷电流数据的存储及触发点后的若干个雷电流数据的存储，同时触发点的位置也会被***记录下来。触发电平的位置可通过软件进行调整。要提取出区域III部分的采样点即要确定雷电流波形主体部分数据的起始位置和结束位置。起始位置的可根据触发点的位置进行调整，通常触发电平高于基准值，起始位置设定在触发点前的n2个采样点处，在本实施例中，n2＝200；结束位置与基准值有关，当雷电流波形幅值从幅值最大处下降至基准值时，该采样点的位置即为结束位置。起始位置和结束位置如图6所示。
雷电流波形主体部分数据选取后，进一步对提取后的雷电流波形主体部分数据进行筛选：选取雷电流波形最大幅值绝对值减去基准值绝对值的差值的a1％到b1％的上升部分以及b2％到a2％的下降部分的参考雷电流数据作为相似度计算波形段与另一路雷电流数据的相应时刻的数据进行相似度计算。通过这种方式能避免雷电流波形顶部和底部毛刺对计算结果的影响。在本实施例中，a1、a2＝30，b1、b2＝70。
筛选后的参考雷电流数据如图7所示，图7中虚线方框框选的部分即为相似度计算所采用的采样点数据。
步骤S3：相似度计算
相似度计算的处理过程如图8所示，首先设定一个计数值CNT，并赋初值为0。接着开始进入循环，不断将放入相似度计算波形段两路雷电流数据同一时刻的采样点进行差值运算，并判断差值的绝对值是否在阈值范围内。放入的采样点就是图7中被虚线方框框选的部分，获取采样点的差值就是将同一时刻从两个通道采集回的雷电流数据做差值运算，并将所得结果与设定的阈值做对比，若小于阈值，则认定该采样点满足相似要求，若大于等于阈值，则认定该采样点不满足相似要求。当计算完所有的相似度计算波形段的采样点便可得到满足相似要求的点数占全部点数的百分比，这个百分比即为所求的相似度。
步骤S4：判断
若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，进一步进行噪声识别，若相似度没有达到设定值，则认为两路雷电流数据不匹配，则将采集到的雷电流数据丢弃，等待下一个雷电流数据的到来。相似度的设定值可以通过RS422通讯接口或按键进行配置。
步骤S5：噪声识别
如果两路雷电流数据匹配，还需通过噪声识别进行进一步的判断，只有相似度满足要求，且判定为非噪声信号才被认定为有效的雷电流数据(波形)，否则将丢弃此次采集的数据。噪声的判断依据是看波形是否有连续m个采样点具有相同的变化趋势。噪声信号的特点是跳变严重，采样点与采样点之间的变化趋势很不一致，因此可通过判断采样点的变化趋势来进行噪声识别，如果变化趋势不一致，则认为是噪声，一致则认为是非噪声。
优势总结
相比于传统的单通道采集雷电流信号的方式，本发明采用双通道采集同一次雷击产生的雷电流信号，并结合软件算法进行数据处理(波形段选择与相似度计算、判断，以及噪声处理)，能有效降低噪声信号被当作雷电流信号存储下来的概率，大大节约存储空间。
在本例实施中仅采用了一个雷电流采集装置进行说明，实际使用中可以将多个采集装置进行组网，装置与上位机之间通过RS-422接口或GPRS接口进行通讯，实现多点监测。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种抗干扰型雷电流采集装置，其特征在于，包括
两路信号采集通道，每一路信号采集通道包括一个罗夫斯基电流传感器、一个信号调理通道以及一个ADC，同一导体感应出的两路雷电流信号分别输入到两路信号采集通道中，通过罗夫斯基电流传感器转换成电压信号，电压信号经过信号调理通道调理，使其幅值在ADC输入范围内，然后再通过ADC转换为雷电流数据；这样两路信号采集通道，得到两路雷电流数据，并送入DSP中；
一DSP，用于对接收的两路雷电流数据进行相似度匹配，若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，采集到的雷电流数据为有效的雷电流数据，并存储至FLASH中，若相似度没有达到设定值，则认为两路雷电流数据不匹配，则将采集到的雷电流数据丢弃，等待下一个雷电流数据的到来。
2.根据权利要求1所述的抗干扰型雷电流采集装置，其特征在于，所述两路雷电流数据进行相似度匹配为：
(1)、计算基准值
将一路雷电流数据作为参考雷电流数据，对其前n1个采样点求平均值，所得的平均值被称为基准值；
(2)、寻找波形段
确定雷电流波形主体部分数据的起始位置和结束位置，起始位置设定在触发点前的n2个采样点处，当雷电流波形幅值从幅值最大处下降至基准值时，该采样点的位置即为结束位置；
进一步对提取后的雷电流波形主体部分数据进行筛选：选取雷电流波形最大幅值绝对值减去基准值绝对值的差值的a1％到b1％的上升部分以及b2％到a2％的下降部分的参考雷电流数据作为相似度计算波形段与另一路雷电流数据的相应时刻的数据进行相似度计算；
(3)、相似度计算
首先设定一个计数值CNT，并赋初值为0；接着开始进入循环，不断将放入相似度计算波形段两路雷电流数据同一时刻的采样点进行差值运算，并判断差值的绝对值是否在阈值范围内，若小于阈值，则认定该点满足相似要求，若大于等于阈值，则认定该点不满足相似要求；当计算完所有的相似度计算波形段的采样点便可得到满足相似要求的点数占全部点数的百分比，这个百分比即为所求的相似度；
(4)、判断
若相似度达到设定值，则认为两路雷电流数据匹配，进一步进行噪声识别，若相似度没有达到设定值，则认为两路雷电流数据不匹配，则将采集到的雷电流数据丢弃，等待下一个雷电流数据的到来；
(5)、噪声识别
如果两路雷电流数据相似，还需通过噪声识别进行进一步的判断，只有相似度满足要求，且判定为非噪声信号才被认定为有效的雷电流数据，否则将丢弃此次采集的数据。
3.根据权利要求2所述的抗干扰型雷电流采集装置，其特征在于，所述噪声识别的依据是看波形是否有连续m个采样点具有相同的变化趋势，如果变化趋势不一致，则认为是噪声，一致则认为是非噪声。
4.根据权利要求1所述的抗干扰型雷电流采集装置，其特征在于，还包括，还包括一数据接收与预处理模块，为一FPGA，用于对两路雷电流数据的接收和预处理，其中，预处理内容包括计算雷电流信号的幅值、能量和极性；
在完成雷电流数据的接收后，将雷电流数据传送到DSP中进行相似度匹配。
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