基于FPGA和VGA的新型闪电电场测量及定位系统开题报告
2022-01-05 10:01
全文总字数：4820字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
| 作为一种经常出现的天气现象，闪电是发生在大气中的一种瞬时放电现象，其活动与冰雹等强对流天气系统关系密切。强烈的闪电放电过程产生静电场变化、磁场变化和电磁辐射，覆盖从低频到高频很宽的频带范围。 雷电产生的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应，使其能在瞬间产生巨大的破坏作用。常常会造成人员伤亡，击毁建筑物、供配电系统、通信设备、引起森林火灾，造成计算机信息系统中断、仓储、炼油厂、油田等燃烧甚至爆炸，危害人民财产和人身安全，对航空航天等运载工具也威胁很大。长期以来，对闪电的检测和预警一直是气象预报中的难点。本文设计了一款闪电电场测量系统，通过对闪电发生时在空间中激发感应电场的测量，来对闪电的强度进行测量，当测的闪电强度超过警戒值时，系统自动触发警报，同时配合北斗定位系统及时确定闪电位置，便于及时进行勘测和预警。 大气电场是大气电学的一个最基本的参数，大气电场的测量也是大气探测的一个重要组成部分。闪电发生过程中，雷暴云与大地之间会产生强烈的瞬时的放电现象，通过对地面垂直电场的瞬时测量，可以得到闪电发生各个阶段的电磁特征，通过对电场变化脉冲的精确时间记录，利用辐射源到达不同测站的时间差，可以使用多个基站对闪电通道进行三维定位分析，对研究闪电的物理机制和产生过程有重要的意义。 对于闪电电场的测量在闪电观测方法中占重要的地位，由于闪电电场频率高，频带宽等特点，对闪电电场测量设备也提出了更高的要求。要求测量仪器能够有较宽的输入频率范围，对高频信号能够快速准确的进行采集、处理和传输，并对采集到的数据能够进行存储，以便后续工作分析处理。这些都依赖于数据采集技术的发展。闪电对于人们的日常生活有着重要的影响，尤其是在气象灾害预报与研究领域，对于闪电参数的研究有着重要作用。 |
国内外研究现状
常见的大气电场测量装置可以分为准静态电场测量和高速变化电场测量，两种测量装置分别用于不同观测途径，测量大气中的平均电场和极性的变化可以使用准静态电场测量装置，它能够测量到近距离电场的慢变化，甚至幅值比较弱的慢变化。一般设备的采样率较低，能够实时监测记录闪电发生前雷暴云中的电场变化，可以根据平均电场强度对局地雷暴预警。而高速变化电场测量使用在闪电发生的时段，用来记录瞬时放电时的电场细变化，包括一次闪电中的微秒及亚微秒量级的快速放电过程，一般采样率高，工作时间短，用来研究闪电的放电特性。
准静态电场测量最常见的为场磨式大气电场仪，起源于 1950 年 Malan 和Schonland 提出的用于现代大气静电场仪的经典结构——旋转式结构，由于电场变化缓慢，必须对探头周期性屏蔽才能获得变化的感应电流，所以一般都有旋转屏蔽转子。此后大气电场得仪到了发展，近几年来，场磨式已广泛应用与各种研究工作中，美国，日本等工业发达国家在雷电重点防区一般都部署了电场仪监测闪电活动。
国内地面电场仪的研究多是以场磨式为基础。中科院兰州大气物理研究所在上世纪七十年代末研制出国内具有实用价值的场磨式电场仪，但受当时电子水平限制，在信号处理方面还有待提高，九十年代初该所为西昌卫星发射场提供的新型电场仪在后期的信号处理方面较之前有较大提高，在多次探测中都能表现出良好的性能。
高速变化电场测量属于被动测量，仅需要平板天线而不需要屏蔽转子，由
于闪电发生过程中电场变化剧烈，可以直接在平板天线上产生较大的感应电流。对闪电电场的瞬态测量可追溯到 1960 年，Kitagaw 和 Brook 提出的使用两副天线对闪电电场进行测量，两副天线使用不同的时间常数和采样率，采样率低的用来记录准静态场的变化，被命名为“慢电场变化测量系统”，采样率高的用来记录瞬时场，被命名为“快电场变化测量系统”。在之后的几十年中。“快”、“慢”天线被广泛应用，2002 年和 2004 年张广庶、王怀斌对快慢天线的调理电路进行了改进，提高了信噪比和带宽。虽然电路上经过多次改进，但是其测量原理与天线结构基本没有改变。随着电子产业的迅速发展，高速采集设备的产生，使得人们开始放弃使用“慢”天线，解放军理工大学周璧华等人提出采用一副天线进行测量，按照快电场测量天线的的方法进行设计，使用高采样率，得到的信号包含了慢变化成分，通过系统函数进行反演，可以得到真实电场与慢天线的测量结果，省去了一副天线，取得了良好的效果。然而，现有的设备均采用 NI 的高速数据采集卡进行数据采集，使用 PCI 总线的采集卡必须安装在电脑或者工控机一端，与安装在室外的电场测量天线相距十几米左右，模拟高速信号通过十几米的同轴电缆与采集卡相连，模拟信号传输过程中容易受到外界干扰和自身分布电容的影响。而且现有设备测量成本高，系统需要多个设备支持。随着电子产业的发展，测量设备越来越趋于高集成度，低功耗，低成本，如何将测量设备高度集中，并降低传输过程中的干扰是本文所要研究的主要内容。2. 研究的基本内容
本论文主要目的是设计一种板卡式结构的新型闪电电场测量与传输系统，实现对雷电电场的快速变化过程数据采集和传输。相比传统观测设备，新型数据采集系统主要包括感应天线，内部采集传输电路，以及对数据进行接收和处理的FPGA内核；通过控制北斗定位系统模块可以及时确定闪电发生的地理位置。同时通过VGA接口进行信息显示，实现波形、闪电强度、地理位置坐标及相关信息的显示，并可将信息通过语音模块进行播报和预警。
3. 实施方案、进度安排及预期效果
实现方案：系统框图如下：
系统的工作原理是：
4. 参考文献
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