电场变化测量装置与方法与流程

本发明涉及瞬变电场测量技术领域，具体涉及一种适用于探测雷电电场变化的测量装置与方法。

背景技术：

雷电是大气中强烈的放电现象。雷电的放电过程会产生强烈的电磁辐射，其辐射频谱从准静态场一直延伸到百兆赫兹以上，可对航空航天、燃油、通信、电力和电子设备和系统造成严重干扰或毁伤。准确、有效地探测雷电电场变化不仅有助于掌握雷电附近的电磁环境，而且也为各种雷电定位系统提供了基本依据。

大量研究表明，雷电电磁辐射谱峰值在10kHz附近，并随着频率的增加而衰减。通常用来测量雷电电场变化的测量仪带宽多在几兆赫兹到十几兆赫兹，基本可以覆盖主要的雷电电场频谱范围。长期以来，根据雷电电场变化测量仪的频率响应范围，通常可以分为快电场测量仪和慢电场测量仪两种。邱实等发表在《电波科学学报》的“闪电电场测量研究”一文中分析得到了两种测量仪的相互转换关系；周璧华等2012年授权的国家发明专利(专利号：ZL:201010290174.8)利用该转换关系提出了一体化光隔离雷电电场测量仪，可以一次同时得到传统的快、慢电场测量结果。

虽然雷电电场变化的测量技术有了长足的发展，但是测量电路的基本结构仍然与张广庶等的国家发明专利“快电场变化探测仪”(公开号：CN 1488949A)相似，即在前端户外部分配置积分电路和阻抗匹配电路，以对信号进行预处理。这种方式有四点缺陷：1、需要对前端电路供电才能工作，增加了设备的复杂度；2、雨水和雷暴天气下的高湿环境容易对前端积分电路的时间常数产生影响，使测量结果不可靠；3、信号最大输出幅度受到积分电路中运放的饱和电压的制约，降低了输出信号的动态范围；4、供电部分容易造成工频或高频电场干扰，影响对远距离微弱电场变化信号的探测能力。

对于现有技术的上述缺点，还没有一种完善的解决方案。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种电场变化测量装置与方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种电场变化测量装置，该装置包括户外传感部分、传输线以及室内信号采集和处理部分；

所述户外传感部分用于感应外部电场信号，其具有等效电容为C_a；

所述传输线用于连接户外传感部分及室内信号采集和处理部分；

所述室内信号采集和处理部分，包括数字化仪和滤波器，通过对传输线接入的信号直接采集和滤波处理，获得最终的电场变化数字信号；

其中，所述滤波器采用下述方法设计：

S1：根据传输线的长度l、特征阻抗Z₀、波速v_p和数字化仪的输入阻抗Z_L确定整个测量装置对于频率f的幅频响应|H(f)|，如式(1)；

其中：

S2：数值求解式(1)的极大值，得到测量装置关心频段内的N个谐振频率点fc_i和谐振点相对振幅20lg|H(fc_i)/Hc|dB，其中i＝1,2,…,N，Hc为装置在测量带宽内的平坦幅度响应。

S3：设计所述滤波器为低通或带阻滤波器，使得系统函数在各谐振频率点fc_i(i＝1,2,…,N)为阻带，且阻带衰减20lg|H(fc_i)/Hc|dB以上；若采用模拟滤波器，还要求滤波器的输入阻抗与传输线特征阻抗Z₀相同。

进一步地，所述数字化仪输入阻抗配置为高阻，内部包含抗混叠滤波器，数字化仪的输入电阻R、输入电容C₁和传输线的等效电容C₂构成电场测量的积分时间常数τ，且满足τ＝R×(C₁+C₂)。

进一步地，所述滤波器是模拟滤波器，并且所述户外传感部分感应的信号直接通过传输线连接到室内的该模拟滤波器，信号经过该模拟滤波器后连接到所述数字化仪进行采样，最终得到雷电电场变化的数字信号。

或者，所述滤波器是数字滤波器，并且所述户外传感部分感应的信号直接通过传输线连接到室内的数字化仪进行采样，获得的数字信号经过该数字滤波器处理，得到最终的雷电电场变化的数字信号。

进一步地，所述户外传感部分采用容性电小尺寸天线，并且没有电路，无需供电。

进一步地，所述天线是平板天线或鞭状天线。

本发明同时还提供了该电场变化测量装置的相应设计方法，其包括：

为所述电场变化测量装置设置户外传感部分、传输线以及室内信号采集和处理部分；

所述户外传感部分用于感应外部电场信号，其具有等效电容为C_a；

所述传输线用于连接户外传感部分及室内信号采集和处理部分；

所述室内信号采集和处理部分，包括数字化仪和滤波器，通过对传输线接入的信号直接采集和滤波处理，获得最终的电场变化数字信号；

其中，所述滤波器采用下述方法设计：

S1：根据传输线的长度l、特征阻抗Z₀、波速v_p和数字化仪的输入阻抗Z_L确定整个测量装置对于频率f的幅频响应|H(f)|，如式(1)；

其中：

S2：数值求解式(1)的极大值，得到测量装置关心频段内的N个谐振频率点fc_i和谐振点相对振幅20lg|H(fc_i)/Hc|dB，其中i＝1,2,…,N，Hc为装置在测量带宽内的平坦幅度响应；

S3：设计所述滤波器为低通或带阻滤波器，使得系统函数在各谐振频率点fc_i(i＝1,2,…,N)为阻带，且阻带衰减20lg|H(fc_i)/Hc|dB以上；若采用模拟滤波器，还要求滤波器的输入阻抗与传输线特征阻抗Z₀相同。

进一步地，所述数字化仪输入阻抗配置为高阻，内部包含抗混叠滤波器，数字化仪的输入电阻R、输入电容C₁和传输线的等效电容C₂构成电场测量的积分时间常数τ，且满足τ＝R×(C₁+C₂)。

进一步地，所述滤波器是模拟滤波器，并且所述户外传感部分感应的信号直接通过传输线连接到室内的该模拟滤波器，信号经过该模拟滤波器后连接到所述数字化仪进行采样，最终得到雷电电场变化的数字信号。

进一步地，所述滤波器是数字滤波器，并且所述户外传感部分感应的信号直接通过传输线连接到室内的数字化仪进行采样，获得的数字信号经过该数字滤波器处理，得到最终的雷电电场变化的数字信号。

本发明的有益效果包括：

1)由于户外传感部分不需要供电，设备结构简单、紧凑，成本大幅度降低，可靠性增强；

2)由于户外传感部分不需要供电，不容易被市电的工频干扰影响电场测量；

3)由于雷电电场测量装置前端不需要积分电路，输出信号幅度不受运放饱和电压限制，提高了输出的动态范围；

4)利用数字化仪的输入阻抗形成积分时间常数，由于数字化仪放于室内，该积分常数不受外界雨水和高湿环境影响，稳定性增强；

5)考虑了传输线的分布参数，通过滤波器设计消除了传输线阻抗不匹配造成的谐振，可实时得到电场变化的数字信号。

本发明虽然针对雷电电场测量提出，应用领域并不局限在雷电电场测量，还可广泛应用于电磁脉冲探测、无线电噪声监测等领域。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是是本发明采用模拟滤波器时的系统构成框图。

1-平板天线；2-传输线；3-模拟滤波器；4-数字化仪，内部包含一个抗混叠滤波器；5-最终的电场变化数字信号

图2是本发明采用数字滤波器时的系统构成框图。

1-平板天线；2-传输线；4-数字化仪，内部包含一个抗混叠滤波器；6-数字滤波器；5-最终的电场变化数字信号。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见附图1-2，其示出了本发明两种实施例的系统构成框图。本发明的电场变化测量装置包括三个部分：户外传感部分、传输线和室内部分。

所述户外传感部分用于感应外部电场信号，采用容性电小尺寸天线，如平板天线、鞭状天线等，等效电容为C_a，该户外传感部分没有电路，不需要供电。

所述的传输线用于连接户外传感部分和室内部分。

所述的室内部分包括数字化仪和滤波器，通过对传输线接入的信号直接采集和滤波处理，即可获得最终的电场变化数字信号。

上述数字化仪输入阻抗配置为高阻，内部包含抗混叠滤波器，数字化仪的输入电阻R、输入电容C₁和传输线的等效电容C₂构成电场测量的积分时间常数τ，即τ＝R×(C1+C2)。

本发明的滤波器可以采用模拟滤波器或数字滤波器。当选用模拟滤波器时，户外传感部分感应的信号直接通过传输线连接到室内的模拟滤波器，信号经过滤波器后连接到数字化仪进行采样，最终得到雷电电场变化的数字信号；当选用数字滤波器时，户外传感部分感应的信号直接通过传输线连接到室内的数字化仪进行采样，获得的数字信号经过数字滤波器处理即得到最终的雷电电场变化的数字信号。

为了适应雷电电场变化的测量，本发明设计了一种新的滤波器，具体设计方法如下：

S1：根据传输线的长度l、特征阻抗Z₀、波速v_p和数字化仪的输入阻抗Z_L确定整个测量装置对于频率f的幅频响应|H(f)|，如式(1)；

其中：

S2：数值求解式(1)的极大值，得到测量装置关心频段内的N个谐振频率点fc_i和谐振点相对振幅20lg|H(fc_i)/Hc|dB，其中i＝1,2,…,N,Hc为装置在测量带宽内的平坦幅度响应；对于fc_i粗略的估计还可以采用式(2)：

S3：通过经典的模拟或数字滤波器设计方法设计低通或带阻滤波器，使得系统函数在各谐振频率点fc_i(i＝1,2,…,N)为阻带，且阻带衰减20lg|H(fc_i)/Hc|dB以上；若采用模拟滤波器，还要求滤波器的输入阻抗与传输线特征阻抗Z₀相同。所述经典的模拟或数字滤波器设计方法可以是本领域中任意一种公知的设计方法，本发明不再赘述。

经过以上步骤滤波后，得到的雷电电场变化信号即等效为时间常数为τ的快电场变化测量仪的输出信号，输出信号的上限截止频率在fc₁附近。当选择的传输线长度为10m，传输线波速为2×10⁸m/s时，利用式(2)粗略估计，上限截止频率约为10MHz，满足当前雷电电场探测的带宽要求。

实施例1：

本发明的一个优选的实施方式采用图1所示的结构框图。在雷暴环境下，由平板天线1感应的信号通过同轴电缆2，连接到模拟滤波器3中。在一个优选的实施例中，所述的平板天线等效电容C_a为10pF；传输线选择长10m、特征阻抗50Ω、波速2×10⁸m/s的同轴线缆；数字化仪采样率为30MS/s，内部包含抗混叠滤波器为0-15MHz低通滤波器，输入端口等效输入电阻1MΩ，输入电容5pF。模拟滤波器3的输入阻抗设计为50欧姆，与同轴电缆匹配。

根据式(1)求得系统幅频响应的第一个谐振频率点fc₁＝9.879MHz，振幅|H((fc₁)|＝11.27，系统的幅频响应|H(f)|在100Hz～5MHz内相对平坦，对应振幅Hc＝0.0083，根据步骤S2，得到相对振幅20lg|H((fc₁)/Hc|＝63dB。另外，根据式(2)也可简单求得第一个谐振频率点的粗略估计在10MHz附近，与数值求解的fc₁＝9.879MHz接近。因此，根据步骤S3，设计模拟低通滤波器使得9.879MHz附近的阻带衰减达到63dB。考虑到雷电电场信号频谱在9.879MHz附近已经很微弱，也可适当对该阻带衰减的要求放宽20dB左右，即要求滤波器在9.879MHz附近的阻带衰减40dB以上。对于这一要求，经典的模拟滤波器设计理论可以容易解决。

如图1所示，信号经过模拟滤波器3滤波后，即成为可用的电场变化模拟信号，再将该模拟信号通过数字化仪4进行采样，可得到最终的电场变化数字信号5。

实施例2：

本发明的一个优选的实施方式采用图2所示的结构框图。在雷暴环境下，由平板天线1感应的信号通过同轴电缆2，直接连接到数字化仪4中。经过数字化仪4采样后，利用软件或硬件的数字信号处理技术设计数字滤波器，对所述数字信号滤波，可得到最终的电场变化数字信号。在一个优选的实施例中，所述的平板天线等效电容C_a为10pF；传输线选择长10m、特征阻抗50Ω、波速2×10⁸m/s的同轴线缆；数字化仪采样率为30MS/s，抗混叠滤波器为0-15MHz低通滤波器，输入端口等效输入电阻1MΩ，输入电容5pF。

数字滤波器6的设计原则与实施例1中模拟滤波器3相似，即要求滤波器6在9.879MHz附近的阻带衰减40dB以上。对于这一要求，通过设计经典的有限或无限冲激响应滤波器均可方便实现。

以上所述仅是本发明的两种优选地实施方式。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内，还可以做出若干改进和变形(如将低通滤波器改为带阻滤波器等)，这些改进和变形也应视为本发明的保护内容。