电场变化测量装置与方法与流程

技术特征：

1.一种电场变化测量装置，其特征在于，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)；

$\left|H\left(f\right)\right|=\frac{1}{2}\·\frac{|(1+{\mathrm{\Γ}}_R)\·(1-{\mathrm{\Γ}}_s)|}{|1-{\mathrm{\Γ}}_R{\mathrm{\Γ}}_s\exp (-4\mathrm{\π}j\·f\·l/v_p)|}---\left(1\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_R=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}\\ {\mathrm{\Γ}}_s=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}j\·f\·C_a}-Z_0}{\frac{1}{2\mathrm{\π}j\·f\·C_a}+Z_0}\end{array}\right.$

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。

2.根据权利要求1所述的电场变化测量装置，其特征在于，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)。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的电场变化测量装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求1-2任意一项所述的电场变化测量装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的电场变化测量装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的电场变化测量装置，其特征在于，所述天线是平板天线或鞭状天线。

7.一种电场变化测量装置的设计方法，其特征在于，该方法包括：

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)；

$\left|H\left(f\right)\right|=\frac{1}{2}\·\frac{|(1+{\mathrm{\Γ}}_R)\·(1-{\mathrm{\Γ}}_s)|}{|1-{\mathrm{\Γ}}_R{\mathrm{\Γ}}_s\exp (-4\mathrm{\π}j\·f\·l/v_p)|}---\left(1\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_R=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}\\ {\mathrm{\Γ}}_s=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}j\·f\·C_a}-Z_0}{\frac{1}{2\mathrm{\π}j\·f\·C_a}+Z_0}\end{array}\right.$

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。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，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)。

9.根据权利要求7-8任意一项所述的设计方法，其特征在于，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。

10.根据权利要求7-8任意一项所述的设计方法，其特征在于，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。