用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统的制作方法

本发明属于电磁脉冲测量与效应技术领域，涉及一种用于电磁脉冲对效应物的有效作用强度进行测量和评价的高速多通道电磁脉冲探测系统,

背景技术：

高功率电磁脉冲可对各种电子化系统产生干扰或毁伤效应，因此许多学者致力于研究电磁脉冲对效应物的作用机理和规律，以满足电磁防护或效应评估的需要。

电磁脉冲可以对网线端口等多导体线缆的电气端口产生毁伤效应，目前在电磁脉冲对多导体线缆电气端口的注入效应评估试验中，对端口上耦合电流信号的测量主要有两种方法，一种是测多导体线缆上的共模电流，一种是测其中一根线缆上的对地电流。而且通常仅采用所测电流的幅值，来定量表征注入电磁脉冲的强度。

实际上，对于含有多根线缆的电气端口，可能共模电流很小，但线与线间的差模电流很大，仍然可以造成多端口的毁伤效应；仅监测某一根线缆上的电流也存在同样的问题，可能选择监测的信号很小，但多端口由于其它线缆上耦合电流的作用而发生毁伤效应。故仅测量多端口上共模电流或某一根线缆上耦合电流的评估方法，不能全面反应多导体线缆端口上电磁脉冲注入效应的物理本质。另一方面，可能耦合电流的幅值很小，但积分能量特别大，仍然可以造成多端口的损伤；或者电流的前沿变化率特别大，可以对端口内部的电感性器件产生毁伤效应。所以，仅用耦合电流的幅值无法对效应物的电磁脉冲注入强度进行评估。

此外，电磁脉冲测量试验中，往往需要对密闭腔体内耦合的电磁脉冲信号进行测量，而目前的测量方法往往需要利用同轴线缆或光纤将传感器测得的端口上的电磁脉冲信号传到远端的示波器或光接收机中，这样就无法适用于密闭腔体内耦合电磁脉冲信号的测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多通道电磁脉冲范数探测器，解决了密闭腔体中耦合信号的测量问题，同时解决了多导体线缆端口上耦合信号的测量问题，并实现了电磁脉冲多端口的效应评估。

本发明的技术方案如下：

用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统，包括硬件系统和数据处理终端，所述的硬件系统包括多只传感器、传输电缆和信号采集存储处理单元，传感器获取的电磁脉冲的电流信号经过传输电缆传输至信号采集存储处理单元，并由数据处理终端对采集得到的电磁脉冲信号进行处理计算，获得n个电气端口上耦合电流信号的1、2和∞超范数，对效应物的电磁脉冲辐射强度进行评价。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，信号采集存储处理单元包括多只ad转换单元、fpga信号采集控制单元、usb通信单元和时钟单元，所述的fpga信号采集控制单元控制时钟单元同步产生多路时钟信号，驱动对应的ad转换单元使其进行同步采集，并将采集的数据存储在fpga信号采集控制单元的存储单元内，并由usb通信单元在测试完毕后将数据传输至数据处理终端进行数据处理计算。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，每只传感器与ad转换单元之间的传输电缆的长度和阻抗均一致。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，传感器为电流环。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，硬件系统密封设置在电磁屏蔽盒内，并在电磁屏蔽盒内采用电池供电。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，硬件系统用于密闭腔体内的电磁脉冲效应试验测量。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，效应物的电磁脉冲辐射强度评价步骤如下：

[1]利用多通道探测系统测量效应物n个电气端口上的耦合电流信号i1[j],i2[j],…,in[j],j＝1...n；

[2]分别对测得的n个电流信号求取1范数||ii(t)||1、2范数||ii(t)||2和∞范数||ii(t)||∞，计算公式如下：

并将上述范数列为向量的形式，得到1、2和∞范数的向量(||ii(t)||1)i,(||ii(t)||2)i,(||ii(t)||∞)i，其中i＝1…n，小括号表示向量；

[3]对步骤[2]获取的范数的向量再求相应的范数，得到n个电气端口上耦合电流信号的1、2和∞超范数：||(ii(t))i＝1...n||1，||(ii(t))i＝1...n||2，||(ii(t))i＝1...n||∞，计算公式为：

[4]利用各种不同波形的电磁脉冲对效应物进行注入试验，测量n个电气端口上的电流信号，并分别计算步骤[3]中的三种超范数，当三个超范数均小于端口的阈值时，则认为效应物可承受该电磁脉冲的注入作用。

上述用于电磁脉冲多端口效应评估的多通道探测系统中，效应物为网线端口。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明采用多维范数探测器与电流环测量得到包含效应物电气多端口上的电流信号，并计算得到了1超范数、2超范数和∞超范数，这三个用超范数代表的指标具有不同的物理意义，其中1超范数代表整流冲击携带总电荷数，可造成电荷转移器件等半导体器件的损坏；2超范数代表电磁脉冲作用在多端口上的能量，可以造成器件过热，引起烧毁击穿；∞超范数代表耦合电流信号的峰值，可以造成电介质击穿和绝缘损坏。这种评估方案将电气端口电磁辐照下可能的损坏效应均进行了包括，具有全面、安全、可靠的特点。

2、本发明的多通道电磁脉冲范数探测系统，可将硬件系统放置在待测量的密闭腔体内，采用屏蔽壳体密封和电池供电，测量得到密闭腔体内的耦合信号，在试验完毕后采用采用数据处理终端对采集数据进行处理，故可在没有信号线和电源线的条件下实现了密闭腔体内电磁脉冲信号的测量。

3、本发明通过在硬件系统中由fpga信号采集控制单元控制时钟单元同步产生多路时钟信号，驱动对应的ad转换单元使其进行同步采集，同时每只传感器与ad转换单元之间的传输电缆的长度和阻抗均一致，从而确保多路信号探测的同步性和一致性。

附图说明

图1为本发明多通道探测系统的组成原理示意图；

图2为本发明硬件系统的组成原理示意图；

图3为本发明fpga信号采集控制单元工作流程图；

图4为本发明在n根导体线缆电气端口上的电流信号测量原理图；

图5为本发明电磁脉冲电气多端口效应评估方法流程图。

附图标记为：

1—传感器；2—信号电缆；3—信号采集存储处理单元；4—数据处理终端；5—ad转换单元；6—fpga信号采集控制单元；7—usb通信单元；8—时钟单元；11—n端电气端口；12—多维范数探测器；13—电流环。

具体实施方式

下面以四通道电磁脉冲探测系统为例对测量系统及有效作用强度评价算法进行详述。

如图1和图2所示，四通道探测系统包括硬件系统和数据处理终端4，其中硬件系统包括四只传感器1、对应的传输电缆2和信号采集存储处理单元3，传感器1获取的电磁脉冲的电压或电流信号经过传输电缆传输至信号采集存储处理单元3，并由数据处理终端4对采集得到的电磁脉冲信号进行处理计算，通过计算电磁脉冲前沿最大变化时间段的特定频段内耦合能量，对效应物的电磁脉冲有效辐射强度进行评价。

信号采集存储处理单元3包括四只ad转换单元5、fpga信号采集控制单元6、usb通信单元7和时钟单元8，fpga信号采集控制单元6控制时钟单元8同步产生多路时钟信号，驱动对应的ad转换单元5使其进行同步采集，并将采集的数据存储在fpga信号采集控制单元6的存储单元内，并由usb通信单元7在测试完毕后将数据传输至数据处理终端4进行数据处理计算。

探测系统利用模拟通道对来自电流环、分压器等传感器的信号进行调理，将模拟信号调理成为便于adc芯片采集的差分信号，四通道电磁脉冲探测器含有两片型号为at84ad001的adc芯片，每个芯片具有两个工作通道，双通道独立工作时的最高采样率可达1gsps，双通道交错工作时的最高采样率可达2gsps。利用fpga芯片cyclone-5ceba9f31接收adc芯片输出的数字信号，并实现数据的存储。四通道范数探测器预留有usb接口，可以在试验结束后将探测器取出，将采集到的数据通过usb线缆读入电脑中编制的上位机程序进行处理。将探测器进行紧凑化设计并封闭在铝制屏蔽盒内，并采用电池供电的方法，这样探测器在数据采集过程中不需要信号传输线缆或电源线，可用于密闭空间内耦合信号的测量。

为实现四个通道的同时采样，一方面需要保证四路模拟信号需要同时到达adc芯片，另一方面需要保证到达两片adc芯片的时钟信号是同步的。因此在四路模拟通道的设计需要完全一致，使用相同的器件，同时路模拟走线的长度和阻抗应完全一致。为实现两片adc芯片时钟信号的完全一致，fpga信号采集控制单元6控制时钟单元8的时钟管理芯片ad9516-3产生两路相同的时钟信号，并保证这两条时钟线从ad9516-3到达两片adc芯片的走线长度相同，这样就可以保证两片adc芯片同步采样，也就实现了四个通道模拟信号的同步采样。

fpga信号采集控制单元的工作流程如图3所示，电磁脉冲探测器在上电时即启动四个通道的数据采集与存储，当存储深度达到预触发深度后，在fpga芯片内部将触发通道的数据与设定的触发阈值进行实时比较；当触发通道的数据超过触发阈值时认为有用脉冲信号到来，然后存储到预定深度即完成了一次数据采集，试验之后可以通过预留的usb接口将数据导入上位机中。四通道电磁脉冲探测器在四个通道同时工作时的数字采样率可达1gsps，仅采用两个通道时的数字采样率可达2gsps，总存储深度可达128k字节。

本专利提出一种基于多端口上耦合电流信号超范数的电磁脉冲效应评估方法，分别计算多导体线缆端口上耦合电流信号的1超范数、2超范数和∞超范数，利用这三个标量来综合反应电磁脉冲对多导体线缆端口的辐照效应。

范数常用来定量描述电磁波形的特征，如峰值、能量、整流积分值等，范数提供了一种统一的数学形式，来表述电磁脉冲的敏感参数。对于函数或波形f(x)，其范数||f(x)||是满足以下三个条件的正实数：

1)非负性：||f(x)||≥0，||f(x)||＝0当且仅当f(x)≡0；

2)线性性：||α·f(x)||＝|α|·||f(x)||，其中α为标量；

3)三角不等式：||f1(x)+f2(x)||≤||f1(x)||+||f2(x)||。

对于时域脉冲波形f(x)，通常所用的p范数可以表示为：

如图4和图5所示，本发明的具体评估原理和步骤如下：

首先利用多维范数探测器与电流环测量得到包含n个导体线缆的电气端口上的n个电流信号数字采样序列：i1[j],i2[j],...,in[j],j＝1...n。图4中11为n端电气端口，12为多维范数探测器；13为电流环。

其次，分别对测得的n个电流信号求取1范数、2范数和∞范数，计算公式如下：

其中i＝1…n，于是得到了n个线缆的电气端口上范数的向量，其中δt是测量系统的采样时间，1范数代表电流信号的整流积分值；2范数代表平方积分值，对应电流信号的能量；∞范数代表电流信号的最大值。再将上述范数列为向量的形式，得到1、2和∞范数的向量(||ii(t)||1)i,(||ii(t)||2)i,(||ii(t)||∞)i，其中i＝1…n，小括号表示向量。

以上得到的是单个耦合电流信号的范数，仅可以表征单个电流信号的效应；为得到线缆上所有耦合电流对多端口的综合效应，对以上得到范数的向量再求相应的范数，得n导体线缆的电气端口上耦合电流信号的超范数：

于是n个耦合电流信号对含有n条线缆的多端口的效应，可以用三个标量，即1、2和∞超范数来表征。这三个用超范数代表的指标具有具体的物理意义，其中1超范数是端口上所有电流整流积分的总和，由电流的定义可知1超范数实际是端口上整流冲击携带总电荷数，可造成电荷转移器件等半导体器件的损坏；2超范数是端口上各个电流的均方根再取均方根，由于电流的均方根实际上与端口耦合能量成比例，所以2超范数可以代表电磁脉冲在多端口上耦合能量的作用，可以造成器件过热，引起烧毁击穿；根据∞范数的定义，可知∞超范数实际代表端口上所有耦合电流信号的最大值，可以造成端口内器件电介质击穿和绝缘损坏。

利用各种不同波形的电磁脉冲对效应物进行注入试验，测量n个电气端口上的电流信号，并分别计算上述步骤中的三种超范数。单独考虑一种超范数，以多端口不发生效应的最大值作为该种超范数的阈值，就得到了针对三种超范数的三个阈值。则该多端口的电磁脉冲注入效应可以用耦合电流信号的三种超范数及其阈值来评估，当三个超范数均小于端口的阈值时，则认为效应物可承受该电磁脉冲的注入作用，在此辐照效应时，效应物没有损坏。

在实际操作中可以利用商业数据处理软件如matlab，根据本发明给出的计算方法编制相应的计算程序。首先对目标系统进行电磁脉冲试验，利用多通道范数探测器获得n导体线缆端口上的耦合的n个电流信号。然后将测量得到的耦合电流信号数字采样序列导入计算机中，计算得到n导体线缆端口上耦合电流信号的超范数。最后再根据本发明的判断准则对效应物承受电磁脉冲的辐照能力进行评估。