一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法与流程

本发明涉及电场测量领域，更具体地，涉及一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法。

背景技术：

对于瞬态空间电场测量，包括基于电学方法和基于光学方法的两类测量方法；对于电场的100kv/m的幅值，电学和光学两类方法通常都可以满足，但是实现准直流到ghz频率范围的电场测量，不论使用电学方法还是光学方法难度均较大；

基于电学方法的电场传感器通常采用平板电极或电偶极子天线，两者的高频响应均可达ghz，但都难以覆盖到低频乃至准直流频率范围。平板电极传感器在很宽的频谱内测量电场时，输出为电场的微分信号，需要连接积分器，得到时域电场响应，但由于涉及电场的微分，低频时传感器输出幅值小，信噪比低，系统低频响应不好；此外，电偶极子天线在低频时响应小，也难以得到理想的低频响应；

光学方法的原理包括基于介质吸收损耗变化和基于介质折射率变化两类。基于介质吸收损耗变化的光学方法根据其具体运用的效应不同分为基于电致吸收效应和基于电致变色效应两种，基于介质折射率变化的光学方法根据其具体运用的效应不同分为基于克尔效应和基于泡克尔斯效应两种。但基于电致吸收效应的电场传感器对原场干扰大；基于电致变色效应的电场传感器动态响应差；基于克尔效应的电场传感器灵敏度低；基于光学泡克尔斯效应的电场传感器虽然测量带宽没问题，但是测量对温度、湿度太敏感，测量稳定性差；这些都不满足瞬态电场的测量要求。

因此，目前现有的电场测量系统均不能满足对从准直流到ghz宽频域变化范围的瞬态空间电场的准确测量要求。

技术实现要素：

为了解决背景技术存在的现有电场测量系统不能满足从准直流到ghz宽频域变化范围的瞬态空间电场的准确测量问题，本发明提供了一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法，所述方法及系统采用基于平板电极的电学测量方法，对测量系统前端处理电路结构进行改变并对电场探头结构做出优化，实现了基于平板电极的电学测量方法在测量准直流至ghz频率范围电场时不需要进行微分运算的功能，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题；所述一种宽频域的瞬态空间电场测量系统包括：

双平板电极传感器，所述双平板电极传感器包括相互平行的上平板电极以及下平板电极，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端相连，所述下极板电极接地；所述双平板电极传感器将瞬态空间电场信号转化为电压信号；所述双平板电极传感器置于瞬态空间电场中；

前端信号处理单元，所述前端信号处理单元包括反馈模块和运算放大器电路，所述反馈模块用于设置截止频率的参数值；所述前端信号处理单元用于对双平板电极传感器输入的未经处理优化的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；

信号采集记录单元，所述信号采集记录单元用于采集并记录前端信号处理单元输出的电压信号；信号采集记录单元用于根据采集的电压信号计算得到瞬态电场信号；

进一步的，所述双平板电极传感器的上平板电极以及下平板电极均呈中心对称且对称轴共线，所述上平板电极的输出端设置于上平板电极的对称中心，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端通过对称无感导线相连；所述对称无感导线根据其无感特性消除线路中的振荡，减少电磁耦合干扰；

进一步的，所述对称无感导线是由多对双绞线组合而成的对称电缆；

进一步的，所述反馈模块包括反馈电容cf、反馈电阻rf，所述包括反馈电容cf和反馈电阻rf并联；截止频率f0根据反馈电容cf和反馈电阻rf的参数获得；

进一步的，所述运算放大器电路包括两个级联的运算放大器，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100mhz；

进一步的，所述前端信号处理单元与下极板电极在同一块pcb上进行封装，所述pcb为多层封装结构，所述下极板电极单独封装在pcb的最外面一层；

进一步的，所述系统包括传输单元，所述传输单元包括同轴电缆；所述同轴电缆的输入端与前段信号处理单元的输出端相连，所述同轴电缆的输出端与信号采集记录单元的输入端相连；所述同轴电缆的电阻与前段信号处理单元的输出电阻相阻抗匹配；

进一步的，所述传输单元包括衰减器、光发射器、光纤以及光接收器；所述衰减器输入端与同轴电缆输出端相连，所述光发射器与衰减器输出端相连，所述光发射器输出端与光纤输入端相连，所述光纤输出端与光接收器输入端相连，所述光接收器输出端与信号采集记录单元输入端相连；所述衰减器用于将电信号衰减至光发射器能接收的信号输入水平，所述光发射器将电信号转化为光信号，所述光纤用于传输光信号，所述光接收器用于将光信号转化为电信号；

进一步的，所述信号采集记录单元包括示波器和信号换算程序，所述示波器采样率不低于100mhz；所述信号换算程序将电压信号计算得到瞬态电场信号；

所述一种宽频域的瞬态空间电场测量方法包括：

双极板电极传感器将感应得到的瞬态空间电场内的电场信号转化成未经处理的电压信号发送至前端信号处理单元；

前端信号处理单元将双平板电极传感器输入的未经处理的电压信号进行处理、调控，优化为信号采集记录单元可测量的电压信号；

信号采集记录单元采集并记录电压信号，并根据电压信号计算得到瞬态电场信号；

进一步的，所述前端信号处理单元通过反馈模块和运算放大器电路将输入的未经处理的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；所述反馈模块包括反馈电容cf、反馈电阻rf，所述包括反馈电容cf和反馈电阻rf并联；截止频率f0根据反馈电容cf和反馈电阻rf的参数获得，所述截止频率f0的计算公式为：所述运算放大器电路包括两个级联的运算放大器，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100mhz；

进一步的，根据电压信号vout(t)计算得到瞬态电场信号en(t)的公式为：

其中，ε0为介电常数；a为上极板面积；

进一步的，通过同轴电缆将前端信号处理单元输出的电压信号传输至信号采集记录单元；

进一步的，通过依次连接的同轴电缆、衰减器、光发射器、光纤以及光接收器将前端信号处理单元输出的电压信号传输至信号采集记录单元；

本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法，所述方法及系统采用基于平板电极的电学测量方法，对测量系统前端处理电路结构进行改变并对电场探头结构做出优化，实现了基于平板电极的电学测量方法在测量准直流至ghz频率范围电场时不需要进行微分运算的功能，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题；同时，通过双平板电极结构与前端信号处理电路的一体化封装设计，极大地简化了测量系统的结构，提高了系统测量结果的准确性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明具体实施方式的一种宽频域的瞬态空间电场测量系统的结构图；

图2为本发明具体实施方式的一种宽频域的瞬态空间电场测量方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为本发明具体实施方式的一种宽频域的瞬态空间电场测量系统的结构图；所述一种宽频域的瞬态空间电场测量系统基于放置在瞬态空间电场中的双平板电极进行电学测量，通过前端处理电路单元进行处理，使测量计算时无需进行微分运算，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题；所述一种宽频域的瞬态空间电场测量系统包括：

双平板电极传感器101，所述双平板电极传感器101包括相互平行的上平板电极以及下平板电极，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端相连，所述下极板电极接地；所述双平板电极传感器101将感应得到的瞬态空间电场内的电场信号转化成未经处理的电压信号；所述双平板电极传感器101置于瞬态空间电场中；

进一步的，所述双平板电极传感器101的上平板电极以及下平板电极均呈中心对称且对称轴共线，所述上平板电极的输出端设置于上平板电极的对称中心，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端通过对称无感导线相连；所述对称无感导线根据其无感特性消除线路中的振荡，并减少电磁耦合干扰；

进一步的，所述对称无感导线是由多对双绞线组合而成的对称电缆，所述无感导线可以减少各对电缆之间的干扰，从而获得较稳定的性能，使传输特性更加理想；

优选的，所述上极板电极以及下平板电极均呈中心对称结构，在上极板电极和下平板电极的边缘中均为圆滑面，无尖锐部分；在本实施例中，所述上平板电极以及下平板电极均为圆形极板；

优选的，为了提高计算的准确性，所述上平板电极以及下平板电极采用上下不等大结构，因上平板电极与下平板电极均呈中心对称且对称轴共线，故上下不等大结构中较小的结构会被较大的结构完全重叠，此时在进行瞬态空间电场运算时，使用重叠部分面积进行运算；以本实施例为例，在本实施例中，采用上小下大的同心圆结构，在进行瞬态空间电场运算时，使用上平板面积作为产生电荷的等效面积；

前端信号处理单元102，所述前端信号处理单元102包括反馈模块和运算放大器电路，所述反馈模块用于设置截止频率的参数值；所述前端信号处理单元102用于对双平板电极传感器输入的未经处理的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；

进一步的，所述反馈模块包括反馈电容cf、反馈电阻rf，所述包括反馈电容cf和反馈电阻rf并联；截止频率f0根据反馈电容cf和反馈电阻rf的参数获得，所述运算放大器电路包括两个级联的运算放大器，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100mhz；

当频率f远大于截止频率f0时，系统所要测量的电场量与系统信号处理电路输出的电压量之间满足线性关系，此时不需要对电压量做积分处理，克服了在低频时传感器输出幅值小、信噪比低、系统低频响应不好的难题；在这种情况下得到的系统响应表达式简单且可靠；

所述系统所要测量的电场量与系统信号处理电路输出的电压量之间满足线性关系为

其中，ε0为介电常数；a为上极板面积；

所述截止频率f0计算公式为：通过设置反馈电容cf和反馈电阻rf的大小，使截止频率f0尽可能小，以达到要测量的电场量与系统信号处理电路输出的电压量之间在准直流至ghz的频率范围内均满足线性关系的效果；

通过反馈电容、反馈电阻以及运算放大器增益等参数的设置，所述前端信号处理单元的输入阻抗非常大而输出阻抗很小；

在本实施例中，前端信号处理单元的输入阻抗不低于1gω，输出阻抗为50ω；

进一步的，所述前端信号处理单元102与下极板电极在同一块pcb上封装，所述pcb为多层封装结构，所述下极板电极单独封装在pcb的最下面一层，其余几层分别封装电路的其他回路；

信号采集记录单元103，所述信号采集记录单元103用于采集并记录前端信号处理单元输出的电压信号；信号采集记录单元用于根据采集的电压信号计算得到瞬态电场信号；

所述计算公式为：

其中，ε0为介电常数；a为上极板面积；

进一步的，所述信号采集记录单元103包括示波器和信号换算程序，所述示波器采样率不低于100mhz；所述信号换算程序将电压信号计算得到瞬态电场信号；

进一步的，所述系统包括传输单元104，所述传输单元104包括同轴电缆；所述同轴电缆的输入端与前端信号处理单元的输出端相连，所述同轴电缆的输出端与信号采集记录单元的输入端相连；所述同轴电缆的电阻与前端信号处理单元102的输出电阻相同；

在本实施例中，同轴电缆电阻为50ω，故设置前端信号处理单元102的输出电阻也为50ω；

进一步的，所述传输单元104包括衰减器、光发射器、光纤以及光接收器；所述衰减器输入端与同轴电缆输出端相连，所述光发射器与衰减器输出端相连，所述光发射器输出端与光纤输入端相连，所述光纤输出端与光接收器输入端相连，所述光接收器输出端与信号采集记录单元输入端相连；所述衰减器用于将电信号衰减至光发射器能接收的信号输入水平，所述光发射器将电信号转化为光信号，所述光纤用于传输光信号，所述光接收器用于将光信号转化为电信号；

所述一种宽频域的瞬态空间电场测量系统，所述系统基于放置在瞬态空间电场中的双平板电极进行电学测量，通过前端处理电路单元进行信号处理，使测量计算时无需进行微分运算，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题；同时传输单元，实现远距离测量记录和计算，避免了所测电场与采集记录装置之间的相互耦合干扰，且保障了操作人员的人身安全；实现准直流至ghz频率范围的空间电场的准确测量。

图2为本发明具体实施方式的一种宽频域的瞬态空间电场测量方法的流程图；如图所示，所述一种宽频域的瞬态空间电场测量方法包括：

步骤201，双极板电极传感器将感应得到的瞬态空间电场内的电场信号转化为电压信号并发送至前端信号处理单元；

进一步的，所述双平板电极传感器的上平板电极以及下平板电极均呈中心对称且对称轴共线，所述上平板电极的输出端设置于上平板电极的对称中心；在本实施例中，采用上小下大的同心圆结构，在进行瞬态空间电场运算时，使用上平板面积作为产生电荷的等效面积；

步骤202，前端信号处理单元将双平板电极传感器输入的未经处理的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；

所述前端信号处理单元通过反馈模块和运算放大器电路将输入的未经处理的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；所述反馈模块包括反馈电容cf、反馈电阻rf，所述包括反馈电容cf和反馈电阻rf并联；截止频率f0根据反馈电容cf和反馈电阻rf的参数获得，所述运算放大器电路包括两个级联的运算放大器，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100mhz；

当频率f远大于截止频率f0时，系统所要测量的电场量与系统信号处理电路输出的电压量之间满足线性关系，此时不需要对电压量做积分处理，克服了在低频时传感器输出幅值小、信噪比低、系统低频响应不好的难题；在这种情况下得到的系统响应表达式简单且可靠；

所述系统所要测量的电场量与系统信号处理电路输出的电压量之间满足线性关系为

其中，ε0为介电常数；a为上极板面积；

所述截止频率f0计算公式为：通过设置反馈电容cf和反馈电阻rf的大小，使截止频率f0尽可能小，以达到要测量的电场量与系统信号处理电路输出的电压量之间在准直流至ghz的频率范围内均满足线性关系的效果；

通过反馈电容、反馈电阻以及运算放大器增益等参数的设置，所述前端信号处理单元的输入阻抗非常大而输出阻抗很小；

步骤203，信号采集记录单元采集并记录电压信号，并根据电压信号计算得到瞬态电场信号；

进一步的，根据电压信号vout(t)计算得到瞬态电场信号en(t)的公式为：

其中，ε0为介电常数；a为上极板面积；

进一步的，所述步骤203前包含步骤204，所述步骤204为通过同轴电缆将前段信号处理单元输出的电压信号传输至信号采集记录单元；

进一步的，所述步骤204中，通过依次连接的同轴电缆、衰减器、光发射器、光纤以及光接收器将前端信号处理单元输出的电压信号传输至信号采集记录单元；

所述一种宽频域的瞬态空间电场测量方法，基于平板电极的电学测量方法，实现了基于平板电极的电学测量方法在测量准直流至ghz频率范围电场时不需要进行微分运算的功能，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。本说明书中涉及到的步骤编号仅用于区别各步骤，而并不用于限制各步骤之间的时间或逻辑的关系，除非文中有明确的限定，否则各个步骤之间的关系包括各种可能的情况。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本公开的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。