一种脉冲电场测量系统的开环校准方法

本发明涉及脉冲电场测量，具体是一种脉冲电场测量系统的开环校准方法。

背景技术：

1、脉冲电场测量系统是一种利用光纤传输信号的宽带电场测量系统，测量系统一般由单极子天线、电场探头模块、光纤、光接收机模块组成，具有宽频带、高灵敏度、非接触、抗干扰等优点，被广泛应用于电磁环境监测、雷击试验、高电压电器检测等领域。脉冲电场测量技术的研究一直是电磁脉冲研究领域的一个重要方向。

2、以往针对脉冲电场测量系统的研究中，在更换器件和光纤插入损耗发生变化后，都必须对整个测量系统进行标定，需要在实验室条件下使用矢量网络分析仪、信号发生器、示波器等昂贵设备进行标定。此种测量系统校准方式虽然较为准确，但使用成本和难度较高，限制了在系统性实验中的大规模应用，是目前脉冲电场测量技术领域中亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种脉冲电场测量系统的开环校准方法。本发明通过搭建测量系统的频域模型和时域模型，量化分析特定器件对系统频率响应和线性工作范围的影响，基于此在系统更换器件和光纤插入损耗变化后对测量系统重新标定，显著降低了对测量系统进行校准的成本和难度。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开一种脉冲电场测量系统的开环校准方法，应用于测量系统；所述测量系统包括天线、电场探头和光接收机，电场探头用于将天线在脉冲电场中采集的电信号放大并通过激光二极管调制为光信号，光信号经过光纤传输至光接收机，光接收机用于通过光电二极管将光信号调制为用于测量的电信号并输出；电场探头和光接收机的电路中均设置由运算放大器构成的运算放大电路。所述开环校准方法包括步骤s3-s3。

4、s1.搭建测量系统的数学模型，包括该系统的频域模型和时域模型。

5、s2.根据所述频域模型和所述时域模型分别得到测量系统的频率响应特性和线性工作范围。

6、s3. 判断测量系统的特定器件是否更换，以及光纤插入损耗是否变化，并作出以下决策：

7、当测量系统的特定器件未更换，且光纤插入损耗未变化时，直接使用步骤s2计算出的频率响应特性和线性工作范围对测量系统进行标定；其中，所述特定器件为天线、激光二极管、光电二极管和多个运算放大电路中的任意一者或任意多者。

8、当测量系统的特定器件更换，和/或光纤损耗插入发生变化时，将改变的器件参数和/或光纤插入损耗参数代入所述数学模型中，得到测量系统修改后的频率响应特性和线性工作范围，从而对测量系统进行重新标定，完成对测量系统的开环校准。

9、作为上述方案的进一步改进，步骤s1中，测量系统的频域模型搭建方法包括以下步骤s111-s113。

10、s111.计算天线的有效高度以及天线电容，得到天线的等效电路模型。

11、s112.使用r-c低通网络对运算放大器的输入级和中间级进行等效建模，搭建运算放大器的频域等效电路模型。

12、s113.根据基尔霍夫定律，将天线和运算放大器的等效电路模型代入测量系统的电路中，从而推导测量系统的频域模型。

13、作为上述方案的进一步改进，测量系统采用单极子天线；步骤s111中，计算单极子天线的有效高度和天线电容，从而得到单极子天线的等效电路模型，单极子天线的有效高度和天线电容计算过程如下：

14、获取单极子天线在频域上的电流分布 i( z)：

15、

16、式中， i0为频域电流幅值； k=2 π/ λ为波数； λ为对应波长； h为天线几何参数； z为单极子天线的轴向坐标。

17、计算单极子天线的有效高度 he：

18、

19、计算单极子天线的天线电容 c：

20、

21、式中， d为单极子天线的直径。

22、作为上述方案的进一步改进，步骤s112中，运算放大器的频域等效电路模型包括第一r-c低通网络和第二r-c低通网络。

23、所述第一r-c低通网络由电阻 r10和电容 c10并联构成；第一r-c低通网络还设置有与电阻 r10并联的受控电流源 g m1 v d， g m1 v d是增益为 g m1、输入为运算放大器输入端口的电压差 v d的电流； g m1 v d、 r10、 c10用于模拟运算放大器的输入级。

24、所述第二r-c低通网络由电阻 r20和电容 c20并联构成；第二r-c低通网络还设置有与电阻 r20并联的受控电流源 g m2 v1， g m2 v1是增益为 g m2、输入为电容 c10两端的电压 v1的电流； g m2 v1、 r20、 c20用于模拟运算放大器的中间级。

25、其中， v d =v p -v n， v p为运算放大器同向输入端的电压， v n为运算放大器反向输入端的电压；电容 c20两端的电压为 v2；运算放大器输出端的电压为 v o；电压 v p、 v n、 v1、 v2、 v o共同接地。

26、作为上述方案的进一步改进，步骤s112中，通过计算运算放大器的开环传递函数，实现对运算放大器的等效建模；运算放大器的开环传递函数 a v( s)为：

27、

28、式中， a0为运算放大器的频域等效电路模型在直流作用下的直流增益， a0= g m1 r10 g m2 r20； ω1、 ω2为运算放大器的频域等效电路模型在交流作用下电路存在的两个极点， ω1=( r10 c10)-1， ω2=( r20 c20)-1。

29、作为上述方案的进一步改进，电场探头包括天线电容 c、分压电容 cin、运算放大器op1、电阻 r1、电阻 r2、隔离电阻 r3、电容 c1、限流电阻 r bias和激光二极管ld； c的一端和 c in的一端连接，op1的同相输入端分别与 c的一端和 c in的一端连接， c的另一端与天线采集的电压信号正极端连接， c in的另一端与天线采集的电压信号的负极端连接，且 c in的另一端接地； r1的一端和 r2的一端连接，op1的反向输入端分别与 r1的一端和 r2的一端连接， r1的另一端接地， r2的另一端与op1的输出端连接，从而构成第一同相运算放大电路；op1的输出端还与 r3、 c1以及ld的正极端依次串联，将第一同相运算放大电路输出的电压信号转换为ld的动态工作电流；ld的正极端还与 r bias和直流电压 u d依次串联以构成偏置电路，从而为ld提供静态工作电流 ildbias；ld在电流作用下发出光信号，光信号经过光纤传输并输入光接收机；ld的负极端接地。

30、光接收机包括光电二极管pd、运算放大器op2、反馈电阻 r4、隔离电容 c2、运算放大器op3、电阻 r5、电阻 r6、隔离电感 l、运算放大器op4、电阻 r7和可调电阻 r8；pd的负极端连接工作电压vcc，pd的正极端连接op2的反向输入端；op2的反向输入端还与 r4的一端连接， r4的另一端与op2的输出端连接，从而构成跨阻放大电路，用于将pd输入的光电流放大转换为电压信号，op2的同相输入端接地；op2的输出端还分别与 c2的一端、 l的一端连接， c2的另一端与op3的同相输入端连接， c2用于隔离跨组放大电路输出电压信号的直流分量，将电压信号的交流分量输入运算放大器op3的同相输入端； r5的一端和 r6的一端连接，op3的反向输入端分别与 r5的一端和 r6的一端连接， r5的另一端接地， r6的另一端与op3的输出端连接，从而构成第二同相运算放大电路，op3的输出端与输出端口port1连接，用于将电压信号的交流分量放大后输出至输出端口port1，port1用于连接示波器； l的另一端连接op4的同相输入端， l用于隔离跨组放大电路输出电压信号的交流分量，将电压信号的直流分量输入op4的同相输入端； r7的一端和 r8的一端连接，op4的反向输入端分别与 r7的一端和 r8的一端连接， r7的另一端接地， r8的另一端与op4的输出端连接，从而构成第三同相运算放大电路，op4的输出端与输出端口port2连接，用于将电压信号的直流分量放大后输出至输出端口port2，port2用于连接数显表。

31、作为上述方案的进一步改进，光纤的一端接收电场探头中的激光二极管ld所产生的光信号，光信号由光纤的另一端传输至光接收机中的光电二极管pd。

32、其中，通过为激光二极管ld提供静态工作电流 ildbias，以计算光纤插入损耗 il：

33、 il=-10·lg(ppdbias/pldbias)

34、式中，pldbias为激光二极管ld输出的静态光功率；ppdbias为光电二极管pd接收的静态光功率。

35、作为上述方案的进一步改进，步骤s1中，测量系统的时域模型搭建方法包括以下步骤s121-s123。

36、s121.获取测量系统中所有非线性器件的输入输出曲线；所述非线性器件包括：op1~op4分别所处的四个运算放大电路、激光二极管ld和光电二极管pd；输入输出曲线包括：四个运算放大电路的输入-输出曲线、激光二极管ld的伏-安特性曲线、激光二极管ld的电流-光功率曲线、光电二极管pd的光功率-电流曲线。

37、s122.将非线性器件的输入输出关系以数据表格的形式存储，使用查表法近似描述各输入输出关系，从而对非线性器件进行建模。

38、s123.将非线性器件模型代入测量系统的电路中，推导测量系统的时域模型。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

40、1、本发明公开的脉冲电场测量系统的开环校准方法，通过建立测量提供的频域模型和时域模型，可以量化分析特定器件对于整个测量系统的频率响应特性和线性工作范围的影响，有助于优化设计和提升系统稳定性。

41、在更换器件和光线插入损耗变化后，只需将改变的器件参数带入模型，计算得到测量系统的频率响应特性和线性工作范围以实现校准，无需在实验室条件下使用矢量网络分析仪、信号发生器、示波器等昂贵设备进行标定，显著降低了对测量系统进行校准的成本和难度，本发明的开环校准方法具备简单易行、成本低、效果显著的优点。

42、2、本发明的开环校准方法针对测量系统中频域特性影响比较明显的天线和运算放大电路进行频域等效建模，简单易行。并且通过对天线和运算放大电路建模的进一步细化，能够进一步提升频域模型的精度，扩展性强。

43、3、本发明的开环校准方法，根据实测的输入输出数据，使用查表法对非线性器件进行建模，搭建测量系统的时域模型，获取其线性工作范围。使用查表法对非线性器件进行建模简化了复杂的数学模型，计算速度快、适应范围广且通过增加或减少数据点的数量，可以控制模型的精确度。