雷電電磁脈沖三維磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)初探

李 皖 周璧華 馬洪亮 劉培山 丁雅菲 徐 云

（解放軍理工大學(xué)電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210007）

引 言

磁定向定位法是實(shí)現(xiàn)地閃雷擊點(diǎn)定位的常用方法［1］.由于地閃放電通道可近似看作垂直于地面的電偶極子，通過測(cè)量電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可判定放電通道的方向［2］.基于此，采用磁定向定位法的探測(cè)站一般配有一副環(huán)面與地面垂直的正交環(huán)天線，兩個(gè)或兩個(gè)以上相距較遠(yuǎn)的探測(cè)站通過測(cè)量雷電電磁脈沖（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）磁場(chǎng)信號(hào)可確定雷擊點(diǎn)的位置.

但自然界的閃電能夠擊中地面的地閃不到三分之一，三分之二以上的是發(fā)生在雷暴云內(nèi)、云間以及云與空氣中的云閃［1］.即便是地閃，整個(gè)放電通道也非完全與地面垂直［3］，僅通過二維磁場(chǎng)測(cè)量獲得的信息尚不能完全描述閃電通道的位置.

為此，設(shè)計(jì)研制了三維磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，用面積相同且相互正交的正方形環(huán)天線同步接收雷電電磁脈沖磁場(chǎng)分量，以期全面測(cè)量包括云閃在內(nèi)的來自任意方向閃電放電通道電流產(chǎn)生的磁場(chǎng).為了與三維磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果形成對(duì)比，同時(shí)研制了二維磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng).磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)由前置磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量裝置，磁場(chǎng)信號(hào)傳輸系統(tǒng)及后置磁場(chǎng)信號(hào)采集、顯示和記錄設(shè)備等幾部分組成.經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，各系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果.

1 磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)研制

首先，設(shè)計(jì)了兩類磁場(chǎng)環(huán)天線，均采用內(nèi)外導(dǎo)體雙層結(jié)構(gòu).1）采用鋼管作為外護(hù)套兼支架，內(nèi)置線徑1mm的硬導(dǎo)線，導(dǎo)線兩端通過阻抗匹配電阻（50 Ω）電阻相連，稱I型環(huán)天線，如圖1（a）所示.2）采用聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）管作為外護(hù)套兼支架，內(nèi)置同軸電纜，電纜內(nèi)外導(dǎo)體間接50Ω匹配電阻，稱Ⅱ型環(huán)天線，如圖1（b）所示.兩種環(huán)天線都繞制成正方形.為了利用外導(dǎo)體的屏蔽作用降低測(cè)點(diǎn)周圍電場(chǎng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)避免外導(dǎo)體形成環(huán)路影響內(nèi)導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的接收，I型環(huán)天線在拐角處使用了PVC二通接頭，II型環(huán)天線在電纜芯線和外導(dǎo)體之間開有1cm寬的間隙［4］.

環(huán)天線等效電路如圖2所示，e（jω）為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，U（jω）為輸出電壓，Ri為內(nèi)阻可以忽略，L為電感［5］，R1和R2為50Ω 匹配電阻.

圖2 磁場(chǎng)環(huán)天線等效電路圖

設(shè)環(huán)天線面積為S，匝數(shù)為N，穿過環(huán)天線的法向磁通密度為B（jω），系統(tǒng)傳遞函數(shù)及低頻截止頻率表達(dá)式為

式中：RL＝R1＋R2＝100Ω.由公式（1）和（2）可知，環(huán)天線的靈敏度及測(cè)量帶寬與電感L有關(guān)，而L為匝數(shù)N和面積S的函數(shù).因此，為了確定環(huán)天線的實(shí)際參數(shù)，歸根到底是要弄清N和S對(duì)線圈響應(yīng)的影響，通過仿真放置在被測(cè)磁場(chǎng)中的環(huán)天線輸出［6］可以實(shí)現(xiàn)這一目的.

為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，所選的磁場(chǎng)源時(shí)域特性與實(shí)驗(yàn)室雷電磁場(chǎng)模擬器產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)一致，表達(dá)式為

式中：m＝2.0×103s-1；n＝1.0×106s-1；p＝1.3；B0＝200mT.歸一化波形如圖3所示.

圖3 模擬磁場(chǎng)源歸一化波形

放置環(huán)天線使其軸向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向重合，磁通量完全穿過被測(cè)線圈.對(duì)面積S為0.64m2和2.56m2，匝數(shù)N從1到3的環(huán)天線響應(yīng)情況做了仿真，波形以圖4示意.

由仿真結(jié)果可得［6-7］：

1）當(dāng)線圈面積相同而匝數(shù)不同時(shí)，隨著匝數(shù)的增加，環(huán)天線低頻截止頻率減小，通頻帶變寬.通頻帶增益變小，靈敏度降低.

2）當(dāng)線圈匝數(shù)相同而面積不同時(shí)，隨著面積的增大，環(huán)天線低頻截止頻率減小，通頻帶變寬.通頻帶增益變大，靈敏度提高.

3）環(huán)天線響應(yīng)輸出存在低頻失真現(xiàn)象。隨著匝數(shù)和面積的增加，低頻失真可以得到逐漸的改善.

依據(jù)仿真結(jié)果，綜合考慮環(huán)天線的靈敏度和測(cè)量頻帶，制作了四種環(huán)天線，編號(hào)從A到D，具體參數(shù)如表1所示.

表1 磁場(chǎng)環(huán)天線參數(shù)

環(huán)天線研制完成后，確定了環(huán)天線的組合方式，設(shè)計(jì)了兩種裝置結(jié)構(gòu).III型和IV型結(jié)構(gòu)分別用于二維磁場(chǎng)和三維磁場(chǎng)的測(cè)量［8-9］，如圖5所示.為統(tǒng)一起見，為每只環(huán)天線都做了編號(hào)。環(huán)天線No1、No2和No3分別沿xoz平面（南北向）、yoz平面（東西向）和xoy平面（水平向）正向放置，正面分別指向正東、正北和垂直向上三個(gè)方向.

最終設(shè)計(jì)研制了五套磁場(chǎng)測(cè)量裝置，編號(hào)從1到5，參數(shù)見表2.

表2 磁場(chǎng)測(cè)量裝置參數(shù)

2 磁場(chǎng)信號(hào)傳輸系統(tǒng)研制

與環(huán)天線相接的前置信號(hào)處理電路用于測(cè)量信號(hào)的接收、積分放大、非線性校正與補(bǔ)償.在本測(cè)量系統(tǒng)中，電路的積分時(shí)間常數(shù)選為40μs［8，10］.考慮到電路輸出的信號(hào)必須傳輸至幾十米以外的數(shù)據(jù)采集終端，為了避免信號(hào)在傳輸過程中受到外界干擾，分別采用全介質(zhì)光纜和雙層屏蔽同軸電纜傳輸信號(hào).光纜傳輸與電纜傳輸?shù)牟煌幵谟冢诠飧綦x技術(shù)，待輸出的電信號(hào)須由光發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后輸出，故兩者使用的電路板會(huì)有所不同，如圖6所示.動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明：兩種前置電路的低頻截止頻率均在10Hz以下，3dB帶寬的上限可達(dá)100MHz，不同通道的增益一致性較好，滿足雷電磁場(chǎng)的測(cè)量要求［8，10］.

3 磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

在前述研究基礎(chǔ)上構(gòu)建了六套LEMP磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖7所示，具體參數(shù)見表3.

表3 磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)

圖7 磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

為了進(jìn)一步檢測(cè)系統(tǒng)的性能，利用雷電磁場(chǎng)模擬器進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示.產(chǎn)生磁場(chǎng)的大線圈直徑為2.05m，其有效工作空間：1.2m×1.2m×1.6m，所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)參數(shù)可調(diào).信號(hào)的采集和存儲(chǔ)采用Tektronix 3034數(shù)字示波器，其帶寬為300MHz，采樣速率可達(dá)2.5GHz/s.

圖8 磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將被測(cè)環(huán)天線置于磁場(chǎng)模擬器正前方，使其軸向與模擬器線圈中心軸線重合，同時(shí)測(cè)量測(cè)點(diǎn)處模擬器產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)波形和環(huán)天線的輸出波形，以便觀察所測(cè)波形的失真情況，考查系統(tǒng)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍［8，10］.

經(jīng)對(duì)比，各環(huán)天線測(cè)得的磁場(chǎng)歸一化波形幾乎完全重合，但與模擬器在測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的磁場(chǎng)波形相比，存在低頻失真現(xiàn)象，這與以上仿真結(jié)果一致。采用MATLAB軟件包中的輸出誤差（Output Error，OE）系統(tǒng)辨識(shí)模型進(jìn)行校正，結(jié)果表明，這樣的低頻失真可予以校正［8，10］，如圖9所示.

從圖10所示的環(huán)天線動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線看，測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度較高，在測(cè)試范圍內(nèi)的線性度尚好.

考慮到所制作的環(huán)天線受加工工藝及水平的限制，未必能夠完全符合正交的要求，測(cè)量時(shí)每個(gè)環(huán)不僅可測(cè)其軸向的磁場(chǎng)，還會(huì)對(duì)另外兩個(gè)正交方向的磁場(chǎng)有響應(yīng)［6］，為此進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，各環(huán)對(duì)另兩個(gè)非正交方向磁場(chǎng)的互耦系數(shù)均小于1%，說明裝置正交性較好.

對(duì)采用不同材質(zhì)制作的I型和II型環(huán)天線在同等條件下測(cè)得的波形及數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，沒有發(fā)現(xiàn)其間的差別，兩種環(huán)天線測(cè)試結(jié)果一致，說明采用鋼管作為外護(hù)套兼支架對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果沒有影響［8，10］.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了兩種磁場(chǎng)環(huán)天線，對(duì)環(huán)天線的響應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了環(huán)天線的設(shè)計(jì)參數(shù).選擇了兩種信號(hào)傳輸方式，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的前置信號(hào)處理電路，同時(shí)構(gòu)建了LEMP二維和三維磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng).對(duì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和互耦系數(shù)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和研究，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的效果.

本文所進(jìn)行的工作畢竟還是初步的，下面還需要設(shè)置地閃模擬放電通道，通過定向效能評(píng)估實(shí)驗(yàn)等進(jìn)一步開展系統(tǒng)性能測(cè)試等研究，繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善.

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