CN103134997A - 一种基于光学原理的雷电探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光学原理的雷电探测装置，该装置是由光学链路组成，包括探测控制中心、光纤、和传感探头。探测控制中心包括激光器、光电探测器、数字示波器，激光器发出的光经光纤传输到传感探头，传感探头内包括电光/磁光晶体，光被转变为线偏振光后以两个相互垂直的线偏振光波的形式传播，将从电光/磁光晶体出射的光的偏振态变化转化成出射光强的变化后被光电探测器探测，探测到的电磁场的信号在数字示波器上观测到。本发明的优点在于：该装置的传感探头或测站完全是由无源的光学器件构成，具有体积小、重量轻、响应迅速、不受电磁干扰、测量动态范围大、无需供电和通讯系统等优点。

Description

一种基于光学原理的雷电探测装置

技术领域

本发明涉及一种基于光学原理的雷电探测装置，属于雷电探测技术领域。

背景技术

雷电发生时，会产生巨大的回击电流和电磁脉冲辐射。除了直击雷的危害之外，由雷电引发的热效应、电动力效应、机械效应、冲击波效应、静电感应效应以及电磁场效应等，已经越来越严重地影响着电力、石化、通讯、交通、航空、微电子等行业的发展。特别是在军事、航空领域，雷电的危害更大，直接关系着空中飞行器的安全，是飞机及航天器升空的重要参考数据。因此，各个行业领域的安全生产都需要对雷电进行精确的探测和预警，雷电防护已经成为世界各国公共安全领域面临的重要课题。

雷电探测通常的方法是测量雷电辐射的声、光、电磁场特性来测量闪电的参数。由于声音信号的延迟较大，因而很少被利用。闪电的光信号受地形、大气环境等衰减较快，因此探测精度和效率往往不高。雷电的电磁场特性一直伴随着雷电的产生、发展、消亡的整个过程，能提取出大量丰富的信息，同时雷电辐射的电磁场能传播很远的距离，适合远距离的探测和预警。

目前雷电电磁场的探测都是探测大气静电场以及闪电辐射的电磁脉冲，不同频段的脉冲信号又采用不同的探测手段。但它们的传感探头都是采用金属板、天线或线圈来接收电磁场信号，因此传感器的响应速度较慢，能探测的信号带宽较窄。同时这种方法的测站还需要有源的电子器件进行信号处理，需要配备电力、通讯设施，易受电磁干扰。

发明内容

本发明提供了一种基于光学原理的雷电探测装置，目的是解决传统雷电测量装置的体积大、易受电磁干扰、测量带宽窄、方位角测量精度低、在闪电通道附近测量易饱和、需要同时配备供电系统和通讯设备等缺点。

本发明是基于某种材料的电光/磁光效应的光学探测系统。电磁场作用在这些感应材料上，在感应材料中射入线偏振光并在其中以两个相互垂直的线偏振光波的形式传播，该光波在贯穿感应材料后被探测。通过电光/磁光效应可以在这些材料中感应出与电磁场有关的双折射，因此，从这些材料中出射的光的偏振态将成比例的随电磁场强度的变化而变化。为了使电磁场强度的变化得到更加直观的表征，通常又将出射光的偏振态的变化转化成出射光强的变化。这一光学的探测系统能够应用于许多场合的电磁场探测。

本发明根据上述原理提供了一种基于光学原理的雷电探测装置，该装置是由光学链路组成，包括探测控制中心、光纤、和传感探头。探测控制中心包括激光器、光电探测器、数字示波器，激光器发出的光经光纤传输到传感探头，传感探头内包括电光/磁光晶体，光被转变为线偏振光后以两个相互垂直的线偏振光波的形式传播，将从电光/磁光晶体出射的光的偏振态变化转化成出射光强的变化后被光电探测器探测，探测到的电磁场的信号在数字示波器上观测到。

这一光学的雷电探测装置能实现大气静电场的强度、极性或雷电辐射电磁脉冲的强度、极性、方位等探测功能。

作为优化的例子，所述传感探头的电光/磁光晶体的光出射一侧加入八分之一波片或四分之一波片。

作为进一步可以优化的方案，所述电光/磁光晶体由两块完全相同的电光/磁光晶体和一块二分之一波片组成，第一块电光/磁光晶体的快慢轴相对于第二块电光/磁光晶体旋转180°放置，它们之间加入二分之一波片。

本发明的优点在于：不仅提供了一种光学雷电探测装置，而且在此基础上提供了光学雷电电磁场探测与定位的解决方案。与传统的设备相比，光学雷电探测装置不仅可以当作大气电场仪对雷电作前期的预报预警，又可以测量闪电发生时辐射的各个波段的电磁脉冲，实现闪电的高精度测向和定位。该装置的传感探头或测站可以与控制中心拉远分离，用于闪电通道中心或附近的电磁场测量。该装置的传感探头或测站完全是由无源的光学器件构成，具有体积小、重量轻、响应迅速、不受电磁干扰、测量动态范围大、无需供电和通讯系统等优点。因此，本发明提供的光学雷电探测定位装置的传感探头或测站的安装可以不受地势限制，能方便地安装在任何地形或建筑物上，特别是可以方便、安全地装载到卫星和各种飞行器上。

附图说明

图1是基于光学原理的雷电探测装置透射式链路结构示意图。

图2是透射式链路结构中的光学传感探头的结构示意图。

图3是基于光学原理的雷电探测装置的第一种反射式链路结构示意图。

图4是第一种反射式链路结构中的光学传感探头结构示意图。

图5是基于光学原理的雷电探测装置的第二种反射式链路结构示意图。

图6是第二种反射式链路结构中的光学传感探头结构示意图。

图7a是第一种优化线性度的光学传感探头结构示意图。

图7b是第二种优化线性度的光学传感探头结构示意图。

图8是优化温度稳定性的光学传感探头结构示意图。

图9是基于测量电磁场的方向来确定雷电方向的实施例示意图。

图10是基于干涉法确定雷电方向的实施例示意图。

具体实施方式

本发明装置可以采用透射式的光学链路，也可以采用反射式的光学链路。以下实施例一采用的是透射式的光学链路，实施例二和三采用的是反射式的光学链路。

实施例一

如图1和图2所示，本发明基于光学原理的雷电探测装置包括探测控制中心1、传输光纤2和传感探头3。

探测控制中心1包括激光器11、光电探测器12、数字示波器13。

传感探头3包括第一准直透镜31、起偏器32、电光/磁光晶体33、检偏器34、第二准直透镜35。

由激光器11产生的光经传输光纤2传输到传感探头3，光首先经准直透镜31后进入起偏器32，在起偏器32的作用下变成与电光/磁光晶体33光轴成45度角的线偏振光，电光/磁光晶体33在电场或磁场的作用下，光在电光/磁光晶体33中发生双折射，分别沿电光/磁光晶体33的快轴和慢轴传播，光的相位差φ将随着电场或磁场强度的大小线性地变化。

，其中n_o是材料一个轴的折射率、γ_ij是材料的电光/磁光系数，E是电场或磁场强度、l为材料的有效通光长度、λ是激光波长，光从电光/磁光晶体33出射后通过的光的偏振态会发生改变，偏振态改变后的光经过检偏器34后，光的强度会发生相应的改变，强度改变的大小与电光/磁光晶体33所处位置的电磁场大小成正比，检偏器34输出的光经过第二准直透镜35后到达探测控制中心1的光电探测器12，将光信号转化成电信号，然后输入至数字示波器13，则被测电磁场的信号就能在数字示波器13上观测到。

实施例二

如图3和图4所示，本发明基于光学原理的雷电探测装置包括探测控制中心10、传输光纤20和传感探头30。

探测控制中心10包括激光器101、光电探测器102、数字示波器103。

传输光纤20包括光纤201和光纤环行器202。

传感探头30包括准直透镜301、偏振片302、电光/磁光晶体303、反射膜 304。

由激光器11产生的光首先经光纤环行器202的1-2端口传输到传感探头30，光首先经准直透镜301进入偏振片302，在偏振片302中起偏变成与电光/磁光晶体303光轴成45°角的线偏振光，电光/磁光晶体303在电场或磁场的作用下，光分别沿电光/磁光晶体303的快轴和慢轴传播，到达反射膜 304后返回至电光/磁光晶体303中，光从电光/磁光晶体303中出射的偏振态在电磁场的作用下已经发生了变化，再次经过偏振片302检偏得到光的强度将随着电场或磁场强度的大小线性地变化。反射光由准直透镜301返回至入射时的同一根光纤，并经光纤环行器202的2-3端口传输到光电探测器102；将光信号转化成电信号，然后输入至数字示波器103，被测电磁场的信号就能在数字示波器103上观测到。

实施例三

如图5和图6所示，本发明基于光学原理的雷电探测装置包括探测控制中心100、传输光纤200和传感探头300。

探测控制中心100包括激光器110、光电探测器120、数字示波器130。

传输光纤200包括光纤210。

传感探头30包括准直透镜310、偏振片20、电光/磁光晶体330、角形反射器340。

由激光器110产生的光首先经光纤200传输到传感探头300，光首先经准直透镜310进入偏振片320，在偏振片320中起偏变成与电光/磁光晶体330光轴成45°角的线偏振光，电光/磁光晶体330在电场或磁场的作用下，光分别沿电光/磁光晶体330的快轴和慢轴传播，到达角形反射器340后经过角形反射器340的反射，返回至电光/磁光晶体330中，光从电光/磁光晶体330中出射的偏振态在电磁场的作用下已经发生了变化，再次经过偏振片320检偏得到光的强度将随着电场或磁场强度的大小线性地变化。反射光由准直透镜310返回至与入射时不同的另一根光纤200，并经光纤200传输到光电探测器120；将光信号转化成电信号，然后输入至数字示波器130，被测电磁场的信号就能在数字示波器130上观测到。

为了提高该光学雷电探测装置的传感探头的线性度和稳定性，在上述三个实施例的基础上，本发明还提供了一系列的传感探头结构的优化和变形。包括在传感探头的电光/磁光晶体的光出射一侧加入八分之一波片或四分之一波片来改变传感探头工作的偏置点，使其工作在线性区域。

如图7a所示，是在上述实施例一的传感探头30的电光/磁光晶体33的光出射端与检偏器34之间安装一四分之一波片36。如图7b所示，是在上述实施例二的传感探头30的电光/磁光晶体303的光出射端与偏振片302之间安装一八分之一波片306。

当然，一般技术人员可以很容易的根据需要选择八分之一波片或四分之一波片，并且应用并不只限于图中列出的两种。

在上述所有可能结构的基础上，本发明还提供一种温度补偿传感结构，如图8所示，是将电光/磁光晶体改进为由两块完全相同的电光/磁光晶体332、334和一块二分之一波片336组成。其中第一块电光/磁光晶体332的快慢轴相对于第二块电光/磁光晶体334旋转180°放置，它们之间加入二分之一波片336，这样入射光经过第一块电光/磁光晶体332的偏振态将被二分之一波片336旋转90°，进入第二块电光/磁光晶体334后光的快慢轴对调，由此可以消除由温度引起的信号不稳定。

下面结合本发明提供两种探测雷电的实施例。

第一种是基于测量电磁场的方向来确定雷电的方向，见图9所示，由激光器产生的光经传输光纤传输，经光纤分束器分配到测量不同电磁场分量的每一个传感探头上，光在传感探头上被电磁场信号调制后经传输光纤传输到光电探测器上，将光信号转化成电信号，再输入至示波器将电磁场信号显示出来。测量不同电磁场分量的传感探头是通过采用不同调制方式的电光/磁光晶体来实现的，彼此之间的场隔离度大于30dB。这样单个测站就可以同时探测电磁场三个方向的分量，实现电磁脉冲辐射方向的精确定向，能够完全消除方位角的不确定性，因此不仅能探测云地闪，同时还可以探测云闪，大大提高了探测效率和精确度。

第二种实施例是基于干涉法设计的，将雷电探测装置的传感探头组合成具有足够波程差并且正交排布的探头阵列，见图10。每个传感探头的输出通过传输光纤连接到对应的光电探测器，通过测量来波到达不同传感探头的相位差，并根据干涉原理可以计算出来波到达传感探头阵列的入射角，然后经简单的球面三角运算即可得到相应辐射源的方向角和仰角。这种定向测量方法相比于第一种方法，具有更加精确的定向精度，但这种方法通常只针对某一窄带雷电电磁脉冲信号的探测而设计。

本发明提供的光学雷电探测装置，不仅能够判定雷电的方向，也可以通过以下方法实施单站式雷电定位。

1) 利用不同频率电磁波在大气中的衰减不同，测量几个不同频率(一般在甚低频段)的天电信号的振幅，根据它们之间的比值来定距。

2) 利用天电波形中的甚低频(3～30kHz)和极低频(0.3～3kHz)两种成分在大气中的传播速度不同，测量这个时差就可以定距离。

3) 利用闪电辐射中某频率成分(极低频段)的电场和磁场分量在传播过程中受电离层和地磁场的不同影响测量这种相位差即可定距。

本发明提供的光学雷电探测装置可以替换传统的多站式雷电定位法中的测站单元，组建成多站式的光学雷电定位系统。这些多站式雷电定位系统包括通过确定两个或两个以上测站所定方位角相交来确定雷电方向和距离的方法；利用多站之间的时差法测量雷电方向和距离的方法；以及综合了上述两种方法的混合探测定位法。

该光学雷电探测装置中的传感探头及其改进后的结构都是由无源的光学元件组成。这些光学元件包括准直透镜、起偏器、检偏器、偏振片、波片、电光/磁光晶体、反射膜、角形反射器、旋光晶体等都是不包含任何金属结构的介质材料制成，因此该装置的光学传感探头具有很强的电磁干扰免疫力。其中电光/磁光晶体又具有响应速度极快、带宽极宽、电磁场饱和度极大等优点，因此该光学雷电探测装置与传统电学的探测装置相比，能够对雷电的电磁场信号有非常高的时间分辨率，能够探测从静电场到甚高频辐射场的雷电所有频段的电磁场信号，能够探测闪电通道中心或附近的超强电磁场信号。同时由于传感探头是无源的器件，所以无需额外配备电源系统。

该光学雷电探测装置的探测控制中心和电磁场传感探头之间完全是由光纤链路连接，光载波通过光纤可以传输到非常远的距离，具有很高的稳定性和非常小的损耗。因此该装置的传感探头可以拉到离探测控制中心非常远的距离，这样传感探头就可以拉到任意想测量雷电电磁场的位置，甚至是将其布置到闪电通道的附近，这样的布置就可以很容易地避免控制中心遭受雷电强电磁辐射的干扰。该光学雷电探测装置具有较好的探测灵敏度和非常高的探测饱和度，具有高达60dB的测量动态范围，可以实现0~300km范围内的雷电定向。方位角的定向范围是0~360°，同时能够区分探测云闪和云地闪的雷电电磁场脉冲信号。由于光学雷电探测装置具有超宽的探测频段，可以实现静电场到甚高频(300MHz)范围内各个频段的辐射源精确定向。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：包括探测控制中心、光纤、和传感探头，探测控制中心包括激光器、光电探测器、数字示波器，激光器发出的光经光纤传输到传感探头，传感探头内包括电光/磁光晶体，光被转变为线偏振光后以两个相互垂直的线偏振光波的形式传播，将从电光/磁光晶体出射的光的偏振态变化转化成出射光强的变化后被光电探测器探测，探测到的电磁场的信号在数字示波器上观测到。

2.如权利要求1所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传感探头包括第一准直透镜、起偏器、电光/磁光晶体、检偏器、第二准直透镜，光源首先经准直透镜后进入起偏器，在起偏器的作用下变成与电光/磁光晶体光轴成45度角的线偏振光，光在电光/磁光晶体中发生双折射，分别沿电光/磁光晶体的快轴和慢轴传播，光从电光/磁光晶体出射后经过检偏器，检偏器输出的光经过第二准直透镜后到达探测控制中心的光电探测器。

3.如权利要求1所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传感探头是反射式的。

4.如权利要求3所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传输光纤包括光纤和光纤环行器，传感探头包括准直透镜、偏振片、电光/磁光晶体、反射膜 ，由激光器产生的光首先经光纤环行器传输到传感探头，光首先经准直透镜进入偏振片，在偏振片中起偏变成与电光/磁光晶体光轴成45°角的线偏振光，光分别沿电光/磁光晶体的快轴和慢轴传播，到达反射膜后返回至电光/磁光晶体中，光从电光/磁光晶体出射后再次经过偏振片检偏，反射光由准直透镜返回至入射时的同一根光纤，并经光纤环行器传输到光电探测器。

5.如权利要求3所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传感探头包括准直透镜、偏振片、电光/磁光晶体、角形反射器，光首先经准直透镜进入偏振片，在偏振片中起偏变成与电光/磁光晶体光轴成45°角的线偏振光，光分别沿电光/磁光晶体的快轴和慢轴传播，到达角形反射器后经过角形反射器的反射，返回至电光/磁光晶体中，光从电光/磁光晶体中出射再次经过偏振片检偏，反射光由准直透镜返回至与入射时不同的另一根光纤，并经光纤传输到光电探测器。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传感探头的电光/磁光晶体的光出射一侧加入八分之一波片或四分之一波片。

7.如权利要求2所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传感探头的电光/磁光晶体的光出射端与检偏器之间安装一四分之一波片。

8.如权利要求4所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述传感探头的电光/磁光晶体的光出射端与偏振片之间安装一八分之一波片。

9.如权利要求1至5、7、8任一项所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述电光/磁光晶体由两块完全相同的电光/磁光晶体和一块二分之一波片组成，第一块电光/磁光晶体的快慢轴相对于第二块电光/磁光晶体旋转180°放置，它们之间加入二分之一波片。

10.如权利要求6所述的一种基于光学原理的雷电探测装置，其特征在于：所述电光/磁光晶体由两块完全相同的电光/磁光晶体和一块二分之一波片组成，第一块电光/磁光晶体的快慢轴相对于第二块电光/磁光晶体旋转180°放置，它们之间加入二分之一波片。

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