CN104914320A - 一种电磁耦合综合探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁耦合综合探测装置，包括：电场变化测量仪、磁场电场变化探测仪和处理器，电场变化测量仪包括：感应至少一次回击闪电，以获取电荷量，根据电荷量和生成电流，根据电流计算得到电压，将电压传输至处理器，磁场电场变化探测仪感应至少一次回击闪电产生的变化磁场，根据变化磁场生成感应电压，对感应电压进行放大，并传输至处理器，处理器用于根据电压生成至少一次回击闪电的电场变化波形，根据放大后的感应电压生成至少一次回击闪电的电流波形。通过本发明的技术方案，可实现对闪电放电产生的低频电场、低频磁场进行综合探测。

Description

一种电磁耦合综合探测装置

技术领域

本发明涉及闪电监测技术领域，具体而言，涉及一种电磁耦合综合探测装置。

背景技术

闪电是发生在大气中的一种强放电现象，闪电就其通道能否到达地面分为云闪和地闪，云闪通常发生在雷暴云闪的主正负电荷区之间，也有一部分发生几率较低的云闪发生在云和空气之间以及云间。地闪按照其先导向地面转移的电荷的极性分为正地闪和负地闪。地闪的峰值电流一般是几千安培，有时甚至超过100千安培，其强大的瞬时电流及其所伴随的高温、冲击波和强烈的电磁辐射效应可对人畜、电力和地面建筑等造成严重的威胁和损害，对人类的生命财产造成很大的危害。

因此，雷电灾害已被联合国列为最严重的十大自然灾害之一，我国是雷电灾害频繁发生的地区，根据气象局发布的数据显示雷电灾害已上升到我国自然灾害的第三位，有必要发展对闪电进行研究和定位跟踪的仪器，研究闪电发生和发展的机理，对雷电防护和预警减灾给予一定的理论指导及技术支持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够对闪电低频电场、低频磁场进行综合探测的装置。

为此目的，本发明提出了一种电磁耦合综合探测装置，包括：

电场变化测量仪、磁场电场变化探测仪和处理器，

所述电场变化测量仪包括：平板天线和电场探测电路，

其中，所述平板天线设置于待测环境中，用于感应至少一次回击闪电，以获取至少一个电荷量，根据所述至少一个电荷量和生成至少一个电流，将所述至少一个电流传输至所述电场探测电路；

所述电场探测电路用于根据所述至少一个电流计算得到至少一个电压，将所述至少一个电压传输至所述处理器，

所述磁场电场变化探测仪包括：正交环形天线和磁场电场探测电路，

其中，所述正交环形天线设置于所述待测环境中，用于感应所述至少一次回击闪电产生的至少一个变化磁场，根据所述至少一个变化磁场生成至少一个感应电压，将所述至少一个感应电压传输至所述磁场电场探测电路，

所述磁场电场探测电路用于对所述至少一个感应电压进行放大，并传输至所述处理器，

所述处理器用于根据所述至少一个电压生成所述至少一次回击闪电的电场变化波形，根据放大后的至少一个感应电压生成所述至少一次回击闪电的电流波形。

优选地，所述电场探测电路包括：

第一电阻，第一端连接至所述平板天线，第二端连接至第二电阻的第一端、电容的第一端和第一运算放大器的同相端；

所述第二电阻，第二端连接至所述第一运算放大器的输出端；

所述电容，第二端连接至所述第一运算放大器的输出端；

所述第一运算放大器，输出端连接驱动电路的输入端；

所述驱动电路，输出端连接至限流电阻的第一端；

所述限流电阻，第二端连接至第一同轴电缆。

优选地，还包括：

所述第一同轴电缆和三通接头，所述第一同轴电缆通过所述三通接头连接至所述处理器，

其中，所述第一同轴电缆的电阻为50Ω，所述三通接头与所述第一同轴电缆对应的接头设置有50Ω的匹配头。

优选地，所述平板天线获取到的电荷通过所述第一电阻为电容充电，充电时间小于预设值。

优选地，在所述电容的电荷量达到最大值后，所述第二电阻、电容和第一运算放大器组成的回路向所述第二电阻放电，放电时间为2ms。

优选地，所述正交环形天线包括：

同轴线圈和磁芯，其中，所述磁芯为软磁材料，所述同轴线圈缠绕于所述磁芯。

优选地，所述磁场电场探测电路包括：

第三电阻，第一端连接至所述同轴线圈的第一端，第二端连接至所述同轴线圈的第二端；

第二运算放大器，同相端连接至所述第三电阻的第一端，反相端连接至所述第三电阻的第二端；

第四电阻，第一端连接至所述第二运算放大器的正电源端，第二端连接至所述第二运算放大器的负电源端；

第五电阻，第一端连接至所述第二运算放大器的输出端，第二端连接至第三运算放大器的同相端；

第六电阻，第一端接地，第二端连接至所述第三运算放大器的反相端；

第七电阻，第一端连接至所述第三运算放大器的同相端，第二端连接至所述第三运算放大器的输出端；

所述第三运算放大器，输出端连接至第二同轴电缆和第三同轴电缆，

其中，所述第二同轴电缆和第三同轴电缆连接至所述处理器，所述第二同轴电缆传输东西方向的信号，所述第三同轴电缆传输南北方 向的信号。

优选地，所述磁场电场探测电路还包括：

高通滤波器，第一端连接至所述第三运算放大器的输出端，第二端连接至所述第二同轴电缆和所述第三同轴电缆，

其中，所述高通滤波器的截止频率为340Hz。

优选地，所述正交环形天线的3dB带宽为3kHz至330kHz。

优选地，还包括：

GPS蘑菇头天线，连接至GPS接收机，用于接收全球定位系统的时间信息；

GPS接收机，连接至所述处理器，接收来自所述GPS蘑菇头天线的全球定位系统的时间信息，

其中，所述电场变化测量仪在检测到所述待测环境中的电场高于触发阈值时，向所述处理器发送中断信息，所述处理器向所述GPS接收机发送中断信息，所述GPS接收机在接收到中断信息时，获取全球定位系统的时间信息中的时间，将获取到的时间反馈给所述处理器，作为所述待测环境电场变化的时间戳。

通过上述技术方案，可实现对闪电放电产生的低频电场、低频磁场进行综合探测。其中主要部件构造简单，占用空间较小，便于安装，为研究闪电的电磁辐射、放电能量、通道电流以及防雷提供了一种具有突破性的探测手段。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的电磁耦合综合探测装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的电场变化探测仪的电路示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的磁场电场变化探测仪的电路示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的正交环形天线的3dB带宽示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，根据本发明一个实施例的电磁耦合综合探测装置，包括：

电场变化测量仪1、磁场电场变化探测仪2和处理器3，

电场变化测量仪1包括：平板天线11和电场探测电路12，

其中，平板天线11设置于待测环境中，具体可以通过绝缘棒固定于支撑座中央，并通过铜棒与电场探测电路12连接，

用于感应至少一次回击闪电，以获取至少一个电荷量，根据至少一个电荷量和生成至少一个电流，将至少一个电流传输至电场探测电路12；

电场探测电路12用于根据至少一个电流计算得到至少一个电压，将至少一个电压传输至处理器3，

磁场电场变化探测仪2包括：正交环形天线21和磁场电场探测电路22，

其中，正交环形天线21设置于待测环境中，用于感应至少一次回击闪电产生的至少一个变化磁场，根据至少一个变化磁场生成至少一 个感应电压，将至少一个感应电压传输至磁场电场探测电路22，

磁场电场探测电路22用于对至少一个感应电压进行放大，并传输至处理器3，

处理器3用于根据至少一个电压生成至少一次回击闪电的电场变化波形，根据放大后的至少一个感应电压生成至少一次回击闪电的电流波形。处理器3中设置有多通道数据采集板卡，电场探测电路12通过第一同轴电缆与多通道数据采集板卡的一个输入通道连接，而磁场电场探测电路22则通过第二同轴电缆和第三同轴电缆与多通道数据采集板卡的两个输出通道连接。

电磁耦合综合探测装置还可以包括显示器6和存储器7，通过显示器6可以显示电场探测电路12计算得到至少一个电压，以及至少一次回击闪电的电场变化波形，和至少一次回击闪电的电流波形。而通过存储器7则可以存储得到的数据，以便于作为历史数据进行比较。

通过本实施例的技术方案，可实现对闪电放电产生的低频电场、低频磁场进行综合探测。其中主要部件构造简单，占用空间较小，便于安装，为研究闪电的电磁辐射、放电能量、通道电流以及防雷提供了一种具有突破性的探测手段。

如图2所示，优选地，电场探测电路12包括：

第一电阻121，第一端连接至平板天线11，第二端连接至第二电阻122的第一端、电容的第一端和第一运算放大器的同相端；

第二电阻122，第二端连接至第一运算放大器123的输出端； 

电容124，第二端连接至第一运算放大器123的输出端； 

第一运算放大器123，输出端连接驱动电路125的输入端； 

驱动电路125，输出端连接至限流电阻126的第一端； 

限流电阻126，第二端连接至第一同轴电缆。

其中，平板天线11暴露在待测环境中，当待测环境中存在闪电时，会导致待测环境的电场发生变化。由于平板天线11为板状，一方面可以等效为平板电容器，另一方面可以提高感应闪电的面积。平 板天线11感应到的闪电的电荷量Q＝EAε₀(其中，CiRi<<RC)，闪电的变化产生的电流信号为                                                  经过第二电阻122和电容124组成的积分电路后输出电压V₀＝ΔEAε₀/C，其中E为电场强度，A为天线面积，ε₀为空气介电常数，C为电容124的电容值，Ci为输入电容值(即平板天线与地之间的电容)，Ri为第一电阻121的电阻值。

闪电回击电流信号经同轴电路和第一电阻121向电容124速充电，充电时间为RiC，当信号充到最大值后，由第二电阻122(阻值为R)、电容124和第一运算放大器123组成的放电电路向第二电阻122放电，放电时间常数为RC。

优选地，还包括：

第一同轴电缆和三通接头，第一同轴电缆通过三通接头连接至处理器，

其中，第一同轴电缆的电阻为50Ω，三通接头与第一同轴电缆对应的接头设置有50Ω的匹配头。

优选地，平板天线11获取到的电荷通过第一电阻121为电容124充电，充电时间小于预设值。将RiC设置的较小，可以提高带宽较宽的响应信号的速度越。

优选地，在电容124的电荷量达到最大值后，第二电阻122、电容124和第一运算放大器123组成的回路向第二电阻放电，放电时间为2ms。因一次云对地放电可产生一到十几次回击，而且闪电回击的持续时间从几十微妙到几毫秒，选取放电时间常数RC＝2ms，可以准确测量闪电回击的速电场变化波形。

优选地，正交环形天线21包括：

同轴线圈211和磁芯212，其中，磁芯212为软磁材料，同轴线圈211缠绕于磁芯212，通过在同轴线圈211中设置磁芯212，可以提高同轴线圈211的电磁感应强度，以便产生较强的信号，便于后续 分析运算。

如图3所示，优选地，磁场电场探测电路22包括：

第三电阻221，第一端连接至同轴线圈211的第一端，第二端连接至同轴线圈211的第二端；即第三电阻221与正交环形天线21为并联关系，可以起到斩波作用，通过第三电阻221的斩波作用，可以在增加同轴线圈211响应增益的同时，对同轴线圈211的自身共振特性进行抑制，

第二运算放大器222，同相端连接至第三电阻221的第一端，反相端连接至第三电阻221的第二端； 

第四电阻224，第一端连接至第二运算放大器222的正电源端，第二端连接至第二运算放大器222的负电源端； 

第五电阻225，第一端连接至第二运算放大器222的输出端，第二端连接至第三运算放大器223的同相端； 

第六电阻226，第一端接地，第二端连接至第三运算放大器223的反相端；

第七电阻227，第一端连接至第三运算放大器223的同相端，第二端连接至第三运算放大器223的输出端； 

第三运算放大器223，输出端连接至第二同轴电缆和第三同轴电缆，

其中，第二同轴电缆和第三同轴电缆连接至处理器3，第二同轴电缆传输东西方向的信号，第三同轴电缆传输南北方向的信号，第二同轴电缆和第三同轴电缆不能交叉使用。

同轴线圈211的两端暴露在环境中磁场B中，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在线圈两端感应出电压V,电压的大小与磁场的时间变化率以及线圈的形状参数相关，即   其中，n是线圈的匝数，A为线圈的截面面积，B为磁场强度，Φ是磁通量，经过频率域的变化后得到输出电压与磁场强度的比值是磁场变化频率的函数，即V/B＝nAω，其中ω是磁场变化的角频率。

通过第二运算放大器222可以对信号进行初步放大，得到期望的频率响应特征，即带宽，然后再经过第三运算放大器223进行再次放大，得到期望的带宽放大系数。

优选地，磁场电场探测电路22还包括：

高通滤波器228，第一端连接至第三运算放大器223的输出端，第二端连接至第二同轴电缆和第三同轴电缆，

其中，高通滤波器228的截止频率为340Hz。为了消除工频(50Hz)噪声影响，第三运算放大器223的输出可以经过一个高通滤波器(例如由一个串联电容和一个接地电阻组成)，其设计截止频率为340Hz，以进行高通滤波。

如图4所示，优选地，正交环形天线21的3dB带宽为3kHz至330kHz。

一般地，闪电电磁信号在地球-电离层波导空间中远距离传播的主要能量集中在甚低频(3-30kHz)到低频(30-300kHz)波段，将正交环形天线21的3dB带宽设计在3-330kHz，可以有效地捕捉云-地放电过程中的多次回击，并用于遥感闪电回击(持续时间从几十微妙到几毫秒)的电流波形。此外，该波段的磁信号也可以反映出云闪中正、负极性先导过程的梯级传播特征，以及K过程(发生在地闪回击之间或最后一个回击之后以及云闪后期相对小的快电场变化)等放电过程

优选地，还包括：

GPS蘑菇头天线4，连接至GPS接收机5，用于接收全球定位系统的时间信息；

GPS接收机5，连接至处理器3，接收来自GPS蘑菇头天线4的全球定位系统的时间信息，

其中，电场变化测量仪1在检测到待测环境中的电场高于触发阈值时，向处理器3发送中断信息，处理器3向GPS接收机5发送中 断信息，GPS接收机5在接收到中断信息时，获取全球定位系统的时间信息中的时间，将获取到的时间反馈给处理器3，作为待测环境电场变化的时间戳。从而方便地统计环境中大气电场变化，也即闪电回击发生的时刻，方便用户进行关联查阅。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到现有技术中，难以方便且准确地探测闪电的电测信号。通过本申请的技术方案，可实现对闪电放电产生的低频电场、低频磁场进行综合探测。其中主要部件构造简单，占用空间较小，便于安装，为研究闪电的电磁辐射、放电能量、通道电流以及防雷提供了一种具有突破性的探测手段。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁耦合综合探测装置，其特征在于，包括：

电场变化测量仪、磁场电场变化探测仪和处理器，

所述电场变化测量仪包括：平板天线和电场探测电路，

其中，所述平板天线设置于待测环境中，用于感应至少一次回击闪电，以获取至少一个电荷量，根据所述至少一个电荷量和生成至少一个电流，将所述至少一个电流传输至所述电场探测电路；

所述电场探测电路用于根据所述至少一个电流计算得到至少一个电压，将所述至少一个电压传输至所述处理器，

所述磁场电场变化探测仪包括：正交环形天线和磁场电场探测电路，

其中，所述正交环形天线设置于所述待测环境中，用于感应所述至少一次回击闪电产生的至少一个变化磁场，根据所述至少一个变化磁场生成至少一个感应电压，将所述至少一个感应电压传输至所述磁场电场探测电路，

所述磁场电场探测电路用于对所述至少一个感应电压进行放大，并传输至所述处理器，

所述处理器用于根据所述至少一个电压生成所述至少一次回击闪电的电场变化波形，根据放大后的至少一个感应电压生成所述至少一次回击闪电的电流波形。

2.根据权利要求1所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，所述电场探测电路包括：

第一电阻，第一端连接至所述平板天线，第二端连接至第二电阻的第一端、电容的第一端和第一运算放大器的同相端；

所述第二电阻，第二端连接至所述第一运算放大器的输出端；

所述电容，第二端连接至所述第一运算放大器的输出端；

所述第一运算放大器，输出端连接驱动电路的输入端；

所述驱动电路，输出端连接至限流电阻的第一端；

所述限流电阻，第二端连接至第一同轴电缆。

3.根据权利要求2所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，还包括：

所述第一同轴电缆和三通接头，所述第一同轴电缆通过所述三通接头连接至所述处理器，

其中，所述第一同轴电缆的电阻为50Ω，所述三通接头与所述第一同轴电缆对应的接头设置有50Ω的匹配头。

4.根据权利要求2所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，

所述平板天线获取到的电荷通过所述第一电阻为电容充电，充电时间小于预设值。

5.根据权利要求4所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，

在所述电容的电荷量达到最大值后，所述第二电阻、电容和第一运算放大器组成的回路向所述第二电阻放电，放电时间为2ms。

6.根据权利要求1所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，所述正交环形天线包括：

同轴线圈和磁芯，其中，所述磁芯为软磁材料，所述同轴线圈缠绕于所述磁芯。

7.根据权利要求6所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，所述磁场电场探测电路包括：

第三电阻，第一端连接至所述同轴线圈的第一端，第二端连接至所述同轴线圈的第二端；

第二运算放大器，同相端连接至所述第三电阻的第一端，反相端连接至所述第三电阻的第二端；

第四电阻，第一端连接至所述第二运算放大器的正电源端，第二端连接至所述第二运算放大器的负电源端；

第五电阻，第一端连接至所述第二运算放大器的输出端，第二端连接至第三运算放大器的同相端；

第六电阻，第一端接地，第二端连接至所述第三运算放大器的反相端；

第七电阻，第一端连接至所述第三运算放大器的同相端，第二端连接至所述第三运算放大器的输出端；

所述第三运算放大器，输出端连接至第二同轴电缆和第三同轴电缆，

其中，所述第二同轴电缆和第三同轴电缆连接至所述处理器，所述第二同轴电缆传输东西方向的信号，所述第三同轴电缆传输南北方向的信号。

8.根据权利要求7所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，所述磁场电场探测电路还包括：

高通滤波器，第一端连接至所述第三运算放大器的输出端，第二端连接至所述第二同轴电缆和所述第三同轴电缆，

其中，所述高通滤波器的截止频率为340Hz。

9.根据权利要求6所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，所述正交环形天线的3dB带宽为3kHz至330kHz。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电磁耦合综合探测装置，其特征在于，还包括：

GPS蘑菇头天线，连接至GPS接收机，用于接收全球定位系统的时间信息；

GPS接收机，连接至所述处理器，接收来自所述GPS蘑菇头天线的全球定位系统的时间信息，

其中，所述电场变化测量仪在检测到所述待测环境中的电场高于触发阈值时，向所述处理器发送中断信息，所述处理器向所述GPS接收机发送中断信息，所述GPS接收机在接收到中断信息时，获取全球定位系统的时间信息中的时间，将获取到的时间反馈给所述处理器，作为所述待测环境电场变化的时间戳。