CN105865623A - 一种用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，包括光纤采光头、采集传输光纤、光电检测处理单元，光纤采光头安装于采集传输光纤前端，采集传输光纤安装于光电检测处理单元前端，光电检测处理单元连接至高压系统，高压系统为大功率微波源供电；本系统基于击穿光物理特性诊断，设计了针对传输链路易击穿位置的快速光电检测和处理判决，光纤采光头将采集的击穿光信号经采集传输光纤传输到光电检测处理单元，通过光电转换和处理判断，当光脉冲幅值超过比较阈值时，则送出保护光信号以及时关断高压系统，在大功率微波发生空气击穿初期实现微秒级的快速响应，提高了传统光电检测保护的有效性，最大限度地保证大功率微波系统的安全。
Description
技术领域
本发明涉及大功率微波技术，特别是一种用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统。
背景技术
大功率微波广泛应用于电子通信、等离子体加热、受控热核聚变、工业材料处理等领域，具有重要的应用前景。大功率微波源主要由高压电源提供初级能源，固态器件和电真空器件进行微波放大，传输链路完成能量的高效传递。由于系统通常工作在高能状态，系统各部分均可能发生击穿现象，比如系统状态不稳定、绝缘性能下降导致的微波源内部击穿；由于强场、环境温湿度不当、负载失配等因素诱导的传输链路空气击穿。发生严重击穿时，其热、力的冲击在几十个微秒内就可能导致输出窗损坏，进而使得系统崩溃或失效。
目前，通过对大功率微波源内部的关键电流信号进行采样检测，能够有效减小和避免内部击穿现象。但是对于传输链路空气击穿现象，一直缺乏有效的检测手段。由于传输链路中发生击穿的位置随机，击穿光的物理特性不明确，使得基于光电检测式的技术手段没有取得较好的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，基于击穿光物理特性诊断，设计了针对传输链路易击穿位置的快速光电检测和处理判决，在大功率微波发生空气击穿初期的数微秒时间内，切断高压供电，通过微秒级的快速响应，提高了传统光电检测保护的有效性，最大限度地保证大功率微波系统的安全。
本发明的技术方案如下：
一种用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：包括光纤采光头、采集传输光纤、光电检测处理单元，光纤采光头安装于采集传输光纤的前端，采集传输光纤安装于光电检测处理单元的前端，光电检测处理单元连接至高压系统，高压系统连接至大功率微波源；光纤采光头从波导开孔处采集到的击穿光信号经过采集传输光纤传输到光电检测处理单元，通过光电转换和处理判断，当击穿光信号的光脉冲幅值超过比较阈值时，则送出保护光信号，及时关断高压系统，实现保证大功率微波系统安全的目的。
所述击穿光信号是通过空气击穿光物理特性诊断获得，在空气击穿光物理特性诊断过程中可获取传输链路中易被击穿位置和击穿光的物理特性。
在传输链路中，波导开孔观测的位置，可选择三相点和场强集中区域。例如：输出窗、90°转弯处、渐变段等位置，都属于易发生空气击穿的位置。
所述波导开孔的孔径稍大于光纤采光头的外径，同时采光端面的平整能提高采光准直性和探测灵敏度；光纤采光头的长度不介入传输波导，这样不会对电磁波产生扰动。击穿光的物理特性分别通过光功率计、CCD式高速光谱仪、高速光电器件诊断其功率大小、光谱范围和时域特性。
所述光纤采光头为准直型光纤采光头。
所述采集传输光纤采用大芯径紫外石英光纤，具备大的芯径，提高采集和导光能力。仿真结果和试验测试都表明，常见的空气击穿光谱集中在紫外频段，通过优化光纤能尽量减小传输损耗。
所述光电检测处理单元采用光电探测器实现，光电探测器的响应带宽和光谱范围与获得的击穿光的物理特性匹配，达到最佳的探测效果。
本系统通过采样比较脉冲幅值，超过阈值时则送出保护光信号，及时关闭高压供电保证大功率微波系统的安全。为了提高检测判断的准确性和有效性，一方面需要通过后续的信号处理，排除链路中背景光的影响，还要设置合理的判决机制和提高电磁兼容效果，减小系统环境影响以降低误保护概率。
本发明的有益效果如下：
本发明是基于光电检测实现对大功率微波源链路的空气击穿检测保护，相比于传统检测方案，经过试验多次验证，具有较高的准确性和有效性，能在数微秒的时间内快速切断高压系统，能够适用于各种频段的大功率微波系统，具备普适性。
附图说明
图1为本发明的大功率微波空气击穿的快速检测保护系统示意图。
图中，附图标记为：光纤采光头，2采集传输光纤，3光电检测处理单元。
具体实施方式
如图1所示，首先利用根据大功率微波源传输链路的特点，选取传输链路中易击穿位置开孔作为检测点，开孔的方式尽量不影响微波的传输，然后通过CCD式光谱仪、高速光电器件诊断测试击穿弧光的光谱、时域特性，为后续光电探测器的选型提供参考依据。
采集到的击穿光经过光纤传输，进入光电检测处理单元。首先通过快速光电探测器完成光电转换后，弱信号再经过跨阻放大得到光脉冲。通过采样打火脉冲的幅值，并不断与阈值进行比较。在信号处理方面，尽量考虑背景光和系统环境的影响。光电检测单元送出的保护光信号，接入大功率微波系统的高压系统，当链路出现空气击穿并超过阈值时，快速的切断高压系统，保护大功率微波系统的安全。
Claims (8)
1.一种用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：包括光纤采光头、采集传输光纤、光电检测处理单元，光纤采光头安装于采集传输光纤的前端，采集传输光纤安装于光电检测处理单元的前端，光电检测处理单元连接至高压系统，高压系统连接至大功率微波源；光纤采光头从波导开孔处采集到的击穿光信号经过采集传输光纤传输到光电检测处理单元，通过光电转换和处理判断，当击穿光信号的光脉冲幅值超过比较阈值时，则送出保护光信号以及时关断高压系统，保证大功率微波系统安全工作。
2.根据权利要求1所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：所述击穿光信号是通过空气击穿光物理特性诊断获得；在所述空气击穿光物理特性诊断过程中获取传输链路中易被击穿位置和击穿光的物理特性。
3.根据权利要求1或2所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：在传输链路中，波导开孔的观测位置选择三相点和场强集中区域。
4.根据权利要求3所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：所述波导开孔的孔径大于光纤采光头的外径，同时波导开孔的端面平整。
5.根据权利要求2所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：所述空气击穿光物理特性诊断中，通过光功率计、CCD式高速光谱仪、高速光电器件分别诊断击穿光的功率大小、光谱范围和时域特性。
6.根据权利要求1所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：所述光纤采光头为准直型光纤采光头。
7.根据权利要求1所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：所述采集传输光纤采用大芯径紫外石英光纤。
8.根据权利要求2或5所述的用于大功率微波空气击穿的快速检测与保护系统，其特征在于：所述光电检测处理单元采用光电探测器实现，光电探测器的响应带宽和光谱范围与获得的所述击穿光的物理特性匹配。
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