CN108562800B - 纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法 - Google Patents

纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法，测量装置包括由FPGA构成的控制中枢和与控制中枢相联接的GPS模块、4G通信模块、探测单元；探测单元测量得到脉冲电磁场的辐射信号经模数转换模块转为数字测量信号，GPS模块获得测量点的时间信息和位置信息，4G通信模块将数字测量信号、时间信息、位置信息传输至远端的测试中心；本发明利用GPS模块的PPS信号触发GHz频率的计数器，并通过待测量电磁场辐射信号对计数器的停止进行触发，实现了脉冲辐射信号到达时刻的精确测量，结合GPS的时间和位置信息，最终得到了辐射信号幅值及产生的位置和准确时刻，为大面积雷电放电等领域脉冲辐射参数的准确测量和分析提供了支持。

Description

纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法
技术领域
本发明属于电磁脉冲测量与效应技术领域，特别是涉及一种脉冲电磁场辐射时空分布参数的测量装置及方法。
背景技术
雷电放电、局部放电和有意电磁干扰(IEMI)技术研究中，需要测量得到电磁场辐射时空分布参数，也就是需要测量辐射场分布的多个空间点上的辐射参数随时间的变化特性。
传统的有线测量系统由测量天线、光纤、电缆及示波器等组成，虽然采样率高、时基准确，但监测区域有限，同时存在布线困难、成本高等缺点，在雷击等复杂测量环境下很难发挥优势或无法应用。
目前对于大区域的雷电放电等电磁场辐射参数测量多采用无线测量系统，其由测量天线、单片机、GPS芯片、通信模块等组成，以单片机作为控制中心进行数据信息、时间信息的处理。通常情况下GPS授时到秒级精度，故无法满足对脉冲辐射参数的高精度时间分辨测量，尤其是当大区域的辐射场布设有多个探测器，需要同步测量得到每只探测器分布点的辐射参数随时间变化、并进行整个电磁场时域特性分析时，这种方法更是难以胜任。
发明内容
本发明的目的是研制一套具有纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置和测量方法，实现大面积雷电放电等领域的精确参数测量。
本发明的具体技术方案如下：
纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置，包括由FPGA构成的控制中枢和与控制中枢相联接的GPS模块、4G通信模块、探测单元；探测单元测量得到脉冲电磁场的辐射信号经模数转换模块转为数字测量信号，GPS模块获得测量点的时间信息和位置信息，4G通信模块将数字测量信号、时间信息、位置信息传输至远端的测试中心；
所述的控制中枢包括比较器、检测单元、计数单元、时钟单元、发送单元、时间缓存单元、位置缓存单元和数据缓存单元，所述的时钟单元为计数单元提供时钟基准；
所述的时间缓存单元获取并存储GPS模块的时间信息，位置缓存单元获取并存储GPS模块的位置信息；
所述的检测单元检测到GPS模块PPS信号的正跳变时，驱动计数器工作，再次检测到正跳变时，计数单元复位，并循环工作；
所述的模数转换模块输出的数字测量信号一路进入比较器，另一路进入数据缓存单元存储；比较器检测得到待测量辐射信号的上升沿时，输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心。
进一步的，探测单元包括电小天线、宽频带运放和差分电路，电小天线接收到电磁场的辐射信号后，经宽频带运放放大和单端转差分处理后得到电压信号，代表测点的电场强度。
进一步的，时钟单元的频率为1GHz。
一种利用纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量方法，包括以下步骤：
【1】脉冲电磁场辐射参数测量装置加电启动，4G通信模块与远端测试中心的服务器连接，GPS模块与卫星进行时钟时间及位置同步；
【2】测量装置接收到服务器发送的开始采集命令后，启动采集电路，进入待触发模式；
【3】GPS模块输出秒脉冲信号、时间信息和位置信息至控制中枢；
【4】检测单元对秒脉冲信号进行检测，当检测单元检测到秒脉冲信号出现正跳变时，启动计数单元进行计数，启动缓存单元对时间及位置信息进行缓存；当检测单元再次检测到秒脉冲信号正跳变时，复位计数单元并更新缓存单元信息，并循环进行；
【5】当被测量辐射信号到来时，比较器检测到上升沿触发信号时输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心；
【6】测试中心获得脉冲电磁场辐射参数，并根据时钟单元的频率和计数值，以及时间信息和位置信息，得到辐射信号幅值及产生的位置和准确时刻；
【7】测量完毕后，控制中枢向服务器发送采集完成指令，在服务器控制下关闭采集电路，进入到下一次测量准备阶段。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明利用基于现场可编程门阵列的高速信号采集技术、4G网络的移动通信技术、基于高精度GPS的时钟及位置同步技术，可实现纳秒级脉冲电磁场辐射参数的实时测量。
2、本发明巧妙地利用GPS模块的PPS信号触发GHz频率的计数器，并通过待测量电磁场辐射信号对计数器的停止计数进行触发，实现了脉冲辐射信号到达时刻的精确测量，结合GPS的时间和位置信息，最终得到了辐射信号幅值及产生的位置和准确时刻，为大面积雷电放电等领域脉冲辐射参数的准确测量和分析提供了支持。
附图说明
图1为本发明测量装置的组成原理示意图；
图2为本发明探测单元的组成原理图；
图3为本发明探测单元电小天线等效电路图；
图4为本发明测量装置的工作流程。
具体实施方式
测量装置整体设计如图1所示。测量装置包括由FPGA构成的控制中枢和与控制中枢相联接的GPS模块、4G通信模块、探测单元；探测单元测量得到脉冲电磁场的辐射电场信号，进行调理后经模数转换模块转为数字测量信号，存储在FPGA内的数据缓存单元中，
GPS模块获得测量点的时间信息和位置信息，利用FPGA内部的计数单元、比较器采集GPS模块提供的位置及时间信息，并对时间信息进行处理，将时基精确到纳秒级；最终在远程服务器的控制下，该装置将上述信息进行处理后，通过4G通信模块传输至远端的测试中心，利用个人电脑或手机进行数据提取。
控制中枢包括比较器、检测单元、计数单元、时钟单元、发送单元、时间缓存单元、位置缓存单元和数据缓存单元，所述的时钟单元为计数单元提供时钟基准；所述的时间缓存单元获取并存储GPS模块的时间信息，位置缓存单元获取并存储GPS模块的位置信息；所述的检测单元检测到GPS模块PPS信号的正跳变时，驱动计数器工作，再次检测到正跳变时，计数单元复位，并循环工作；所述的模数转换模块输出的数字测量信号一路进入比较器，另一路进入数据缓存单元存储；比较器检测得到待测量辐射信号的上升沿时，输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心。
一、电磁辐射探测单元及数据缓存
探测单元原理图如图2所示，包括电小天线、宽频带运放OPA659与单端转差分芯片LMH6552等的探测单元完成，模拟带宽大于500MHz。首先通过电小天线接收辐射电场信号，转换为电压信号输入至运放中，后通过单端转差分芯片进行放大，最终将调理过的电压信号输出至模数转换模块电路中。
模数转换器采用E2V公司生产的AT84AD001C，单通道采样率高达2Gsps，输出采用并行模式，输出的数据流降速为500Msps，为后期的处理带来方便。FPGA采用Altera公司生产的Cyclone 5CEBA9F31系列，核心频率高达GHz，能够对高速数据流进行缓存，单次存储深度为128kBytes，并且通过内部编程可实现对信号的预触发操作。
电小天线等效电路图如图3所示。该等效电路是天线等效电压源Ua与天线等效电容Ca的串联的形式，C1代表分压电容，Ri代表后端运算放大器的等效输入阻抗。天线的感应电压为Ua＝E×La，E代表入射的电场强度，La代表天线的有效高度。Ua表示输入到后端运放的电压。运放的输入阻抗很高，在频率较低的情况下可近似等效为开路，可得系统的传递函数：
Figure BDA0001652326960000041
可见电小天线输出的电压信号与被测电场强度信号呈线性关系，通过对该电压信号的测量可以得到电场强度。
二、时间同步及精确分时
时间同步功能通过GPS模块完成。GPS模块采用高精度时钟芯片UM220-IIIL系列，同时支持BDS B1、GPS L1两个频点，定时精度优于20ns，同步所需时长约2s左右。通过FPGA对GPS模块输出信号的处理，能够对辐射信号到达时间信息进行精准记录，包含时分秒及纳秒级的信息。
时分秒信息的获取由GPS模块的数据引脚1及FPGA内部缓存单元完成。在与卫星同步完成后，GPS模块会通过该数据引脚向FPGA输出时间信息，信息为ASCII字符组成的字符串，包含“年+月+日+时+分+秒”，输出频率为1Hz，输出格式为Unicore协议内标准消息格式，通过时间缓存单元对该信息进行记录并实时更新。
纳秒级信息的获取由GPS模块的PPS引脚及FPGA内部的触发器、计数单元及时钟单元完成。在时间同步后，PPS引脚会输出电平标准为3.3V LVTTL、前沿小于2ns、脉宽为0.5s的脉冲信号，误差小于20ns，输出频率为1Hz。以该引脚作为FPGA内部触发器的输入端，以时钟单元(PLL)倍频产生的频率为1GHz的高速时钟作为触发器的时钟端。当PPS引脚产生脉冲信号后，触发器输入端口电平由低变高，在时钟上升沿后输出开始信号，启动计数单元进行计数，计数单元的时钟同样为时钟单元产生的频率为1GHz的时钟，即每过1ns计数值加1。触发器经过延时处理(延时0.7s左右，大于PPS引脚输出脉冲信号的高电平持续时间)，再次采集到输入端口出现高电平时，输出开始信号，复位计数单元。
当辐射信号到来时，FPGA内部的比较器检测到上升沿触发信号时输出停止信号至时间缓存单元和计数单元，此时时间缓存单元和计数单元停止，记录下此刻的时分秒信息和计数值，通过计数值及时钟单元的频率，由于时钟单元的频率为1GHz，故可以得到电磁场脉冲出现的时刻，且精度达到纳秒级。
三、位置同步
位置同步功能通过GPS模块UM220-III L完成，该模块定位误差小于2.5m。在与卫星同步完成后，GPS模块通过数据引脚2同步向FPGA输出位置信息，信息为ASCII字符组成的字符串，包含“经度+纬度”，数据输出频率为1Hz，输出格式为Unicore协议内标准消息格式，通过FPGA内部缓存单元对该信息进行记录并实时更新。当辐射信号到来时，FPGA内部的比较器会输出停止信号，此时停止缓存单元工作，记录下位置信息。
四、远程数据发送
远程数据发送功能通过4G通信模块完成。通信模块采用EC20芯片，该芯片支持4G无线网络通信，通过TCP/IP协议可进行数据透传，实现测量数据的实时传输，传输速率可达120k bits/s，且在传输过程中不会出现数据掉包等现象。在与远端的测试中心的服务器建立连接后，可以通过终端(PC或手机等)对该装置进行实时状态切换等，控制其工作状态。
五、具体工作方式
测量装置的工作方式如图4所示：
【1】脉冲电磁场辐射参数测量装置加电启动，测量装置进入低功耗模式，4G通信模块与远端测试中心的服务器连接，GPS模块与卫星进行时钟时间及位置同步；
【2】测量装置接收到服务器发送的开始采集命令后，启动采集电路，进入待触发模式；
【3】GPS模块PPS引脚输出秒脉冲信号，数据引脚1输出时间信息，数据引脚2输出位置信息至控制中枢；
【4】检测单元对秒脉冲信号进行检测，当检测单元检测到秒脉冲信号出现正跳变时，启动计数单元进行计数，启动缓存单元对时间及位置信息进行缓存，并延时处理；当检测单元再次检测到秒脉冲信号正跳变时，复位计数单元并更新缓存单元信息，并循环进行；
【5】当被测量辐射信号到来时，比较器检测到上升沿触发信号时输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心；
【6】测试中心获得脉冲电磁场辐射参数，并根据时钟单元的频率和计数值，以及时间信息和位置信息，得到辐射信号幅值及产生的位置和准确时刻；
【7】测量完毕后，控制中枢向服务器发送采集完成指令，在服务器控制下关闭采集电路，进入到下一次测量准备阶段。

Claims (4)

1.纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置，其特征在于：包括由FPGA构成的控制中枢和与控制中枢相联接的GPS模块、4G通信模块、探测单元；探测单元测量得到脉冲电磁场的辐射信号经模数转换模块转为数字测量信号，GPS模块获得测量点的时间信息和位置信息，4G通信模块将数字测量信号、时间信息、位置信息传输至远端的测试中心；
所述的控制中枢包括比较器、检测单元、计数单元、时钟单元、发送单元、时间缓存单元、位置缓存单元和数据缓存单元，所述的时钟单元为计数单元提供时钟基准；
所述的时间缓存单元获取并存储GPS模块的时间信息，位置缓存单元获取并存储GPS模块的位置信息；
所述的检测单元检测到GPS模块PPS信号的正跳变时，驱动计数器工作，再次检测到正跳变时，计数单元复位，并循环工作；
所述的模数转换模块输出的数字测量信号一路进入比较器，另一路进入数据缓存单元存储；比较器检测得到待测量辐射信号的上升沿时，输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心；
所述的检测单元为FPGA内部的触发器，PPS信号的引脚作为触发器的输入端，以时钟单元倍频产生的高速时钟作为触发器的时钟端。
2.根据权利要求1所述的纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置，其特征在于：探测单元包括电小天线、宽频带运放和差分电路，电小天线接收到电磁场的辐射信号后，经宽频带运放放大和单端转差分处理后得到电压信号，代表测点的电场强度。
3.根据权利要求1所述的纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置，其特征在于：时钟单元的频率为1GHz。
4.利用权利要求1-3任意之一的纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置进行脉冲电磁场辐射参数测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】脉冲电磁场辐射参数测量装置加电启动，4G通信模块与远端测试中心的服务器连接，GPS模块与卫星进行时钟时间及位置同步；
【2】测量装置接收到服务器发送的开始采集命令后，启动采集电路，进入待触发模式；
【3】GPS模块输出秒脉冲信号、时间信息和位置信息至控制中枢；
【4】检测单元对秒脉冲信号进行检测，当检测单元检测到秒脉冲信号出现正跳变时，启动计数单元进行计数，启动缓存单元对时间及位置信息进行缓存；当检测单元再次检测到秒脉冲信号正跳变时，复位计数单元并更新缓存单元信息，并循环进行；
【5】当被测量辐射信号到来时，比较器检测到上升沿触发信号时输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心；
【6】测试中心获得脉冲电磁场辐射参数，并根据时钟单元的频率和计数值，以及时间信息和位置信息，得到辐射信号幅值及产生的位置和准确时刻；
【7】测量完毕后，控制中枢向服务器发送采集完成指令，在服务器控制下关闭采集电路，进入到下一次测量准备阶段。
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