CN108872717B - 一种小型瞬态脉冲电场测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于瞬态电磁脉冲测量技术领域，具体涉及一种小型瞬态脉冲电场测量系统，包括前端传感器及接收机，所述前端传感器构成包括单极子天线、高阻积分器、程控衰减器、射频开关、基准信号源、电光直调电路、前端控制器、数字光通信电路，接收机构成包括数字光通信电路、光探测电路、接收控制器。本发明所述系统具有66dB的电场测量动态范围(SNR＝5),‑3dB带宽为1kHz～1GHz，可实现十kV/m至百V/m的瞬态电磁脉冲的原波形保真测量，在线链路衰减校准及激光器恒温控制使得系统在恶劣的使用环境下的适用性，在线灵敏度修正保证了动态范围内测量信号的高信噪比。
Description
技术领域
本发明属于瞬态电磁脉冲测量技术领域，具体涉及一种小型瞬态脉冲电场测量系统。
背景技术
有许多学者与研究机构对用于电磁脉冲测量的电场传感器进行了大量的研究工作。对于瞬态电磁脉冲测量主要集中在基于电光晶体的集成电光晶体电场传感器和基于模拟电光调制的电场传感器。已有的研究成果中，基于集成电光晶体的瞬态电场测量系统具有较大的环境敏感性，对外场试验测量具有较大的不确定性。基于模拟电光调制的电场传感器研究功能较为单一，且未考虑测量系统的环境效应及外场使用中光纤插损问题，无法满足较为严酷环境下的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型的小型瞬态脉冲电场测量系统，满足恶劣使用环境下对瞬态脉冲电场的测量需求。
为解决上述技术问题，本发明所述小型瞬态脉冲电场测量系统，包括前端传感器及接收机，所述前端传感器构成包括单极子天线、高阻积分器、程控衰减器、射频开关、基准信号源、电光直调电路、前端控制器、数字光通信电路，接收机构成包括数字光通信电路、光探测电路、接收控制器；
单极子天线，用于耦合环境电场，单极子天线依次连接高阻积分器、程控衰减器、射频开关、电光直调电路及光探测电路；
高阻积分器用于保证电场低频分量的保真测量；
程控衰减器用于将高阻积分器输出电压信号进行预制衰减，达到电光调制电路的输入范围；
射频开关用于系统灵敏度修正时电光调制通道的切换；
基准信号源用于不具备标定环境下系统灵敏度修正；
电光直调电路用于将电压信号转换为光强度信号；
前端控制器与射频开关、电光直调电路及基准信号源连接，用于前端传感器部分的控制功能实现，包括激光器驱动的PID控制、射频开关通道切换、基准信号源的使能、程控衰减器增益控制、系统休眠；
数字光通信电路用于前端控制器与接收控制器之间远程通讯的电光-光电转换模块，可对通讯数据、指令进行电光调制及光电解调；
前端控制器与接收控制器是由单片机编程构成的片上系统，前端控制器与接收控制器之间采用应答机制，接收控制器主动发出指令，前端控制器接收并完成指令后，返回数据；
接收控制器与光探测电路连接，完成对接收光功率的采集和监测。
进一步，所述前端传感器与接收机之间通过两根单模光纤进行连接。
进一步，所述前端传感器的元器件置于屏蔽盒(10)内，屏蔽盒(10)是通过铝质材料掏空而成的圆形腔体。
进一步，所述前端传感器还包括前端电源管理系统。
更进一步，所述基准信号源，其内部电路采用了温度补偿设计，具有环境温度稳定性。
更进一步，所述电光直调电路，其内部包含DFB(Distributed Feedback Laser，即分布式反馈激光器)激光器及其驱动电路，驱动电路包括激光器恒光功率控制电路及恒温度控制电路部分；利用前端控制器的PID算法控制，实现激光器恒光功率输出及恒温控制。
进一步，接收机构成还包括显示器(14)及外围按键(15)；接收控制器与显示器(14)及外围按键(15)连接，分别完成对接收机接收光功率的显示及测量系统功能控制。
更进一步，所述数字光通信电路为波分复用数字通信电路。
本发明所述系统具有66dB的电场测量动态范围(SNR＝5),-3dB带宽为1kHz～1GHz，可实现十kV/m至百V/m的瞬态电磁脉冲的原波形保真测量，在线链路衰减校准及激光器恒温控制使得系统在恶劣的使用环境下的适用性，在线灵敏度修正保证了动态范围内测量信号的高信噪比。
附图说明
图1为本发明的瞬态脉冲电场测量系统示意图；
图2为本发明的高阻积分电路示意图。
具体实施方式
一种小型瞬态脉冲电场测量系统，如图1所示，包括前端传感器及接收机，所述前端传感器构成包括单极子天线1、高阻积分器2、程控衰减器3、射频开关4、基准信号源5、电光直调电路6、前端控制器7、数字光通信电路8，接收机构成包括数字光通信电路8、光探测电路12、接收控制器13；
单极子天线1，用于耦合环境电场，单极子天线1依次连接高阻积分器2、程控衰减器3、射频开关4、电光直调电路6及光探测电路12；
高阻积分器2用于保证电场低频分量的保真测量；
程控衰减器3用于将高阻积分器输出电压信号进行预制衰减，达到电光调制电路的输入范围；
射频开关4用于系统灵敏度修正时电光调制通道的切换；
基准信号源5用于不具备标定环境下系统灵敏度修正；
电光直调电路6用于将电压信号转换为光强度信号；
前端控制器7与射频开关4、电光直调电路6及基准信号源5连接，用于前端传感器部分的控制功能实现，包括激光器驱动的PID控制、射频开关通道切换、基准信号源的使能、程控衰减器增益控制、系统休眠；
数字光通信电路8用于前端控制器与接收控制器之间远程通讯的电光-光电转换模块，可对通讯数据、指令进行电光调制及光电解调；
前端控制器7与接收控制器13是由单片机编程构成的片上系统，前端控制器7与接收控制器13之间采用应答机制，接收控制器13主动发出指令，前端控制器7接收并完成指令后，返回数据；
接收控制器13与光探测电路12连接，完成对接收光功率的采集和监测。
测量系统使用前需对其灵敏度进行标定。系统的标定在标准电场环境模拟装置中进行，需完成各个标称灵敏度状态下的灵敏度标定，同时记录基准信号源激励下系统输出幅度。在外场使用前，采用基准信号源校准系统传输链路，修正系统灵敏度。
本发明测量系统将环境电场转换为电压信号后，通过电-光转换，将该电压信号进行光强度调制，经单模光纤传输至接收机，再经过光-电转换，完成环境电场测量。
以下通过实施例结合附图对本发明技术方案做进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种小型瞬态脉冲电场测量系统，包括前端传感器及接收机，所述前端传感器构成包括单极子天线1、高阻积分器2、程控衰减器3、射频开关4、基准信号源5、电光直调电路6、前端控制器7、数字光通信电路8、前端电源管理系统9、屏蔽盒10，接收机构成包括数字光通信电路8、光探测电路12、接收控制器13、显示器14及外围按键15；所述前端传感器与接收机之间通过两根单模光纤11进行连接。
前端传感器的元器件置于屏蔽盒10内，屏蔽盒10是通过铝质材料掏空而成的圆形腔体，其直径为10cm，高度为3cm，用于前端传感器单元内部的电路元器件的电磁屏蔽，同时也作为单极子天线的地平面。
单极子天线1依次连接高阻积分器2、程控衰减器3、射频开关4、电光直调电路6及光探测电路12；
单极子天线1，采用线性电小天线，用于耦合环境电场，在电磁环境下其可等效为对地等效电容Cant及等效高度heq，其耦合感应电动势可等效为V＝heq·E，其中E为环境电场场强。
高阻积分器2采用JFET型运放，其具有GΩ级输入阻抗及低偏置电流，可保证电场低频分量的保真测量。如图2所示，测量系统的高阻积分是通过电容分压实现。天线耦合感应电动势通过分压电容C1与天线等效电容Cant进行分压，则积分器输出电压近似为
从而实现电场原波形的获取。图2中，R1为偏置电阻，为高阻运放提供偏置电流通路。测量系统带宽上限为高阻积分器采用运放的带宽，测量系统低频下限为式1近似给出。当采用MΩ级别的偏置电阻R1及百pF的分压电容C1，可实现对低频分量至kHz的环境电场进行保真测量。
其中高阻积分电路输出的电压信号，经过程控衰减器和射频开关，传输至电光调制电路6，完成电光调制。经调制的光信号由单模光纤传输至接收机，在光探测电路12中，进行光电测及放大，实现对环境电场的测量。测量系统的输出电压与测量的环境表达式可由式2近似给出，式3给出系统灵敏度的近似估算公式。
V＝Heq·E (2)
Heq＝heqη·LDASdioLfiberηpinALNARload/Rtrans (3)
式中：leq为天线的等效高度，η1为电容分压比，LDA为程控衰减器的衰减量，Slaser为激光器斜率效率，Lfiber为光纤链路插损，ηpin为探测器量子效率，ALNA为底噪放放大倍数，Rload为光探测器负载电阻，Rtans为激光器等效内阻。
程控衰减器3，一种数字控制衰减器，用于将高阻积分器输出电压信号进行预制衰减，达到电光调制电路的输入范围，其衰减量是通过前端控制器实现的。当测量系统对强电磁脉冲环境电场进行测量时，程控衰减器设置为大衰减量；当进行低场强的脉冲电场测量，即系统输出信噪比较低时，可将衰减器衰减率进行适度降低，达到系统灵敏度在线调整的作用，提高系统输出的信噪比。本发明中采用的程控衰减器，具有32dB的衰减调整范围，极大地提高了测量系统的动态范围。
射频开关4，为单刀双掷射频电开关，用于系统灵敏度修正时电光调制通道的切换，其开关切换是通过前端控制器实现的。当系统处于电场测量状态时，射频开关4将程控衰减器输出信号送往电光直调电路6进行电光调制；当进行系统衰减率校准时，射频开关4将电光直调电路6的输入端连接基准信号源5，基准信号源5同时完成能使，输出稳定电信号，完成系统灵敏度的校准。
基准信号源5，一种连续波信号源，其内部电路采用了温度补偿设计，具有较好的环境温度稳定性，用于不具备标定环境下系统灵敏度修正，其输出使能是通过前端控制器实现的。系统灵敏度修正过程是通过对比基准信号源下系统输出幅值完成的。在测量系统标定环节中，系统输出幅值为V1，系统等效灵敏度为Heq1；在外场使用下，系统输出幅值为V2，则此时系统灵敏度可修正为式(4)
电光直调电路6，是将电压信号转换为光强度信号的单元模块，其内部包含DFB激光器及其驱动电路。其驱动电路包括激光器恒光功率控制电路及恒温度控制电路部分。利用前端控制器的PID算法控制，实现激光器恒光功率输出及恒温控制。系统预设了3个工作温度档位，由前端控制器进行控制，在不同环境下进行切换，实现系统的节能设计。由于采用了恒温控制，激光器的性能不受环境温度的影响，保证了测量系统的环境稳定性。
前端控制器7与射频开关4、电光直调电路6及基准信号源5连接，用于前端传感器部分的控制功能实现，包括激光器驱动的PID控制、射频开关通道切换、基准信号源的使能、程控衰减器增益控制、系统休眠。
同时利用控制器AD转换，可对激光器输出光功率、激光器温度进行实时数据采集，实现前端传感器的状态监测。此外通过控制器的DA转换，修改电光直调电路的控制参数，实现对激光器工作的3个温度档位控制。
前端控制器7与接收控制器13，是由单片机编程构成的片上系统。前端控制器7与接收控制器13之间采用应答机制，接收控制器13主动发出指令，前端控制器7接收并完成指令后，返回数据。
数字光通信电路8，用于前端控制器与接收控制器之间远程通讯的电光-光电转换模块，可对通讯数据、指令进行电光调制及光电解调。利用波分复用数字通信电路，使系统在单根光纤上完成数据的上下行通信，减小了系统的体积。显示器及按键，为接收控制器的外围电路，用于系统工作状态的显示和功能切换。
前端电源控制系统9连接蓄电池，用于将传感器内置锂电池转换为各个模块所需电压输出，同时可通过前端传感器，进行系统各个模块的供电管理。
光探测电路12，是将光强度信号转换为输出电压信号，包含PIN光探测器及后级放大电路组成。在PIN光探测器后连接高阻缓冲运放，用于接收光功率的检测。
接收控制器13与光探测电路12、显示器14及外围按键15连接，完成对接收光功率的采集和监测、接收机接收光功率的显示及测量系统功能的控制。
本发明小型瞬态脉冲电场测量系统，具有以下的特点:
(1)本发明瞬态脉冲电场测量系统具有低噪声、高带宽、高动态范围、集成度高、体积小，成本低等特点，使用方便，环境适应性好。
(2)本发明瞬态脉冲电场测量系统采用了激光器的恒温控制及温度档位可调设计，保证了系统的温度稳定性，相对已提出的测量系统具有更好的环境适应性。
(3)本发明瞬态脉冲电场测量系统采用程控衰减器在线调整系统灵敏度，可实现对十V/m至百kV/m电场测量，相对已提出的测量系统，保证动态范围内测量信号具有较高的信噪比。
(4)本发明瞬态脉冲电场测量系统采用了具有温度补偿的基准信号源，相对已提出的测量系统，可在线校准光纤传输链路插损，可在不具备现场标定的恶劣环境下使用，应用场景更加广泛。
(5)本发明瞬态脉冲电场测量系统采用了波分复用数字通信电路，可实现前端传感器单元与接收机单元的远程交互通信，可实时获取前端传感器的工作状态，具有更高的可靠性。
(6)本发明瞬态脉冲电场测量系统可实现系统的远程待机功能，具有节能设计，在同等电池容量下，具有较长的使用时间。
Claims (8)
1.一种小型瞬态脉冲电场测量系统，所述系统包括前端传感器及接收机，其特征在于，所述前端传感器构成包括单极子天线（1）、高阻积分器（2）、程控衰减器（3）、射频开关（4）、基准信号源（5）、电光直调电路（6）、前端控制器（7）、数字光通信电路（8），接收机构成包括数字光通信电路（8）、光探测电路（12）、接收控制器（13）；
单极子天线（1）用于耦合环境电场，单极子天线（1）依次连接高阻积分器（2）、程控衰减器（3）、射频开关（4）、电光直调电路（6）及光探测电路（12）；
高阻积分器（2）用于保证电场低频分量的保真测量；
程控衰减器（3）用于将高阻积分器输出电压信号进行预制衰减，达到电光调制电路的输入范围；
射频开关（4）用于系统灵敏度修正时电光调制通道的切换；当系统处于电场测量状态时，射频开关（4）将程控衰减器（3）输出信号送往电光直调电路（6）进行电光调制；当进行系统衰减率校准时，射频开关（4）将电光直调电路（6）的输入端连接基准信号源（5），基准信号源（5）同时输出稳定电信号，并完成系统灵敏度的校准；
基准信号源（5）用于不具备标定环境下的系统灵敏度修正；
电光直调电路（6）用于将电压信号转换为光强度信号；
前端控制器（7）与射频开关（4）、电光直调电路（6）及基准信号源（5）连接，用于前端传感器部分的控制功能实现，包括激光器驱动的PID控制、射频开关通道切换、基准信号源的使能、程控衰减器增益控制、系统休眠；
数字光通信电路（8）应用于电光与光电转换模块，该模块位于前端控制器（7）与接收控制器（13）之间的远程通讯中，能够对通讯数据、指令进行电光调制及光电解调；
前端控制器（7）与接收控制器（13）是由单片机编程构成的片上系统，前端控制器（7）与接收控制器（13）之间采用应答机制，接收控制器（13）主动发出指令，前端控制器（7）接收并完成指令后，返回数据；
接收控制器（13）与光探测电路（12）连接，完成对接收光功率的采集和监测。
2.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，所述前端传感器与接收机之间通过两根单模光纤（11）进行连接。
3.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，所述前端传感器的元器件置于屏蔽盒（10）内，屏蔽盒（10）是通过铝质材料掏空而成的圆形腔体。
4.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，所述前端传感器还包括前端电源管理系统（9）。
5.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，所述基准信号源（5），其内部电路采用了温度补偿设计，具有环境温度稳定性。
6.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，所述电光直调电路（6），其内部包含DFB激光器及其驱动电路，驱动电路包括激光器恒光功率控制电路及恒温度控制电路部分；利用前端控制器的PID算法控制，实现激光器恒光功率输出及恒温控制。
7.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，接收机构成还包括显示器（14）及外围按键（15）；接收控制器（13）与显示器（14）及外围按键（15）连接，分别完成对接收机接收光功率的显示及测量系统功能控制。
8.根据权利要求1所述一种小型瞬态脉冲电场测量系统，其特征在于，所述数字光通信电路（8）为波分复用数字通信电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20211201 Address after: 471000 sub box F11, PO Box 086, Luoyang City, Henan Province Patentee after: Chinese People's Liberation Army 63660 Address before: 830000 sub box 190, box 21, Urumqi City, Xinjiang Uygur Autonomous Region Patentee before: 63653 FORCES, PLA |
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