CN109813971A - 一种空间电场探测中获取高频段信号的电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间电场探测中获取高频段信号的电路设计方法，通过差分的形式获取高频段电场场强信号的不同方向的方向向量。一种空间电场探测中获取高频段信号的电路，包括传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)、传感器D(4)、同相跟随器(5)、可调增益的减法器(6)、带通滤波器(7)；所述传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)、传感器D(4)、分别与同相跟随器(5)相连，同相跟随器(5)、可调增益的减法器(6)、带通滤波器(7)依次连接。

Description

一种空间电场探测中获取高频段信号的电路

技术领域

本发明属于空间环境探测技术领域，尤其涉及一种适用于双探针式空间电场探测的高频段信号获取。

背景技术

双探针式空间电场探测方式，是利用卫星上安装在不同位置的传感器，对空间环境等离子体物理耦合，从而测出每个传感器相对于卫星本体的电势。将安装在不同位置的传感器的电势信号进行差分组合，可以得到不同方向的电场场强分量，继而合成卫星本体飞经的轨迹的空间等离子体环境的电场矢量。

单个传感器以卫星地为参考系获得的电势值是标量，传感器的输出信号未进行分段，目前国际上通常根据不同频段的信号特点，将空间电场探测系统做分频段处理，根据不同的频段信号的特点，设计最优的信号通道。本发明是将空间中非共面布局的4个传感器的输出信号，通过差分组合及滤波处理，获得高频段的3个信号方向向量，这些分量在后续处理中可根据卫星坐标系变换，合成一个方向向量。该向量可代表卫星本体所处位置的场强。

飞行于500km高度轨道，以观测地震前兆信息的为主要目标的空间电场探测系统，关心的高频信号频率范围集中在18kHz～3.5MHz，且在提取高频信号时不应对低频段信号产生影响，因此本发明是基于该应用场合的特点进行的针对性设计。

发明内容

本发明提供了一种空间电场探测中获取高频段信号的电路设计方法，通过差分的形式获取高频段电场场强信号的不同方向的方向向量。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种空间电场探测中获取高频段信号的电路，包括传感器A(1)、传感器B (2)、传感器C(3)、传感器D(4)、同相跟随器(5)、可调增益的减法器(6)、带通滤波器(7)；所述传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)、传感器D(4)、分别与同相跟随器(5)相连，同相跟随器(5)、可调增益的减法器(6)、带通滤波器(7)依次连接；

传感器A(1)、传感器B(2)信号输出至低频信号通道，通过同相跟随器 (5)进行源端隔离后，引至高频段信号通道；同理，对传感器B(2)和传感器C(3)差分对、传感器C(3)和传感器D(4)差分对进行隔离，形成耦合的空间电势信号；；

同相跟随器(5)将四个传感器耦合的空间电势信号输入可调增益的减法器 (6)；

可调增益的减法器(6)将信号进行增益调整，并将输出信号给带通滤波器 (7)；

带通滤波器(7)对可调增益减法器的输出信号进行滤波，实现 18kHz～3.5MHz选通频段的输出。

进一步地，该电路还包括4根卷筒式伸杆，所述传感器A(1)、传感器B (2)、传感器C(3)、传感器D(4)分别通过卷筒式伸杆安装于星体表面。

进一步地，可调增益的减法器(6)增益设定为0.5。

进一步地，所述带通滤波器(7)由4级2阶巴特沃斯低通滤波器和1级2 阶巴特沃斯高通滤波器组成，使用了1级2阶低通——1级2阶低通——1级2 阶高通——1级2阶低通——1级2阶低通的级联关系进行连接，可抑制整体带通滤波器的自激效应；减法器信号经过该带通滤波器实现了18kHz～3.5Mhz的空间电场信号高频段的筛选

进一步地，所述高通滤波器在反相输入端串接RC网络。并联的电阻和电容RC网络串接至高通滤波器的反向输入端，可实现输出端偏置电压的调零，且可改善随信号频率的升高，由于器件自身引起的幅度衰减效应。R的阻值选择应与同相输入端串接电阻阻值相等，C的容值应使得1/(2πRC)的截止频率大于带通滤波器的低通截止频率3.5MHz的3～5倍以上。

本发明有益效果是：

(1)高频段信号通道低通滤波具备160dB/十倍频的特性，可极大的抑制高频带外信号，且电路稳定性良好，解决了高阶系统容易自激的现象。

(2)高频段信号通道与低频段信号通道隔离度高，不会对低频信号产生影响，不会大幅加重传感器信号输出的负载。

(3)本发明可根据需求，对不同方向向量的差分信号任意组合，且可自由调节各方向分量的通道增益。

附图说明

图1是本发明的空间电场探测系统的传感器在星上布局示意图。

图中：1－传感器1、2－传感器2、3－传感器3、4－传感器4、5－卫星、 6－卷筒式伸杆1、7－卷筒式伸杆2、8－卷筒式伸杆3、9－卷筒式伸杆4。

图2是本发明的高频段信号通道电路示意图。

图中：1－传感器1、2－传感器2、3－传感器3、4－传感器4、 5－同相跟随器、6－可调增益的减法器、7－带通滤波器、8－高频信号E₁₂方向向量、9－高频信号E₂₃方向向量、10－高频信号E₃₄方向向量。

图3是本发明图2中可调增益的减法器6的电路示意图。

图中：1－信号输入1、2－信号输入2、3－差分信号输出3

图4是本发明图2中带通滤波器7的电路示意图。

图中：1－信号输入、2－信号输出

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，为本发明的空间电场探测系统的传感器星上布局，由1－传感器1、2－传感器2、3－传感器3、4－传感器4、5－卫星、6－卷筒式伸杆1、 7－卷筒式伸杆2、8－卷筒式伸杆3、9－卷筒式伸杆4组成。

实施步骤如下：

(1)传感器1、2、3、4一一对应安装在卷筒式伸杆6、7、8、9上；

(2)同样的将卷筒式伸杆根据卫星总体要求，按照一定方向角安装在卫星 5表面；

(3)在轨运行期间，卷筒式伸杆展开，使得传感器1、传感器2、传感器 3、传感器4为顶点可形成非共面的4面体；

(4)传感器信号两两相减并除以间距，可组成3个场强分量，分别是E₁₂、 E₂₃、E₃₄；三个分量可合成卫星所处空间的电场场强矢量。

如图2所示，为本发明的高频段信号通道电路示意图，由1－传感器1、2 －传感器2、3－传感器3、4－传感器4、5－同相跟随器、6－加法器、7－带通滤波器、8－高频信号E₁₂方向向量、9－高频信号E₂₃方向向量、10－高频信号E₃₄方向向量组成。

图2的实施过程如下：

(1)传感器1、传感器2信号输出至低频信号通道的同时，同时分别通过跟随器进行源端隔离；同样的方式，对传感器2、3差分对、传感器3、4差分对进行隔离；

(2)将图2中跟随器5输出的信号，作为减法器6的输入；

(3)减法器6的增益可根据后续处理要求进行调节，因本例在信号调理完成后，为达到对高频信号的抗干扰高速高精度采样，后端采样电路使用了单端转差分转换芯片ADA4627-1，增益为2，为保证整个传输通道增益为1，因此在此处进行增益调整，适用于本例的增益设定为0.5；

适用于本例的空间电场探测系统的增益设定为0.5；

(4)减法器6的输出，作为带通滤波器7的输入；

(5)带通滤波器7由4级2阶巴特沃斯低通滤波器和1级2阶的巴特沃斯高通滤波器组成；

(6)巴特沃斯滤波器的级联顺序为2级低通滤波器、1级高通滤波器、2 级低通滤波器，如图4所示，经理论分析及实践检验，该架构构成的高阶系统稳定性好，无自激现象；

(7)高通滤波器在反相输入端串接了RC网络，可有效改善高频段信号输出8、9、10的直流偏置，且不会改变信号通道的幅频效应；

(8)带通滤波7的输出的3个高频段场强分量输出，经电场探测系统AD 模块采样、科学运算后合成空间环境的电场场强总矢量。

Claims (4)

1.一种空间电场探测中获取高频段信号的电路，其特征在于，包括传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)、传感器D(4)、同相跟随器(5)、可调增益的减法器(6)、带通滤波器(7)；所述传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)、传感器D(4)、分别与同相跟随器(5)相连，同相跟随器(5)、可调增益的减法器(6)、带通滤波器(7)依次连接；

传感器A(1)、传感器B(2)信号输出至低频信号通道，通过同相跟随器(5)进行源端隔离后，引至高频段信号通道；同理，对传感器B(2)和传感器C(3)差分对、传感器C(3)和传感器D(4)差分对进行隔离，形成耦合的空间电势信号；；

同相跟随器(5)将四个传感器耦合的空间电势信号输入可调增益的减法器(6)；

可调增益的减法器(6)将信号进行增益调整，并将输出信号给带通滤波器(7)；

带通滤波器(7)对可调增益减法器的输出信号进行滤波，实现18kHz～3.5MHz选通频段的输出。

2.如权利要求1所述的一种空间电场探测中获取高频段信号的电路，其特征在于，该电路还包括4根卷筒式伸杆，所述传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)、传感器D(4)分别通过卷筒式伸杆安装于星体表面。

3.如权利要求1或2所述的一种空间电场探测中获取高频段信号的电路，其特征在于，可调增益的减法器(6)增益设定为0.5。

4.如权利要求1或2所述的一种空间电场探测中获取高频段信号的电路，其特征在于，所述带通滤波器在反相输入端串接RC网络。