CN111669816A - 一种利用爆炸驱动电磁辐射高精度时钟同步的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用爆炸驱动电磁辐射高精度时钟同步的装置及方法。本发明采用化学爆炸或核爆炸产生瞬态的电磁脉冲，由接收天线接收转化为高频振荡电流，依次经滤波电路、运算放大器至门控开关的门极；电磁脉冲转换的直流信号大于门控开关的开启电流，门控开关导通，单片机的输入引脚输入一个高电平信号，该电平信号即为最终的时钟同步信号，从而每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器实现同步；使得接收天线获具有抗干扰能力强、对电磁脉冲的纳秒级前沿响应快和宽频带的测量范围，并且通过调整接收天线的几何尺寸和分压电容的容值能够调节天线的灵敏度，从而调节接收天线的量程适应不同的爆炸场，而且测量任意极化方向的电磁脉冲。

Description

一种利用爆炸驱动电磁辐射高精度时钟同步的装置及方法

技术领域

本发明涉及弹药及毁伤评估技术，具体涉及一种利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置及其同步方法。

背景技术

组网定位技术：在无线传感器网络中，节点传感器自身位置的获取是后续应用的基础。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明该位置发生的事件，从而实现对外部目标的定位和跟踪；了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率，从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置。常用的基于测距的定位技术主要有到达时间法(TOA)和到达时间差法(TDOA)，二者的定位精度主要依赖于各传感器之间的时钟同步精度。

常用的时钟同步技术主要是软件同步。无线传感器网络节点之间互相发送时钟同步消息帧，一条消息在无线传感器网络节点间的传递过程可分解为如下六个部分：

(1)发送时间(Send time)：发送节点构造一条消息所需要的时间，包括内核协议处理和缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理器当前负载。

(2)延迟时间(Access time)：消息等待传输信道空闲所需时间，即从等待信道空闲到消息发送所需时间，即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟，它取决于网络当前负载状况。

(3)发射时间(Transmission time)：发送节点按位(bit)发射消息所需时间，该事件取决于消息长度和发射速率。

(4)传输时间(Propagation time)：消息在两个节点之间传输介质中的传输时间，该时间主要取决于节点间的距离(电磁波在空气中的传播速率是一定的)。

(5)接收时间(Reception time)：接受节点按位(bit)接收消息并传递给MAC层的时间，这个过程和(3)相对应。

(6)上层传输时间(Receive time)：接收节点重新组装消息并传递给上层应用所需的时间。

整个传递过程的时间延迟因硬件差异和节点位置等原因导致无法估计和控制，且时间同步过程将大大消耗WSN的有限电量。

发明内容

为了解决应用于爆炸区域毁伤评估的无线传感器网络节点的相对同步精度问题，本发明提出了一种利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置及其同步方法。

本发明的一个目的在于提出一种利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置，对位于爆炸区域内的每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器进行同步。

普通的化学爆炸和核爆炸能产生电磁脉冲，这一现象在上世纪50年代就已发现，测量表明，不同类型的化学爆炸产生的电磁脉冲频谱非常宽，从赫兹量级至吉赫兹量级，同时，电磁辐射的幅度变化范围也很大，从10^-4V/m到10²V/m不等。利用爆炸区域产生的独特的电磁效应，通过对电磁脉冲传感，将电磁能量转换为电能，利用此电信号作为时钟计数器的同步信号，能够因地制宜的解决毁伤评估中无线传感器网络节点的时钟同步精度问题，进而影响到组网定位精度的技术难题。

本发明的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置包括：接收天线、分压电容、滤波电路、运算放大器、门控开关和电源；其中，门控开关包括阳极、阴极和门级；接收天线采用全向型接收天线；接收天线连接至分压电容；分压电容的两端并联至滤波电路的输入端；整流滤波电路的输出端连接至运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接至门控开关的门极；门控开关的阳极串联至电源；门控开关的阴极连接至传感器节点的单片机；滤波电路、运算放大器、门控开关和单片机构成后端阻抗匹配电路作为天线的匹配负载；等效于后端阻抗匹配电路并联分压电容，分压电容再与接收天线串联；由于瞬态的电磁脉冲具有电场强度大、上升沿陡和频谱范围宽的特点，为此接收天线串联了分压电容，并且在分压电容上并联后端阻抗匹配电路，后端阻抗匹配电路中采用运算放大器，运算放大器具有高输入阻抗，从而使得接收天线获得宽频带的测量范围，并且通过调整接收天线的几何尺寸和分压电容的容值能够调节天线的灵敏度，从而调节接收天线的量程适应不同的爆炸场，并且由于接收天线为全向型接收天线，能够测量任意极化方向的电磁脉冲；化学爆炸或核爆炸产生瞬态的电磁脉冲，瞬态的电磁脉冲由接收天线接收；由于电磁感应，电磁脉冲使得接收天线产生高频振荡电流，高频振荡电流在时域图上体现为一瞬时突变的电流波峰及后续振荡衰落的曲线，高频振荡电流输入至滤波电路，滤波电路滤除高频振荡电流中的杂散频段的电流，只通过由电磁脉冲电磁感应产生的高频振荡电流信号，输入至运算放大器；运算放大器对电流信号进行放大，输入至门控开关的门极；当电磁脉冲转换的电流信号大于门控开关的开启电流，门控开关导通，即阳极与阴极之间导通，单片机的输入引脚输入一个高电平信号，该电平信号即为最终的时钟同步信号，从而每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器实现同步。

针对由于瞬态电磁脉冲具有电场强度大、上升沿陡和频谱范围宽的特点，本发明在接收天线串联了分压电容，并且在分压电容上并联后端阻抗匹配电路，从而具有抗干扰能力强、对电磁脉冲的纳秒级前沿响应快，其响应前沿<3ns，动态范围-8.5KV/m～8.5kV/m，且能够测量任意极化方向的电磁脉冲。输入至滤波电路的电压U_o为：

其中，C_a为接收天线的等效电容的容值，C₁为分压电容的容值，R_i为后端阻抗匹配电路的输入等效阻抗，接收天线的感应电压为U_a＝EL_a，E为入射的电场强度，L_a为接收天线的有效长度，ω为角频率。

如果后端阻抗匹配电路的输入阻抗很大，上式可简化为：

可见，为了应对电磁脉冲的宽频带特性，只要采用高输入阻抗的后端阻抗匹配电路，就能利用接收天线获得宽频带的测量范围，本发明采用运算放大器，运算放大器具有输入阻抗高的特点，从而能够满足上述条件获得宽频带的测量范围，且通过调整天线的几何尺寸和分压电容的容值C₁能够方便地调节天线的灵敏度，从而达到在不同的爆炸场中，如核爆、普通炸药等调节接收天线的量程的目的。

分压电容的容值C₁为1～1000pF。C_a为接收天线的等效电容的容值约为1～500pF。

经过运算放大器放大后的电流峰值为50～100mA，电源的电压为2～3.6V。

接收天线经过电磁感应将电磁脉冲转化为高频振荡电流，高频震荡电流中可能含有爆炸后效产生的感应电流和空气中干扰电磁波产生的感应电流，采用滤波电路，滤除相关干扰的电流频段，仅保留爆炸瞬间电磁脉冲电磁感应转化的特征频段的电流。

运算放大器具有输入阻抗高，带负载能力强的特点，选用运算放大器构成后端阻抗匹配电路，既能够满足对天线的高输入阻抗匹配，又能够放大前级信号。

本发明采用门控开关作为触发信号，当门级的输入信号大于门控开关的开启电流时，门控开关导通，即阳极与阴极之间导通，单片机输入引脚输入一个高电平信号，该高电平信号即为最终的时钟同步信号。

本发明的另一个目的在于提出一种利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步方法。

本发明的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步方法，包括以下步骤：

1)装置搭建：

a)接收天线连接至分压电容；

b)分压电容的两端并联至滤波电路的输入端；

c)滤波电路的输出端连接至运算放大器的输入端；

d)运算放大器的输出端连接至门控开关的门极；

e)门控开关的阳极串联至电源；

f)门控开关的阴极连接至传感器节点的单片机；

g)滤波电路、运算放大器、门控开关和单片机构成后端阻抗匹配电路作为天线的匹配负载；等效于后端阻抗匹配电路并联分压电容，分压电容再与接收天线串联；由于瞬态的电磁脉冲具有电场强度大、上升沿陡和频谱范围宽的特点，为此接收天线串联了分压电容，并且在分压电容上并联后端阻抗匹配电路，后端阻抗匹配电路中采用运算放大器，运算放大器具有高输入阻抗，从而使得接收天线获得宽频带的测量范围，并且通过调整接收天线的几何尺寸和分压电容的容值能够调节天线的灵敏度，从而调节接收天线的量程适应不同的爆炸场，并且由于接收天线为全向型接收天线，能够测量任意极化方向的电磁脉冲；

2)化学爆炸或核爆炸产生瞬态的电磁脉冲，瞬态的电磁脉冲由接收天线接收；

3)由于电磁感应，电磁脉冲使得接收天线产生高频振荡电流；

4)高频振荡电流在时域图上体现为一瞬时突变的电流波峰及后续振荡衰落的曲线，高频振荡电流输入至滤波电路，滤波电路滤除高频振荡电流中的杂散频段的电流，只通过由电磁脉冲电磁感应产生的高频振荡电流信号，输入至运算放大器；

5)运算放大器对电流信号进行放大，输入至门控开关的门极；

6)当电磁脉冲转换的电流信号大于门控开关的开启电流，门控开关导通，即阳极与阴极之间导通，单片机的输入引脚输入一个高电平信号；

7)单片机将此电平信号作为时钟同步信号，启动时钟同步程序；

8)单片机接收到时钟同步信号后，时钟计数器复位，此时，位于爆炸区域内所有传感器节点的时钟均从同一起点开始计时；利用时钟计数器的同步信号，使计数器从同一零基准开始计时，从而每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器实现精准稳定同步。

其中，在步骤8)中，时钟的本质是振荡器产生的稳定的方波信号，时钟频率是固定不变的，通过对方波周期的计数，能够获得准确的时间间隔。单片机接收到时钟同步信号后，时钟计数器复位，此时，无线传感器网络所有节点的时钟均从同一起点开始计时；利用时钟计数器的同步信号，使计数器从同一零基准开始计时，进而将时钟同步的精度稳定在微秒量级。

本发明的优点：

本发明采用化学爆炸或核爆炸产生瞬态的电磁脉冲，由接收天线接收转化为高频振荡电流，依次经滤波电路、运算放大器至门控开关的门极；电磁脉冲转换的直流信号大于门控开关的开启电流，门控开关导通，单片机的输入引脚输入一个高电平信号，该电平信号即为最终的时钟同步信号，从而每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器实现同步；本发明采用滤波电路、运算放大器、门控开关和单片机构成后端阻抗匹配电路作为天线的匹配负载，等效于后端阻抗匹配电路并联分压电容，分压电容再与接收天线串联；由于运算放大器具有高输入阻抗，从而使得接收天线获具有抗干扰能力强、对电磁脉冲的纳秒级前沿响应快和宽频带的测量范围，其响应前沿<3ns，动态范围-8.5KV/m～8.5kV/m，并且通过调整接收天线的几何尺寸和分压电容的容值能够调节天线的灵敏度，从而调节接收天线的量程适应不同的爆炸场，而且测量任意极化方向的电磁脉冲。

附图说明

图1为本发明的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置的等效电路图；

图2为本发明的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步方法的流程图；

图3为本发明的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图3所示，本实施例的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置包括：接收天线、分压电容、滤波电路、运算放大器、门控开关和电源；其中，门控开关包括阳极、阴极和门级；接收天线连接至分压电容；分压电容的两端并联至滤波电路的输入端；滤波电路的输出端连接至运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接至门控开关的门极；门控开关的阳极串联至电源；门控开关的阴极连接至传感器节点的单片机；滤波电路、运算放大器、门控开关和单片机构成后端阻抗匹配电路；等效于后端阻抗匹配电路并联分压电容，分压电容再与接收天线串联。

针对由于瞬态电磁脉冲具有电场强度大、上升沿陡和频谱范围宽的特点，本发明在接收天线串联了分压电容，并且在分压电容上并联后端阻抗匹配电路，从而具有抗干扰能力强、对电磁脉冲的纳秒级前沿响应快，其响应前沿<3ns，动态范围-8.5KV/m～8.5kV/m，且能够测量任意极化方向的电磁脉冲。等效电路如图1所示，电磁脉冲等效于等效电压源U_a，C_a为接收天线的等效电容，C₁为分压电容的容值，R_i为后端阻抗匹配电路的输入等效阻抗，接收天线的感应电压为U_a＝EL_a，E为入射的电场强度，L_a为接收天线的有效长度，ω为角频率，输入至滤波电路的电压U_o为：

如果后端阻抗匹配电路的输入阻抗很大，上式可简化为：

可见，为了应对电磁脉冲的宽频带特性，只要采用高输入阻抗的后端阻抗匹配电路，就能利用接收天线获得宽频带的测量范围，本发明采用运算放大器，运算放大器具有输入阻抗高的特点，可认为是无穷大，从而能够满足上述条件获得宽频带的测量范围，且通过调整天线的几何尺寸和分压电容的容值C₁能够方便地调节天线的灵敏度，从而达到在不同的爆炸场中，如核爆、普通炸药等调节接收天线的量程的目的。

震荡电流中可能含有爆炸后效产生的感应电流和空气中干扰电磁波产生的感应电流，采用滤波电路，滤除相关干扰的电流频段，仅保留爆炸瞬间电磁脉冲电磁感应转化的特征频段的电流以防止干扰；运算放大器具有输入阻抗高无穷大，带负载能力强的特点，选用运算放大器构成后端阻抗匹配电路，既能够满足对天线的高输入阻抗匹配，又能够放大前级信号。

门控开关作为触发信号，当门级的输入信号大于门控开关的开启电流时，门控开关导通，即阳极与阴极之间导通，单片机输入引脚输入一个电平信号，该电平信号即为最终的时钟同步信号。

在本实施例中，电源的电压为3V，接收天线的等效电容C_a约为3pF，取分压电容C₁容值为7pF，使装置的下限截止频率保持在KHz量级，为实现高输入阻抗，同时保证接收信号具有较好噪声、带宽等特性；滤波电路的下限截止频率为10KHz，即频率低于10KHz的电流将被过滤；运算放大器选用低噪声、高输入电阻的快速FET运算放大器，根据其手册，得其输入阻抗约为1GHz，运算放大器输出接门控开关，门控开关选用晶闸管S3900MF，其门级电流大于40mA时，阳极阴极导通，开关时间约为2.4微秒。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置，对位于爆炸区域内的每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器进行同步，其特征在于，所述时钟同步装置包括接收天线、分压电容、滤波电路、运算放大器、门控开关和电源；其中，门控开关包括阳极、阴极和门级；接收天线采用全向型接收天线；接收天线连接至分压电容；分压电容的两端并联至滤波电路的输入端；整流滤波电路的输出端连接至运算放大器的输入端；运算放大器的输出端连接至门控开关的门极；门控开关的阳极串联至电源；门控开关的阴极连接至传感器节点的单片机；滤波电路、运算放大器、门控开关和单片机构成后端阻抗匹配电路作为天线的匹配负载；等效于后端阻抗匹配电路并联分压电容，分压电容再与接收天线串联；由于瞬态的电磁脉冲具有电场强度大、上升沿陡和频谱范围宽的特点，为此接收天线串联了分压电容，并且在分压电容上并联后端阻抗匹配电路，后端阻抗匹配电路中采用运算放大器，运算放大器具有高输入阻抗，从而使得接收天线获得宽频带的测量范围，并且通过调整接收天线的几何尺寸和分压电容的容值能够调节天线的灵敏度，从而调节接收天线的量程适应不同的爆炸场，并且由于接收天线为全向型接收天线，能够测量任意极化方向的电磁脉冲；化学爆炸或核爆炸产生瞬态的电磁脉冲，瞬态的电磁脉冲由接收天线接收；由于电磁感应，电磁脉冲使得接收天线产生高频振荡电流，高频振荡电流在时域图上体现为一瞬时突变的电流波峰及后续振荡衰落的曲线，高频振荡电流输入至滤波电路，滤波电路滤除高频振荡电流中的杂散频段的电流，只通过由电磁脉冲电磁感应产生的高频振荡电流信号，输入至运算放大器；运算放大器对电流信号进行放大，输入至门控开关的门极；当电磁脉冲转换的电流信号大于门控开关的开启电流，门控开关导通，即阳极与阴极之间导通，单片机的输入引脚输入一个高电平信号，该电平信号即为最终的时钟同步信号，从而每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器实现同步。

2.如权利要求1所述的时钟同步装置，其特征在于，所述分压电容的容值为1～1000pF。

3.如权利要求1所述的时钟同步装置，其特征在于，所述接收天线的等效电容的容值为1～500pF。

4.如权利要求1所述的时钟同步装置，其特征在于，所述电源的电压为2～3.6V。

5.一种如权利要求1所述的利用爆炸驱动电磁辐射提高精度的时钟同步装置的时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步方法包括以下步骤：

1)装置搭建：

a)接收天线连接至分压电容；

b)分压电容的两端并联至滤波电路的输入端；

c)滤波电路的输出端连接至运算放大器的输入端；

d)运算放大器的输出端连接至门控开关的门极；

e)门控开关的阳极串联至电源；

f)门控开关的阴极连接至传感器节点的单片机；

g)滤波电路、运算放大器、门控开关和单片机构成后端阻抗匹配电路作为天线的匹配负载；等效于后端阻抗匹配电路并联分压电容，分压电容再与接收天线串联；由于瞬态的电磁脉冲具有电场强度大、上升沿陡和频谱范围宽的特点，为此接收天线串联了分压电容，并且在分压电容上并联后端阻抗匹配电路，后端阻抗匹配电路中采用运算放大器，运算放大器具有高输入阻抗，从而使得接收天线获得宽频带的测量范围，并且通过调整接收天线的几何尺寸和分压电容的容值能够调节天线的灵敏度，从而调节接收天线的量程适应不同的爆炸场，并且由于接收天线为全向型接收天线，能够测量任意极化方向的电磁脉冲；

2)化学爆炸或核爆炸产生瞬态的电磁脉冲，瞬态的电磁脉冲由接收天线接收；

3)由于电磁感应，电磁脉冲使得接收天线产生高频振荡电流；

4)高频振荡电流在时域图上体现为一瞬时突变的电流波峰及后续振荡衰落的曲线，高频振荡电流输入至滤波电路，滤波电路滤除高频振荡电流中的杂散频段的电流，只通过由电磁脉冲电磁感应产生的高频振荡电流信号，输入至运算放大器；

5)运算放大器对电流信号进行放大，输入至门控开关的门极；

6)当电磁脉冲转换的电流信号大于门控开关的开启电流，门控开关导通，即阳极与阴极之间导通，单片机的输入引脚输入一个高电平信号；

7)单片机将此电平信号作为时钟同步信号，启动时钟同步程序；

8)单片机接收到时钟同步信号后，时钟计数器复位，此时，位于爆炸区域内所有传感器节点的时钟均从同一起点开始计时；利用时钟计数器的同步信号，使计数器从同一零基准开始计时，从而每一个传感器节点的单片机内的时钟计数器实现精准稳定同步。

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