CN111983341B - 一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁屏蔽测试领域，本发明公开了一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块及其系统，该系统包括信号前处理模块和信号后处理模块，信号前处理模块用于将接收到的测试信号转变为光信号，信号后处理模块用于将信号前处理模块输出的光信号转变为满足信号显示设备需求的电信号。本发明采用半导体激光器替代传统的数字采集卡，并结合逻辑电路及相应回路，大幅增大了系统动态范围，同时引入光纤光供电模组代替传统的电池模组，使得信号前处理模块可以实现小型化并与测试天线共形设计，大大减小了系统体积，从而消除传统方法对辐射场的扰动。本发明还采用光纤进行信号传输，可以有效避免微波电缆与强电磁脉冲辐射场的耦合。
Description
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽测试技术领域，尤其涉及一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块及其系统。
背景技术
近年来，以核电磁脉冲、高功率微波等为代表的强电磁脉冲威胁的出现，极易对电子系统和装备造成干扰、扰乱甚至损伤效应，严重影响其正常工作，亟需加强防护。使用电磁屏蔽材料在空域对强电磁脉冲信号进行衰减是一种常用且高效的防护手段，对于屏蔽材料而言，屏蔽效能是最重要的技术指标，如何准确测试屏蔽材料在强电磁脉冲环境下的屏蔽效能，对其强电磁脉冲防护应用至关重要。
与标准(GJB 8820-2015、GB/T 30142-2013)规定的屏蔽效能测试方法相比，强电磁脉冲屏蔽效能测试对测试系统提出了更高的要求。首先，在测试动态范围上，系统动态范围在应大于屏蔽材料屏蔽效能值的基础上，还应考虑在实际的强电磁脉冲防护场景中，电子装备面临的强电磁脉冲辐射场场强因距离、位置等因素而产生的波动，对其动态范围提出了更高的要求。其次，在强电磁脉冲环境下，微波电缆极易与辐射场产生耦合从而影响结果准确性，因此，还要求强电磁脉冲屏蔽效能测试系统具有抗强电磁场干扰能力。最后，测试模组体积应与天线共形且不能过大，以免对电磁脉冲辐射场产生扰动从而影响结果准确性，同时也满足标准中所规定的“屏蔽室内尽量不放置与测量无关的金属物体”要求。
采用光纤进行测试信号传输是一种理想的解决方案，目前也有研究团队进行了相关报道。专利CN201911146199.8和CN201810947998.4提出了在强电磁脉冲屏蔽效能测试系统中使用光纤进行信号传输的构想，但是并未给出具体实施方式。专利CN 204104064U、CN205426977U、CN 204856890和CN201811029919.8均给出了在强电磁脉冲条件下的信号无扰监测方法，但是上述专利中数据采集卡或示波器的使用，与标准要求的“屏蔽室内尽量不放置与测量无关的金属物体”相悖。同时在供电上，若系统采用电池供电，则存在续航不足，实际测试过程中需频繁拆装充电的问题，且电池体积大也不易共形，无法与接收天线进行一体化设计；若系统采用传统电源供电，则电源线则极易耦合强电磁脉冲信号从而产生安全问题。此外，上述专利没有测试动态范围方面的描述。文章《强电磁场环境下屏蔽效能测试新方法》中，作者使用场强仪和光纤信号传输的方式实现了信号的无扰传输，但是使用的场强仪可测场强范围仅为0.6～800V/m，而在实际环境下，强电磁脉冲辐射场的场强会达到及时kV/m甚至上百kV/m，因此其动态范围并不能满足实际的测试需求。专利CN 10866575A提出了一种脉冲电压光纤传输系统的概念，并对其工作流程进行了简单描述，但未提及其具体工作原理及功能实现方式，也未描述测试动态范围。
综上所述，强电磁脉冲条件下的屏蔽效能测试对小尺寸、高测试动态范围且抗强电磁场干扰的测试系统有急迫需求，但是目前尚无能够同时满足上述条件的测试系统
发明内容
针对目前的电磁屏蔽效能测试装置难以同时满足强电磁脉冲条件下的屏蔽效能测试对系统小尺寸、大测试动态范围和抗强电磁干扰性能的需求，本发明以半导体激光器作为核心器件，提出一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块及其系统，实现强电磁脉冲条件下材料屏蔽效能的无扰、准确测试。
本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：
一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块，包括电光转换模组和第一光供电模组，所述电光转换模组用于将接收到的测试信号转变为光信号，所述第一光供电模组用于将接收到的光能转换为电能供所述电光转换模组使用；所述电光转换模组包括逻辑电路、放大回路、衰减回路、直通回路和半导体激光器，其中：
所述逻辑电路用于对测试信号电压幅值进行判定，并根据幅值大小进行后续传输回路的分配，若幅值小于所述半导体激光器的灵敏度下限，则将测试信号分配至所述放大回路；若幅值大于所述半导体激光器的灵敏度上限，则将测试信号分配至所述衰减回路；否则，将测试信号分配至所述直通回路；
所述放大回路用于放大测试信号，使其幅值满足所述半导体激光器的工作动态范围；
所述衰减回路用于衰减测试信号，使其幅值满足所述半导体激光器的工作动态范围；
所述直通回路用于传输幅值恰好处于所述半导体激光器的工作动态范围内的测试信号；
所述半导体激光器用于将所述放大回路、所述衰减回路或所述直通回路输出的电信号转换为光信号进行传输。
进一步的，所述第一光供电模组包括光伏转换器和升压与电源管理电路，所述光伏转换器用于将接收到的光能转换为电能，所述升压与电源管理电路用于将所述光伏转换器转换得到的低压电源进行升压，再为所述逻辑电路、所述放大回路和所述半导体激光器提供稳定供电。
进一步的，所述信号前处理模块采用全金属封装且与信号探测天线共形，设置于测试屏蔽室或屏蔽暗箱内。
一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，包括所述信号前处理模块，以及信号后处理模块，所述信号后处理模块用于将所述信号前处理模块输出的光信号转变为满足信号显示设备需求的电信号；
所述信号后处理模块包括光电转换模组和第二光供电模组，所述光电转换模组的信号输入端通过光纤连接所述信号前处理模块的电光转换模组的信号输出端，所述第二光供电模组的电源输出端通过光纤连接所述第一光供电模组的电源输入端，所述第二光供电模组和所述第一光供电模组共同实现为所述电光转换模组提供光纤供电。
进一步的，所述光电转换模组包括光探测器、低噪声放大器和驱动放大器，所述光探测器用于将接收到的光信号解调回模拟电信号，所述低噪声放大器和所述驱动放大器用于将因光电转换而损耗较大的解调电信号放大，以达到显示设备的幅度要求。
进一步的，所述第二光供电模组包括驱动电源和供电激光器，所述驱动电源用于为所述光探测器、所述低噪声放大器、所述驱动放大器和所述供电激光器提供稳定的电源，所述供电激光器通过光纤为所述信号前处理模块的光伏转换器提供光能。
进一步的，所述信号前处理模块还包括判定通路，所述信号后处理模块还包括信号指示灯，所述判定通路用于将所述逻辑电路为测试信号分配的传输回路信息通过光纤传递给所述信号指示灯，所述信号指示灯根据分配的传输回路信息以不同的指示灯颜色进行显示。
进一步的，所述信号后处理模块设置于控制间。
本发明的有益效果在于：
系统采用半导体激光器替代传统的数字采集卡，同时引入光纤光供电模组代替传统的电池模组，使得信号前处理模块可以实现小型化并与测试天线共形设计，大大减小了系统体积，从而消除传统方法对辐射场的扰动。
信号前处理模块的逻辑电路与放大回路、衰减回路和直通回路的设计，大幅提升了半导体激光器的动态范围，远超传统的数字采集测试方案，填补了强电磁脉冲屏蔽效能测试领域空白。
系统采用光纤进行信号传输，可以有效避免微波电缆与强电磁脉冲辐射场的耦合，使测试结果具有极高的准确度与可信度，同时光纤供电系统的设计，弥补了电池供电或市电供电的缺点，可以提供稳定、长期的电源，且供电不受强电磁脉冲辐射场的影响，既能保证测试准确性，又能提供长期持久且安全的测试条件。
附图说明
图1是本发明的强电磁脉冲屏蔽效能测试系统示意图；
图2是本发明的逻辑电路示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，包括通过光纤连接的信号前处理模块和信号后处理模块，信号前处理模块用于将通过信号探测天线接收到的测试信号转变为光信号，信号后处理模块用于将信号前处理模块输出的光信号转变为满足信号显示设备需求的电信号。
本实施例的信号前处理模块，包括电光转换模组和第一光供电模组，电光转换模组用于将通过信号探测天线接收到的测试信号转变为光信号，第一光供电模组用于将通过光纤从信号后处理模块接收到的光能转换为电能，供电光转换模组使用。
在本发明的一个优选实施例中，电光转换模组包括逻辑电路、放大回路、衰减回路、直通回路和半导体激光器，逻辑电路用于对测试信号电压幅值进行判定，并根据幅值大小进行后续传输回路的分配，若幅值小于半导体激光器的灵敏度下限，则将测试信号分配至放大回路；若幅值大于半导体激光器的灵敏度上限，则将测试信号分配至衰减回路；否则，将测试信号分配至直通回路。放大回路用于放大测试信号，衰减回路用于衰减测试信号，以使测试信号的幅值满足半导体激光器的工作动态范围，直通回路用于传输幅值恰好处于半导体激光器的工作动态范围内的测试信号，半导体激光器用于将放大回路、衰减回路或直通回路输出的电信号转换为光信号进行传输。
在本发明的一个优选实施例中，第一光供电模组包括光伏转换器和升压与电源管理电路，光伏转换器用于将接收到的光能转换为电能，升压与电源管理电路用于将光伏转换器转换得到的低压电源进行升压，再为逻辑电路、放大回路和半导体激光器提供稳定供电。
在本发明的一个优选实施例中，信号前处理模块采用全金属封装且与信号探测天线共形，设置于测试屏蔽室或屏蔽暗箱内。
本实施例的信号后处理模块，包括光电转换模组和第二光供电模组，光电转换模组的信号输入端通过光纤连接信号前处理模块的电光转换模组的信号输出端，第二光供电模组的电源输出端通过光纤连接第一光供电模组的电源输入端，第二光供电模组和第一光供电模组共同实现为电光转换模组提供光纤供电。具体的，信号后处理模块可设置于控制间。
在本发明的一个优选实施例中，光电转换模组包括光探测器、低噪声放大器和驱动放大器，光探测器用于将接收到的光信号解调回模拟电信号，低噪声放大器和驱动放大器用于将因光电转换而损耗较大的解调电信号放大，以达到显示设备的幅度要求。
在本发明的一个优选实施例中，第二光供电模组包括驱动电源和供电激光器，驱动电源用于为光探测器、低噪声放大器、驱动放大器和供电激光器提供稳定的电源，供电激光器通过光纤为信号前处理模块的光伏转换器提供光能。
在本发明的一个优选实施例中，信号前处理模块还包括判定通路，信号后处理模块还包括信号指示灯，判定通路用于将逻辑电路为测试信号分配的传输回路信息通过光纤传递给信号指示灯，信号指示灯根据分配的传输回路信息以不同的指示灯颜色进行显示。
为了验证本实施例提供的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统的有效性，现进行如下测试。
屏蔽效能定义为：在同一激励下的某点上，有屏蔽材料与无屏蔽材料时所测量到的电场强度或功率之比。据此考虑系统实际测试中的两种极端情况，一是测试信号最大：宽带高功率微波测试时场强达到200kV/m，测试所用TEM喇叭天线电高度为0.017m(尺寸610mm×260mm×40mm)，测试窗口未放屏蔽材料，那么输入信号电压峰值为3400V；另一种情况是测试信号最小：L波段窄带高功率微波测试辐射场功率密度1W/cm2，测试所用喇叭天线有效接收面积30cm2(尺寸545mm×315mm×235mm)，被测材料屏蔽效能80dB，那么输入信号电压峰值为0.07mV。
为满足上述测试条件，选用InGaAsP/InP半导体激光器，其感应电压范围为1mV～1V。放大回路选用Anritsu G3H84增益为28dB的低噪声放大器，衰减回路由两路组成，其中一路为单只天亚通RFT20-50MA1240-12.5G衰减器，另一路为两只天亚通RFT40-50MA1240-12.5G衰减器串联。
逻辑电路示意图如图2所示，天线接收信号通过耦合器后，依次通过电压比较单元和TTL电平转换单元，电压比较单元的比较门限电平值由阈值电压设置单元提供，电压比较单元采用集成运放设计。当输入电压高于阈值电压时，输出高电平；当小于阈值电压时，输出低电平。阈值电压设置单元采用电位器，通过调整电位器的阻值调节分压，实现不同电压阈值设置。TTL电平转换单元采用NPN三极管设计，当高电平通过时，三极管导通，电路输出TTL高电平；当低电平通过时，三极管不导通，电路输出TTL低电平。天线接收信号输入后，高、中、低三路不同阈值电压比较链路将根据接收电压的大小，输出三路TTL信号，多路选择器(八选一选择器)根据三路TTL的电平值，确定信号灯导通通路，给出指示；而另一个八选一选择器根据三路TTL的电平值，确定单刀四掷射频开关的通道，使得接收到的信号根据峰值大小传输到不同通道(衰减通道1、衰减通道2、放大通道、直通通道)。
设置逻辑电路临界电压Rref1、Uref2和Uref3分别设置为1mV、1V和4V，当输入信号电压峰值小于1mV(含)时，信号路径为放大回路，此时信号后处理模块中指示灯显示红色；当输入信号电压峰值在1mV～1V(含)范围，信号路径为直通回路，此时信号后处理模块中指示灯显示为黄色；当输入信号电压峰值在1V～4V(含)范围，信号路径为20dB衰减回路，此时信号后处理模块中指示灯颜色为蓝色；当输入信号大于4V时，信号路径为80dB衰减回路，此时信号后处理模块中指示灯颜色为绿色。
为了保证传输信号质量，电光转换模组和光电转换模组之间通过单模光纤连接，光信号经光探测器转换为电信号后，经过低噪声放大器和驱动放大器放大，传输给示波器显示出来。优选的，光探测器可采用Archecom Technology AC6541 PIN光探测器，低噪声放大器可采用Hittite HMCC311LP3型低噪声放大器。
在供电上，通过电源适配器输入24V稳压稳流电源，驱动电源一方面为光探测器低噪放和驱动放大器供电，另一方面给供电激光器供电。供电激光器将电能转换为光能，通过多模光纤传输给光伏转换器，光伏转换器将光能再转换为电能，通过升压与电源管理电路为放大回路、逻辑电路和半导体激光器提供稳定电源。优选的，供电激光器可采用JDSUPPM-5光电功率模块，光伏转换器可采用敏光科技LSCELL8-6V光伏转换器，升压与电源管理电路可采用XL6009DC-DC升压与电源管理电路。
据此设计得到的信号前处理模块尺寸为120mm×65mm×60mm，远小于测试场景中使用的天线，同时也小于典型的示波器(400mm×250mm×300mm)与数据采集卡系统(350mm×300mm×100mm)，可实现与天线的良好共形，且动态范围达到155dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。
Claims (8)
1.一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块，其特征在于，包括电光转换模组和第一光供电模组，所述第一光供电模组用于将外部提供的光能转换为电能供所述电光转换模组使用，所述电光转换模组用于将接收到的测试信号转变为光信号；所述电光转换模组包括逻辑电路、放大回路、衰减回路、直通回路和半导体激光器，其中：
所述逻辑电路用于对测试信号电压幅值进行判定，并根据幅值大小进行后续传输回路的分配，若幅值小于所述半导体激光器的灵敏度下限，则将测试信号分配至所述放大回路；若幅值大于所述半导体激光器的灵敏度上限，则将测试信号分配至所述衰减回路；否则，将测试信号分配至所述直通回路；
所述放大回路用于放大测试信号，使其幅值满足所述半导体激光器的工作动态范围；
所述衰减回路用于衰减测试信号，使其幅值满足所述半导体激光器的工作动态范围；
所述直通回路用于传输幅值恰好处于所述半导体激光器的工作动态范围内的测试信号；
所述半导体激光器用于将所述放大回路、所述衰减回路或所述直通回路输出的电信号转换为光信号进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块，其特征在于，所述第一光供电模组包括光伏转换器和升压与电源管理电路，所述光伏转换器用于将接收到的光能转换为电能，所述升压与电源管理电路用于将所述光伏转换器转换得到的低压电源进行升压，再为所述逻辑电路、所述放大回路和所述半导体激光器提供稳定供电。
3.根据权利要求1所述的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试用信号前处理模块，其特征在于，所述信号前处理模块采用全金属封装且与信号探测天线共形，设置于测试屏蔽室或屏蔽暗箱内。
4.一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的信号前处理模块，以及信号后处理模块，所述信号后处理模块用于将所述信号前处理模块输出的光信号转变为满足信号显示设备需求的电信号；
所述信号后处理模块包括光电转换模组和第二光供电模组，所述光电转换模组的信号输入端通过光纤连接所述信号前处理模块的电光转换模组的信号输出端，所述第二光供电模组的电源输出端通过光纤连接所述第一光供电模组的电源输入端，所述第二光供电模组和所述第一光供电模组共同实现为所述电光转换模组提供光纤供电。
5.根据权利要求4所述的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征在于，所述光电转换模组包括依次连接的光探测器、低噪声放大器和驱动放大器，所述光探测器用于将接收到的光信号解调回模拟电信号，所述低噪声放大器和所述驱动放大器用于将因光电转换而损耗较大的解调电信号放大，以达到显示设备的幅度要求。
6.根据权利要求5所述的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征在于，所述第二光供电模组包括驱动电源和供电激光器，所述驱动电源用于为所述光探测器、所述低噪声放大器、所述驱动放大器和所述供电激光器提供稳定的电源，所述供电激光器通过光纤为所述信号前处理模块的光伏转换器提供光能。
7.根据权利要求4所述的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征在于，所述信号前处理模块还包括判定通路，所述信号后处理模块还包括信号指示灯，所述判定通路用于将所述逻辑电路为测试信号分配的传输回路信息通过光纤传递给所述信号指示灯，所述信号指示灯根据分配的传输回路信息以不同的指示灯颜色进行显示。
8.根据权利要求4所述的一种强电磁脉冲屏蔽效能测试系统，其特征在于，所述信号后处理模块设置于控制间。
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