CN113092862A - 一种用于sremp环境评估的等效电导率测试方法 - Google Patents

Abstract

一种用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，本发明利用低频连续波信号源发出SREMP频段范围内的连续波信号，通过与工程尺度相近的低频线天线将该信号辐射出去，使用弱磁场测试设备对地下空间内外的磁感应强度进行测试，进行该地下工程的SREMP场环境评估，本发明搭建的等效试验测试系统，对系统中线天线近区场特性进行了研究，通过线天线近地磁感应强度的试验测试，验证了该测试方法的可行性，本发明针对不同的大地介质开展地下工程SREMP场环境评估，为研究地面爆电磁脉冲效应和工程防护设计提供了参考等，适合大范围的推广和应用。

Description

一种用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法

技术领域

本发明涉及一种等效电导率测试方法，具体涉及一种用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法。

背景技术

已知的，地面核爆源区电磁脉冲(SREMP)可穿透工程岩土介质，对地下工程内的电子信息设备造成严重影响。是一种效应非常强烈的电磁脉冲，其磁感应强度达上百高斯，持续时间长达毫秒以上，主频谱分布在1kHz～100kHz。地面爆电磁脉冲产生的低频强磁场不仅能够直接对暴露的电磁敏感设备造成严重损伤，而且对岩土介质的穿透能力极强，能够穿透岩土层进入到地下工程内部，对工程内部的电子设备和系统造成干扰和损伤，严重威胁了地下工程的安全。

开展工程内部地面爆电磁脉冲场环境研究是进行电磁防护设计的基础，目前研究方法多以数值计算为主。Logmire开发了地面爆电磁脉冲二维计算软件，周璧华提出了地面爆电磁脉冲效应评估方法。地面爆电磁脉冲效应研究存在的主要问题是试验测试系统较为缺乏，尤其是针对工程整体的较大尺度模拟测试系统。此外在工程参数的计算选取上，多根据经验取值，而针对不同的工程介质，大地电导率δ等参数有着较大的差别；同时考虑到大地的色散特性，在SREMP频段范围内使用单一的电导率参数容易带来较大的计算误差，对电磁效应评估和防护设计造成影响。在大地等效电导率反演计算方面，Liu Q研究了地磁暴频段大地等效参数的计算方法，S.V.A通过垂直单极子天线研究了近地的大地等效电导率，IEEE Std给出了通过广播信号测试大地等效电导率的方法。借助空间广播信号作为平面波源，通过检测工程内外的信号强度，研究工程整体的电磁脉冲屏蔽效能。但由于空间广播信号频段较少，且信号幅度不够稳定等因素的影响，造成利用该方法的测试评估效果不甚理想等。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，本发明搭建了等效试验测试系统，对系统中线天线近区场特性进行了研究，通过线天线近地磁感应强度的试验测试，验证了该测试方法的可行性，本发明针对不同的大地介质开展地下工程SREMP场环境评估，为研究地面爆电磁脉冲效应和工程防护设计提供了参考等。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，所述测试方法利用低频连续波信号源发出SREMP频段范围内的连续波信号，通过与工程尺度相近的低频线天线将该信号辐射出去，使用弱磁场测试设备对地下空间内外的磁感应强度进行测试，进行该地下工程的SREMP场环境评估。

所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，所述的低频连续波信号源为直接数字频率合成信号发生器输入信号经过信号处理电路后进入功率放大模块，由于低频测试天线工作在1kHz～100kHz范围，信号源功放输出模块需要在较宽频段范围内与天线进行匹配，采用基于传输线变压器的分段阻抗匹配技术进行实现。

所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，所述功率放大模块采用线性放大电路的技术路线，采用三级放大的技术方案，第一级选用小功率高增益的线性管，以实现较高的增益，第二、三级选用推挽式功放管设计，在功放控制电路部分，温度过热保护选择温度继电器，安装在热源附近进行检测，驻波保护选择定向耦合器进行检测，通过比较器进行控制，对于功率平坦度的控制，增加自动功率控制电路，实现不同频段下的稳定功率输出。

所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，所述线天线平行架设在待测试工程上方，线天线架设高度为1m以内，线天线长度与工程尺度一致。

所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，所述线天线采用对称振子设计方案，连续波信号源接入线天线的馈电端，输出频率1kHz～100kHz可调的正弦连续波信号，其最大功率为1000W，弱磁场测试设备的最低灵敏度为pT量级。

所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，所述线天线的测试距离在几百米以内时，测试距离均远小于一个波长，认为满足近区场条件，此时线电流近区感应磁场近似为：

电磁波在地下传播时，考虑到大地介质中的衰减，此时球面波矢量ψ表示为：

公式中r为传播距离，k为电磁波在地下介质中的传播常数，γ为电磁波在有耗介质中的衰减常数；

以线天线中点为原点，电流流向为x轴，垂直于大地向上方向为z轴，建立空间直角坐标系，设天线长度为a，电流在x轴的分布为I₀(x)，则电流I表示为：

测试点P点选取为地下空间的一点，设P点坐标为(x₀,y₀,d)，此时线电流元与测试点距离为：

此时

代入公式

中得该测试点的磁场强度为：

在该空间直角坐标系下，线电流沿天线传播时，地面上的磁场只有垂直于导线的方向分量H_y和H_z。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明利用低频连续波信号源发出SREMP频段范围内的连续波信号，通过与工程尺度相近的低频线天线将该信号辐射出去，使用弱磁场测试设备对地下空间内外的磁感应强度进行测试，进行该地下工程的SREMP场环境评估，本发明搭建的等效试验测试系统，对系统中线天线近区场特性进行了研究，通过线天线近地磁感应强度的试验测试，验证了该测试方法的可行性，本发明针对不同的大地介质开展地下工程SREMP场环境评估，为研究地面爆电磁脉冲效应和工程防护设计提供了参考等，适合大范围的推广和应用。

附图说明

图1为本发明实施例中地面爆电磁脉冲效应等效测试系统；

图2为本发明实施例中低频连续波信号源设计方案图；

图3为本发明实施例中低频连续波信号源功率放大器方案；

图4为本发明实施例中线天线传播坐标系；

图5为本发明实施例中不同天线长度对近区场特性的影响；

图6为本发明实施例中不同地质环境对天线近区场特性的影响；

图7为本发明实施例中线天线近区磁感应强度测试图；

图8为本发明实施例中不同频点处B_y和B_z测试曲线(d＝30m)。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

测试是开展电磁环境评估的重要手段，对于地下工程等较大尺寸空间的SREMP场环境评估，采用脉冲源和有界波模拟器的方案不容易实现,目前多采用频域法进行。借助空间广播信号作为平面波源，通过检测工程内外的信号强度，研究工程整体的电磁脉冲屏蔽效能。但由于空间广播信号频段较少，且信号幅度不够稳定等因素的影响，造成利用该方法的测试评估效果不甚理想。本发明提出基于连续波等效的地面爆电磁脉冲效应等效测试系统设计方法，利用低频连续波信号源发出SREMP频段范围内的连续波信号，通过与工程尺度相近的大型低频线天线将该信号辐射出去，使用弱磁场测试设备可对地下空间内外的磁感应强度进行测试，进行该地下工程的SREMP场环境评估，系统设计方案如图1所示。

所述线天线平行架设在待测试工程上方，线天线架设高度为1m以内，线天线长度与工程尺度一致。所述线天线采用对称振子设计方案，连续波信号源接入线天线的馈电端，输出频率1kHz～100kHz可调的正弦连续波信号，其最大功率为1000W，弱磁场测试设备的最低灵敏度为pT量级。

进一步，在测试系统中低频连续波信号源自身的工作稳定性、可靠性等因素对测试系统影响较大，该信号源目前没有成熟产品，需要进行重新设计。该连续波信号源的设计方案如图2所示，直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis,DDS)信号发生器输入信号经过信号处理电路后进入功率放大模块，由于低频测试天线工作在1kHz～100kHz范围，信号源功放输出模块需要在较宽频段范围内与天线进行匹配，采用基于传输线变压器的分段阻抗匹配技术进行实现。

功率放大模块是该信号源的重要部分，功率放大模块采用线性放大电路的技术路线，采用三级放大的技术方案，具体如图3所示，第一级选用小功率高增益的线性管，以实现较高的增益，第二、三级选用推挽式功放管设计，在功放控制电路部分，温度过热保护选择温度继电器，安装在热源附近进行检测，驻波保护选择定向耦合器进行检测，通过比较器进行控制，对于功率平坦度的控制，增加自动功率控制电路，实现不同频段下的稳定功率输出。

进一步，对于测试系统中的线天线，其工作频率为1kHz～100kHz，此时测试距离在几百米以内时，测试距离均远小于一个波长，认为满足近区场条件，此时线电流近区感应磁场近似为：

电磁波在地下传播时，考虑到大地介质中的衰减，此时球面波矢量ψ表示为：

公式中r为传播距离，k为电磁波在地下介质中的传播常数，γ为电磁波在有耗介质中的衰减常数；

以线天线中点为原点，电流流向为x轴，垂直于大地向上方向为z轴，建立如图4所示的空间直角坐标系，设天线长度为a，电流在x轴的分布为I₀(x)，则电流I表示为：

测试点P点选取为地下空间的一点，设P点坐标为(x₀,y₀,d)，此时线电流元与测试点距离为：

此时

代入公式

中得该测试点的磁场强度为：

在该空间直角坐标系下，线电流沿天线传播时，地面上的磁场只有垂直于导线的方向分量H_y和H_z。

本发明在具体实施时，天线长度对天线近区场特性影响分析如下：

根据公式

计算结果，可对影响天线近区感应磁场特性的典型因素进行研究。利用matlab编程可计算得出B_y和B_z，对于线天线近区感应磁场，可忽略相位变化的影响，依据公式

求出总场的磁感应强度。

此处取连续波源馈电功率取最大1000W，接口阻抗为50Ω，此时天线馈电电流为4.47A。深度d取100m，磁感应强度计算点为天线中点正下方。选取典型的大地参数(σ＝0.003，ε_r＝4)，在非磁性地层中，大地磁导率可认为等于真空中的磁导率，此时取μ₀＝4π×10-7，磁感应强度B＝μ₀H。

改变天线长度，分别计算1kHz、10kHz、64kHz等典型频点处天线长度与总磁感应强度的关系，计算结果如图5所示。

由计算结果可知，随着天线长度的增加，地下空间磁感应强度随之增加，但天线长度增加到一定数值后，近区磁感应强度存在一个饱和值。随着计算频率的增加，近区场的磁感应强度随之降低，当f＝64kHz，天线长度在1000m以内时，100m深度处磁感应强度为百pT以内。

地质环境对天线近区场特性影响分析：

取连续波源馈电功率为1000W，接口阻抗为50Ω，此时天线馈电电流为4.47A。天线长度取1000m，计算频率f＝10kHz，深度d取100m、200m、400m，ε_r＝4，大地电导率σ分别取0.001,0.01,0.1,1。分别研究不同大地电导率条件下天线地下感应场的磁感应强度，计算结果如图6所示。

由图6计算结果可知，随着大地电导率的提高，近区场的磁感应强度随之衰减；地下测试深度越深，磁感应强度也随之减小。根据理论计算结果，对于电导率大于0.01S/m(粘土、湿土等)的地貌，当线天线长度范围为1000m以内时，考虑到本发明采用弱磁场测试设备的敏感度(几pT级)，该类天线对于地下工程的有效探测距离约为200m。

本发明在实施时，近地磁感应强度试验测试如下：

选取某工程上方布置该测试系统，加工长度为100m的样品天线，如图7所示。调整连续波信号源的输出功率，功率设置为10W，天线接口阻抗为50Ω。分别选取1kHz、10kHz、64kHz作为典型测试频点，测试点为天线中轴线(y轴)上的点，测试点选择10个，测试距离d为10m-100m，各测试点之间间隔为10m。

分别测试不同测点处的磁感应强度测试值B_y和B_z，图8为d＝30m时不同频点处B_y和B_z测试曲线。

在大地表面进行测试时，考虑到天线架设方向和磁场测试设备的方向偏差，单个方向的磁感应强度测试值可能存在较大误差。由于天线总长度远小于波长，可以近似认为测得的两个方向磁场相位同向，可依据公式

求出不同测点处的总磁感应强度，下表为样品天线不同距离处总磁感应强度值。

样品天线不同距离处总磁感应强度测试值

该试验测试选择地面上的多组测试点是为了给后续的大地等效电导率反演求解提供数值依据。因为从电磁波传播机制上来看，线天线上电流产生的电磁场能量到达地面上测点处主要基于两个途径，一是经过空气传播直接到达测点处，二是经过大地介质衰减、反射后到达测试点，第二个过程电磁波的传播显然会受到大地等效电导率的影响。此外，从工程实现角度而言，在大地上表面上测试磁感应强度可以根据不同距离选择多个测试点，从而可为FDTD数值拟合提供了多组数据，如果在地下工程内部进行测试，由于对同一工程而言其深度是固定的，从而只能测得一个磁感应强度测试值，无法满足反演拟合的条件。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (6)

1.一种用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，其特征是：所述测试方法利用低频连续波信号源发出SREMP频段范围内的连续波信号，通过与工程尺度相近的低频线天线将该信号辐射出去，使用弱磁场测试设备对地下空间内外的磁感应强度进行测试，进行该地下工程的SREMP场环境评估。

2.根据权利要求1所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，其特征是：所述的低频连续波信号源为直接数字频率合成信号发生器输入信号经过信号处理电路后进入功率放大模块，由于低频测试天线工作在1kHz～100kHz范围，信号源功放输出模块需要在较宽频段范围内与天线进行匹配，采用基于传输线变压器的分段阻抗匹配技术进行实现。

3.根据权利要求2所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，其特征是：所述功率放大模块采用线性放大电路的技术路线，采用三级放大的技术方案，第一级选用小功率高增益的线性管，以实现较高的增益，第二、三级选用推挽式功放管设计，在功放控制电路部分，温度过热保护选择温度继电器，安装在热源附近进行检测，驻波保护选择定向耦合器进行检测，通过比较器进行控制，对于功率平坦度的控制，增加自动功率控制电路，实现不同频段下的稳定功率输出。

4.根据权利要求1所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，其特征是：所述线天线平行架设在待测试工程上方，线天线架设高度为1m以内，线天线长度与工程尺度一致。

5.根据权利要求1所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，其特征是：所述线天线采用对称振子设计方案，连续波信号源接入线天线的馈电端，输出频率1kHz～100kHz可调的正弦连续波信号，其最大功率为1000W，弱磁场测试设备的最低灵敏度为pT量级。

6.根据权利要求1所述的用于SREMP环境评估的等效电导率测试方法，其特征是：所述线天线的测试距离在几百米以内时，测试距离均远小于一个波长，认为满足近区场条件，此时线电流近区感应磁场近似为：

电磁波在地下传播时，考虑到大地介质中的衰减，此时球面波矢量ψ表示为：

公式中r为传播距离，k为电磁波在地下介质中的传播常数，γ为电磁波在有耗介质中的衰减常数；

以线天线中点为原点，电流流向为x轴，垂直于大地向上方向为z轴，建立空间直角坐标系，设天线长度为a，电流在x轴的分布为I₀(x)，则电流I表示为：

测试点P点选取为地下空间的一点，设P点坐标为(x₀,y₀,d)，此时线电流元与测试点距离为：

此时

代入公式

中得该测试点的磁场强度为：

在该空间直角坐标系下，线电流沿天线传播时，地面上的磁场只有垂直于导线的方向分量H_y和H_z。

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