CN113175950A - 放电通道多波段光学同步测量装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种放电通道多波段光学同步测量装置及其运行方法，包括：多波段信号调理单元的输入端通过光缆与信号捕捉单元的输出端相连，多波段信号调理单元的输出端通过同轴电缆与信号数字化存储单元的输入端相连；所述多波段信号调理单元与供电单元通过导线相连，并置于屏蔽腔体内。放电通道的辐射光透过光学镜头被光纤阵列平面上的光纤捕捉，输入至不同波长光探测器件组，根据热传导方程和能量守恒定律，不同波段的光信号可以反推通道温度和电导率；不同波段光信号波形的峰值代表了相应波段的光学强度。本发明能够同时测量放电通道不同通道段的温度、电导率和强度，成本低且抗电磁干扰能力强。

Description

放电通道多波段光学同步测量装置及其运行方法

技术领域

本发明属于光学观测设备技术领域，特别是一种能够同时测量放电通道不同通道段温度、电导率和强度，成本低且抗电磁干扰能力强的放电通道多波段光学同步测量装置及其运行方法。

背景技术

雷电是云与大地之间的一种超长间隙击穿放电，具有电压高、电流强、功率高等特点，其产生的高温和热效应是森林火灾、建筑物损毁、飞机表皮蚀穿等众多灾害的主要根源。为了对雷电进行科学防护，研究雷电放电通道的电荷结构及电流与能量传输特性的意义不言而喻，其中放电通道温度和电导率等物理参数是探索上述特性的基础参数。

实际上，雷电中的大电流及其强电磁辐射在放电通道内形成的高温环境，可使通道内部粒子解离成原子或电离成离子，从而产生自由电荷；粒子会高速运动发生碰撞，从而辐射出光子，形成紫外到红外的光辐射。因此，通过观测放电通道的多波段光学特性，并基于热传导方程和能量守恒定律，可以有效诊断放电通道的物理特性，如通过可见波段的特征谱线，可以计算通道的平均温度和通道的电导率等。目前，关于雷电放电通道多波段光学特性的观测主要通过光谱仪或者在其基础上改造的高速摄谱仪实现，价格昂贵，且在光传输过程中的能量损耗较大。另外，现有的高速光学观测装置如中国发明专利申请“一种高速光学测速装置”(申请号：201510144476.7，公开日：2015-06-10)和“亚微秒级二维光学观测装置”(申请号：201810425514X，公开日：2018-10-19)，受观测机制和原理的限制，虽可以测量放电通道的发展速度和强度等，但不能测量温度和电导率。

目前，集信号捕捉、多波段信号调理、信号数字化存储以及供电于一体，抗电磁干扰能力强，能够同时测量放电通道不同通道段温度、电导率和强度，且成本低的放电通道多波段光学同步测量装置，未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种放电通道多波段光学同步测量装置及其运行方法，能够同时测量放电通道不同通道段的温度、电导率和强度，且成本低、抗电磁干扰能力强。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种放电通道多波段光学同步测量装置，包括：

信号捕捉单元，用于在平行于阵列平面的维度捕捉放电通道激励的不同波段的辐射光；

多波段信号调理单元，用于实现不同波段光信号的光电转换、非线性校正及放大；

信号数字化存储单元，用于完成信号的数字化同步采集存储；

供电单元，用于实现电源管理，并给多波段信号调理单元进行供电；

所述多波段信号调理单元的输入端通过光缆与信号捕捉单元的输出端相连，多波段信号调理单元的输出端通过同轴电缆与信号数字化存储单元的输入端相连；所述多波段信号调理单元与供电单元通过导线相连，并置于屏蔽腔体内。

放电通道多波段光学同步测量装置的运行方法，放电通道的辐射光透过光学镜头被光纤阵列平面上的光纤捕捉，输入至不同波长光探测器件组，经过非线性波形校正及放大，驱动数字化存储单元进行信号同步记录；根据热传导方程和能量守恒定律，不同波段的光信号可以反推通道温度和电导率；不同波段光信号波形的峰值代表了相应波段的光学强度。具体过程如下：

(1)信号捕捉：光学镜头(11)对放电通道的辐射光进行聚焦，使得聚焦的光信号落在光纤阵列平面(12)上，光纤阵列组对聚焦的光信号进行捕捉；

(2)信号调理：不同波长光探测器件组(21)对通过塑料光缆输入的光信号进行光电转换，并通过导线输出至非线性校正模块(22)进行电信号的波形校正，之后通过导线输出至信号放大模块(23)进行电信号放大；

(3)信号采集存储：放大后的不同波长的电信号经同轴电缆驱动信号数字化存储单元(30)，实现对不同波长信号的数字化同步采集存储；

(4)不同放电通道段温度计算：利用存储的不同波长的信号，可由下式计算放电通道的温度：

式中，T_d为第d行光纤阵列观测的放电通道段的温度，d＝1,2,…,m；k为玻尔兹曼常数；ln表示自然对数；λ_i和λ_j分别为第i和j列器件的敏感波长，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，i≠j；A_i和A_j分别为第i和j列器件采集信号的跃迁几率，g_i和g_j分别为第i和j列器件采集信号的统计权重，E_i和E_j分别为第i和j列器件采集信号的激发态能量，均为经验常数；I_di和I_dj分别为第i和j列器件观测的第d行光纤阵列对应通道段的辐射光信号强度；

(5)不同放电通道段电导率计算：根据计算得到的放电通道温度及等离子体输运理论，可得放电通道电导率为：

式中，σ_d为第d行光纤阵列观测的放电通道段的电导率；K为温度单位开尔文；

(6)通过选择不同行(d＝1,2,…,m)中任意两个观测器件的测量信号，即可同时得到放电通道不同通道段的温度和电导率。

本发明有以下积极的效果：

1、能够同时测量放电通道的温度、强度和电导率：放电通道的辐射光透过光学镜头被光纤阵列平面上的光纤捕捉，输入至不同波长光探测器件组，根据热传导方程和能量守恒定律，不同波段的光信号可以反推通道温度和电导率；不同波段光信号波形的峰值代表了相应波段的光学强度。

2、抗电磁干扰能力强：信号捕捉单元中的全介质塑料光缆，不受电磁干扰；供电单元和多波段信号调理单元置于屏蔽腔体，电磁屏蔽效能100dB以上，供电稳定、测量精度高。

附图说明

图1是本发明放电通道多波段光学同步测量装置的结构框图；

图2是图1中信号捕捉单元和多波段信号调理单元连接示意图；

图3是本发明放电通道多波段光学同步测量装置的测量结果示意图；

图4是本发明放电通道多波段光学同步测量装置某一时刻的测量结果示意图。

图中，10-信号捕捉单元、20-多波段信号调理单元、30-信号数字化存储单元、40-供电单元、50-光缆、60-同轴电缆、70-屏蔽腔体、80-导线；

11-光学镜头、12-光纤阵列平面、13-光纤头、14-放电通道、15-光探测器件

21-不同波长光探测器件组、22-非线性校正模块、23-信号放大模块；

41-锂电池、42-电源管理模块。

具体实施方式

下面以雷电放电通道观测为实施例，结合附图对本发明提出的放电通道多波段光学同步测量装置进行说明。

实施例1

如图1所示，一种放电通道多波段光学同步测量装置，包括：

信号捕捉单元10，用于在平行于阵列平面的维度捕捉放电通道激励的不同波段的辐射光；

多波段信号调理单元20，用于实现不同波段光信号的光电转换、非线性校正及放大；

信号数字化存储单元30，用于完成信号的数字化同步采集存储；

供电单元40，用于实现电源管理，并给多波段信号调理单元20进行供电；

所述多波段信号调理单元20的输入端通过光缆50与信号捕捉单元10的输出端相连，多波段信号调理单元20的输出端通过同轴电缆60与信号数字化存储单元30的输入端相连；所述多波段信号调理单元20与供电单元40通过导线80相连，并置于屏蔽腔体70内。

如图1所示，所述信号捕捉单元10包括置于前端的光学镜头11和置于后端的光纤阵列平面12；

所述光学镜头11用于聚焦放电通道释放的光信号；

所述光纤阵列平面12位于光学镜头11的焦平面上；

所述光纤阵列平面12的输出端通过光缆50与多波段信号调理单元20的输入端相连。

如图1所示，所述多波段信号调理单元20包括不同波长光探测器件组21、非线性校正模块22和信号放大模块23；

所述不同波长光探测器件组21，用于将放电通道辐射的不同波长的光信号转换为正比于接收光强度的电信号；

所述非线性校正模块22，用于对电信号进行非线性校正，增大测量装置的量程；

所信号放大模块23，用于对电信号进行放大；

所述不同波长光探测器件组21的输入端通过光缆50与光纤阵列平面12的输出端相连，其输出端通过导线80与非线性校正模块22的输入端相连；所述非线性校正模块22的输出端通过导线80与信号放大模块23的输入端相连；所述信号放大模块23通过同轴电缆60驱动后续的信号数字化存储单元30。

如图1所示，所述供电单元40包括锂电池41和电源管理模块42；

所述电源管理模块42，用于将锂电池41输出的电压调理为低纹波的正负电源，继而给多波段信号调理单元20供电。

如图1所示，所述的光缆50为全介质塑料光缆，不会耦合外部电磁场；所述的屏蔽腔体70可消除外部电磁场干扰源对供电单元40和多波段信号调理单元20的干扰。

如图2所示，所述光纤阵列平面12是一个m＝6行n＝5列的等间距排列的光纤阵列组，每一列为一组，即5组；则放电通道在平行于阵列平面的维度沿z方向被分为了6段，分别由第1、2、3、4、5和6行阵列观测。

所述不同波长光探测器件组21包含n＝5种不同敏感波长的光探测器件，对应光纤阵列平面12中的n＝5组阵列；每种器件的个数为m＝6个，对应光纤阵列平面12中每组阵列的m＝6行；光探测器件与光纤阵列通过光缆50一一对应相连。

放电通道的辐射光透过光学镜头被光纤阵列平面上的光纤捕捉，输入至不同波长光探测器件组，经过非线性波形校正及放大，驱动数字化存储单元进行信号同步记录；根据热传导方程和能量守恒定律，不同波段的光信号可以反推通道温度和电导率；不同波段光信号波形的峰值代表了相应波段的光学强度。

具体的，如图3所示，以时间为横轴，选取敏感波长1探测器件测量的信号，可以得到所测放电通道辐射的波段1光信号的时间变化曲线，该曲线即为波段1光信号不同时间的强度曲线。

如图4所示，以波长为横轴，固定时间，可以得到所测放电通道在某一时刻辐射的不同波段光信号的强度变化曲线；

以如图2所示的第1行的第2个和第5个光探测器件为例，在局部热力学平衡条件下，第1行阵列观测的通道段的温度可以表示为：

式中，T₁为第1行阵列观测的通道段温度；λ₂和λ₅分别为第2列和第5列光探测器件的敏感波长；I₁₂为第2列光探测器件观测的第1行阵列对应通道段的辐射光信号强度；I₁₅为第5列光探测器件观测的第1行阵列对应通道段的辐射光信号强度；k为玻尔兹曼常数；g₂和g₅分别为第2列和第5列光探测器件采集信号的激发态统计权重，为经验常数；A₂和A₅分别为第2列和第5列光探测器件采集信号的跃迁几率，为经验常数；E₂和E₅分别为第2列和第5列光探测器件采集信号的激发态能量，为经验常数；ln表示自然对数。

基于等离子体输运理论，可得第1行阵列观测的通道段电导率为：

式中，K为温度单位开尔文。

通过选择不同行中任意两个光探测器件的测量信号，即可同时得到放电通道不同通道段的温度和电导率(如图3所示)。

优选的，对雷电放电通道观测而言，所述非线性校正模块22的核心器件为3SK127场效应管、2SC3356三极管；所述信号放大模块23的核心器件为OPA659运放；所述电源管理模块41的核心器件为A0512S；所述不同敏感波长的光探测器件可以为S2551、C5460、HFBR-2416MZ、HFBR-2602Z、HFBR-2515BFZ。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种放电通道多波段光学同步测量装置，其特征在于，包括：

信号捕捉单元，用于在平行于阵列平面的维度捕捉放电通道激励的不同波段的辐射光；

多波段信号调理单元，用于实现不同波段光信号的光电转换、非线性校正及放大；

信号数字化存储单元，用于完成信号的数字化同步采集存储；

供电单元，用于实现电源管理，并给多波段信号调理单元进行供电；

所述多波段信号调理单元的输入端通过光缆与信号捕捉单元的输出端相连，多波段信号调理单元的输出端通过同轴电缆与信号数字化存储单元的输入端相连；所述多波段信号调理单元与供电单元通过导线相连，并置于屏蔽腔体内；

所述信号捕捉单元包括置于前端的光学镜头和置于后端的光纤阵列平面；所述光纤阵列平面位于光学镜头的焦平面上；所述光纤阵列平面的输出端通过光缆与多波段信号调理单元的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的放电通道多波段光学同步测量装置，其特征在于，所述多波段信号调理单元包括不同波长光探测器件组、非线性校正模块和信号放大模块；所述不同波长光探测器件组的输入端通过光缆与光纤阵列平面的输出端相连，其输出端通过导线与非线性校正模块的输入端相连；所述非线性校正模块的输出端通过导线与信号放大模块的输入端相连；所述信号放大模块通过同轴电缆驱动后续的信号数字化存储单元。

3.根据权利要求1所述的放电通道多波段光学同步测量装置，其特征在于，所述的光缆为全介质塑料光缆。

4.根据权利要求1所述的放电通道多波段光学同步测量装置，其特征在于，所述光纤阵列平面是一个m行、n列的等间距排列的光纤阵列组，每一列为一组，即n组；所述不同波长光探测器件组包含n种不同敏感波长的光探测器件，对应光纤阵列平面中的n组阵列；每种器件的个数为m个，对应光纤阵列平面中每组阵列的m行；光探测器件与光纤阵列通过光缆一一对应相连；相应的，放电通道在平行于光纤阵列平面的维度沿行方向被分为了m段，分别由第1至m行光纤阵列观测。

5.权利要求1所述的放电通道多波段光学同步测量装置的运行方法，步骤如下：

(1)信号捕捉：光学镜头(11)对放电通道的辐射光进行聚焦，使得聚焦的光信号落在光纤阵列平面(12)上，光纤阵列组对聚焦的光信号进行捕捉；

(2)信号调理：不同波长光探测器件组(21)对通过塑料光缆输入的光信号进行光电转换，并通过导线输出至非线性校正模块(22)进行电信号的波形校正，之后通过导线输出至信号放大模块(23)进行电信号放大；

(3)信号采集存储：放大后的不同波长的电信号经同轴电缆驱动信号数字化存储单元(30)，实现对不同波长信号的数字化同步采集存储；

(4)不同放电通道段温度计算：利用存储的不同波长的信号，可由下式计算放电通道的温度：

式中，T_d为第d行光纤阵列观测的放电通道段的温度，d＝1,2,…,m；k为玻尔兹曼常数；ln表示自然对数；λ_i和λ_j分别为第i和j列器件的敏感波长，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,n，i≠j；A_i和A_j分别为第i和j列器件采集信号的跃迁几率，g_i和g_j分别为第i和j列器件采集信号的统计权重，E_i和E_j分别为第i和j列器件采集信号的激发态能量，均为经验常数；I_di和I_dj分别为第i和j列器件观测的第d行光纤阵列对应通道段的辐射光信号强度；

(5)不同放电通道段电导率计算：根据计算得到的放电通道温度及等离子体输运理论，可得放电通道电导率为：

式中，σ_d为第d行光纤阵列观测的放电通道段的电导率；K为温度单位开尔文；

(6)通过选择不同行(d＝1,2,…,m)中任意两个观测器件的测量信号，即可同时得到放电通道不同通道段的温度和电导率。

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