CN113433394B - 一种探测闪电的中低频辐射磁场天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探测闪电的中低频辐射磁场天线，包括：十字交叉放置的两根磁棒天线、电路板、天线罩、底座、金属管和固定底板；每一根磁棒天线通过与磁棒两端连接的磁棒支架固定于底座之上；电路板位于两根磁棒天线的下方位置，通过与电路板四个角连接的电路板支架固定于底座之上；天线罩放置于底座之上，用于密封两根磁棒天线和电路板；金属管通过线缆接口与底座反面中心位置相连接，用于敷设信号线缆和电源线缆；固定底板的中心位置与金属管相连接，用于固定于目标位置。本发明提出的探测闪电的中低频辐射磁场天线，使中低频磁场天线测量信号更加丰富，能解析出强度非常弱的磁场脉冲，并显著提升对闪电电流等参数的反演能力。

Description

一种探测闪电的中低频辐射磁场天线

技术领域

本发明涉及闪电探测技术领域，尤其涉及一种探测闪电的中低频辐射磁场天线。

背景技术

闪电按照发生位置的不同，可分为地闪和云闪两类，其中地闪是指发生于云与地面之间的放电过程，云闪统指没有接地的放电过程。一次闪电放电对应的空间尺度跨度极大，因此闪电能够产生频谱范围很宽的电磁辐射，其中主要集中在无线电(射频)频段。对于地闪预击穿和先导等一些小空间尺度(米量级或以下)的放电过程，往往能够产生更多的甚高频频段的辐射；而对于闪电发展传输伴随的较大空间尺度(百米/千米量级)的放电过程，如地闪回击过程和云内的长距离放电，会产生更多的中低频甚至频段更低的辐射。中低频辐射信号对于研究闪电物理具有重要意义，能够体现闪电发展传输特征，也可用于闪电电流等物理参数的反演，因此对于闪电的中低频辐射信号的探测非常重要。

传统测量闪电的中低频辐射信号的方法通常是利用闪电快/慢电场变化仪(简称快/慢天线)来实现，其基本原理是采用负反馈放大电路，将全金属平板感应天线连接到运算放大器的输入端，感应板维持到“虚地”状态，负反馈放电电路的电阻和电容跨接于运算放大器的输入和输出端。当闪电引起电场变化时，在感应板天线中会因为感应电荷的变化产生感应电流，感应电流通过积分电路输出测量电压，通过标定可以确定输出电压和闪电电场变化之间的关系。不过传统快/慢天线灵敏度相对较小，不能很好地解析闪电放电过程中强度较弱的放电过程，而且闪电电场极易受到天线架设环境、地形地物的畸变影响，测量结果误差很大。与电场测量相比，闪电磁场信号所受畸变干扰很小，而且磁场信号仅包含感应场和辐射场分量，更加有利于闪电电磁场数值模拟和电流反演，因此磁场天线在传统的闪电信号测量中也发挥了重要作用。目前用到的磁场天线通常分为两种，即环形天线和软磁棒天线，这两种天线配合外部放大电路可以实现对闪电磁场信号的测量。不过，环形天线同样存在灵敏度低的问题，很难测量到闪电弱放电过程引起的磁场变化；磁棒天线是通过将金属导线密绕在相对磁导率较高的软磁材料磁棒上制成，能够极大地提高磁场天线探测弱放电过程的能力，不过目前常用的磁棒天线频段主要集中在低频频段，即3-dB上截止频率约为300kHz，不能很好地探测更高频率的闪电磁场信号。

因此，为了获取闪电放电的高灵敏度中低频磁场信号，需要将传统的高灵敏低频天线的探测频段进行有效扩展，并且根据不同的探测距离或者探测对象设置合适的灵敏度。

发明内容

本发明提供一种探测闪电的中低频辐射磁场天线，用以解决现有技术中探测闪电中磁场测量带宽不足的缺陷。

本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线，包括：

十字交叉放置的两根磁棒天线、电路板、天线罩、底座、金属管和固定底板；

每一根磁棒天线通过与磁棒两端连接的磁棒支架固定于所述底座之上；

所述电路板位于所述两根磁棒天线的下方位置，通过与电路板四个角连接的电路板支架固定于所述底座之上；

所述天线罩放置于所述底座之上，用于密封所述两根磁棒天线和所述电路板；

所述金属管通过线缆接口与所述底座反面中心位置相连接，用于敷设信号线缆和电源线缆；

所述固定底板的中心位置与所述金属管相连接，用于固定于目标位置。

在一个实施例中，所述底座为铝合金圆盘，所述天线罩为玻璃钢空心半球，所述线缆接口采用标准SMA接口，所述底座还包括采用航空插头的供电接口。

在一个实施例中，所述磁棒天线是通过将具有预设直径的纯铜漆包线紧密缠绕在具有预设磁导率的软磁材料磁棒上所制成的。

在一个实施例中，所述电路板从输入端到输出端依次包括第一电阻、第二电阻、第一同相比例运放器、第二同相比例运放器、差分运放器、第三电阻、第四电阻、反向比例运放器和RC高通滤波器。

在一个实施例中，所述磁棒天线的两端分别与所述第一电阻的两端相连，所述第一电阻用于实现输入信号频响曲线的自积分，获得具有预设中低频频响特征的第一电压信号和第二电压信号。

在一个实施例中，所述第一电压信号与所述第一同相比例运放器的正极输入端相连，所述第二电压信号与所述第二同相比例运放器的正极输入端相连；

所述第一同相比例运放器和所述第二同相比例运放器的负极输入端分别与所述第二电阻的两端相连。

在一个实施例中，所述第一同相比例运放器的输出端和所述差分运放器的负极输入端相连，所述第二同相比例运放器的输出端和所述差分运放器的正极输入端相连；

所述差分运放器的输出端和所述第三电阻相连后进行耦合，得到放大后的第三电压信号。

在一个实施例中，所述第三电压信号输入所述反向比例运放器的负极输入端，所述反向比例运放器的输出端通过所述第四电阻反馈至所述反向比例运放器的负极输入端，得到经所述反向比例运放器放大后的第四电压信号。

在一个实施例中，所述第四电压信号输入至所述RC高通滤波器，得到输出信号。

在一个实施例中，所述每一根磁棒天线均对应于独立的放大电路。

本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线，使中低频磁场天线测量信号更加丰富，能解析出强度非常弱的磁场脉冲，并显著提升对闪电电流等参数的反演能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线的结构示意图；

图2是本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线的频率响应曲线；

图3是本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线的电路示意图；

图4是本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线的实施例对比结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

针对现有技术中磁场测量带宽不足的问题，本发明提出一种探测闪电的中低频辐射磁场天线，通过该天线的测量技术可以实现对自然闪电以及人工触发闪电所产生的中低频磁场辐射信号的高灵敏度探测。

图1是本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线的结构示意图，如图1所示，包括：

十字交叉放置的两根磁棒天线、电路板、天线罩、底座、金属管和固定底板；

每一根磁棒天线通过与磁棒两端连接的磁棒支架固定于所述底座之上；

所述电路板位于所述两根磁棒天线的下方位置，通过与电路板四个角连接的电路板支架固定于所述底座之上；

所述天线罩放置于所述底座之上，用于密封所述两根磁棒天线和所述电路板；

所述金属管通过线缆接口与所述底座反面中心位置相连接，用于敷设信号线缆和电源线缆；

所述固定底板的中心位置与所述金属管相连接，用于固定于目标位置。

需要说明的是，当闪电产生的时变磁场通过空心线圈天线时，线圈天线两端能够产生感应电压，由法拉第电磁感应定律可知：

其中μ₀为真空中的磁导率，n为线圈匝数，A为线圈截面积。

为了增大空心线圈天线的灵敏度同时保持天线的便携性，采用软磁材料磁棒作为线圈磁芯。

具体地，本发明采用相对磁导率μ_r约为800的软磁材料磁棒作为线圈磁芯，并将直径约为0.8mm的纯铜漆包线密绕在磁芯上，制成的磁棒天线总体长度约20cm，有效长度约16.5cm，直径约1.2cm，线圈匝数为210匝。

具体地，本发明采用的底座为直径25cm的铝合金圆盘，作为放置整套磁棒天线和放大电路的底座，并采用玻璃钢半球作为天线罩，上述两种材料能最大程度保证接收到的磁场信号少受干扰，确保测量结果的精确性。

具体地，本发明采用±13V直流线性电源为整套天线供电，供电接口采用电气性能非常好的航空插头，信号输出接口使用标准SMA接口，两种接口均设置在天线底座，相应的电源和信号线缆穿金属管敷设。

上述仅为一个具体的实施例所选取的对应数值，本发明并不作对应的设置，其它可以实现的对应数值均在本发明所保护的范围内。

基于上述任一实施例，所述电路板从输入端到输出端依次包括第一电阻、第二电阻、第一同相比例运放器、第二同相比例运放器、差分运放器、第三电阻、第四电阻、反向比例运放器和RC高通滤波器。

其中，所述磁棒天线的两端分别与所述第一电阻的两端相连，所述第一电阻用于实现输入信号频响曲线的自积分，获得具有预设中低频频响特征的第一电压信号和第二电压信号。

其中，所述第一电压信号与所述第一同相比例运放器的正极输入端相连，所述第二电压信号与所述第二同相比例运放器的正极输入端相连；

所述第一同相比例运放器和所述第二同相比例运放器的负极输入端分别与所述第二电阻的两端相连。

其中，所述第一同相比例运放器的输出端和所述差分运放器的负极输入端相连，所述第二同相比例运放器的输出端和所述差分运放器的正极输入端相连；

所述差分运放器的输出端和所述第三电阻相连后进行耦合，得到放大后的第三电压信号。

其中，所述第三电压信号输入所述反向比例运放器的负极输入端，所述反向比例运放器的输出端通过所述第四电阻反馈至所述反向比例运放器的负极输入端，得到经所述反向比例运放器放大后的第四电压信号。

其中，所述第四电压信号输入至所述RC高通滤波器，得到输出信号。

具体地，在理想情况下，磁棒天线两端的输出电压与闪电产生的时变磁场频率线性相关，不过受到天线自身电阻R，电感L和电容C的影响，当信号频率小于谐振频率时，输出电压随信号频率增加线性增大，当信号频率接近谐振频率时，输出电压出现明显突增，而当信号频率大于谐振频率后，输出电压随信号频率增加显著减小。磁棒天线的谐振频率f₀为：

可以通过对输出的电压信号的积分运算，即对dH/dt信号进行积分得到磁场信号，不过受谐振频率的影响，天线实际能够反映的磁场信号频率比较低，为了消除谐振频率的影响，将磁棒天线两端负载一个电阻R_i可以实现频响曲线的“自积分”过程，可以获得具有覆盖低频并达到中频带宽的频响特征，如图2所示。

如图3所示，为了抑制由噪声等引入的共模信号，同时对测量得到的电压信号进行放大，经过“自积分”之后的两路电压信号分别经过一个同相比例运放器，两个同相比例运放器的负极输入端通过电阻R_g串联，输出信号再经过差分运放器进行差模放大，此过程中电压信号被放大的倍数为：

如图3所示，为了进一步放大信号同时引入较小的共模信号，在本发明中经前述放大之后的信号以反相比例放大电路的形式进一步通过运算放大器，其中两级运放器之间通过的电阻R_c进行耦合，而反相比例放大电路输出端通过电阻R_f反馈到运放的反相输入端，此过程中电压信号被放大的倍数为：

如图3所示，为了消除磁棒天线在测量闪电信号时可能受到的工频及其它信号干扰，闪电信号经上述两级放大电路之后再通过一个R-C高通滤波器。

基于上述任一实施例，所述每一根磁棒天线均对应于独立的放大电路。

具体地，本发明为了提高对于发生在不同方位闪电的探测能力，磁棒天线采用正交设计，相应的放大电路也为两路设计。

基于上述任一实施例，本发明实施例中提供了针对一次在中国气象局雷电野外科学试验基地开展的人工触发闪电试验的中低频磁场辐射的探测结果，如图4所示，该实施例的具体实施过程如下：

将本发明提供的探测闪电的中低频辐射磁场天线架设在距离人工触发闪电试验场引流杆80m的试验平台，调整正交天线中的一根磁棒与引流杆垂直，相应的另一根磁棒指向引流杆；

将天线信号输出端通过阻抗为50Ω的同轴线接入试验场控制室内的YokogawaDL850示波记录仪，示波记录仪采用由电流信号触发的采集方式，采样率设置为10M/s，采样时长设置为5s，预触发时间设置为50％；

在合适的电场和气象条件下，成功实施人工触发闪电后，从引流杆通过的电信号经光纤传输至控制室，示波记录仪同步触发采集闪电产生的中低频磁场信号并保存；

示波记录仪采集到的数据保存完毕之后，可以实施下一次采集，此外也可将示波记录仪的采集方式设置为由磁场信号触发，即可实现对于无电流测量信号的空中触发闪电及自然闪电的磁场信号采集记录；

图4所示的实施例为2019年6月30日北京时间17:24:45在中国气象局雷电野外科学试验基地实施的一次人工触发闪电试验测量结果，观测对象为包含很多弱放电过程的人工触发闪电初始阶段，具体包括上行先导始发和形成初始连续电流两个阶段；

图4中上半部分为采用本发明中的探测闪电的中低频辐射磁场天线的测量结果，图4中下半部分为采用传统低频磁场天线测量结果，总体而言两种天线的测量结果一致，通过放大其中的细节可以发现，本发明中的探测闪电的中低频辐射磁场天线的测量信号更加丰富，能够解析出传统低频磁场天线无法测量到的弱的磁场脉冲，这些脉冲对应了上行先导的磁场辐射，揭示了上行先导的发展传输特征；

该实施例体现出了本发明中的探测闪电的中低频辐射磁场天线的探测优势，而且这种优势同样能够体现在其它人工触发闪电实施例或自然闪电实施例中，对于深化理解闪电物理过程具有非常重要的意义。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种探测闪电的中低频辐射磁场天线，其特征在于，包括：十字交叉放置的两根磁棒天线、电路板、天线罩、底座、金属管和固定底板；

每一根磁棒天线通过与磁棒两端连接的磁棒支架固定于所述底座之上；

所述电路板位于所述两根磁棒天线的下方位置，通过与电路板四个角连接的电路板支架固定于所述底座之上；

所述天线罩放置于所述底座之上，用于密封所述两根磁棒天线和所述电路板；

所述金属管通过线缆接口与所述底座反面中心位置相连接，用于敷设信号线缆和电源线缆；

所述固定底板的中心位置与所述金属管相连接，用于固定于目标位置；

所述电路板从输入端到输出端依次包括第一电阻、第二电阻、第一同相比例运放器、第二同相比例运放器、差分运放器、第三电阻、第四电阻、反向比例运放器和RC高通滤波器；

所述磁棒天线的两端分别与所述第一电阻的两端相连，所述第一电阻用于实现输入信号频响曲线的自积分，获得具有预设中低频频响特征的第一电压信号和第二电压信号；

所述第一电压信号与所述第一同相比例运放器的正极输入端相连，所述第二电压信号与所述第二同相比例运放器的正极输入端相连；

所述第一同相比例运放器和所述第二同相比例运放器的负极输入端分别与所述第二电阻的两端相连；

所述第一同相比例运放器的输出端和所述差分运放器的负极输入端相连，所述第二同相比例运放器的输出端和所述差分运放器的正极输入端相连；

所述差分运放器的输出端和所述第三电阻相连后进行耦合，得到放大后的第三电压信号；

所述第三电压信号输入所述反向比例运放器的负极输入端，所述反向比例运放器的输出端通过所述第四电阻反馈至所述反向比例运放器的负极输入端，得到经所述反向比例运放器放大后的第四电压信号；

所述第四电压信号输入至所述RC高通滤波器，得到输出信号。

2.根据权利要求1所述的探测闪电的中低频辐射磁场天线，其特征在于，所述底座为铝合金圆盘，所述天线罩为玻璃钢空心半球，所述线缆接口采用标准SMA接口，所述底座还包括采用航空插头的供电接口。

3.根据权利要求1所述的探测闪电的中低频辐射磁场天线，其特征在于，所述磁棒天线是通过将具有预设直径的纯铜漆包线紧密缠绕在具有预设磁导率的软磁材料磁棒上所制成的。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的探测闪电的中低频辐射磁场天线，其特征在于，所述每一根磁棒天线均对应于独立的放大电路。

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