CN113514708A - 一种大型地下工程整体hemp环境实测系统及测量方法 - Google Patents

一种大型地下工程整体hemp环境实测系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统及测量方法，涉及电磁测量领域，本发明中大型偶极子天线连接功率放大器，所述功率放大器连接连续波电流源，大型偶极子天线通过无线信号连接接收天线，所述接收天线连接数据采集仪，所述数据采集仪连接信号处理终端，连续波电流源发射不同频率的连续波信号，并使用接收天线和数据采集仪接收采集工程内外的电磁场信号，将采集到的信号使用信号处理终端处理，可为人防工程、城市综合管廊系统、城市地铁系统等大型地下工程整体HEMP环境实测评估提供设备支撑等，本发明具有结构简便，操作方便，使用效果好等特点，适合大范围的推广和应用。

Description

一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统及测量方法
技术领域
本发明涉及电磁测量领域，具体涉及一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统及测量方法。
背景技术
已知的，核武器高空爆能产生强烈的核电磁脉冲，主频段在100kHz～300MHz，能通过多种途径进入地下工程内部，干扰或毁伤工程内部电气设备。由于大型地下工程规模大、被覆厚薄不均匀、内部结构复杂、电磁耦合途径多样，难以通过仿真精确评估其内部电磁环境；室内大型HEMP环境模拟器也由于尺寸、成本、架设难度等限制无法应用至现场实测。由于缺乏测量系统，大型地下工程整体HEMP环境的实测至今无法开展。那么如何提供一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统及测量方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统及测量方法，本发明为大型地下工程整体HEMP环境实测评估提供了科学有效的测量系统，可为人防工程、城市综合管廊系统、城市地铁系统等大型地下工程整体HEMP环境实测评估提供设备支撑等。
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：
一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统，包括连续波电流源、功率放大器、大型偶极子天线、接收天线、数据采集仪和信号处理终端，所述大型偶极子天线连接功率放大器，所述功率放大器连接连续波电流源，大型偶极子天线通过无线信号连接接收天线，所述接收天线连接数据采集仪，所述数据采集仪连接信号处理终端形成所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述连续波电流源为系统提供稳定的连续波输入。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述连续波电流源的工作频带为100kHz～300MHz，正弦连续波，频率调节分辨率为1kHz，谐波失真度低于0.5％，接地要求低于15Ω。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述功率放大器将连续波功率放大后输入大型偶极子天线，功率能调节，以保证大型偶极子天线辐射稳定的电磁场。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述功率放大器的工作频带为100kHz～300MHz，连续输出功率为1W～100W，功率调节分辨率为1W。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述大型偶极子天线垂直于地面布放，辐射电磁场。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述大型偶极子天线的长度为75m～750m。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述接收天线为环形全向天线，接收偶极子天线辐射的电磁场，接收天线的采样率为1GHz，模拟输入范围为±10V。
所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，所述信号处理终端对采集到的连续波信号进行存储和后期处理。
一种大型地下工程整体HEMP环境测量方法，所述测量方法具体包括如下步骤：
第一步、首先将大型偶极子天线、连续波电流源和功率放大器布放至距离大型地下工程1～5km处，大型偶极子天线垂直于地面布放，一端接地，另一端用挂载；
第二步、将连续波电流源和功率放大器开机预热；
第三步、连续波电流源发射不同频率的连续波信号，并使用接收天线和数据采集仪接收采集工程内外的电磁场信号；
第四步、将采集到的电磁场信号使用信号处理终端按如下方式处理：
1、电场强度衰减量计算：
地下工程内部某一点P位置处在频率为f的入射连续波作用下的电场衰减量可表示为：
Figure BDA0003035710970000031
其中，SdB(f)表示频率f连续波电场的衰减量，EP0(f)表示频率f的连续波在地下工程外地面处电场强度，EP(f)表示地下工程内部P点位置处的电场强度；
2、由连续波衰减量估计脉冲波响应：
将地下工程被覆层整体视为一个大型屏蔽结构，若将电磁波进入地下工程的过程视为一个信号传输系统，显然它是一个因果线性系统或弱非线性系统，设HEMP时域函数为x(t)，经过一个系统后输出为y(t)，设系统的传递函数为h(t)，则有
Figure BDA0003035710970000041
Y(ω)＝X(ω)H(ω)
其中Y(ω)、X(ω)和H(ω)分别是x(t)、y(t)和h(t)的傅里叶变换，H(ω)是系统的频域响应，写成幅度和相位的形式为：
H(ω)＝|H(ω)|ejθ(ω)
|H(ω)|为幅频特性，ejθ(ω)为相频特性，θ(ω)为相角；
对于一个因果线性系统来说，无论输入信号如何，时域传递函数h(t)是固定不变的，地下工程被覆层视为因果线性系统，其相频特性可以任意选择，但满足最小相位条件的相频特性是唯一的，设一个因果线性系统的频域响应为H(ω)，则
H(ω)＝HR(ω)+jHI(ω)＝|H(ω)ejθ(ω)
其中H(ω)的实部HR(ω)与虚部HI(ω)满足Hilbert变换关系，即
HI(ω)＝-Hilbert(HR(ω))
ejθ(ω)为相频特性，式(4)两边取自然对数
ln(H(ω))＝ln|H(ω)|+jθ(ω)
则lnH(ω)|与相角θ(ω)也满足Hilbert变换关系，即
θ(ω)＝-Hilbert(ln|H(ω)|)
因此，由|H(ω)|即可估计得到θ(ω)，进而计算得到H(ω)，由
h(t)＝F-1(H(ω))
其中F-1表示傅里叶逆变换，因此可根据式(2)估计出入射信号为x(t)时地下工程内部环境；
第五步、最后系统运行结束，各设备关机。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
本发明通过连续波电流源发射不同频率的连续波信号，并使用接收天线和数据采集仪接收采集工程内外的电磁场信号，将采集到的信号使用信号处理终端处理，为大型地下工程整体HEMP环境实测评估提供了科学有效的方法，可为人防工程、城市综合管廊系统、城市地铁系统等大型地下工程整体HEMP环境实测评估提供设备支撑等，本发明具有结构简便，操作方便，使用效果好等特点，适合大范围的推广和应用。
附图说明
图1为本发明实施例的组织架构图；
图2为本发明实施例的系统布设图；
图3为本发明实施例的实施流程图。
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；
结合附图1～3所述的一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统，包括连续波电流源、功率放大器、大型偶极子天线、接收天线、数据采集仪和信号处理终端，如图1所示，所述大型偶极子天线连接功率放大器，所述功率放大器连接连续波电流源，大型偶极子天线通过无线信号连接接收天线，所述接收天线连接数据采集仪，所述数据采集仪连接信号处理终端形成所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统。
具体实施时，所述连续波电流源为系统提供稳定的连续波输入，其技术指标如下：
Figure BDA0003035710970000061
所述功率放大器将连续波功率放大后输入大型偶极子天线，功率能调节，以保证大型偶极子天线辐射稳定的电磁场，其技术指标如下：
Figure BDA0003035710970000062
所述大型偶极子天线垂直于地面布放，辐射电磁场，其技术指标如下：
Figure BDA0003035710970000063
所述接收天线为环形全向天线，接收偶极子天线辐射的电磁场，其技术指标如下：
Figure BDA0003035710970000064
所述数据采集仪将天线接收到的连续波信号采集并回传，其技术指标如下：
Figure BDA0003035710970000065
所述信号处理终端对采集到的连续波信号进行存储和后期处理，其技术指标如下：
Figure BDA0003035710970000071
一种大型地下工程整体HEMP环境测量方法，所述测量方法的流程图如图3所示，具体方法包括如下步骤：
第一步、首先将大型偶极子天线、连续波电流源和功率放大器布放至距离大型地下工程1～5km处，具体实施时，距离大型地下工程的距离优选为2km处，具体如图2所示，大型偶极子天线垂直于地面布放，一端接地，另一端用无人机或氦气球挂载；
第二步、将连续波电流源和功率放大器开机预热，预热时间为10分钟；
第三步、连续波电流源发射不同频率的连续波信号，并使用接收天线和数据采集仪接收采集工程内外的电磁场信号；
第四步、将采集到的电磁场信号使用信号处理终端按如下方式处理：
1、电场强度衰减量计算：
地下工程内部某一点P位置处在频率为f的入射连续波作用下的电场衰减量可表示为：
Figure BDA0003035710970000072
其中，SdB(f)表示频率f连续波电场的衰减量，EP0(f)表示频率f的连续波在地下工程外地面处电场强度，EP(f)表示地下工程内部P点位置处的电场强度；
2、由连续波衰减量估计脉冲波响应：
将地下工程被覆层整体视为一个大型屏蔽结构，若将电磁波进入地下工程的过程视为一个信号传输系统，显然它是一个因果线性系统或弱非线性系统，设HEMP时域函数为x(t)，经过一个系统后输出为y(t)，设系统的传递函数为h(t)，则有
Figure BDA0003035710970000081
Y(ω)＝X(ω)H(ω)
其中Y(ω)、X(ω)和H(ω)分别是x(t)、y(t)和h(t)的傅里叶变换，H(ω)是系统的频域响应，写成幅度和相位的形式为：
H(ω)＝|H(ω)|ejθ(ω)
|H(ω)|为幅频特性，ejθ(ω)为相频特性，θ(ω)为相角；
对于一个因果线性系统来说，无论输入信号如何，时域传递函数h(t)是固定不变的，地下工程被覆层视为因果线性系统，其相频特性可以任意选择，但满足最小相位条件的相频特性是唯一的，设一个因果线性系统的频域响应为H(ω)，则
H(ω)＝HR(ω)+jHI(ω)＝|H(ω)|ejθ(ω)
其中H(ω)的实部HR(ω)与虚部HI(ω)满足Hilbert变换关系，即
HI(ω)＝-Hilbert(HR(ω))
ejθ(ω)为相频特性，式(4)两边取自然对数
ln(H(ω))＝ln|H(ω)|+jθ(ω)
则lnH(ω)|与相角θ(ω)也满足Hilbert变换关系，即
θ(ω)＝-Hilbert(ln|H(ω)|)
因此，由|H(ω)|即可估计得到θ(ω)，进而计算得到H(ω)，由
h(t)＝F-1(H(ω))
其中F-1表示傅里叶逆变换，因此可根据式(2)估计出入射信号为x(t)时地下工程内部环境；
第五步、最后系统运行结束，各设备关机。
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 (10)

1.一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统，包括连续波电流源、功率放大器、大型偶极子天线、接收天线、数据采集仪和信号处理终端，其特征是：所述大型偶极子天线连接功率放大器，所述功率放大器连接连续波电流源，大型偶极子天线通过无线信号连接接收天线，所述接收天线连接数据采集仪，所述数据采集仪连接信号处理终端形成所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统。
2.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述连续波电流源为系统提供稳定的连续波输入。
3.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述连续波电流源的工作频带为100kHz～300MHz，正弦连续波，频率调节分辨率为1kHz，谐波失真度低于0.5％，接地要求低于15Ω。
4.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述功率放大器将连续波功率放大后输入大型偶极子天线，功率能调节，以保证大型偶极子天线辐射稳定的电磁场。
5.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述功率放大器的工作频带为100kHz～300MHz，连续输出功率为1W～100W，功率调节分辨率为1W。
6.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述大型偶极子天线垂直于地面布放，辐射电磁场。
7.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述大型偶极子天线的长度为75m～750m。
8.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述接收天线为环形全向天线，接收偶极子天线辐射的电磁场，接收天线的采样率为1GHz，模拟输入范围为±10V。
9.根据权利要求1所述的大型地下工程整体HEMP环境实测系统，其特征是：所述信号处理终端对采集到的连续波信号进行存储和后期处理。
10.实施权利要求1～9任一权利要求所述的一种大型地下工程整体HEMP环境实测系统的一种大型地下工程整体HEMP环境测量方法，其特征是：所述测量方法具体包括如下步骤：
第一步、首先将大型偶极子天线、连续波电流源和功率放大器布放至距离大型地下工程1～5km处，大型偶极子天线垂直于地面布放，一端接地，另一端用挂载；
第二步、将连续波电流源和功率放大器开机预热；
第三步、连续波电流源发射不同频率的连续波信号，并使用接收天线和数据采集仪接收采集工程内外的电磁场信号；
第四步、将采集到的电磁场信号使用信号处理终端按如下方式处理：
A、电场强度衰减量计算：
地下工程内部某一点P位置处在频率为f的入射连续波作用下的电场衰减量可表示为：
Figure FDA0003035710960000021
其中，SdB(f)表示频率f连续波电场的衰减量，EP0(f)表示频率f的连续波在地下工程外地面处电场强度，EP(f)表示地下工程内部P点位置处的电场强度；
B、由连续波衰减量估计脉冲波响应：
将地下工程被覆层整体视为一个大型屏蔽结构，若将电磁波进入地下工程的过程视为一个信号传输系统，显然它是一个因果线性系统或弱非线性系统，设HEMP时域函数为x(t)，经过一个系统后输出为y(t)，设系统的传递函数为h(t)，则有
Figure FDA0003035710960000031
Y(ω)＝X(ω)H(ω)
其中Y(ω)、X(ω)和H(ω)分别是x(t)、y(t)和h(t)的傅里叶变换，H(ω)是系统的频域响应，写成幅度和相位的形式为：
H(ω)＝|H(ω)|ejθ(ω)
|H(ω)|为幅频特性，ejθ(ω)为相频特性，θ(ω)为相角；
对于一个因果线性系统来说，无论输入信号如何，时域传递函数h(t)是固定不变的，地下工程被覆层视为因果线性系统，其相频特性可以任意选择，但满足最小相位条件的相频特性是唯一的，设一个因果线性系统的频域响应为H(ω)，则
H(ω)＝HR(ω)+jHI(ω)＝|H(ω)|ejθ(ω)
其中H(ω)的实部HR(ω)与虚部HI(ω)满足Hilbert变换关系，即
HI(ω)＝-Hilbert(HR(ω))
ejθ(ω)为相频特性，式(4)两边取自然对数
ln(H(ω))＝ln|H(ω)|+jθ(ω)
则ln|H(ω)|与相角θ(ω)也满足Hilbert变换关系，即
θ(ω)＝-Hilbert(ln|H(ω)|)
因此，由|H(ω)|即可估计得到θ(ω)，进而计算得到H(ω)，由
h(t)＝F-1(H(ω))
其中F-1表示傅里叶逆变换，因此可根据式(2)估计出入射信号为x(t)时地下工程内部环境；
第五步、最后系统运行结束，各设备关机。
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