CN114137321B - 一种电磁脉冲电场测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁脉冲电场测试系统，属于瞬态电磁脉冲检测技术领域，包括天线、金属屏蔽壳体、电光转换电路、光纤、光纤输出准直镜、光扫描模块和图像采集单元；其中，所述电光转换电路设置于金属屏蔽壳内，所述天线一端与电光转换电路连接，另一端穿出所述金属屏蔽壳感应电磁脉冲信号；所述电光转换电路通过光纤连接光纤输出准直镜，将天线所感应的电磁脉冲信号转换成光信号出射；所述光扫描模块位于所述准直镜的出射光路上，其上设有反射镜，所述反射镜可以在电机带动下转动，实现光信号扫描；所述图像采集单元用于实现光扫描信号的采集。

Description

一种电磁脉冲电场测试系统

技术领域

本发明属于瞬态电磁脉冲检测技术领域，尤其涉及一种电磁脉冲电场测试系统。

背景技术

电磁脉冲主要分为静电放电(ESD)、雷电电磁脉冲(LEMP)、核电磁脉冲(NEMP)、超宽带(UWB)、高功率微波(HPM)等。电磁脉冲具有上升沿快、幅值高、频带宽等特点，容易通过传导耦合或辐射耦合等方式对各种电子设备产生干扰甚至造成损坏。准确测量电磁脉冲电场就能够实现对电子设备电磁敏感度阈值的确定，对电磁兼容与防护技术的研究具有极其重要意义。

目前，瞬态电磁脉冲测试的方法主要有三种：天线直接感应法、有源电光调制法和无源电光调制法。天线直接感应法采用宽带天线直接获取瞬态电场信号，经高频电缆将信号送入示波器进行显示，最后通过还原算法计算原始脉冲电场时域波形。一方面，金属天线对原电场会有较大的干扰，另一方面，强电磁环境会对电缆传输的信号产生干扰。有源电光调制法是将传输方式改为带宽大、抗电磁干扰性能好的光纤。但是因光纤的使用而增加的电光、光电转换电路模块会严重限制整个探头系统的带宽从而造成高频成分丢失。无源电光调制法主要基于晶体材料的逆压电效应、Pockels电光效应及Kerr效应等原理来实现电光调制。由于电光晶体的光电系数较小，因此探头灵敏度较小，仅适用于强场测试。有时通过镀制或外接天线增加探头灵敏度，这同时会增加对原电场的干扰。此外，电光晶体和激光器对环境温度的变化非常敏感，限制了该方法的应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电磁脉冲电场测试系统，能够实现将电磁脉冲电场转换为图像信息进行采集，从而便于获取电磁脉冲电场的时域波形信息。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种电磁脉冲电场测试系统，包括天线、金属屏蔽壳体、电光转换电路、光纤、光纤输出准直镜、光扫描模块和图像采集单元；其中，所述电光转换电路设置于金属屏蔽壳内，所述天线一端与电光转换电路连接，另一端穿出所述金属屏蔽壳感应电磁脉冲信号；所述电光转换电路通过光纤连接光纤输出准直镜，将天线所感应的电磁脉冲信号转换成光信号出射；所述光扫描模块位于所述准直镜的出射光路上，其上设有反射镜，所述反射镜可以在电机带动下转动，实现光信号扫描；所述图像采集单元用于实现光扫描信号的采集。

进一步地，本发明所述光纤选用多模光纤，所述光纤输出准直镜的接口类型与光纤接口类型匹配，为FC/PC接口。

进一步地，本发明所述光扫描模块包括反射镜、连接器及电机；所述连接器连接电机的电机轴，所述反射镜固定于连接器的一侧平面，在电机的驱动下高速旋转，实现一维光扫描。

进一步地，本发明所述反射镜为厚度0.55mm，反射率大于97％的方形玻璃镀膜反射镜。

进一步地，本发明连接器底部设有凹槽，用于与所述电机轴衔接，所述反射镜固定于所述连接器一侧平面，通过电机的带动，反射镜有效转动范围为0°-45°。

进一步地，本发明所述图像采集单元为胶片。

进一步地，本发明所述天线为电小单极子天线。

有益效果：

本发明电磁脉冲电场测试系统将电场信号转变为电压信号，再将电压信号转换为光信号，利用图像采集单元实现光信号的采集，从而便于获取电磁脉冲电场的时域波形信息，来实现对电磁脉冲电场测试，所述系统还具有工作频带宽、动态范围大、结构简单等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。

图1是本发明一个实施例所述测试系统的原理框图。

图2是本发明一个实施例所述测试系统各部分的位置示意图。

图3是本发明一个实施例中的所述光扫描模块结构示意图。

图4是本发明一个实施例所述测试系统的扫描原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

如图1-图2所示，本实施例一种电磁脉冲电场测试系统，包括天线1、金属屏蔽壳体2、电光转换电路3、光纤4、光纤输出准直镜5、光扫描模块6和图像采集单元7；其中，所述电光转换电路3设置于金属屏蔽壳内，所述天线一端与电光转换电路连接，另一端穿出所述金属屏蔽壳感应电磁脉冲信号；所述电光转换电路3通过光纤4连接光纤输出准直镜5，将天线所感应的电磁脉冲信号转换成光信号出射；所述光扫描模块4位于所述准直镜的出射光路上，其上设有反射镜8，所述反射镜8在电机的带动下转动，实现光信号扫描；所述图像采集单元7用于实现光扫描信号的采集。

在具体实施时，天线1可以采用电小单极子天线，所述电小单极子天线的一端位于所述金属屏蔽壳2外，所述电小单极子天线1的另一端穿过小孔进入所述金属屏蔽壳2内部，进入到所述金属屏蔽壳2内部的所述电小单极子天线1的端部与所述电光转换电路3的信号输入端电连接。光扫描模块6上的反射镜8位于所述光纤输出准直镜5的出射光路上，所述反射镜8可以在光扫描模块6上转动，实现对光纤输出准直镜5所输出的光信号进行扫描。图像采集单元7可以是胶片7，放置所述反射镜8的反射光路上，发射镜8在转动的过程中，其反射光路均可以进入胶片7。

本申请实施例的工作过程为：电小单极子天线1感应电磁脉冲电场后产生电压信号；该电压信号通过所述电光转换电路3将转为光信号；光信号通过所述光纤4传输和所述光纤输出准直镜5准直后，出射至所述光扫描模块6的反射镜8上，反射镜8转动进行光扫描。利用所述胶片7实现光扫描信号的采集；上位机系统利用所述胶片7采集的图像信息进行计算处理，获得电磁脉冲的上升/下降时间、脉冲半高宽、场强幅度等时域波形信息，基于所获取的信息可以实现对环境中电磁脉冲信号的测试。

如图1所示，本申请又一实施，光纤选用多模光纤，所述的光纤输出准直镜的接口类型与光纤接口类型匹配，选用FC/PC接口。

如图3所示，本申请又一实施例，光扫描模块6包括反射镜8、连接器9及电机11；所述连接器连接电机11的电机轴10，所述反射镜8固定于连接器9的一侧平面，可在电机11的驱动下高速旋转，实现一维光扫描。

本申请又一实施例，反射镜8选择厚度0.55mm，反射率大于97％的方形玻璃镀膜反射镜，有助于减小反射过程对光信号的损耗，提高测试准确性。

本申请又一实施例，连接器9底部设有凹槽，便于和所述电机轴10衔接；连接器9可通过3D打印为长方体形状，尺寸大小合适，避免对电机11转速产生较大的影响。将所述反射镜8固定于所述连接器9一侧平面，通过电机11的带动，反射镜8可以有效转动范围为0°-45°。

本申请又一实施例，电机11选择空心杯电机，空载转速为50000rpm，空心杯电机响应极快，转速波动小，能量转换效率高，体积小，能够有效满足激光快速扫描及设备小型化的要求。

如图4所示，本申请实施例的具体实现过程为：反射镜8平面与激光束S夹角为β，反射镜8可转动的角度为θ。当所述反射镜8位于初始位置P1时，激光束S从固定位置入射，通过所述反射镜8反射后，在胶片上D1位置形成光斑；当所述反射镜8转动θ至位置P2时，激光束S经过所述反射镜8反射后在胶片D2位置形成光斑，出射光束转动角度为2θ。当所述电机11带动所述反射镜8高速转动时，激光束将在反射后改变出射方向，在接收胶片7上形成激光光斑轨迹。由于所述反射镜8固定于连接器9一侧平面上，所述胶片7位于出光一侧的固定位置，因此当从β＝45°开始顺时针转动时，满足激光光斑扫描的反射镜转动范围为0°<θ<45°。具体实现中，电磁脉冲的上升时间极短，脉宽时间也较小，脉冲持续时间内反射镜8转动的角度一定小于45°，所以本发明的光扫描模块6满足电磁脉冲电场测试需求。

具体实施过程中，胶片7选用富士PROVIA 100F彩色反转胶片来实现输出光信号存储。其均方根颗粒度仅为8，颗粒均匀，细节详细，有助于后处理时对图像信息的提取。已曝光胶片储存稳定，保证信号存储的稳定性。所述胶片的适用波长范围为400-700nm，与所述电光转换电路的激光二极管输出波长相匹配。此外，富士PROVIA 100F彩色反转胶片兼容通用的CR-56/E-6冲洗工艺，易于冲洗获得正片，方便实验的操作过程。

利用激光扫描和胶片记录，可以将电磁脉冲的时域波形转换为空间上的光斑轨迹。先通过胶片直接记录电磁脉冲转换的光脉冲的输出轨迹，底片显影后采用高分辨率的扫描仪扫描获得相应电子图像。利用图像处理算法，对光斑图像进行图像滤波、去除噪声、亮度提取，从而可以获得光斑轨迹的二维和三维光强分布情况，提取特征点数据从而求出脉冲时域波形。通过融合光斑图像数据和激光能量数据，最终求出实际的脉冲波形。最后，根据标定获取传感器探头传输函数后，可用反卷积方法计算出原始电磁脉冲时域波形，包含时域波形包含上升沿、脉宽和场强等信息。

综上，所述电磁脉冲电场测试系统能将电场信号转为光信号，通过扫描实现光信号的空间展开，从而在胶片上直接存储，实现强电磁环境中对电磁脉冲时域波形的有效测试。

以上所述，仅仅为本发明较佳的具体实施方式，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种电磁脉冲电场测试系统，其特征在于，包括天线、金属屏蔽壳体、电光转换电路、光纤、光纤输出准直镜、光扫描模块和图像采集单元；其中，所述电光转换电路设置于金属屏蔽壳内，所述天线一端与电光转换电路连接，另一端穿出所述金属屏蔽壳感应电磁脉冲信号；所述电光转换电路通过光纤连接光纤输出准直镜，将天线所感应的电磁脉冲信号转换成光信号出射；所述光扫描模块位于所述准直镜的出射光路上，其上设有反射镜，所述反射镜可以在电机带动下转动，实现光信号扫描；所述图像采集单元用于实现光扫描信号的采集；所述图像采集单元为胶片；上位机系统利用所述胶片采集的图像信息进行计算处理获得时域波形信息，所述时域波形信息包括电磁脉冲的上升/下降时间、脉冲半高宽和场强幅度，基于所获取的信息实现对环境中电磁脉冲信号的测试。

2.根据权利要求1所述电磁脉冲电场测试系统，其特征在于，所述光扫描模块包括反射镜、连接器及电机；所述连接器连接电机的电机轴，所述反射镜固定于连接器的一侧平面，在电机的驱动下高速旋转，实现一维光扫描。

3.根据权利要求1所述电磁脉冲电场测试系统，其特征在于，所述光纤选用多模光纤，所述光纤输出准直镜的接口类型与光纤接口类型匹配，为FC/PC接口。

4.根据权利要求2所述电磁脉冲电场测试系统，其特征在于，连接器底部设有凹槽，用于与所述电机轴衔接，所述反射镜固定于所述连接器一侧平面，通过电机的带动，反射镜有效转动范围为0°-45°。

5.根据权利要求1所述电磁脉冲电场测试系统，其特征在于，所述反射镜为厚度0.55mm，反射率大于97%的方形玻璃镀膜反射镜。

6.根据权利要求1所述电磁脉冲电场测试系统，其特征在于，所述天线为电小单极子天线。

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