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一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，包括電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊、采集處理器，其中：所述電場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化電場信號，并對電場信號進行后傳輸至采集處理器；所述磁場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化磁場信號，并對磁場信號進行處理后傳輸至采集處理器；所述采集處理器用于對接收到的電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊傳輸?shù)男盘栠M行采集存儲。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、工作性能穩(wěn)定、測量精度高、抗干擾能力強。
【專利說明】—種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，屬于雷電科學與【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]雷電是自然界的一種強烈的放電現(xiàn)象，雷電放電時產(chǎn)生的電磁脈沖輻射對電子、電氣設(shè)備造成的損壞越來越嚴重。世界各國對雷電研究越來越受高度重視。對于雷電參數(shù)的監(jiān)測，早期1916年Wilson設(shè)計了在雷電條件下測量電場的電場變化儀。1960年，Kitagawa和Brook提出了采用兩種不同時間常數(shù)的電場變化儀來記錄閃電電場的變化。近幾年又設(shè)計出閃電定位系統(tǒng)對雷電的活動進行監(jiān)測。從地面和衛(wèi)星觀測資料了解，全球的閃電次數(shù)約每秒30至100次，在任何時間全球約有2000多個雷暴，在一天的時間中，全球閃電可達到900萬次。閃電分為兩類，一類是云內(nèi)電荷與地面之間的放電，稱為地閃。另一類是閃電通道不到達地面的放電，稱為云閃，云閃占閃電總數(shù)的絕大部分。
[0003]云閃包括:單體云內(nèi)的閃電稱云內(nèi)閃電，云內(nèi)閃電是最常見的一種；云與云之間的閃電稱為云際閃電，云際閃電也是常見的一種閃電，但云內(nèi)閃電少。云和周圍空氣之間的放電稱為云空閃電。因此，對于閃電信號的接收包括云地閃和云閃，閃電發(fā)生時產(chǎn)生強大的電磁脈沖，頻譜分布較寬，頻譜范圍從幾Hz至幾百MHz，雷電電磁脈沖的接收是利用雷電電磁脈沖中的電場分量和磁場分量進行接收處理。根據(jù)天線原理，采用圓形平板天線，按電場快變化設(shè)計，接收閃電時電場變化的信號。接收磁場的天線采用兩個相互正交的環(huán)形天線，接收閃電時產(chǎn)生磁場的信號，這樣不管是云閃還是地閃，當閃電發(fā)生時都可以將閃電形成的電磁脈沖信號進行接收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，用于接收雷電閃擊時的電磁信號，并統(tǒng)計、分析閃電的情況；同時，通過對電場接收信號的反演能夠計算出雷電流的波形參數(shù)，即波頭時間及半峰值時間。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提供一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，包括電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊、采集處理器，其中:
[0007]所述電場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化電場信號，并對電場信號進行處理后傳輸至采集處理器；
[0008]所述磁場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化磁場信號，并對磁場信號進行處理后傳輸至采集處理器；
[0009]所述米集處理器用于對接收到的電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊傳輸?shù)男盘栠M行采集存儲。
[0010]所述電場接收與傳輸模塊包括電場接收天線、放大電路、電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路、激光發(fā)射二極管、激光接收二極管、接收電路信號放大器I ;當雷電發(fā)生時，電場接收天線接收變化的電場信號，電場信號經(jīng)過放大電路進行放大，放大后的電場信號經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為光信號，激光發(fā)射二極管將光信號通過光纖傳輸至激光接收二極管，激光接收二極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器I進行放大，放大后的電信號傳輸至采集處理器進行處理。
[0011]所述磁場接收與傳輸模塊包括磁場接收天線、接收電路信號放大器II ;當雷電發(fā)生時，磁場接收天線將接收到的變化的磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器II進行放大，放大后的電信號傳輸至采集處理器進行處理。
[0012]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述采集處理器為數(shù)字存儲示波器。
[0013]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述磁場接收天線為兩個正交的環(huán)形天線，且兩個環(huán)形天線之間通過75 Ω同軸電纜和微分積分電路相連。
[0014]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述電場接收天線為平板天線，其材質(zhì)為半徑為30cm、厚度為2mm的招板,且平板天線中兩平行板的距離為50cm。
[0015]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述放大電路的放大增益為50dB。
[0016]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0017]I)本發(fā)明中光信號的傳輸采用光纖傳輸，可以進行遠距離的傳輸，信號衰減小，信號傳輸過程中不受外界電磁環(huán)境的干擾；同時，信號之間電氣隔離，保證操作人員的安全；
[0018]2)本發(fā)明設(shè)計激光發(fā)射二極管工作在線性工作區(qū)，使信號轉(zhuǎn)換線性度好，信號的失真較小，能夠準確地恢復雷電流的波形；
[0019]3)本發(fā)明的電路設(shè)計中，可通過改變電路的增益，改變接收閃電范圍；天線設(shè)計中，結(jié)構(gòu)簡單、頻帶范圍寬，可接收幾十Hz至幾百MHz的雷電電磁脈沖信號；
[0020]4)本發(fā)明根據(jù)天線原理，采用圓形平板天線，按電場快變化設(shè)計，接收閃電時電場變化的信號。接收磁場的天線采用兩個相互正交的環(huán)形天線，接收閃電時產(chǎn)生磁場的信號，這樣不管是云閃還是地閃，當閃電發(fā)生時都可以將閃電形成的電磁脈沖信號進行接收；
[0021]5)本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、工作性能穩(wěn)定、測量精度高、抗干擾能力強；且，應(yīng)用范圍廣泛，可用于不同環(huán)境，地理條件下雷電閃電的監(jiān)測，可配有不同的信號采集系統(tǒng)，將雷電閃電信息進行采集，對雷電電磁脈沖信號進行分析處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的原理框圖。
[0023]圖2是電場接收與傳輸模塊中電場接收部分的電路示意圖。
[0024]圖3是電場接收與傳輸模塊中電場傳輸部分的電路意圖。
[0025]圖4是磁場接收與傳輸模塊的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0027]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解的是，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應(yīng)該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。
[0028]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
[0030]本發(fā)明設(shè)計一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，如圖1所示，包括電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊、采集處理器，所述電場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化電場信號，并對電場信號進行處理后傳輸至采集處理器；所述磁場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化磁場信號，并對磁場信號進行處理后傳輸至采集處理器；所述采集處理器用于對接收到的電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊傳輸?shù)男盘栠M行采集存儲；其中:
[0031]所述電場接收與傳輸模塊包括電場接收天線、放大電路、電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路、激光發(fā)射二極管、激光接收二極管、接收電路信號放大器I ;當雷電發(fā)生時，電場接收天線接收變化的電場信號，電場信號經(jīng)過放大電路進行放大，放大后的電場信號經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為光信號，激光發(fā)射二極管將光信號通過光纖傳輸至激光接收二極管，激光接收二極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器I進行放大，放大后的電信號傳輸至采集處理器進行處理；
[0032]所述磁場接收與傳輸模塊包括磁場接收天線、接收電路信號放大器II ;當雷電發(fā)生時，磁場接收天線將接收到的變化的磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器II進行放大，放大后的電信號傳輸至采集處理器進行處理。
[0033]以下通過本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步闡述:
[0034]本發(fā)明的實施例中，電場接收與傳輸模塊中電場接收部分的電路原理圖如圖2所示，其中，電場接收天線采用平板天線S ;運算放大器IC1、運算放大器IC2、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R6、電阻R7、電容Cl、電容C2、電容C5構(gòu)成放大電路；三極管T、電阻R4、、電阻R5、電阻R8構(gòu)成電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路I ;放大電路與電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路I中間用電容C4進行隔離。其主要工作過程是將雷電時產(chǎn)生的變化電場由平板天線S接收，經(jīng)運算放大器ICl、運算放大器IC2放大后，傳至由三極管T構(gòu)成驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為光信號，再由激光發(fā)射二極管I LEDl通過光纖傳至電場傳輸模塊。
[0035]上述電場接收模塊中的平板天線S選用半徑30cm，厚度2mm的鋁板，平板天線中兩平行板的距離為50cm。兩平行板之間構(gòu)成了平行板電容器C3，C3與C2的比值可表征測量靈敏度，C3/C2的值越大，系統(tǒng)靈敏度越高。測量的準確度還取決于C3值的穩(wěn)定性，C3受如大氣環(huán)境等因素的影響。
[0036]上述放大電路中選用噪聲低的場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的運算放大器0P27，其閉環(huán)增益為C7(Jw) = 1+(R3/R4)，C3的大小決定了方頻端的截止頻率，C2的取值較大決定了低頻的截止頻率，因此C2、C3、R2、R3、R4的參數(shù)選擇決定接收電場信號的頻率范圍。電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路以三極管Ql為主構(gòu)成激光發(fā)射二極管I LEDl的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)電路中的R5可使LEDl的偏置電路在O-1OOmA范圍內(nèi)變化，靜態(tài)時，LEDl的電流為50mA ;當有閃電時，變化的電場信號經(jīng)C4耦合到Ql的基極對LEDl的工作電流進行調(diào)制，從而使LEDl的發(fā)光強度隨電場信號變化，并經(jīng)過光纖把這一信號傳送至接收端。
[0037]本發(fā)明的實施例中，電場接收與傳輸模塊中電場傳輸部分的電路原理圖如圖3所示，其中，運算放大器IC3、運算放大器IC4、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電容C6構(gòu)成接收電路信號放大器I。激光發(fā)射二極管LEDl通過光纖傳輸?shù)墓庑盘栍杉す饨邮斩O管LED2接收，激光接收二極管I將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器I進行放大。運算放大器IC3、運算放大器IC4組成1-V轉(zhuǎn)換電路，將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出的電壓信號經(jīng)IC4組成的放大器進行放大后送到示波器中進行數(shù)據(jù)采集。
[0038]本發(fā)明的實施例中，磁場接收及傳輸模塊的電路原理圖如圖4所示，其中，磁場接收天線為兩個正交的環(huán)形天線，兩個環(huán)形天線通過75Ω同軸電纜和微分積分電路相連接，可接收不同方向的磁場信號；同時，環(huán)形天線輸出的電壓信號與磁通量密度的變化成正比。運算放大器IC5、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電阻R19、電阻R20、電阻R21、電容C8、電容C9、電容C10、電容C11、電容C12構(gòu)成接收電路信號放大器II。其主要工作過程是磁場接收天線接收變化的磁場信號，磁場信號經(jīng)過接收電路信號放大器II進行放大，放大后的磁場信號傳輸至采集處理器進行處理。
[0039]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，其特征在于，該裝置包括電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊、采集處理器，其中: 所述電場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化電場信號，并對電場信號進行處理后傳輸至采集處理器； 所述磁場接收與傳輸模塊用于接收雷電發(fā)生時產(chǎn)生的變化磁場信號，并對磁場信號進行處理后傳輸至采集處理器； 所述采集處理器用于對接收到的電場接收與傳輸模塊、磁場接收與傳輸模塊傳輸?shù)男盘栠M行采集存儲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，其特征在于，所述電場接收與傳輸模塊包括電場接收天線、放大電路、電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路、激光發(fā)射二極管、激光接收二極管、接收電路信號放大器I ;當雷電發(fā)生時，電場接收天線接收變化的電場信號，電場信號經(jīng)過放大電路進行放大，放大后的電場信號經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為光信號，激光發(fā)射二極管將光信號通過光纖傳輸至激光接收二極管，激光接收二極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器I進行放大，放大后的電信號傳輸至采集處理器進行處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，其特征在于，所述磁場接收與傳輸模塊包括磁場接收天線、接收電路信號放大器II ;當雷電發(fā)生時，磁場接收天線將接收到的變化的磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過接收電路信號放大器II進行放大，放大后的電信號傳輸至采集處理器進行處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，其特征在于，所述采集處理器為數(shù)字存儲示波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置,其特征在于,所述磁場接收天線為兩個正交的環(huán)形天線，且兩個環(huán)形天線之間通過75 Ω同軸電纜和微分積分電路相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置,其特征在于,所述電場接收天線為平板天線，其材質(zhì)為半徑為30cm、厚度為2mm的鋁板，且平板天線中兩平行板的距離為50cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雷電電磁脈沖的接收與傳輸裝置，其特征在于，所述放大電路的放大增益為50dB。
【文檔編號】G01R29/08GK103969512SQ201410158784
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李祥超, 葉挺, 徐樂, 周中山 申請人:南京信息工程大學