[发明专利]一体化雷电电磁脉冲三维电场测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种雷电电磁脉冲（LEMP）三维测量装置，特别可用于获取雷电情况下雷电电场变化的全部信息（含垂直电场、水平电场和静电场）的装置。

背景技术

雷电是自然大气中的一种超强、超长放电现象，所产生的电磁辐射即LEMP，对航空、航天、通信以及以微电子器件为基础的所有电气、电子设备或系统会形成严重干扰以至损坏，甚至造成毁灭性损坏。因此，全面掌握雷电放电过程产生的电场变化特征和发展规律是减少雷电危害的基础。每次雷电放电过程包含一系列子过程，在电场变化波形特征上表现为不同形式的脉冲。研究雷电放电过程不同阶段LEMP电场脉冲特征是揭示雷电放电物理过程的重要前提；另一方面，对LEMP电场变化波形的观测和建模也是研究电子、电气设备及系统电磁防护和耦合效应评估的重要基础。

LEMP电场包括两个分量，即垂直电场和水平电场。然而，当前对雷电放电辐射产生电场的观测主要局限于垂直电场，缺少雷电放电辐射电场变化全面信息的观测和建模。垂直电场的研究起步早，测量技术较为成熟。早在一个世纪以前，Wilson就利用毛细管静电计观测雷电发生时地面垂直电场的变化波形。1960年Kitagawa和Brook首次提出使用两种不同时间常数的雷电电场测量仪来记录雷电产生的垂直电场变化，这就是一直沿用至今的“快”、“慢”雷电电场变化测量仪。专利（公开号101963634A）提出基于传递函数的时间常数转换方法，实现了“快”、“慢”雷电电场变化的一体化测量。与垂直电场相比，水平电场的测量技术则发展滞后，自1988年Thomson等首次测量水平电场至今，关于LEMP水平电场测量数据的文献不到10篇。同时，由于这些实测数据分别来自于美国、澳大利亚、巴西和日本，测量地点的自然环境及雷电本身的物理特性并不相同，测得的数据缺乏可比性。对于水平电场和垂直测量的同时测量，除Thomson等在1988年报道过一次后，便再无下文。由于其传感器外壳采用球形结构，使得天线结构复杂，从而很难保证天线对称且不便于安装架设。在实际观测时，采用PVC管架空悬挂球形结构天线的方式，垂直电场比水平电场大两个数量级，传感器的一点点倾角都会使得垂直电场耦合影响水平电场，从而影响水平电场的测量精度。

从目前雷电电磁脉冲电场变化观测及数据分析的情况看，存在以下两方面问题：

一方面，缺少对雷电放电过程电场变化全面信息的观测和分析。地面附近敷设的电线和电缆多为水平方向，水平极化的LEMP易对电线、电缆形成强耦合。此外，对于云内放电过程，其放电通道多为水平方向，辐射电场以水平分量为主，因此需要加强LEMP水平电场的观测研究。另一方面，电场变化仪的标定仅仅限于对被测场波形数据的标定，不能根据实测数据给出被测电场的真实波形。

本项发明正是针对当前雷电电磁脉冲电场变化测量及测量仪标定的不足提出的。

发明内容

本发明的目的是：针对当前国内外LEMP电场测量技术的重大缺陷，提供一种全新的LEMP三维电场变化测量仪及相应的标定方法。该测量仪可全面获取包括云闪在内的雷电放电产生的LEMP电场变化波形，可为研究雷电放电过程不同物理子过程提供精细化资料。另一方面，也可为研究地面附近LEMP及其防护研究提供数据积累。

本发明要解决的技术问题是：如何实现雷电LEMP水平电场和垂直电场的同步测量；如何实现LEMP电场变化仪输出波形数据和系统函数双标定；怎样克服传感器单一水平电场天线会同时耦合垂直电场的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种LEMP三维电场变化测量系统，包括：平板天线5副（含两对偶极子天线和一副单极子天线）、一体化屏蔽壳、信号调理模块、嵌入式数据采集模块、GPS授时模块、无线收发模块、本地存储单元、太阳能供电模块和安装支撑架等。

所述的平板天线为PCB覆铜板制作, 通过对印制板介质材料和尺寸的设计改变天线的等效电参数。两对偶极子天线用于测量水平电场，通过所接差分电路消除垂直电场的干扰；一副单极子天线用于测量垂直电场。

所述的一体化屏蔽壳体为铝制正方体结构，为所述的平板天线提供可靠的力学支撑，同时为安装其底部上的信号调理模块和嵌入式数字化模块提供有效的电磁屏蔽；其顶点和棱边均经过打磨圆化处理以减少壳体对测试场的影响；平板天线直接贴附在壳体表面，和屏蔽壳体无缝连接。

所述的信号调理模块置于屏蔽壳体内，完成一路垂直电场天线和两对差分水平电场天线感应所接收电场信号的处理，具体功能包括阻抗匹配、积分放大和非线性变换等功能。调理模块通过绝缘套穿过屏蔽壳体实现和平板天线的电连接。