[发明专利]纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法，测量装置包括由FPGA构成的控制中枢和与控制中枢相联接的GPS模块、4G通信模块、探测单元；探测单元测量得到脉冲电磁场的辐射信号经模数转换模块转为数字测量信号，GPS模块获得测量点的时间信息和位置信息，4G通信模块将数字测量信号、时间信息、位置信息传输至远端的测试中心；本发明利用GPS模块的PPS信号触发GHz频率的计数器，并通过待测量电磁场辐射信号对计数器的停止进行触发，实现了脉冲辐射信号到达时刻的精确测量，结合GPS的时间和位置信息，最终得到了辐射信号幅值及产生的位置和准确时刻，为大面积雷电放电等领域脉冲辐射参数的准确测量和分析提供了支持。

技术领域

本发明属于电磁脉冲测量与效应技术领域，特别是涉及一种脉冲电磁场辐射时空分布参数的测量装置及方法。

背景技术

雷电放电、局部放电和有意电磁干扰(IEMI)技术研究中，需要测量得到电磁场辐射时空分布参数，也就是需要测量辐射场分布的多个空间点上的辐射参数随时间的变化特性。

传统的有线测量系统由测量天线、光纤、电缆及示波器等组成，虽然采样率高、时基准确，但监测区域有限，同时存在布线困难、成本高等缺点，在雷击等复杂测量环境下很难发挥优势或无法应用。

目前对于大区域的雷电放电等电磁场辐射参数测量多采用无线测量系统，其由测量天线、单片机、GPS芯片、通信模块等组成，以单片机作为控制中心进行数据信息、时间信息的处理。通常情况下GPS授时到秒级精度，故无法满足对脉冲辐射参数的高精度时间分辨测量，尤其是当大区域的辐射场布设有多个探测器，需要同步测量得到每只探测器分布点的辐射参数随时间变化、并进行整个电磁场时域特性分析时，这种方法更是难以胜任。

发明内容

本发明的目的是研制一套具有纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置和测量方法，实现大面积雷电放电等领域的精确参数测量。

本发明的具体技术方案如下：

纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置，包括由FPGA构成的控制中枢和与控制中枢相联接的GPS模块、4G通信模块、探测单元；探测单元测量得到脉冲电磁场的辐射信号经模数转换模块转为数字测量信号，GPS模块获得测量点的时间信息和位置信息，4G通信模块将数字测量信号、时间信息、位置信息传输至远端的测试中心；

所述的控制中枢包括比较器、检测单元、计数单元、时钟单元、发送单元、时间缓存单元、位置缓存单元和数据缓存单元，所述的时钟单元为计数单元提供时钟基准；

所述的时间缓存单元获取并存储GPS模块的时间信息，位置缓存单元获取并存储GPS模块的位置信息；

所述的检测单元检测到GPS模块PPS信号的正跳变时，驱动计数器工作，再次检测到正跳变时，计数单元复位，并循环工作；

所述的模数转换模块输出的数字测量信号一路进入比较器，另一路进入数据缓存单元存储；比较器检测得到待测量辐射信号的上升沿时，输出停止信号至时间缓存单元、位置缓存单元和计数单元，发送单元将数字测量信号和停止时刻的时间信息、位置信息、计数结果通过4G通信模块传输至远端的测试中心。

进一步的，探测单元包括电小天线、宽频带运放和差分电路，电小天线接收到电磁场的辐射信号后，经宽频带运放放大和单端转差分处理后得到电压信号，代表测点的电场强度。

进一步的，时钟单元的频率为1GHz。

一种利用纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量方法，包括以下步骤：

【1】脉冲电磁场辐射参数测量装置加电启动，4G通信模块与远端测试中心的服务器连接，GPS模块与卫星进行时钟时间及位置同步；

【2】测量装置接收到服务器发送的开始采集命令后，启动采集电路，进入待触发模式；