[实用新型]一种场磨式大气电场仪电路改进结构

说明书

本实用新型涉及大气电场仪领域，提供了一种场磨式大气电场仪电路改进结构，用以抑制常规场磨式大气电场仪中“舒曼共振”产生的大气电场谐振电场信号。本实用新型包括电场感应器、电流电压转化电路、前置信号放大电路、检波电路、低通滤波器、模数转换电路、后置信号放大电路以及数据处理电路，所述电场感应器、电流电压转化电路、前置信号放大电路、检波电路、低通滤波器、模数转换电路、后置信号放大电路以及数据处理电路依次连通，低通滤波器的低通截止频率为10‑30Hz；在所述低通滤波器与所述模数转换电路之间连接有二级滤波器，所述二级滤波器的低通截止频率小于3Hz。本实用新型适用于场磨式大气电场仪。

技术领域

本实用新型涉及大气电场仪领域，特别涉及一种场磨式大气电场仪电路改进结构。

背景技术

大气电场仪(Atmospheric electric field meter)是局地雷电监测预警的一种重要技术手段，并在气象行业业务运行。目前，国外根据全球电路模型(GEC)和岩石-大气-电离层耦合模型(LAIC)，大气电场地震异常前兆也被作为地震短临预警的重要技术手段。

目前，大气电场仪大多采用场磨式。其基本原理为：

1、根据雷电、带电云、地震孕震区孕震电场以及各种气象要素将产生的低频电磁辐射，电磁辐射将对外产生地表大气电场，但是各种现象在不同距离产生的场强大小不同，并且具有辐射场分量、感应场分量和静电场分量。

2、目前气象、地震部门采用的场磨式电场仪可以对上述现象产生的静电场垂直分量进行测量，并用于局部雷电预警业务及地震前兆信号研究。现有的场磨式电场仪的电路组成如图1所示，包括电场感应器、电流电压转化电路、前置信号放大电路、检波电路、低通滤波器、模数转换电路、后置信号放大电路以及数据处理电路，其中，电场感应器、电流电压转化电路、前置信号放大电路、检波电路、低通滤波器、模数转换电路、后置信号放大电路以及数据处理系统依次连通，其中低通滤波器的截止频率为10-30Hz。

目前场磨式电场仪技术已经非常成熟，并在气象行业雷电预警中得到广泛应用，地震部门也用于地震电磁前兆研究。

场磨式大气电场仪原理上所测的大气电场信号为准静电信号，即频率接近为0。在目前各种厂家生产的设备中，仅考虑了一级低通滤波电路。由于设计者对于全球电路理论中“舒曼共振”现象缺乏了解，并过分考虑成本问题，其低通滤波器截止频率一般为10-30Hz之间。在对于滤波电路后模数转换电路、后置信号放大电路、数据处理系统产生的噪声信号也未未做再次滤波考虑。由于雷电产生的大气电场信号较强(根据放电电流强度和测点与放电位置距离不同，一般为2-50kV/m)，在进行雷电监测预警时由于雷电产生的电场信号强度很大(2-50kV/m)，这种含静电或准静电(频率接近0的谐波)和30Hz以下谐波成分由雷电产生大气电场虽然不是真正的静电(或准静电)信号，但10-30Hz截止频率范围对于雷电预警已经足够。然而，对于雷电发生前的带电云团以及以地震孕震产生的大气电场信号，大气电场信号要弱的多(一般低1～2量级)。由于没有产生放电，故产生的大气电场为静电场。

在“全球电路”模型中，由于地球和电离层的高导电性，地球和电离层之间形成一个低导电性的大气为介质的空腔(相当于一个巨型球形电容器)，空腔中存在著名的“舒曼共振”现象。“舒曼共振”主谐振频率8HZ左右的，同时存在高阶谐振(14、20、26、32HZ)，即在谐振频率附近大气电场被“舒曼共振”放大产生失真。为了保证测量精度和范围，大气电场仪设置了前置放大器电路，对所有电场感应器收集到的电场信号进行前置放大。这就使包含舒曼共振频率的大气电场信号也被放大，产生信号失真。目前市面上场磨式大气电场仪大多在检波电路后设置一级低通滤波电路。由于没有考虑“舒曼共振”谐振频率，目前大气电场仪低通滤波器截止频率一般设计为10-30Hz。将包含8、14、20、26Hz多次舒曼共振谐波共振频谱分量。谐波共振产生的电场将产生数倍～数十倍的放大，因此场目前磨式大气电场仪对于输出结果将产生重大误差。