一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，包括电场接收与传输�？�、磁场接收与传输�？�、采集处理器，其中：所述电场接收与传输�？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠绯⌒藕牛⒍缘绯⌒藕沤泻蟠渲敛杉砥鳎凰龃懦〗邮沼氪淠？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠懦⌒藕牛⒍源懦⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎凰霾杉砥饔糜诙越邮盏降牡绯〗邮沼氪淠？�、磁场接收与传输�？榇涞男藕沤胁杉娲ⅰ１痉⒚鞯缏方峁股杓萍虻�、工作性能稳定、测量精度高、抗干扰能力强。
【专利说明】—种雷电电磁脉冲的接收与传输装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，属于雷电科学与【技术领域】。
【背景技术】
[0002]雷电是自然界的一种强烈的放电现象，雷电放电时产生的电磁脉冲辐射对电子、电气设备造成的损坏越来越严重。世界各国对雷电研究越来越受高度重视。对于雷电参数的监测，早期1916年Wilson设计了在雷电条件下测量电场的电场变化仪。1960年，Kitagawa和Brook提出了采用两种不同时间常数的电场变化仪来记录闪电电场的变化。近几年又设计出闪电定位系统对雷电的活动进行监测。从地面和卫星观测资料了解，全球的闪电次数约每秒30至100次，在任何时间全球约有2000多个雷暴，在一天的时间中，全球闪电可达到900万次。闪电分为两类，一类是云内电荷与地面之间的放电，称为地闪。另一类是闪电通道不到达地面的放电，称为云闪，云闪占闪电总数的绝大部分。
[0003]云闪包括:单体云内的闪电称云内闪电，云内闪电是最常见的一种；云与云之间的闪电称为云际闪电，云际闪电也是常见的一种闪电，但云内闪电少。云和周围空气之间的放电称为云空闪电。因此，对于闪电信号的接收包括云地闪和云闪，闪电发生时产生强大的电磁脉冲，频谱分布较宽，频谱范围从几Hz至几百MHz，雷电电磁脉冲的接收是利用雷电电磁脉冲中的电场分量和磁场分量进行接收处理。根据天线原理，采用圆形平板天线，按电场快变化设计，接收闪电时电场变化的信号。接收磁场的天线采用两个相互正交的环形天线，接收闪电时产生磁场的信号，这样不管是云闪还是地闪，当闪电发生时都可以将闪电形成的电磁脉冲信号进行接收。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，用于接收雷电闪击时的电磁信号，并统计、分析闪电的情况；同时，通过对电场接收信号的反演能够计算出雷电流的波形参数，即波头时间及半峰值时间。
[0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0006]本发明提供一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，包括电场接收与传输�？�、磁场接收与传输�？�、采集处理器，其中:
[0007]所述电场接收与传输�？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠绯⌒藕牛⒍缘绯⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎�
[0008]所述磁场接收与传输�？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠懦⌒藕牛⒍源懦⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎�
[0009]所述米集处理器用于对接收到的电场接收与传输�？�、磁场接收与传输�？榇涞男藕沤胁杉娲ⅰ�
[0010]所述电场接收与传输�？榘ǖ绯〗邮仗煜�、放大电路、电/光转换驱动电路、激光发射二极管、激光接收二极管、接收电路信号放大器I ;当雷电发生时，电场接收天线接收变化的电场信号，电场信号经过放大电路进行放大，放大后的电场信号经过电/光转换驱动电路转换为光信号，激光发射二极管将光信号通过光纤传输至激光接收二极管，激光接收二极管将接收到的光信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器I进行放大，放大后的电信号传输至采集处理器进行处理。
[0011]所述磁场接收与传输模块包括磁场接收天线、接收电路信号放大器II ;当雷电发生时，磁场接收天线将接收到的变化的磁场信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器II进行放大，放大后的电信号传输至采集处理器进行处理。
[0012]作为本发明的进一步优化方案，所述采集处理器为数字存储示波器。
[0013]作为本发明的进一步优化方案，所述磁场接收天线为两个正交的环形天线，且两个环形天线之间通过75 Ω同轴电缆和微分积分电路相连。
[0014]作为本发明的进一步优化方案，所述电场接收天线为平板天线，其材质为半径为30cm、厚度为2mm的招板,且平板天线中两平行板的距离为50cm。
[0015]作为本发明的进一步优化方案，所述放大电路的放大增益为50dB。
[0016]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
[0017]I)本发明中光信号的传输采用光纤传输，可以进行远距离的传输，信号衰减�。藕糯涔讨胁皇芡饨绲绱呕肪车母扇牛煌保藕胖涞缙衾耄Ｖげ僮魅嗽钡陌踩�
[0018]2)本发明设计激光发射二极管工作在线性工作区，使信号转换线性度好，信号的失真较�。芄蛔既返鼗指蠢椎缌鞯牟ㄐ危�
[0019]3)本发明的电路设计中，可通过改变电路的增益，改变接收闪电范围；天线设计中，结构简单、频带范围宽，可接收几十Hz至几百MHz的雷电电磁脉冲信号；
[0020]4)本发明根据天线原理，采用圆形平板天线，按电场快变化设计，接收闪电时电场变化的信号。接收磁场的天线采用两个相互正交的环形天线，接收闪电时产生磁场的信号，这样不管是云闪还是地闪，当闪电发生时都可以将闪电形成的电磁脉冲信号进行接收；
[0021]5)本发明电路结构设计简单、工作性能稳定、测量精度高、抗干扰能力强；且，应用范围广泛，可用于不同环境，地理条件下雷电闪电的监测，可配有不同的信号采集系统，将雷电闪电信息进行采集，对雷电电磁脉冲信号进行分析处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的原理框图。
[0023]图2是电场接收与传输模块中电场接收部分的电路示意图。
[0024]图3是电场接收与传输模块中电场传输部分的电路意图。
[0025]图4是磁场接收与传输模块的电路示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0027]本【技术领域】技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0028]本【技术领域】技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0029]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0030]本发明设计一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，如图1所示，包括电场接收与传输�？�、磁场接收与传输�？椤⒉杉砥鳎龅绯〗邮沼氪淠？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠绯⌒藕牛⒍缘绯⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎凰龃懦〗邮沼氪淠？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠懦⌒藕牛⒍源懦⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎凰霾杉砥饔糜诙越邮盏降牡绯〗邮沼氪淠？�、磁场接收与传输�？榇涞男藕沤胁杉娲ⅲ黄渲�:
[0031]所述电场接收与传输�？榘ǖ绯〗邮仗煜摺⒎糯蟮缏贰⒌�/光转换驱动电路、激光发射二极管、激光接收二极管、接收电路信号放大器I ;当雷电发生时，电场接收天线接收变化的电场信号，电场信号经过放大电路进行放大，放大后的电场信号经过电/光转换驱动电路转换为光信号，激光发射二极管将光信号通过光纤传输至激光接收二极管，激光接收二极管将接收到的光信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器I进行放大，放大后的电信号传输至采集处理器进行处理；
[0032]所述磁场接收与传输�？榘ù懦〗邮仗煜摺⒔邮盏缏沸藕欧糯笃鱅I ;当雷电发生时，磁场接收天线将接收到的变化的磁场信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器II进行放大，放大后的电信号传输至采集处理器进行处理。
[0033]以下通过本发明的一种优选实施例，对本发明的技术方案作进一步阐述:
[0034]本发明的实施例中，电场接收与传输�？橹械绯〗邮詹糠值牡缏吩硗既缤�2所示，其中，电场接收天线采用平板天线S ;运算放大器IC1、运算放大器IC2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R7、电容Cl、电容C2、电容C5构成放大电路；三极管T、电阻R4、、电阻R5、电阻R8构成电/光转换驱动电路I ;放大电路与电/光转换驱动电路I中间用电容C4进行隔离。其主要工作过程是将雷电时产生的变化电场由平板天线S接收，经运算放大器ICl、运算放大器IC2放大后，传至由三极管T构成驱动电路转换为光信号，再由激光发射二极管I LEDl通过光纤传至电场传输�？�。
[0035]上述电场接收�？橹械钠桨逄煜逽选用半径30cm，厚度2mm的铝板，平板天线中两平行板的距离为50cm。两平行板之间构成了平行板电容器C3，C3与C2的比值可表征测量灵敏度，C3/C2的值越大，系统灵敏度越高。测量的准确度还取决于C3值的稳定性，C3受如大气环境等因素的影响。
[0036]上述放大电路中选用噪声低的场效应管结构的运算放大器0P27，其闭环增益为C7(Jw) = 1+(R3/R4)，C3的大小决定了方频端的截止频率，C2的取值较大决定了低频的截止频率，因此C2、C3、R2、R3、R4的参数选择决定接收电场信号的频率范围。电/光转换驱动电路以三极管Ql为主构成激光发射二极管I LEDl的驱动电路，调节电路中的R5可使LEDl的偏置电路在O-1OOmA范围内变化，静态时，LEDl的电流为50mA ;当有闪电时，变化的电场信号经C4耦合到Ql的基极对LEDl的工作电流进行调制，从而使LEDl的发光强度随电场信号变化，并经过光纤把这一信号传送至接收端。
[0037]本发明的实施例中，电场接收与传输�？橹械绯〈洳糠值牡缏吩硗既缤�3所示，其中，运算放大器IC3、运算放大器IC4、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C6构成接收电路信号放大器I。激光发射二极管LEDl通过光纤传输的光信号由激光接收二极管LED2接收，激光接收二极管I将接收到的光信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器I进行放大。运算放大器IC3、运算放大器IC4组成1-V转换电路，将光电流转换成电压信号，输出的电压信号经IC4组成的放大器进行放大后送到示波器中进行数据采集。
[0038]本发明的实施例中，磁场接收及传输�？榈牡缏吩硗既缤�4所示，其中，磁场接收天线为两个正交的环形天线，两个环形天线通过75Ω同轴电缆和微分积分电路相连接，可接收不同方向的磁场信号；同时，环形天线输出的电压信号与磁通量密度的变化成正比。运算放大器IC5、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12构成接收电路信号放大器II。其主要工作过程是磁场接收天线接收变化的磁场信号，磁场信号经过接收电路信号放大器II进行放大，放大后的磁场信号传输至采集处理器进行处理。
[0039]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，其特征在于，该装置包括电场接收与传输�？�、磁场接收与传输�？�、采集处理器，其中: 所述电场接收与传输�？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠绯⌒藕牛⒍缘绯⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎� 所述磁场接收与传输�？橛糜诮邮绽椎绶⑸辈谋浠懦⌒藕牛⒍源懦⌒藕沤写砗蟠渲敛杉砥鳎� 所述采集处理器用于对接收到的电场接收与传输�？�、磁场接收与传输�？榇涞男藕沤胁杉娲�。
2.根据权利要求1所述的一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，其特征在于，所述电场接收与传输�？榘ǖ绯〗邮仗煜�、放大电路、电/光转换驱动电路、激光发射二极管、激光接收二极管、接收电路信号放大器I ;当雷电发生时，电场接收天线接收变化的电场信号，电场信号经过放大电路进行放大，放大后的电场信号经过电/光转换驱动电路转换为光信号，激光发射二极管将光信号通过光纤传输至激光接收二极管，激光接收二极管将接收到的光信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器I进行放大，放大后的电信号传输至采集处理器进行处理。
3.根据权利要求1所述的一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，其特征在于，所述磁场接收与传输模块包括磁场接收天线、接收电路信号放大器II ;当雷电发生时，磁场接收天线将接收到的变化的磁场信号转换为电信号，电信号经过接收电路信号放大器II进行放大，放大后的电信号传输至采集处理器进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，其特征在于，所述采集处理器为数字存储示波器。
5.根据权利要求3所述的一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置,其特征在于,所述磁场接收天线为两个正交的环形天线，且两个环形天线之间通过75 Ω同轴电缆和微分积分电路相连。
6.根据权利要求2所述的一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置,其特征在于,所述电场接收天线为平板天线，其材质为半径为30cm、厚度为2mm的铝板，且平板天线中两平行板的距离为50cm。
7.根据权利要求2所述的一种雷电电磁脉冲的接收与传输装置，其特征在于，所述放大电路的放大增益为50dB。
【文档编号】G01R29/08GK103969512SQ201410158784
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】李祥超, 叶挺, 徐乐, 周中山 申请人:南京信息工程大学
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