雷电电磁脉冲三维磁场测量系统初探

李 皖 周璧华 马洪亮 刘培山 丁雅菲 徐 云

（解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，江苏 南京210007）

引 言

磁定向定位法是实现地闪雷击点定位的常用方法［1］.由于地闪放电通道可近似看作垂直于地面的电偶极子，通过测量电流产生的磁场可判定放电通道的方向［2］.基于此，采用磁定向定位法的探测站一般配有一副环面与地面垂直的正交环天线，两个或两个以上相距较远的探测站通过测量雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）磁场信号可确定雷击点的位置.

但自然界的闪电能够击中地面的地闪不到三分之一，三分之二以上的是发生在雷暴云内、云间以及云与空气中的云闪［1］.即便是地闪，整个放电通道也非完全与地面垂直［3］，仅通过二维磁场测量获得的信息尚不能完全描述闪电通道的位置.

为此，设计研制了三维磁场测量系统，用面积相同且相互正交的正方形环天线同步接收雷电电磁脉冲磁场分量，以期全面测量包括云闪在内的来自任意方向闪电放电通道电流产生的磁场.为了与三维磁场测量结果形成对比，同时研制了二维磁场测量系统.磁场测量系统由前置磁场信号测量装置，磁场信号传输系统及后置磁场信号采集、显示和记录设备等几部分组成.经实验检验，各系统运行良好，达到了预期效果.

1 磁场信号测量装置设计研制

首先，设计了两类磁场环天线，均采用内外导体双层结构.1）采用钢管作为外护套兼支架，内置线径1mm的硬导线，导线两端通过阻抗匹配电阻（50 Ω）电阻相连，称I型环天线，如图1（a）所示.2）采用聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）管作为外护套兼支架，内置同轴电缆，电缆内外导体间接50Ω匹配电阻，称Ⅱ型环天线，如图1（b）所示.两种环天线都绕制成正方形.为了利用外导体的屏蔽作用降低测点周围电场对测试结果的影响，同时避免外导体形成环路影响内导体对磁场信号的接收，I型环天线在拐角处使用了PVC二通接头，II型环天线在电缆芯线和外导体之间开有1cm宽的间隙［4］.

环天线等效电路如图2所示，e（jω）为感应电动势，U（jω）为输出电压，Ri为内阻可以忽略，L为电感［5］，R1和R2为50Ω 匹配电阻.

图2 磁场环天线等效电路图

设环天线面积为S，匝数为N，穿过环天线的法向磁通密度为B（jω），系统传递函数及低频截止频率表达式为

式中：RL＝R1＋R2＝100Ω.由公式（1）和（2）可知，环天线的灵敏度及测量带宽与电感L有关，而L为匝数N和面积S的函数.因此，为了确定环天线的实际参数，归根到底是要弄清N和S对线圈响应的影响，通过仿真放置在被测磁场中的环天线输出［6］可以实现这一目的.

为了与实验结果对照，所选的磁场源时域特性与实验室雷电磁场模拟器产生的脉冲磁场一致，表达式为

式中：m＝2.0×103s-1；n＝1.0×106s-1；p＝1.3；B0＝200mT.归一化波形如图3所示.

图3 模拟磁场源归一化波形

放置环天线使其轴向与磁感应强度方向重合，磁通量完全穿过被测线圈.对面积S为0.64m2和2.56m2，匝数N从1到3的环天线响应情况做了仿真，波形以图4示意.

由仿真结果可得［6-7］：

1）当线圈面积相同而匝数不同时，随着匝数的增加，环天线低频截止频率减小，通频带变宽.通频带增益变小，灵敏度降低.

2）当线圈匝数相同而面积不同时，随着面积的增大，环天线低频截止频率减小，通频带变宽.通频带增益变大，灵敏度提高.

3）环天线响应输出存在低频失真现象。随着匝数和面积的增加，低频失真可以得到逐渐的改善.

依据仿真结果，综合考虑环天线的灵敏度和测量频带，制作了四种环天线，编号从A到D，具体参数如表1所示.

表1 磁场环天线参数

环天线研制完成后，确定了环天线的组合方式，设计了两种装置结构.III型和IV型结构分别用于二维磁场和三维磁场的测量［8-9］，如图5所示.为统一起见，为每只环天线都做了编号。环天线No1、No2和No3分别沿xoz平面（南北向）、yoz平面（东西向）和xoy平面（水平向）正向放置，正面分别指向正东、正北和垂直向上三个方向.

最终设计研制了五套磁场测量装置，编号从1到5，参数见表2.

表2 磁场测量装置参数

2 磁场信号传输系统研制

与环天线相接的前置信号处理电路用于测量信号的接收、积分放大、非线性校正与补偿.在本测量系统中，电路的积分时间常数选为40μs［8，10］.考虑到电路输出的信号必须传输至几十米以外的数据采集终端，为了避免信号在传输过程中受到外界干扰，分别采用全介质光缆和双层屏蔽同轴电缆传输信号.光缆传输与电缆传输的不同之处在于，基于光隔离技术，待输出的电信号须由光发射机转换为光信号后输出，故两者使用的电路板会有所不同，如图6所示.动态响应测量结果表明：两种前置电路的低频截止频率均在10Hz以下，3dB带宽的上限可达100MHz，不同通道的增益一致性较好，满足雷电磁场的测量要求［8，10］.

3 磁场信号测量系统实验研究

在前述研究基础上构建了六套LEMP磁场测量系统，系统组成如图7所示，具体参数见表3.

表3 磁场测量系统参数

图7 磁场测量系统组成框图

为了进一步检测系统的性能，利用雷电磁场模拟器进行了模拟实验，实验平台如图8所示.产生磁场的大线圈直径为2.05m，其有效工作空间：1.2m×1.2m×1.6m，所产生的脉冲磁场参数可调.信号的采集和存储采用Tektronix 3034数字示波器，其带宽为300MHz，采样速率可达2.5GHz/s.

图8 磁场测量系统实验平台

实验时，将被测环天线置于磁场模拟器正前方，使其轴向与模拟器线圈中心轴线重合，同时测量测点处模拟器产生的脉冲磁场波形和环天线的输出波形，以便观察所测波形的失真情况，考查系统的灵敏度和动态范围［8，10］.

经对比，各环天线测得的磁场归一化波形几乎完全重合，但与模拟器在测点处产生的磁场波形相比，存在低频失真现象，这与以上仿真结果一致。采用MATLAB软件包中的输出误差（Output Error，OE）系统辨识模型进行校正，结果表明，这样的低频失真可予以校正［8，10］，如图9所示.

从图10所示的环天线动态响应曲线看，测量系统的灵敏度较高，在测试范围内的线性度尚好.

考虑到所制作的环天线受加工工艺及水平的限制，未必能够完全符合正交的要求，测量时每个环不仅可测其轴向的磁场，还会对另外两个正交方向的磁场有响应［6］，为此进行了相关测量.统计结果表明，各环对另两个非正交方向磁场的互耦系数均小于1%，说明装置正交性较好.

对采用不同材质制作的I型和II型环天线在同等条件下测得的波形及数据进行了比对，没有发现其间的差别，两种环天线测试结果一致，说明采用钢管作为外护套兼支架对磁场的测量结果没有影响［8，10］.

4 结 论

本文设计了两种磁场环天线，对环天线的响应进行了仿真计算，确定了环天线的设计参数.选择了两种信号传输方式，设计了相应的前置信号处理电路，同时构建了LEMP二维和三维磁场测量系统.对系统的频率响应、动态响应和互耦系数等进行了实验检测和研究，结果表明系统运行良好，达到了预期的效果.

本文所进行的工作毕竟还是初步的，下面还需要设置地闪模拟放电通道，通过定向效能评估实验等进一步开展系统性能测试等研究，继续对系统进行改进和完善.

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