一种实时反馈电磁场测向天线系统技术方案

本发明专利技术公开了一种实时反馈电磁场测向天线系统，属于电磁场测向技术领域，用于雷电信号探测。系统分为4部分：磁棒天线、交叉磁环天线、智能终端和光传输设备。智能终端的背景自适应的探测算法，通过计算过去一段时间背景信号的平均幅度作为触发门限，具有降低虚警率，提高触发率的优点。自检算法通过偏东与偏西的两组磁环天线的响应之和计算与南北向磁环天线的响应之间的误差，选取适当误差范围，判断得到的测向数据可靠性，并实现了实时监测系统设备状况的功能。最终数据通过光传输设备经光纤传输到网络数据库，防止数据传输过程中被恶劣电磁环境干扰，并且能通过网络实时查看数据信息。

A Real-time Feedback Antenna System for Direction Finding of Electromagnetic Field

【技术实现步骤摘要】
一种实时反馈电磁场测向天线系统
本专利技术涉及一种实时反馈电磁场测向天线系统，属于电磁场测向
，用于雷电信号探测。
技术介绍
雷电是自然界一种常见的天气现象，尤其在中低纬度区域，我国是雷电灾害的多发区。雷电的主要发生机理是当雷云层接近大地时，地面感应出相反电荷，当电荷积聚到一定程度，产生云和云间以及云和大地间放电，进发出光和声的现象。根据雷电的不同形状，大致可分为片状、线状和球状三种形式；从危害角度考虑，雷电可分为直击雷、感应雷(包括静电感应和电磁感应)和球形雷。从雷云发生的机理来分，有热雷、界雷和低气压性雷。雷电不仅会造成发电机、变压器、断路器、绝缘子等电气设备的损坏；而且还会引发火灾，物理破坏木材、混凝土等建筑材料。因此对雷电信号的测向具有很强的现实意义。已有同类型的专利技术专利“一种用于雷电定位的装置201510562865.1”，在雷电探测装置中使用两个磁场天线加一个电场天线的对雷电进行定位的方案实现了雷电信号的定位功能。此方案受背景电磁信号影响大，探测灵敏度低。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中对雷电信号测向受背景电磁信号影响大、探测灵敏度低的不足，提供一种用于雷电信号探测的实时反馈电磁场测向天线系统，通过对磁环天线的设计实现了在高灵敏条件下保证角度识别的精确度，设计了根据信号响应的自检算法实现系统精度可靠性判断的自检功能。本专利技术采用的技术方案采用在玻璃钢罩内放置磁棒天线和三组呈60°角的交叉磁环天线获取电、磁信号，磁棒天线垂直向上放置于交叉磁环天线正上方，信号通过短线同轴电缆直接输入到位于屏蔽盒内的智能终端；智能终端采用背景自适应的探测算法实现电磁信号的智能识别和分析，采用信号响应的自检算法实现系统精度可靠性的判断以保证测向结果的准确性；智能终端最终将获得的测向结果通过光传输设备经光纤上传数据库；用户可在联网的设备上实时查看信息。本专利技术的实时反馈电磁场测向天线系统包括玻璃钢罩1、磁棒天线2、交叉磁环天线3、短线同轴电缆4、屏蔽盒5、智能终端6、光传输设备7、光纤8和数据库服务器9；在玻璃钢罩1内放置磁棒天线2和三个呈60°角的交叉磁环天线3，磁棒天线2垂直向上放置于交叉磁环天线3正上方，磁棒天线2和交叉磁环天线3分别获取电、磁信号；获取的电、磁信号通过短线同轴电缆4直接输入到位于屏蔽盒5内的智能终端6；智能终端6最终将获得的测向结果通过光传输设备7经光纤8上传数据库9；智能终端6包括AD转换模块10、背景自适应的探测算法模块11和自检算法模块12，AD转换模块10接收短线同轴电缆的电磁信号输出数字信号，所得数字信号经由GPIO接口输入到背景自适应的探测算法模块11，背景自适应的探测算法模块11输出端通过GPIO接口与自检算法模块12连接，自检算法模块12与光传输设备7连接；智能终端6通过背景自适应的探测算法模块11实现电磁信号的智能识别和分析，通过信号响应的自检算法模块12实现系统精度可靠性的判断以保证测向结果的准确性。本专利技术所述的背景自适应的探测算法模块11探测算法步骤如下：步骤1：背景自适应的探测算法模块11动态存储过去时间磁场天线接收到的信号幅度；步骤2：背景自适应的探测算法模块11每隔15秒，对内存中过去时间的磁场天线接收信号幅度值进行均值计算，并将求得的平均值作为信号触发门限；步骤3：背景自适应的探测算法模块11时刻记录磁场信号、电场信号幅值，当接收到的磁场信号幅值大于等于触发门限的120％时，判定探测到一次雷电信号；反之，则判定为环境电磁噪声；步骤4：对于雷电信号，根据磁场信号判断雷电方向，电场信号判断雷电极性，消除雷电方向的二义性；步骤5：输出雷电源方向；本专利技术所述的自检算法模块12自检算法步骤如下：步骤1：自检算法模块12在每次背景自适应探测算法判定探测到雷电信号时异步执行，记偏东方向磁场天线信号幅度为V1，南北方向磁场天线信号幅度为V2，偏西方向磁场天线的信号幅度为V3；步骤2：计算偏东方向磁场天线信号幅度与偏西方向磁场天线信号幅度之和与南北向磁场天线信号幅度比值，即λ＝(V1+V3)/V2；步骤3：判断比值λ的大小，当λ的值在95～105％时，判定该雷电探测设备的磁场天线状况正常，探测值真实有效；反之，则判定该雷电探测设备的磁场天线状况异常，探测值缺乏参考价值；步骤4：自检算法模块12内保存一个表示设备状态的布尔变量，该变量的值根据λ的值而变化，当λ的值在95～105％时，则该变量为“真”；反之，则为“假”。所述的交叉磁环天线3包括三个相同的磁环天线，三个相同的磁环天线以磁环所在平面的中心线为轴相互交叉，交叉磁环天线3各面之间的夹角为60°，每个磁环的水平高度处于同一高度。所述的磁棒天线2采用锰锌铁氧体磁棒天线，直径不小于10mm，长度为80～120mm。本专利技术的有益效果：该天线系统设计合理，将磁棒天线、交叉磁环天线、智能终端和光传输设备整合一起，缩短电磁信号到智能终端的短线同轴电缆的长度，以尽量减少背景噪声的干扰。通过光纤传输，也有效防止了外界恶劣的电磁噪声的干扰。背景自适应算法参数的合理选取大大提高了信号方位判断的准确性，由于环境电磁噪声引发的误触发率下降了90％。自检算法阈值的合理选取保证了系统测向结果的可靠性，使磁场天线角度测量偏差在1.5°以内。该系统也实现了远程监控系统设备状况的功能。附图说明图1实时反馈电磁场测向天线系统的原理示意图图中：1-玻璃钢罩，2-磁棒天线，3-交叉磁环天线，4-短线同轴电缆，5-屏蔽盒，6-智能终端，7-光传输设备，8-光纤，9-数据库。图2智能终端6的结构组成放大图图中：10-AD转换模块，11-背景自适应算法模块，12-自检算法模块。图3正交磁环天线的频率响应图图中：纵坐标为幅值响应，单位dB，横坐标为频率，单位Hz。具体实施方式下面结合附图，具体实施方式对本专利技术作进一步说明。实施例1如图1所示，实时反馈电磁场测向天线系统包含了磁棒天线2、交叉磁环天线3、智能终端6和光传输设备7等主要部件之外，还包含了玻璃钢罩1、短线同轴电缆4、屏蔽盒5和光纤8等辅助部件。玻璃钢罩1的外形尺寸直径是150mm，高度是150mm，壁厚是3mm；玻璃钢罩1与屏蔽盒5之间通过密封圈形成IP6防水。磁棒天线2采用锰锌铁氧体长度L＝0.08m，采用直径为0.1mm的漆包线多层密绕100圈，使用蜡固定线圈；磁棒天线2外用PVC材料贴合封装，接口采用SMA接口。磁棒天线2安装于交叉磁环天线3正上方。交叉磁环天线3每个磁环选取的面积为S＝0.2025m2，匝数为N＝50，匹配阻抗为500Ω，以磁环所在平面的中心线为轴交叉，各面之间的夹角为60°，每个磁环的水平高度处于同一高度。在外场E＝1V/m的情况下，正交磁环天线3的频率响应如图2所示。交叉磁环天线3采用直径为0.3mm的漆包线密绕50圈；基本骨架采用10mm方铜条制作。为了对杂波进行更好地屏蔽，铜方环采用方紫铜条经开槽加工得到，开槽宽2mm，深6mm，确保漆包线外部的铜方环壁厚都超过1mm。每个磁环天线接触部位开凹槽交接并尽量处于同一高度，交接处采用生料带隔离。短线同轴电缆4长度L＝10cm。智能终端6基于ARM平台，主芯片型号是STM32f103ZET6；采用短线同轴电缆4通过智能终本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时反馈电磁场测向天线系统，其特征在于该系统包括玻璃钢罩(1)、磁棒天线(2)、交叉磁环天线(3)、短线同轴电缆(4)、屏蔽盒(5)、智能终端(6)、光传输设备(7)、光纤(8)和数据库服务器(9)；在玻璃钢罩(1)内放置磁棒天线(2)和三个呈60°角的交叉磁环天线(3)，磁棒天线(2)垂直向上放置于交叉磁环天线(3)正上方，磁棒天线(2)和交叉磁环天线(3)分别获取电、磁信号；获取的电、磁信号通过短线同轴电缆(4)直接输入到位于屏蔽盒(5)内的智能终端(6)；智能终端(6)最终将获得的测向结果通过光传输设备(7)经光纤(8)上传数据库(9)；智能终端(6)包括AD转换模块(10)、背景自适应的探测算法模块(11)和自检算法模块(12)，AD转换模块(10)接收短线同轴电缆的电磁信号输出数字信号，所得数字信号经由GPIO接口输入到背景自适应的探测算法模块(11)，背景自适应的探测算法模块(11)输出端通过GPIO接口与自检算法模块(12)连接，自检算法模块(12)与光传输设备(7)连接；智能终端(6)通过背景自适应的探测算法模块(11)实现电磁信号的智能识别和分析，通过信号响应的自检算法模块(12)实现系统精度可靠性的判断以保证测向结果的准确性。...

【技术特征摘要】
1.一种实时反馈电磁场测向天线系统，其特征在于该系统包括玻璃钢罩(1)、磁棒天线(2)、交叉磁环天线(3)、短线同轴电缆(4)、屏蔽盒(5)、智能终端(6)、光传输设备(7)、光纤(8)和数据库服务器(9)；在玻璃钢罩(1)内放置磁棒天线(2)和三个呈60°角的交叉磁环天线(3)，磁棒天线(2)垂直向上放置于交叉磁环天线(3)正上方，磁棒天线(2)和交叉磁环天线(3)分别获取电、磁信号；获取的电、磁信号通过短线同轴电缆(4)直接输入到位于屏蔽盒(5)内的智能终端(6)；智能终端(6)最终将获得的测向结果通过光传输设备(7)经光纤(8)上传数据库(9)；智能终端(6)包括AD转换模块(10)、背景自适应的探测算法模块(11)和自检算法模块(12)，AD转换模块(10)接收短线同轴电缆的电磁信号输出数字信号，所得数字信号经由GPIO接口输入到背景自适应的探测算法模块(11)，背景自适应的探测算法模块(11)输出端通过GPIO接口与自检算法模块(12)连接，自检算法模块(12)与光传输设备(7)连接；智能终端(6)通过背景自适应的探测算法模块(11)实现电磁信号的智能识别和分析，通过信号响应的自检算法模块(12)实现系统精度可靠性的判断以保证测向结果的准确性。2.根据权利要求1所述的实时反馈电磁场测向天线系统，其特征在于：背景自适应的探测算法模块(11)探测算法步骤如下：步骤1：背景自适应的探测算法模块(11)动态存储过去时间磁场天线接收到的信号幅度；步骤2：背景自适应的探测算法模块(11)每隔15秒，对内存中过去时间的磁场天线接收信号幅度值进行均值计算，并将求得的平均值作为信号触发门限；步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，张雪芹，宋立军，曹保锋，梁睿，李欣，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院防化研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11