一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法与系统，步骤如下：根据磁天线的基本接收理论建立磁天线等效电路模型；基于磁天线等效电路模型建立磁天线信号处理电路；通过搭建亥姆霍兹圆环线圈试验台产生均匀磁场来模拟闪电通道产生的雷电电磁环境；基于磁天线耦合雷电电磁波系统测试不同参数所造成的影响并处理所得数据及频响曲线分析。本发明专利技术建立了一个多匝环形天线接收雷电电磁波信号的等效电路，通过搭建亥姆霍兹圆环线圈试验台产生均匀磁场来模拟闪电通道产生的雷电电磁环境，分析多匝环形天线在电磁环境下不同采样参数对耦合雷电电磁波能力的影响，得到影响天线接收性能的重要参数，从而基于此提高磁天线的探测精度。的探测精度。的探测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法与系统


[0001]本专利技术涉及雷电科学，特别是一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法与系统。

技术介绍

[0002]雷电是带有电荷的云层之间或带电云对大地(或物体)之间产生急剧放电的一种放电现象，常常伴有闪电和雷鸣。在雷电的放电过程中常常会造成两种危害直击雷和雷击电磁脉冲这两种。雷击电磁脉冲是比直击雷的破坏能力更强的雷电放电短暂瞬变的电磁现象；而在天线耦合了具有很强能量的雷击电磁脉冲信号后，就会导致其放大电路器件和其他电子设备损坏，使得这些设备设施失效或永久的损坏，这给我们日常的生产生活造成了诸多严重、恶劣的影响。为了研究雷电的各种物理特性，关于磁天线的设计以及利用磁天线去接收耦合其电磁波脉冲信号的研究受到了越来越多的学者的重视。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法与系统，从而准确地反映出在不同参数的选取组合下，雷电电磁波和雷电流的大小以及电压与磁感应强度的比值随频率的改变而改变的变化趋势。
[0004]技术方案：本专利技术所述的一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法，利用理论和实验相结合的方法，建立了一个多匝环形天线接收雷电电磁波信号的等效电路，通过搭建亥姆霍兹圆环线圈试验台产生均匀磁场来模拟闪电通道产生的雷电电磁环境，分析多匝环形天线在电磁环境下不同采样参数对耦合雷电电磁波能力的影响，准确地反映出在不同参数的选取组合下，雷电电磁波和雷电流的大小以及电压与磁感应强度的比值随频率的改变而改变的变化趋势，具体包括以下步骤：
[0005](1)根据磁天线的基本接收理论建立磁天线等效电路模型。
[0006](1.1)环形天线表面积为A
L
；B
N
为环形天线平面法相磁场分量；R
L
为C、C0、R0并联后的电阻值；L为环形天线的电感；由电路原理推导得到上述参数之间的关系表达式：
[0007][0008]式中，U0表示负载电阻R0两端点的输出电压。
[0009](1.2)在最简单的情况下，环形天线乃是一个同转轴OO，与环的对称轴重合的矩形平面线圈；假定这个环形天线位于铅垂面上，并有其传播方向在水平面上与环形线圈平面成角的垂直极化波穿过；由于是垂直极化波，所以只在环的铅锤导线ασ和δτ上感应出电动势；电磁波首先到达导线δτ并在其中感应出电动势：
[0010]e
θz
＝E
m sinωt
[0011]当环形线圈中有N匝的时候，N根导线上感应出的电动势为：
[0012][0013]式中，E
m
为电场强度的振幅。
[0014](2)基于磁天线等效电路模型建立磁天线信号处理电路。
[0015](3)通过搭建亥姆霍兹圆环线圈试验台产生均匀磁场来模拟闪电通道产生的雷电电磁环境。
[0016]a为亥姆霍兹圆环的半径，h为两圆环的距离，r<a区域内，设线圈1产生的磁场为B
(1)
，线圈2产生的磁场为B
(2)
，根据磁场的可加性质，线圈1、线圈2的合成磁场的轴线分量为：
[0017][0018]其中L
n
表示单个圆环线圈的n阶磁场系数，β＝h/a。
[0019]其中心磁场为：
[0020][0021]其中μ0＝4π
×
10
‑7，I为亥姆霍兹圆环线圈的电流。
[0022](4)基于磁天线耦合雷电电磁波系统测试不同参数所造成的影响并处理所得数据及频响曲线分析。
[0023]一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的系统，所述系统能够实现上述的一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法，包括雷电电磁场接收系统和磁天线信号处理电路，所述雷电电磁场接收系统用于接收、储存及输出电磁波信号及其数据，所述磁天线信号处理电路用于进行磁天线等效电路中电磁波信号的调制。
[0024]一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法。
[0025]一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法。
[0026]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0027]1、本专利技术使用了更高电阻率以及具有非互易性特点的铁氧体材料作为磁芯，与以往使用空心或者普通材料的磁性环线天线相比，抑制了涡流损耗的产生，减少了能量的耗损；还可以通过其內禀的磁各向异性对微波信号传输方向进行调制，改善天线的接受性能；
[0028]2、本专利技术通过搭建亥姆霍兹圆环线圈试验台模拟雷电电磁波环境下的磁场，能创建一个高均匀性的磁场，充分保证磁场的恒定，符合实际需求；
[0029]3、本专利技术通过改变磁天线等效电路模型中电容、电阻值，得到影响天线接收性能的重要参数，从而基于此提高磁天线的探测精度。
附图说明
[0030]图1是本专利技术所述方法的步骤流程图；
[0031]图2是谐振等效电路示意图；
[0032]图3是多匝环形线圈示意图；其中，图3(a)为简图，图3(b)为等效图，图3(c)为多匝环的分解；
[0033]图4是推导环形天线方向图方程的图示；
[0034]图5是多匝环形天线示意图；
[0035]图6是环形天线的方向图；
[0036]图7是磁天线信号处理电路示意图；
[0037]图8是亥姆霍兹圆环线圈示意图；
[0038]图9是频率为1kHz的试验波形示意图；其中，图9(a)为正常波形，图9(b)为失真波形；
[0039]图10是相同电阻不同电容时的频响曲线示意图；其中，图10(a)为10Ω时不同电容频响曲线，图10(b)为20Ω时不同电容频响曲线，图10(c)为30Ω时不同电容频响曲线，图10(d)为40Ω时不同电容频响曲线，图10(e)为50Ω时不同电容频响曲线；
[0040]图11是相同电容不同电阻时的频响曲线示意图；其中，图11(a)为50pF时不同电阻的频响曲线，图11(b)为100pF时不同电阻的频响曲线，图11(c)为1000pF时不同电阻的频响曲线，图11(d)为0.01μF时不同电阻的频响曲线。
具体实施方式
[0041]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0042]本专利技术提出一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的系统及方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
[0043](1)根据磁天线的基本接收理论建立磁天线等效电路模型；具体为：据法拉第电磁感应定律，当环形天线置于变化的磁场中时，环形天线会产生感应电动势，环形天线置于角频率为ω的均匀交变磁场中，当绕组的轴线与磁场强度H相平行时，环形天线在其两端产生的电压为：
[0044][0045]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据磁天线的基本接收理论建立磁天线等效电路模型；(2)基于磁天线等效电路模型建立磁天线信号处理电路；(3)通过搭建亥姆霍兹圆环线圈试验台产生均匀磁场来模拟闪电通道产生的雷电电磁环境；(4)基于磁天线耦合雷电电磁波系统测试不同参数所造成的影响并处理所得数据及频响曲线分析。2.根据权利要求1所述的一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：(1.1)环形天线表面积为A
L
；B
N
为环形天线平面法相磁场分量；R
L
为C、C0、R0并联后的电阻值；L为环形天线的电感；由电路原理推导得到上述参数之间的关系表达式：式中，U0表示负载电阻R0两端点的输出电压；(1.2)在最简单的情况下，环形天线乃是一个同转轴OO，与环的对称轴重合的矩形平面线圈；假定这个环形天线位于铅垂面上，并有其传播方向在水平面上与环形线圈平面成υ角的垂直极化波穿过；由于是垂直极化波，所以只在环的铅锤导线ασ和δτ上感应出电动势；电磁波首先到达导线δτ并在其中感应出电动势：e
θz
＝E
m sinωt当环形线圈中有N匝的时候，N根导线上感应出的电动势为：式中，E
m
为电场强度的振幅。3.根据权利要求1所述的一种基于磁天线耦合雷电电磁波信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜令兵，赖锴婕，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：