LF/VLF electromagnetic pulse measurement system
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摘要: 为了准确地测量电磁脉冲（electromagnetic pulse，EMP）的波形，开展低频/甚低频（low-frequency/very low-frequency，LF/VLF）EMP的形成和传播机理研究，识别不同EMP的特征，并以此为依据来识别、确认雷电及核爆炸等现象，提出了一种高分辨率的EMP原始波形测量系统方案，同时针对LF/VLF这一较低的频段提出了一套有效的系统标校方法，实现了对EMP的连续、准确测量和快速有效判别，并能通过网络实时上传数据.系统采用正交环磁场天线和平板电容电场天线实现信号的接收，设计了低噪声高保真的信道调理电路和高速数据采集电路来实现信号的采集，利用高精度的授时模块为EMP信号标记时间戳，最后结合多点监测波形实现EMP定位估计.实测结果表明：该系统能够给出高分辨率、高精度的LF/VLF EMP波形；利用该系统组网可以实现远距离EMP源的定位，定位精度与目前近距离的定位手段相当.通过长期的运行，验证了该系统具有高可靠、低失真、判别准确、实时性强等特点.Abstract: In order to measure the waveform of electromagnetic pulse accurately, we studied the formation and propagation mechanism of low-frequency/very low-frequency(LF/VLF) electromagnetic pulse, and identify the characteristics of different electromagnetic pulses, then use this as a basis to identify and confirm lightning, nuclear explosion and other phenomena. A high-resolution original waveform measurement system of electromagnetic pulse is proposed in this paper, and an effective system calibration method for the lower frequency band of LF/VLF is proposed. The continuous and accurate measurement, fast and effective discrimination and real-time data uploading can be realized through the network. In this system, an orthogonal magnetic field measurement antenna and a capacity plate antenna are used to receive signals, a low noise and high fidelity channel conditioning circuit combined with high speed data acquisition circuit is used to collect signals, a high precision timing module is used to mark time stamp for electromagnetic pulse signal, and finally the electromagnetic pulse location estimation is realized by combining the multi-point monitoring waveform. The field measurement results indicate that the system can provide high resolution and high precision for LF and VLF electromagnetic pulse waveforms. The system can also be used to locate long-distance electromagnetic pulse sources by networking, and the positioning accuracy is compar- able to the current short-range positioning methods. Through long-term operation, it is also proved that the system has the characteristics of high reliability, low distortion, accurate discrimination, strong real-time and so on.
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Keywords:
- LF /
- VLF /
- electromagnetic pulse /
- measure /
- calibration /
- recognition /
- location
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引言
自然界中的低频/甚低频(low-frequency/very low-frequency, LF/VLF)电磁脉冲(electromagnetic pulse, EMP)信号来源广泛, 主要包括雷电、核爆炸产生的EMP和工业电子电气设备辐射出的EMP等.开展LF/VLF EMP的测量具有重要意义, 可以利用测量得到的LF/VLF EMP特征来实现雷电的识别、定位, 核爆炸的快速警报和定位, 以及评估EMP的环境效应.近年来LF/VLF EMP的测量研究取得了重要进展, 相关的研究成果主要集中在用于雷电监测定位的VLF EMP监测方面, 开发了雷电监测定位系统和雷电磁场测量系统[1-2]等应用系统和数字式EMP接收机[3], 通过监测EMP的起始点、峰值点、过零点等参数, 实现雷电的统计和定位.同时, 利用监测LF/VLF EMP构建了全球雷电监测网络以及在泰国、西班牙等地建立的区域性现代雷电监测网络, 通过测量雷电EMP信号的到达时间(time of arrival, TOA), 实现雷电高精度定位[4-9].然而, 上述工作由于都是雷电监测定位的应用背景, 在EMP的原始波形测量和特征提取识别方面开展的研究较少.除了雷电监测之外, 还有学者开发了用于接收VLF通信、导航等无线电信号的接收机, 用于开展电离层研究[10-11], 这些研究主要集中在固定台信号的接收和信号幅度、相位测量方面, 尚未关注EMP.为了深入研究EMP的形成机理, 识别不同类型的EMP源, 本文提出一种高分辨率的EMP原始波形测量系统, 通过对EMP的快速有效判别, 实现EMP的连续测量和实时传输, 并针对LF/VLF这一频段提出一套有效的系统标定方法, 对测量系统进行标定, 实现对EMP特征参量的准确测量.经过长期的室外观测试验, 获取了大量的实测数据, 验证了EMP的各种特征, 可为EMP的形成和传播机理研究以及不同脉冲源的识别提供有价值的原始数据.为了提高定位精度, 鉴于该系统组网测量可以实现EMP事件的定位, 且地-电离层波导信道对LF/VLF信号传播的时延有着显著影响[12-13], 下一步需要深入开展LF/VLF信号传播时延的修正研究, 将修正因子嵌入本系统, 以进一步提高本系统的应用性能.
1 系统设计
LF/VLF EMP测量系统主要由天线和接收机两部分组成.天线完成信号的接收并区分来波方向, 主要由正交环磁场天线、电场天线和天线前置放大/保护单元组成; 接收机完成对EMP信号的调理、采集、处理、识别等工作, 主要由前端调理单元、信号采集单元、数据处理单元及接收机供电模块构成.系统组成框图如图 1所示.
系统工作流程如下:接收天线完成对脉冲信号的感应接收; 天线接收的信号由前端调理单元进行滤波、放大调理; 调理后的模拟信号由信号采集单元进行高速实时的数据采集, 采集到的数据由数据处理单元完成特征提取、脉冲识别等任务, 并将结果推送至通信接口模块进行实时的数据传输.系统主要技术指标如表 1.
表 1 系统主要技术指标Tab. 1 Main technical index of the system参数 指标范围 工作频段 3~60 kHz 电场灵敏度 10 mV/m 磁场灵敏度 32 pT 动态范围 60 dB 时间分辨率 优于1 μs 同步精度 50 ns 测向精度 优于2° 采集方式 触发式 1.1 天线设计
天线包括正交环磁场天线、平板电容电场天线和天线内置的前置放大/保护单元.其中正交环磁场天线用于接收脉冲信号水平磁场的南北和东西分量; 平板电容电场天线用于接收脉冲信号的垂直电场分量; 前置放大/保护单元用于对信号的低噪声放大和过压保护.
图 2为磁场天线的结构示意图, 根据法拉第电磁感应定律, 环状天线感应电动势的计算公式如下:
\mathit{\boldsymbol{V}} = \frac{{2\pi }}{\lambda }\mathit{\boldsymbol{B}}NS{u_r}{\rm{cos}}\theta . (1) 式中:λ为信号波长; B为信号磁感应强度; N为天线匝数; S为天线面积; ur为环天线的相对磁导率; θ为来波与环平面法线方向的夹角.
由于系统工作频段磁场环境噪声较高, 磁场天线采用差分天线设计, 天线输出差模信号, 可以有效降低干扰和噪声影响.磁场天线的实物图如图 3所示.
平板电容电场天线由两个平行放置的圆形平板导体构成, 图 4为该天线的结构示意图.开路情况下, 天线感应电压V和电场强度E之间关系式如下:
\mathit{\boldsymbol{V}}{\rm{ = }}\mathit{\boldsymbol{E}}\mathit{h}. (2) 式中, h为平板间的距离.
平板电容电场天线为一种特殊设计的偶极子天线, 具有偶极子天线通带宽、调理电路易设计等特点.与鞭状天线等传统偶极子天线相比, 本文设计的天线具有体积更小、更易架设等特点, 提升了设备整机的集成度.电场天线的实物图如图 5所示.
由于系统通常应用于场强很大的测量环境, 系统天线需考虑前置保护单元的设计.同时, 天线工作频段低、等效高度低, 为提升设备测量灵敏度, 对天线前置放大电路进行低噪声设计.由于磁场天线为差分输出, 磁场天线前置放大/保护单元采用差分放大电路, 同时, 考虑感应电压转换成磁场的问题, 设计了积分电路.磁场天线前置放大/保护模块和电场天线前置放大/保护模块原理图分别如图 6、图 7所示.
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图 6 磁场天线前置放大/保护模块原理图Fig. 6 Schematic diagram of preamplifier/protection module for magnetic field antenna![]()
图 7 电场天线前置放大/保护模块原理图Fig. 7 Schematic diagram of preamplifier/protection module for electric field antenna1.2 前端调理单元设计
前端调理单元用于对天线输出的模拟信号进行调理, 以匹配接收机信号采集单元的接口电平.该单元电路采用Multisim10.0仿真软件进行设计, 并在实际调试时对电路的分立元件参数进行适当调整.
前端调理单元包含三个模拟电路通道, 即两路磁场正交环天线信号通道和一路电场天线信号通道.每个通道都包含多级放大电路和多级滤波电路, 每个通道的电路拓扑结构相同, 部分分立元件参数略有不同.首级放大电路设计主要考虑噪声控制, 电路采用运放搭建; 滤波电路采用低通与高通滤波器串联设计, 通带为3~60 kHz, 且过渡带窄; 由于磁场环天线和电场天线感应电压不同, 对应的末级放大电路增益略有不同.前端调理单元单个通道电路原理框图如图 8所示.
该单元的信号调理流程为:天线输出模拟信号首先经过首级放大及过压保护电路, 对信号进行放大.随后, 信号进入两级高通滤波器和三级低通滤波器, 将信号限制在3~60 kHz通带内.最后利用反向比例放大器对信号幅度进行调整, 以匹配信号采集单元的接口电平.
1.3 信号采集单元设计
信号采集单元完成对模拟信号的数字采集, 信号采集单元的无失真动态范围大于60 dB, 采用三通道AD设计, 分别为两路磁场采集电路和一路电场采集电路.采样速率1~10 MHz可设置, 采样分辨率为16 bit.
AD芯片选用ADI公司的模数转换芯片AD7626, 该芯片的采样控制工作由数据处理单元的FPGA模块完成.为使系统具备对EMP信号的组网定位能力, 系统间需具备同步采集功能.为此, 该单元采用秒脉冲触发模式, 触发脉冲由高精度授时模块提供.为保证采样时钟相位的一致性及准确性, 采样时钟由FPGA模块采用高稳晶振作为外部时钟输入, 经内部锁相环(phase locked lasp, PLL)产生. FPGA芯片在内部设计及布线上对该时钟进行了约束, 在硬件电路板的设计上采用等长原则, 分别输入至三路AD的时钟端口, 三路AD可以同时并行采样.
1.4 数据处理单元设计
数据处理单元采用FPGA+DSP+ARM架构, 该单元的硬件框图如图 9所示.
其中, FPGA采用Xilinx Spartan-6处理器; DSP模块和ARM模块集成在同一块芯片TI OMAP-L138上, 其中DSP采用DSP C674x核心, ARM采用ARM9核心.
数据处理单元FPGA模块在完成采样控制和采样数据打时标的同时, 还可实现信号的高阶带通滤波, 进一步提升系统的信号接收能力.并且, FPGA模块实时计算环境噪声以实现系统触发阈值的自适应调整.数据处理单元DSP模块实现EMP信号特征提取、脉冲类型的识别、脉冲信号的测向等. ARM模块实现接口控制、外设扩展等功能.该单元的数据处理流程如图 10所示.
2 系统标定
为了保证LF/VLF EMP信号测量的准确性和系统间的一致性, 增强系统组网识别、定位能力, 需要对系统进行标定.标定的主要内容为系统的幅频响应特性.
系统的幅频响应特性采用横电磁波(transverse electromagnetic, TEM)小室标定, 标定系统的原理框图如图 11所示.被测天线放置在TEM小室d/2位置处, 该处场强的计算公式如式(3)所示, 其中Pin为入射功率, 大小为功率计1读数; Pr为反射功率, 大小为功率计2读数; Cf、Cr分别为双定向耦合器的正向和反向的耦合比; Rc为传输室特性阻抗的实部; d为小室芯板距底板间距离.
{E_0} = \frac{{\sqrt {({C_{\rm{f}}}{P_{{\rm{in}}}} - {C_{\rm{r}}}{P_{\rm{r}}}){R_{\rm{e}}}} }}{d}. (3) ![]()
图 11 幅频特性标定系统原理框图Fig. 11 Principle block diagram of amplitude-frequency calibration system通过在TEM小室内构建标准垂直场强和水平场强来完成系统电场和磁场幅频响应特性的标定.通过标定得到标准场强与本系统测量场强的比值, 即校准因子(calibration factor, CF).电场和磁场CF分别如图 12和图 13所示.
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图 12 系统电场幅频响应Fig. 12 Calibration factor of amplitude-frequency response of electric field![]()
图 13 系统磁场幅频响应CFFig. 13 Calibration factor of amplitude-frequency response of magnetic field利用幅频响应CF形成本系统的测量结果修正系数, 对系统的测量结果进行修正, 从而完成系统的标定.
3 系统试验及结果分析
将本系统安装在青岛进行EMP信号监测试验.期间, 本系统采集了大量的LF/VLF EMP原始波形, 其中图 14~16为本系统于2019年7月19日采集到的典型波形的电场、磁场时频域特征.
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图 15 典型EMP信号的磁场X方向特征Fig. 15 Characteristics of magnetic field X direction of typical EMP signals![]()
图 16 典型EMP信号的磁场Y方向特征Fig. 16 Characteristics of magnetic field Y direction of typical EMP signals从时域波形可以看出, 本系统最低可测到几个mV/m的电场强度, 系统具有很高的灵敏度, 同时可以看出, EMP波形上升时间很短, 系统具有快速的响应速度和很高的时间分辨率; 从频域波形可以看出, 系统具有良好的频率选择性(3~60 kHz), 具有很强的带外抑制能力.
与此同时, 系统已分别在沈阳、新城、丹东、通化四地进行安装并开展联合组网测试试验.系统组网后, 主要用于对LF/VLF自然EMP信号(如雷电EMP)和人为EMP信号进行监测和定位.并将EMP事件的定位结果与由分布在全国范围的325个监测站组成的三维闪电监测预警防御综合系统[14]的雷电闪电定位结果进行对比分析, 表 2是2019年8月22日15:00前一小时系统对典型远距离事件的定位结果, 以及与三维闪电监测预警防御综合系统定位结果的比较情况.从表 2可以看出, 本系统对远距离LF/VLF EMP信号具有较好的监测定位性能, 可实现在国土范围内建设监测点, 对境外的EMP事件进行准确监测, 具有重要的应用价值.
表 2 系统组网测试结果和性能评估Tab. 2 System networking test results and performance evaluation事件序号 本文系统定位结果 本文系统定位结果距监测站的平均距离/km 三维闪电监测预警防御综合系统定位结果 三维闪电监测预警防御综合系统定位结果距监测站的平均距离/km 两定位结果间距离差/km 1 (124.461°E, 44.849°N) 322.365 (124.406°E, 44.788°N) 104.481 8.089 2 (123.317°E, 37.721°N) 322.374 (123.245°E, 37.652°N) 222.968 9.997 3 (129.399°E, 43.906°N) 428.605 (129.297°E, 43.805°N) 148.017 13.940 4 (109.538°E, 27.101°N) 1 521.732 (109.238°E, 26.724°N) 138.802 51.417 4 结论
本文提出了一种LF/VLF EMP测量方案, 并将该方案应用于LF/VLF EMP测量系统的研制, 在实际使用环境下证实该系统具有以下优越性能.
1) 该系统能够给出LF/VLF EMP的原始波形, 包括丰富的频率成分, 幅频响应几乎无失真, 并且通过内场标定, 给出了准确的磁场强度和电场强度的测量结果;
2) 该系统通过对磁场信号的差分接收、差分放大等处理, 降低了磁场噪声, 具备了接收远距离弱信号的能力;
3) 该系统对EMP信号进行了准确的识别, 从而使系统在有EMP事件时才触发存储和传输, 实现了大量EMP信号的实时存储和远程上报;
4) 该系统具有较高的时间分辨率, 并且采用卫星精准授时, 具备利用组网观测对EMP事件进行高精度、远距离定位能力, 尤其适用于对发生在我国境外的远距离EMP事件的定位;
5) 由于LF/VLF EMP的远距离传播模式是地-电离层波导传播, 传播过程中引入了附加延时, 从而造成系统组网定位时存在一定的传播误差, 下一步需要深入研究传播附加延时的修正方法, 以进一步提高系统组网定位的应用性能.
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图 6 磁场天线前置放大/保护模块原理图
Fig. 6 Schematic diagram of preamplifier/protection module for magnetic field antenna
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图 7 电场天线前置放大/保护模块原理图
Fig. 7 Schematic diagram of preamplifier/protection module for electric field antenna
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图 11 幅频特性标定系统原理框图
Fig. 11 Principle block diagram of amplitude-frequency calibration system
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图 12 系统电场幅频响应
Fig. 12 Calibration factor of amplitude-frequency response of electric field
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图 13 系统磁场幅频响应CF
Fig. 13 Calibration factor of amplitude-frequency response of magnetic field
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图 15 典型EMP信号的磁场X方向特征
Fig. 15 Characteristics of magnetic field X direction of typical EMP signals
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图 16 典型EMP信号的磁场Y方向特征
Fig. 16 Characteristics of magnetic field Y direction of typical EMP signals
表 1 系统主要技术指标
Tab. 1 Main technical index of the system
参数 指标范围 工作频段 3~60 kHz 电场灵敏度 10 mV/m 磁场灵敏度 32 pT 动态范围 60 dB 时间分辨率 优于1 μs 同步精度 50 ns 测向精度 优于2° 采集方式 触发式 
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表 2 系统组网测试结果和性能评估
Tab. 2 System networking test results and performance evaluation
事件序号 本文系统定位结果 本文系统定位结果距监测站的平均距离/km 三维闪电监测预警防御综合系统定位结果 三维闪电监测预警防御综合系统定位结果距监测站的平均距离/km 两定位结果间距离差/km 1 (124.461°E, 44.849°N) 322.365 (124.406°E, 44.788°N) 104.481 8.089 2 (123.317°E, 37.721°N) 322.374 (123.245°E, 37.652°N) 222.968 9.997 3 (129.399°E, 43.906°N) 428.605 (129.297°E, 43.805°N) 148.017 13.940 4 (109.538°E, 27.101°N) 1 521.732 (109.238°E, 26.724°N) 138.802 51.417
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