《雷電電磁場傳感器標定》編制說明

中國氣象服務協會團體標準《雷電電磁場傳感器標定》編制說明一、工作簡況 1.1任務來源根據中國氣象局文件氣發(fā)[2006]78號《關于下達2006年氣象行業(yè)標準計劃的通知》的要求，在2022年～2023年內完成《雷電電磁場傳感器標定》氣象團體標準的制定工作。（針對雷電電磁場傳感器標定工作的現狀和需求，中國氣象局政策法規(guī)司下達了《雷電電磁場傳感器標定》標準化編制項目，）該標準由陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，四川中光防雷科技股份有限公司，北京雷電防護裝置測試中心參加起草，由中國氣象服務協會提出并歸口。項目任務書見附件。1.2主要工作過程預研階段2022年5月始，“雷電電磁場傳感器標定”的標準編制人員，著手收集相關資料。在本項目資料收集過程中，標準編制人員對國內外相關資料作了廣泛深入的調查研究等工作。在標準編制前期收集了大量相關的最新國標、行業(yè)標準及資料。為標準的編制，提供參考。雷電電磁場傳感器標定的現狀調查。為標準的起草積累了第一手資料。起草階段確定標準的整體結構。在標準編制前以及編寫過程中，對標準的結構和組成部分進行了充分的考慮。對標準的結構進行反復論證，并予以確定，并對標準的編寫具體內容做好具體分工。確定標準內容。對標準中有爭論的內容，組織參編人員查閱各類資料和實地調研，并組織討論予以確認。2022年10月組織各參編單位召開起草會議，并開始標準起草工作。2022年11月組織各參編單位進行匯總，由陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院、四川中光防雷科技股份有限公司進行匯總，并完成草稿審定工作。2022年12月提交初稿給中國氣象服務協會。下一階段將根據專家反饋意見對該標準進行討論并完成修改工作。1.3標準起草單位及主要起草人該標準由陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，四川中光防雷科技股份有限公司，北京雷電防護裝置測試中心、北京中科飛龍傳感技術有限責任公司、南京云凱防雷科技股份有限公司、深圳市國家氣象觀象臺、湖南中普技術股份有限公司、浙江潤和安全技術有限公司參加起草，由中國氣象服務協會提出并歸口。主要起草人：邱實、石立華、張琪、張建培、張利華等二、編制原則和主要內容2.1編制原則2.1.1立足國際與國內研究最新進展，保證標準內容的先進性針對本標準編制，編制組查閱了近10年來與本標準內容相關的技術文檔、論文、技術規(guī)范和國家、國外標準，吸收借鑒了其中的先進技術和方法，比如標定場產生裝置中，擬采用的TEM波導、亥姆霍茲線圈和平行板標定系統(tǒng)均為當前國際和國內公認的標準化測試環(huán)境，在不確定度評定方法中，總結歸納了論著中提出的這些標定場產生裝置的主要影響因素。2.1.2針對雷電電磁場傳感器應用中的特殊要求，科學提出擬編制的標準化要素雷電電磁場傳感器是用于測量雷電放電產生的瞬變電磁場的專用設備，廣泛應用于雷電監(jiān)測定位、預警系統(tǒng)和雷電電磁效應試驗、雷電、靜電放電等相關領域的電磁環(huán)境評估和放電參數反演。然而，雷電電磁場傳感器量程范圍廣、頻率跨度大，與電磁脈沖傳感器相比體積較大，關注的頻段更低。在實際應用中，傳感器的靈敏度、幅頻響應、分辨力、線性動態(tài)范圍等都會對雷電探測效率產生影響，這些參數的一致性也會直接影響定位精度。由于目前缺乏相應的標定標準，影響了傳感器性能的標準化測試以及測量波形數據的使用。因此，本標準從實際應用出發(fā)，通過對雷電電磁場傳感器標準化過程的考慮，確保標準化過程的目標明確，實用性強，為雷電電磁場傳感器的性能檢測評估提供了有效途徑。2.2標準主要內容的確定2.2.1標準主要內容本標準規(guī)范了雷電電磁場傳感器的標定方法和步驟，可用于測量雷電以及其它放電過程的瞬變電磁場傳感器的標定，規(guī)定的標定項目包含幅度響應和頻率響應2類，幅度響應具體包含靈敏度、分辨力、線性度、測量范圍、量程、動態(tài)范圍6項，頻率響應具體包含上、下限截止頻率、歸一化幅頻響應和帶寬4項。根據被測傳感器類型的不同，每一項對應4種傳感器的標定：電場強度（E）、磁感應強度（B）、電場變化率（dE/dt或E-Dot）、磁感應強度變化率（dB/dt或B-Dot）。2.2.2標準主要內容的確定依據國外相關領域最相近的標準為IEEE于2013年發(fā)布的《IEEEStd1309-2013CalibrationofElectromagneticFieldSensorsandProbes(ExcludingAntennas)from9kHzto40GHz》（9kHz~40GHz電磁場傳感器和探頭校準標準），國內對應標準為國家計量技術規(guī)范《JJF1884-202010kHz～100MHz電磁場探頭校準規(guī)范》和《JJF1886-2020電場探頭校準規(guī)范》。以上標準雖然也涉及電磁場傳感器的標定方法，但是與本標準有顯著不同，主要體現在以下4個方面：（1）頻率范圍不同由于雷電電磁場信號集中在較低頻率，本標準關注的頻段更低，甚至到直流，以上發(fā)布的標準更側重高頻，低頻標定相比高頻在方法上有特殊性，比如，對于反射和駐波的要求較低，因此存在針對性的優(yōu)化標定方法。（2）標定項目不同以上發(fā)布的標準主要關注規(guī)定了天線系數（或稱為校準因子）的標定方法，本標準規(guī)定了靈敏度、分辨力、線性度、測量范圍、量程、動態(tài)范圍、上、下限截止頻率、歸一化幅頻響應和帶寬共10個標定項目的標定。（3）標定傳感器類型不同本標準規(guī)定了4類傳感器的標定方法，其中電場變化率（dE/dt或E-Dot）和磁感應強度變化率（dB/dt或B-Dot）傳感器的靈敏度、幅頻響應等項目的標定在國內外所有標準中都沒有涉及，屬于創(chuàng)新技術。三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術經濟論證，預期的經濟效果1、基于平行板標定環(huán)境的雷電電場傳感器標定技術研究 1.1場不均勻性的仿真研究平行板標定環(huán)境的準確度受到平行板尺寸和平行板間距的影響。為了評估幾何因素造成的場不均勻性，在CST中建立極板高度2m，半徑為可變的仿真環(huán)境，并且在上極板模擬注入了20V的電壓注入信號，在半徑1.5m時垂直剖面的電場等值線如REF_Ref121151215\h圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1垂直剖面的電場等值線改變半徑大小，得到半徑1m、1.5m、2m和3m時中心軸線上的電場垂直分布，如REF_Ref121151440\h圖2~REF_Ref121151442\h圖5。從圖中可見，半徑增大后，場均勻性明顯提高。采用半徑間距比值作為參考指標，當采用2m的半徑時，半徑間距比為1，在絕大部分區(qū)域內不均勻性誤差在5%以內；當采用3m的半徑時，半徑間距比為1.5，在絕大部分區(qū)域內不均勻性誤差在1%以內。這一結論可作為標定環(huán)境尺寸制定的重要依據。圖SEQ圖\*ARABIC2極板半徑1米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布圖SEQ圖\*ARABIC3極板半徑1.5米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布圖SEQ圖\*ARABIC4極板半徑2米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布圖SEQ圖\*ARABIC5極板半徑3米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布1.2實驗研究為驗證平行板標定環(huán)境對雷電電場傳感器靈敏度的標定效果，在實驗室搭建了標定實驗環(huán)境，采用實驗室自行研制的雷電電場傳感器作為待標定設備。REF_Ref119440741\h圖6為本次實驗采用的平行板標定實驗系統(tǒng)組成，REF_Ref121152438\h圖7為電場天線的實驗室標定現場，圖中的大圓盤為上極板，上極板與信號源的輸出端口通過同軸線相連，下極板接地，電場天線放置在金屬地板的中央，示波器用于測量電場傳感器的輸出信號。由于傳感器靈敏，不需要采用功放，直接將信號源連接到極板上。信號源為RigolDG4162型函數/任意波形發(fā)生器，內阻50Ω，能夠輸出穩(wěn)定連續(xù)的波形，且波形失真程度較低；示波器為Tek3024，帶寬范圍200MHz，最大采樣率為2.5GHz。圖SEQ圖\*ARABIC6平行板標定系統(tǒng)連接圖SEQ圖\*ARABIC7標定實驗現場圖通過信號源注入100k的正弦波，能夠得到清晰的傳感器輸出信號，利用本標準規(guī)定的標定步驟，求傳感器輸出電壓與標準場強的比值，得到傳感器的靈敏度值。2、基于亥姆霍茲線圈的雷電磁場傳感器標定實驗研究利用實驗室自行設計的磁場傳感器進行標定研究，其中傳感器的靈敏度可根據電路結構和線圈尺寸理論計算得到。實驗的目的是驗證標定實驗結果與理論靈敏度的一致性。標定實驗如REF_Ref121153935\h圖8所示，模擬器線圈的一端由信號源注入不同波形的信號，另一端串聯50電阻后接地。通過測量電阻兩端的電壓的得到流過模擬器環(huán)路的電流。磁場測量傳感器輸出接至示波器2通道記錄傳感器測量到的信號。被測環(huán)天線與模擬器截面平行,天線整體放在模擬器中央位置。圖SEQ圖\*ARABIC8雷電磁場傳感器標定實驗連接框圖信號源在模擬器中注入頻率100kHz的正弦波信號，幅值由-20V至20V，間隔為5V，分別讀取每次實驗示波器兩個通道波形的峰峰值并記錄數據。模擬器內磁場強度與系統(tǒng)輸出電壓值之間的比值為系統(tǒng)靈敏度系數。在實驗中，由模擬器信號輸出端串聯50電阻兩端的電壓可得到注入模擬器中電流的大小。實驗中隨著信號源輸出信號幅值的改變得到傳感器在不同磁場強度下的動態(tài)響應，從而得到傳感器兩個通道在不同磁場強度下的靈敏度系數。記注入模擬器信號幅度為Uin，傳感器正交的兩個磁環(huán)分別為x和y通道，結果如表1所示：表1模擬器注入不同幅值信號時靈敏度系數（單位：nT/V）Uin/V-20-15-10-55101520x33.40733.88833.22833.82533.89933.55034.25333.068y32.86633.13633.00033.13631.57632.86533.03432.933為了確定傳感器靈敏度系數，本文對實驗各組數據建立線性模型進行擬合，結果如圖7(a)、(b)所示。兩個通道各自的和方差（SSE）均接近于0，方程擬合線性度（R2）均接近于1，說明輸出電壓與輸入磁場間都具有良好的線性特性。(a)(b)圖SEQ圖\*ARABIC9(a)傳感器x通道靈敏度系數線性擬合；(b)傳感器y通道靈敏度系數線性擬合由擬合得到的線性方程其斜率的倒數即為傳感器靈敏度系數。設定磁場方向由西向東、由南向北為正，最終得到通過標定擬合出的結果如表2所示。表2傳感器靈敏度系數擬合結果(單位：nT/V)通道靈敏度系數理論值誤差x-33.7332.613.1%y+32.6332.610.06%從結果中可以看出，標定得到傳感器兩個通道的靈敏度系數分別為-33.73nT/V和+32.63nT/V，與理論計算的誤差分別為3.1%和0.06%?？紤]到電路元器件的標稱誤差，實驗標定結果與理論分析非常吻合，印證了標定方法的有效性。3、基于GTEM室的雷電電磁場傳感器頻率響應標定實驗研究采用REF_Ref119165237\h圖10所示連接的標定系統(tǒng)，開展了GTEM室雷電電磁場傳感器頻率響應標定實驗。由于標定頻率限制在3MHz以下，因此GTEM室反射可以忽略，標準中的雙向定向耦合器省略。圖SEQ圖\*ARABIC10GTEM室標定系統(tǒng)連接實驗設備型號：連續(xù)波信號源：RIGOLDG4162型信號發(fā)生器；傳感器接收機：LECROYwaverunnerXI型示波器；待標定磁場傳感器：實驗室自制；GTEM室：工作頻率0-2.5GHz。為了更準確、更高效的完成實驗，我們通過控制計算機上的MATLAB編程控制RIGOL信號發(fā)生器和LECROY示波器，在MATLAB環(huán)境中獲取示波器采集的數據并進行數據分析。圖SEQ圖\*ARABIC11GTEM室標定系統(tǒng)實驗圖實驗器材按要求連接完畢后，就可以按以下步驟進行：檢查器材連接情況；設置實驗初始條件，設置帶寬為100——10MHz，設置掃頻次數為500次，峰峰值為10V，設置信號源輸出電阻和示波器內阻均為50Ω；開啟儀器電源，打開電源盒開關，打開儀器控制軟件，將儀器與計算機進行連接；打開MATLAB運行代碼，開始運行；編程會自動記錄信號源和天線響應產生的峰峰值數據，而后以頻率的對數形式為橫坐標產生兩組曲線；同時根據式（2-4），得到幅頻響應，以幅頻響應數值為縱坐標，以頻率的對數形式為橫坐標產生第三組曲線；得到結果，獲得曲線，進行分析。運行代碼后得到的曲線如下所示：圖SEQ圖\*ARABIC12信號源監(jiān)測圖SEQ圖\*ARABIC13磁場天線響應曲線圖SEQ圖\*ARABIC14歸一化幅頻特性曲線從幅頻特性曲線的形狀和趨勢看，實驗結果達到了預期的效果。首先是信號源產生的信號，在曲線上變化較大，范圍約在10.45-10.9V之間；其次是天線響應的曲線，比較好的將此天線的通頻范圍顯示了出來，而且比較光滑，中間有一個比較明顯的凸起，是因為信號源在此頻點處有了一個跳動；最后是幅頻特性曲線，與天線響應的趨勢相同，為了更直觀的看出天線的通頻范圍，對縱坐標進行了歸一化處理，可以看出，-3dB帶寬范圍約為296Hz～2.08MHz。四、采用國際標準和國外先進標準的程度，以及與國際、國外同類標準水平的對比情況，或