电磁脉冲辐射场试验中的光纤传输测量系统.

1、第30卷 第3期核电子学与探测技术V ol . 30 N o . 32010年 3 月 Nuclear Electronics &Detection Technolo gyM a r.2010电磁脉冲辐射场试验中的光纤传输测量系统刘顺坤，聂鑫，陈向跃，相辉（西北核技术研究所,西安710024摘要：辐射波电磁脉冲模拟器是进行大型电子系统电磁脉冲效应试验研究的重要设 备。针对辐射波电磁脉冲模拟器试验的特点及其对测量系统的要求，介绍了基于光 纤传输的电磁脉冲测量系统的构成，测量系统的分类及测量系统的标定方法。并对 电磁脉冲测量系统的不确定度评定方法进行了讨论。通过辐射场试验，给出了测量系统的应用实例

2、及对测量结果的分析。关键词:电磁脉冲；测量;标定;不确定度中图分类号：O 441文献标识码：A 文章编号：0258-0934（2010 030370-04收稿日期:2008-10-27作者简介:刘顺坤（1966-,男,博士学位,副研究员,从事电磁脉冲理论与技术方 面的研究辐射波电磁脉冲模拟器是模拟高空核爆炸电磁脉冲环境的重要设备。与有界波电磁脉冲模拟器相比，它能够在一个较大 区域内产生一个满足试验要求的辐射场环境。利用它产生的辐射场可以开展大型电 子系统的电磁脉冲效应试验。电磁脉冲辐射场试验对测量系统有较高的要求1。首先,辐射场试验属于强电磁环境下的弱信号测量，测量系统要有较强的抗干 扰能力;

3、其次,测量系统的动态范围要大，测量对象的量程往往要跨几个数量级。例 如,环境场往往在万伏每米以上，而耦合场往往只有几伏每米，甚至更低;第三,测量 系统要有较宽的频带，电磁脉冲效应测量属于时域宽频带测量，信号的带宽往往达到 百兆赫兹以上；第四，系统要有较高的稳定性，辐射场试验一般在野外进行，测量系 统的稳定性往往是决定试验成败的一个重要因素。1基于光纤传输的电磁脉冲测量系统在电磁脉冲辐射场试验中，效应参数的测量受强电磁脉冲环境影响较大。传统 的基于电缆传输的电磁脉冲测量系统由于电缆耦合等原因2,引入的干扰很大，已经被淘汰，取而代之的是基于光纤传输的电磁脉冲测量系 统3。由于光纤传输抗干扰能力强、

4、传输频带宽，基于光纤传输的电磁脉冲测量系统在电磁脉冲及其效应研究中得到广泛应用。 如今的辐射场试验，要求所采用的测量系统必须是基于光纤传输的。1. 1基于光纤传输的电磁脉冲测量系统构成基于光纤传输的电磁脉冲测量系统的构成如图1所示。它由前端探头部分和后端接收检测部分构成，两部分通过光纤连接。前端探头部分由传感器、阻抗匹配网络、电光转换等组成。传感器的功能是完成待测信号的拾取。根据待测对象的不同，一般分电场传感器（天线、电流传感器（电流环、电压传感器（电压探针。由于不同的传感器，其传输阻抗不一样，阻抗匹配网络用于完成传感器与光电转 换部分的阻抗匹配，减小因阻抗失调引起的反射。电光转换部分完成传感

5、器采集信号的电光转换，也就是把电信号通过光功率调 制,转换成加载了信号特征的光信号。电光转换主要由激光管（LD及外围电路构成0图1基于光纤传输的电磁脉冲测量系统组成框图后端接收部分由光电转换电路、记录设备等组成。经过信号调制的光信号通过光缆传输到接收端，光电转换电路对该光信号进行 解调,拾取待测的电信号。解调一般用 PIN探测器完成。解调后的电信号由记录设 备进行记录。记录设备一般采用宽带示波器完成。1.2基于光纤传输的电磁脉冲测量系统分类基于光纤传输的电磁脉冲测量系统根据测量对象的不同，一般分三种：脉冲电场测量系统、脉冲电流测量系统、脉冲电压测量系统脉冲电场测量系统在电磁脉冲辐射场试验中有着

6、最广泛的应用。主要用于完成 环境场、效应场（耦合场、二次辐射场 等的测量。由于待测对象存在的较大差异 要求电场测量系统必须有较大的动态范围，更多时候需要多套电场测量系统配合使 用,才能完成测试。脉冲电流测量系统主要用于被试电子设备上的线缆或不同设备 间连接的线缆上的感应电流、电缆芯线耦合电流的测量。脉冲电压测量系统主要用于被试电子设备线缆芯线间或芯地间感应电压的测 量。三类测量系统最大的区别是所使用的传感器不同 ，以及由于传感器的差异而引 起的阻抗匹配网络不同。其后端的接收部分是完全相同的。1.3基于光纤传输的电磁脉冲测量系统的标定辐射场试验的电磁脉冲及效应测量属于绝对测量，测量系统研制完成以

7、后必须 进行严格的标定，给出精确的刻度。瞬态电磁脉冲测量没有严格的国家标准，电磁脉冲电场测量系统的标定一般在TEM小室（T EM Cell内完成4图2电磁脉冲电场测量系统标定示意图图2所示为电磁脉冲电场测量系统标定系统连接的示意图。标定分系统频率响应的标定、系统传输系数的标定、系统动态范围的标定。其中，频率响应的标定采用的信号源应为正弦信号发生器，传输系数和动态范围的标定采用的信号源应为高压 脉冲信号发生器。图3所示为某脉冲电场测量系统的频域响应标定曲线。脉冲电流测量系统的标定 与脉冲电场的标定过程类似，区别在于采用的标定 设备不同。脉冲电流测量系统的标定在同轴传输腔内进行。图 4所示为某脉冲

8、电流 测量系统的频域响应标定曲线。脉冲电压测量采用标准的电压探针，主要是对传输网络的标定。也可以采用分 压法对全系统进行标定/MHZ图3电磁脉冲电场测量系统频域响应标定曲线1.4基于光纤传输的电磁脉冲测量系统的不确定度评定电磁脉冲测量不确定度评定6是电磁脉冲测量技术的一个重要研究内容。由于这种测量自身的特点，对其进行不确定度评定的难度较大。在电磁脉冲测量中 ，被 测信号通常为瞬态信号，需要考虑系统带宽等因素的影响。试验中，仪器设备技术指 标复杂且不够规范，也给其图4电磁脉冲电流测量系统频域响应标定曲线不确定度评定工作带来困难一般来说，电磁脉冲测量不确定度的来源有八个方面的因素组成 ：测量操作的

9、重 复性、人员操作的偏向性、衰减器、电流传感器、电场探头、光接收机与发射机、 光纤差异、示波器读数误差等。其中前两项属于 A类标准不确定度，后六项属于B 类标准不确定度。电流传感器误差：电流传感器灵敏度的最大允许误差通过产品说明书得到 ，按保 守的估计灵敏度在最大允许误差定义的区间内服从均匀分布 ，标准不确定度按B类 评定。电场探头的不确定度：电场探头灵敏度的标准不确定度通过实验室标定获得光纤传输系统的不确定度：光纤传输系统的传输系数及其标准不确定度通过实 验室标定获得。光纤损耗：由于光纤之间插入损耗差别较大，使用不同的光纤测量，将得到不同 的结果。这是一项系统误差，为减小该系统误差的影响，在

10、实验室通过大样本实验 可以得到不同光纤测量结果的修正值。示波器读数的影响：测量结果通常叠加在噪声之上，噪声既包括传感器、示波器 等仪器的噪声，也包括试验区域的环境本底噪声。由于噪声水平远大于示波器的分 辨率,因此示波器本身的不确定度可以忽略不计，而主要考虑噪声对读数的影响。2电磁脉冲测量系统在辐射场试验中的应用利用研制的基于光纤传输的电磁脉冲测量系统对辐射波电磁脉冲模拟器的 环境场、被试电子设备的响应电流进行了测量，并对测量结果进行了不确定度评定0.：:也r ：bd*ii baaJH P1L二二；打1：匚$44-印-1 4p-p*if i b * -F 4 E ft BW| 1dliidiAI

11、I1VBiI+4Ada-saafi44II-V4-!i41*iiBVIdVIF!4i申中p-I-4 V Iak4i-4ia *i|4ftffa J l J j.0, 01 0. 1 1 10 100f/MHz图5辐射波电磁脉冲模拟器某测点处/7MHz环境电场测量波形图6电磁脉冲对某电缆的耦合芯电流测量波形图5是辐射波电磁脉冲模拟器某测点处的水平辐射场测量波形，从图中可以看出该处辐射场强为6502V /m。对测量结果进行不确定度评定，其相对合成标准不 确定度为6. 5%合成标准不确定度为 U c (E =6502床5%=422(V /m。取包含因子k =1.96,扩展不确定度 U =kU c (

12、E =1.96 422=827(V /m ,约为0.8kV /m所以被测电场场强峰值为6. 5 8kV /m ,号后面的数字为扩展不确定度 U , U是由合成标准不确定度 U c (E =422V /m和包含因子k =1.96确定的,定义的区间 具有95%的置信水平。图6是电磁脉冲对某型号电缆的耦合芯电流测量波形 ，从图中可以看出该型号 电缆的耦合芯电流为33mA。对测量结果进行不确定度评定，其相对合成标准不确 定度为29. 3%合成标准不确定度为 U c (I =33 29. 3%=9. 7(mA。取包含因子k =1.96,扩展不确定度 U =kU c (I =1. 96 9.：7=19.

13、0(mA ,约为 19mA。所以被测电流峰值为339mA ,号后面的数字为扩展不确定度 U , U是由合 成标准不确定度U c (I =19mA和包含因子k =1.96确定的,定义的区间具有95%的 置信水平。由图6的结果可知，在信噪比较低的情况下，测量结果具有较大的不确定性，当 测量结果用于试件的效应分析和考核时，应充分考虑其不确定度的影响。3结论基于光纤传输的电磁脉冲测量系统通过辐射场试验的现场考核，具有抗干扰能力强，动态范围大，频带宽、性能稳定可靠 等显著优点。对测量结果的不确定度评定表明，经过修正，测量结果有较高的置信水平。参考文献：1刘顺坤,聂鑫,陈向跃.电磁脉冲辐射场试验技术研究J

14、 .强激光与粒子束,2008, 20(10 :883-886. 2刘顺坤,陈雨生,孙禧云,等.电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究J .强激光与粒子束，2005,17(2 :283-286. 3李炎新,陈彬,石立华,等.脉冲电场屏蔽效能测试系统及测试方法J .强激光与粒子束，2006, 18(6 :972-976.4横电磁波室性能测试方法S . G JB2117-94. 5谭坚文，石立华.脉冲电流探 头的时域标定研究J .强激光与粒子束，2006, 18(2 :335-340. 6叶德培.测量不确定 度M .北京:国防工业出版社,2001.Electromag neti

15、c Pulse Measureme nt System Based on OpticalFiber Tran smissi on un der Radiated -wave TestLIU Shu n -kun , NIE Xin , C H EN Xia ng -y ue , XIANG H ui(No r thw est I nstitute o f Nuclea r T echno log y , Xi an , 710024, ChinaAbstract :Radiated -wave Electromag netic Pulse Simulator is an importa nt

16、device used to study Elect ro -mag netic Pulse eff ect of large elect ronic equipme nt in test . On t he characteristic of radiated -EM P simula -tor test and t he needs to measurement system , Elect romag netic Pulse measureme nt system based on opti -cal fiber transmission and it s composition are introduced in t he paper . Sort of measurement system and Calibration method of its are present. The