《雷电电磁场传感器标定》编制说明

中国气象服务协会团体标准《雷电电磁场传感器标定》编制说明一、工作简况 1.1任务来源根据中国气象局文件气发[2006]78号《关于下达2006年气象行业标准计划的通知》的要求，在2022年～2023年内完成《雷电电磁场传感器标定》气象团体标准的制定工作。（针对雷电电磁场传感器标定工作的现状和需求，中国气象局政策法规司下达了《雷电电磁场传感器标定》标准化编制项目，）该标准由陆军工程大学野战工程学院，四川中光防雷科技股份有限公司，北京雷电防护装置测试中心参加起草，由中国气象服务协会提出并归口。项目任务书见附件。1.2主要工作过程预研阶段2022年5月始，“雷电电磁场传感器标定”的标准编制人员，着手收集相关资料。在本项目资料收集过程中，标准编制人员对国内外相关资料作了广泛深入的调查研究等工作。在标准编制前期收集了大量相关的最新国标、行业标准及资料。为标准的编制，提供参考。雷电电磁场传感器标定的现状调查。为标准的起草积累了第一手资料。起草阶段确定标准的整体结构。在标准编制前以及编写过程中，对标准的结构和组成部分进行了充分的考虑。对标准的结构进行反复论证，并予以确定，并对标准的编写具体内容做好具体分工。确定标准内容。对标准中有争论的内容，组织参编人员查阅各类资料和实地调研，并组织讨论予以确认。2022年10月组织各参编单位召开起草会议，并开始标准起草工作。2022年11月组织各参编单位进行汇总，由陆军工程大学野战工程学院、四川中光防雷科技股份有限公司进行汇总，并完成草稿审定工作。2022年12月提交初稿给中国气象服务协会。下一阶段将根据专家反馈意见对该标准进行讨论并完成修改工作。1.3标准起草单位及主要起草人该标准由陆军工程大学野战工程学院，四川中光防雷科技股份有限公司，北京雷电防护装置测试中心、北京中科飞龙传感技术有限责任公司、南京云凯防雷科技股份有限公司、深圳市国家气象观象台、湖南中普技术股份有限公司、浙江润和安全技术有限公司参加起草，由中国气象服务协会提出并归口。主要起草人：邱实、石立华、张琪、张建培、张利华等二、编制原则和主要内容2.1编制原则2.1.1立足国际与国内研究最新进展，保证标准内容的先进性针对本标准编制，编制组查阅了近10年来与本标准内容相关的技术文档、论文、技术规范和国家、国外标准，吸收借鉴了其中的先进技术和方法，比如标定场产生装置中，拟采用的TEM波导、亥姆霍兹线圈和平行板标定系统均为当前国际和国内公认的标准化测试环境，在不确定度评定方法中，总结归纳了论著中提出的这些标定场产生装置的主要影响因素。2.1.2针对雷电电磁场传感器应用中的特殊要求，科学提出拟编制的标准化要素雷电电磁场传感器是用于测量雷电放电产生的瞬变电磁场的专用设备，广泛应用于雷电监测定位、预警系统和雷电电磁效应试验、雷电、静电放电等相关领域的电磁环境评估和放电参数反演。然而，雷电电磁场传感器量程范围广、频率跨度大，与电磁脉冲传感器相比体积较大，关注的频段更低。在实际应用中，传感器的灵敏度、幅频响应、分辨力、线性动态范围等都会对雷电探测效率产生影响，这些参数的一致性也会直接影响定位精度。由于目前缺乏相应的标定标准，影响了传感器性能的标准化测试以及测量波形数据的使用。因此，本标准从实际应用出发，通过对雷电电磁场传感器标准化过程的考虑，确保标准化过程的目标明确，实用性强，为雷电电磁场传感器的性能检测评估提供了有效途径。2.2标准主要内容的确定2.2.1标准主要内容本标准规范了雷电电磁场传感器的标定方法和步骤，可用于测量雷电以及其它放电过程的瞬变电磁场传感器的标定，规定的标定项目包含幅度响应和频率响应2类，幅度响应具体包含灵敏度、分辨力、线性度、测量范围、量程、动态范围6项，频率响应具体包含上、下限截止频率、归一化幅频响应和带宽4项。根据被测传感器类型的不同，每一项对应4种传感器的标定：电场强度（E）、磁感应强度（B）、电场变化率（dE/dt或E-Dot）、磁感应强度变化率（dB/dt或B-Dot）。2.2.2标准主要内容的确定依据国外相关领域最相近的标准为IEEE于2013年发布的《IEEEStd1309-2013CalibrationofElectromagneticFieldSensorsandProbes(ExcludingAntennas)from9kHzto40GHz》（9kHz~40GHz电磁场传感器和探头校准标准），国内对应标准为国家计量技术规范《JJF1884-202010kHz～100MHz电磁场探头校准规范》和《JJF1886-2020电场探头校准规范》。以上标准虽然也涉及电磁场传感器的标定方法，但是与本标准有显著不同，主要体现在以下4个方面：（1）频率范围不同由于雷电电磁场信号集中在较低频率，本标准关注的频段更低，甚至到直流，以上发布的标准更侧重高频，低频标定相比高频在方法上有特殊性，比如，对于反射和驻波的要求较低，因此存在针对性的优化标定方法。（2）标定项目不同以上发布的标准主要关注规定了天线系数（或称为校准因子）的标定方法，本标准规定了灵敏度、分辨力、线性度、测量范围、量程、动态范围、上、下限截止频率、归一化幅频响应和带宽共10个标定项目的标定。（3）标定传感器类型不同本标准规定了4类传感器的标定方法，其中电场变化率（dE/dt或E-Dot）和磁感应强度变化率（dB/dt或B-Dot）传感器的灵敏度、幅频响应等项目的标定在国内外所有标准中都没有涉及，属于创新技术。三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果1、基于平行板标定环境的雷电电场传感器标定技术研究 1.1场不均匀性的仿真研究平行板标定环境的准确度受到平行板尺寸和平行板间距的影响。为了评估几何因素造成的场不均匀性，在CST中建立极板高度2m，半径为可变的仿真环境，并且在上极板模拟注入了20V的电压注入信号，在半径1.5m时垂直剖面的电场等值线如REF_Ref121151215\h图1所示。图SEQ图\*ARABIC1垂直剖面的电场等值线改变半径大小，得到半径1m、1.5m、2m和3m时中心轴线上的电场垂直分布，如REF_Ref121151440\h图2~REF_Ref121151442\h图5。从图中可见，半径增大后，场均匀性明显提高。采用半径间距比值作为参考指标，当采用2m的半径时，半径间距比为1，在绝大部分区域内不均匀性误差在5%以内；当采用3m的半径时，半径间距比为1.5，在绝大部分区域内不均匀性误差在1%以内。这一结论可作为标定环境尺寸制定的重要依据。图SEQ图\*ARABIC2极板半径1米、间距2m时，中心轴线上电场随高度的分布图SEQ图\*ARABIC3极板半径1.5米、间距2m时，中心轴线上电场随高度的分布图SEQ图\*ARABIC4极板半径2米、间距2m时，中心轴线上电场随高度的分布图SEQ图\*ARABIC5极板半径3米、间距2m时，中心轴线上电场随高度的分布1.2实验研究为验证平行板标定环境对雷电电场传感器灵敏度的标定效果，在实验室搭建了标定实验环境，采用实验室自行研制的雷电电场传感器作为待标定设备。REF_Ref119440741\h图6为本次实验采用的平行板标定实验系统组成，REF_Ref121152438\h图7为电场天线的实验室标定现场，图中的大圆盘为上极板，上极板与信号源的输出端口通过同轴线相连，下极板接地，电场天线放置在金属地板的中央，示波器用于测量电场传感器的输出信号。由于传感器灵敏，不需要采用功放，直接将信号源连接到极板上。信号源为RigolDG4162型函数/任意波形发生器，内阻50Ω，能够输出稳定连续的波形，且波形失真程度较低；示波器为Tek3024，带宽范围200MHz，最大采样率为2.5GHz。图SEQ图\*ARABIC6平行板标定系统连接图SEQ图\*ARABIC7标定实验现场图通过信号源注入100k的正弦波，能够得到清晰的传感器输出信号，利用本标准规定的标定步骤，求传感器输出电压与标准场强的比值，得到传感器的灵敏度值。2、基于亥姆霍兹线圈的雷电磁场传感器标定实验研究利用实验室自行设计的磁场传感器进行标定研究，其中传感器的灵敏度可根据电路结构和线圈尺寸理论计算得到。实验的目的是验证标定实验结果与理论灵敏度的一致性。标定实验如REF_Ref121153935\h图8所示，模拟器线圈的一端由信号源注入不同波形的信号，另一端串联50电阻后接地。通过测量电阻两端的电压的得到流过模拟器环路的电流。磁场测量传感器输出接至示波器2通道记录传感器测量到的信号。被测环天线与模拟器截面平行,天线整体放在模拟器中央位置。图SEQ图\*ARABIC8雷电磁场传感器标定实验连接框图信号源在模拟器中注入频率100kHz的正弦波信号，幅值由-20V至20V，间隔为5V，分别读取每次实验示波器两个通道波形的峰峰值并记录数据。模拟器内磁场强度与系统输出电压值之间的比值为系统灵敏度系数。在实验中，由模拟器信号输出端串联50电阻两端的电压可得到注入模拟器中电流的大小。实验中随着信号源输出信号幅值的改变得到传感器在不同磁场强度下的动态响应，从而得到传感器两个通道在不同磁场强度下的灵敏度系数。记注入模拟器信号幅度为Uin，传感器正交的两个磁环分别为x和y通道，结果如表1所示：表1模拟器注入不同幅值信号时灵敏度系数（单位：nT/V）Uin/V-20-15-10-55101520x33.40733.88833.22833.82533.89933.55034.25333.068y32.86633.13633.00033.13631.57632.86533.03432.933为了确定传感器灵敏度系数，本文对实验各组数据建立线性模型进行拟合，结果如图7(a)、(b)所示。两个通道各自的和方差（SSE）均接近于0，方程拟合线性度（R2）均接近于1，说明输出电压与输入磁场间都具有良好的线性特性。(a)(b)图SEQ图\*ARABIC9(a)传感器x通道灵敏度系数线性拟合；(b)传感器y通道灵敏度系数线性拟合由拟合得到的线性方程其斜率的倒数即为传感器灵敏度系数。设定磁场方向由西向东、由南向北为正，最终得到通过标定拟合出的结果如表2所示。表2传感器灵敏度系数拟合结果(单位：nT/V)通道灵敏度系数理论值误差x-33.7332.613.1%y+32.6332.610.06%从结果中可以看出，标定得到传感器两个通道的灵敏度系数分别为-33.73nT/V和+32.63nT/V，与理论计算的误差分别为3.1%和0.06%。考虑到电路元器件的标称误差，实验标定结果与理论分析非常吻合，印证了标定方法的有效性。3、基于GTEM室的雷电电磁场传感器频率响应标定实验研究采用REF_Ref119165237\h图10所示连接的标定系统，开展了GTEM室雷电电磁场传感器频率响应标定实验。由于标定频率限制在3MHz以下，因此GTEM室反射可以忽略，标准中的双向定向耦合器省略。图SEQ图\*ARABIC10GTEM室标定系统连接实验设备型号：连续波信号源：RIGOLDG4162型信号发生器；传感器接收机：LECROYwaverunnerXI型示波器；待标定磁场传感器：实验室自制；GTEM室：工作频率0-2.5GHz。为了更准确、更高效的完成实验，我们通过控制计算机上的MATLAB编程控制RIGOL信号发生器和LECROY示波器，在MATLAB环境中获取示波器采集的数据并进行数据分析。图SEQ图\*ARABIC11GTEM室标定系统实验图实验器材按要求连接完毕后，就可以按以下步骤进行：检查器材连接情况；设置实验初始条件，设置带宽为100——10MHz，设置扫频次数为500次，峰峰值为10V，设置信号源输出电阻和示波器内阻均为50Ω；开启仪器电源，打开电源盒开关，打开仪器控制软件，将仪器与计算机进行连接；打开MATLAB运行代码，开始运行；编程会自动记录信号源和天线响应产生的峰峰值数据，而后以频率的对数形式为横坐标产生两组曲线；同时根据式（2-4），得到幅频响应，以幅频响应数值为纵坐标，以频率的对数形式为横坐标产生第三组曲线；得到结果，获得曲线，进行分析。运行代码后得到的曲线如下所示：图SEQ图\*ARABIC12信号源监测图SEQ图\*ARABIC13磁场天线响应曲线图SEQ图\*ARABIC14归一化幅频特性曲线从幅频特性曲线的形状和趋势看，实验结果达到了预期的效果。首先是信号源产生的信号，在曲线上变化较大，范围约在10.45-10.9V之间；其次是天线响应的曲线，比较好的将此天线的通频范围显示了出来，而且比较光滑，中间有一个比较明显的凸起，是因为信号源在此频点处有了一个跳动；最后是幅频特性曲线，与天线响应的趋势相同，为了更直观的看出天线的通频范围，对纵坐标进行了归一化处理，可以看出，-3dB带宽范围约为296Hz～2.08MHz。四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的对比情况，或