【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 MachZehnder干涉儀法 偏振光法的缺點(diǎn)是分立的光學(xué)器件導(dǎo)致光路不易控制，易受干擾，且對(duì)機(jī)械應(yīng)力敏感，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；由于 Pockels晶體的體積不能太小，導(dǎo)致探頭體積較大，影響其應(yīng)用范圍。為此人們提出了 Mach—Zehnder干涉儀法，且研究表明它較好地克服了 上述缺點(diǎn)，它的傳感器結(jié)構(gòu)見圖 15，系統(tǒng)原理框圖如圖 16所示。 圖 15 基于 Pockels效應(yīng)的 MachZehnder干涉儀法 圖 16 基于 Pockels效應(yīng)的 MachZehnder干涉儀法 所用傳感器的原理圖 測(cè)量系統(tǒng)原理示意 (4) 有源電光調(diào)制法和無(wú)源電光調(diào)制法的比較 分析有源電光調(diào)制法和無(wú)源電光調(diào)制法目前在實(shí)際的瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量中應(yīng)用較多，現(xiàn)對(duì)其測(cè)量帶寬、可測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的范圍、以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要總結(jié)，見表 1[5]。 共 37 頁(yè) 第 6 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 空間強(qiáng)脈沖電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)目前還不完善，還有許多影響測(cè)量精度的因素 ，如測(cè)量天線的極化方向、磁場(chǎng)的影響、測(cè)量環(huán)境的可重復(fù)性等等。但隨著電場(chǎng)探測(cè)器的不斷改進(jìn)，使用的場(chǎng)合越來(lái)越多，測(cè)量技術(shù)一定會(huì)更加完善，對(duì)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)、抗輻射加固和高能物理等方面的研究也必將起更大的作用。 課題研究的主要內(nèi)容 本文結(jié)合 安徽工業(yè)大學(xué) 電力電子與運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室中的 “高重頻下電磁脈沖模擬器的研究 ”，針對(duì)高重頻 EMP(電磁脈沖 )模擬器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)模擬器空間電場(chǎng)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究與設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下： （ 1） 通過查閱大量資料， 總結(jié)了空間瞬態(tài)電場(chǎng)測(cè)量的多種方法，進(jìn)行比較，初步設(shè)計(jì)出適合本課題的測(cè)量系統(tǒng)。 （ 2） 對(duì)電磁脈沖模擬器進(jìn)行了概述，并對(duì)高重頻 EMP(電磁脈沖 )模擬器的脈沖源產(chǎn)生原理及模擬器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。 （ 3） 對(duì)模擬器空間電場(chǎng)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究與設(shè)計(jì)。其中包括對(duì)探頭變化原理的分析；高速數(shù)據(jù)采集卡 ATS9350 的選用 和介紹； 以及對(duì)信號(hào)的濾波，衰減，隔離等信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和 PSpice 仿真。 第二章 電磁脈沖模擬器 介紹 引言 我國(guó)在電磁脈沖模擬器研究方面作了大量的工作，并取得了一系列的研究成果。劉順坤等 學(xué)者采用時(shí)域積分方程對(duì)電磁脈沖模擬器空間場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。其研共 37 頁(yè) 第 7 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 究結(jié)果表明模擬器工作空間可以形成均勻電磁脈沖場(chǎng)，其傳播具有準(zhǔn) TEM 波特征。李寶忠等學(xué)者為解決一維導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電磁脈沖響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)困難，提出了一維電磁脈沖模擬器的概念，并從理論上研究對(duì)于電磁脈沖在一維結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電流計(jì)算的具體方法 M。時(shí)域有限差分方法是 —種用來(lái)直接求解含時(shí)間變量在內(nèi)的麥克斯韋旋度方程組的數(shù)值計(jì)算方法。它利用具有二階精度的中心差分近似公式，把旋度方程中對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的各分量的微分算符直接轉(zhuǎn)換成差分形式。由于該方法概念清晰，使用方便，所以 特別適合于電磁場(chǎng)的計(jì)算。謝秦川等學(xué)者采用時(shí)域有限差分方法對(duì)電磁脈沖模擬器所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，完整地獲得了電磁場(chǎng)在時(shí)間空間中的分布特刎 1Sl。矩量法在求解電磁場(chǎng)邊值問題的數(shù)值計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用，它是將線性算子積分方程按著所選則的基函數(shù)展開，得到一組離散化廣義矩陣方程，通過求逆運(yùn)算，得到電磁場(chǎng)的數(shù)值解。潘曉東等學(xué)者采用矩量法結(jié)合快速多極子方法研究了快上升沿電磁脈沖信號(hào)在有界波模擬器中的傳輸特性。通過對(duì)模擬器在傳輸不同上升沿的電磁脈沖信號(hào)時(shí)，其內(nèi)部的電場(chǎng)計(jì)算，由此確定了模擬器所能模擬電磁脈沖上升沿的上 限，其結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)大型、 3ns 窄電磁脈沖場(chǎng)模擬設(shè)備具有一定的參考意義。脈沖源是為電磁脈沖模擬器提供瞬態(tài)電磁能量的裝置。由于所要模擬場(chǎng)的上升時(shí)間極短而峰值場(chǎng)強(qiáng)一般都高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏／米以上，故脈沖源的建造必須采用脈沖功率技術(shù)。西北核技術(shù)研究所研制的有界波電磁脈沖模擬器主要由 MARX 發(fā)生器、峰化電容器、主開關(guān)、照射器、匹配負(fù)載等部分組成。其 MARX 發(fā)生器中的電容器充電電壓為 1MV，能在模擬器工作空間內(nèi)產(chǎn)生前沿 10ns，脈寬為 200ns，場(chǎng)強(qiáng)大于 105V／ m 的雙指數(shù)脈沖電磁場(chǎng)，孫蓓云等對(duì)脈沖高壓電源的工作原理、主開關(guān)暫態(tài) 過程進(jìn)行了分析與計(jì)算，這對(duì)模擬器的設(shè)計(jì)和調(diào)試都有一定指導(dǎo)意義。以上的研究都專注于電磁脈沖模擬器的物理參數(shù)的研究以及產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的研究。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用，因此，研究電磁脈沖模擬器的自控控制將是一個(gè)新的研究方向并具有很高的研究?jī)r(jià)值，它將為電磁脈沖模擬提供更加準(zhǔn)確、快捷的控制平臺(tái)。 瞬態(tài)電磁脈沖對(duì)電氣、電子系統(tǒng)構(gòu)成的威脅己經(jīng)引起了人們廣泛的重視。而電力系統(tǒng)中對(duì)瞬態(tài)電磁脈沖更為敏感，甚至導(dǎo)致自動(dòng)控制、保護(hù)和通訊系統(tǒng)癱瘓。為了評(píng)估這種千擾的嚴(yán)重性以及研究對(duì)瞬態(tài)電磁脈沖防護(hù)效能，從而 采取合適的措施以保護(hù)各種電氣、電子設(shè)備的正常工作，就需要對(duì)瞬態(tài)脈沖產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別進(jìn)行測(cè)量。本章介紹了本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)為了模擬這些瞬態(tài)干擾源而建立的電磁脈沖模擬器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及所產(chǎn)生電磁脈沖的特點(diǎn)。 電磁脈沖模擬器作為高能電磁波輻射源，為研究和數(shù)值計(jì)算復(fù)雜電磁環(huán)境中的耦合等問題提供了必要的技術(shù)支持。電磁脈沖模擬器用來(lái)產(chǎn)生電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)了解、認(rèn)識(shí)電子設(shè)備等在電磁脈沖作用下的效應(yīng)機(jī)制有很大應(yīng)用價(jià)值，并為探索防護(hù)和加固技術(shù)提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。因人們對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電磁場(chǎng)分布、傳播過 程研究較早、了解較深入，因此具有與波導(dǎo)類似的結(jié)構(gòu)的輻射源常常作為研究高能電磁波輻射效應(yīng)的輻射源，本項(xiàng)目擬采用 有界波 電磁脈沖 模擬器作為 輻射源。 有界波電磁脈沖模擬器它采用了與波導(dǎo)類似的結(jié)構(gòu)，其截面可用兩個(gè)正交的坐標(biāo)來(lái)描述，波在第三個(gè)正交坐標(biāo)方向上傳播。在波的傳播方向上的電磁波分量很小，基本上可以看作是 TEM 波。在波的傳播過程中，模擬器結(jié)構(gòu)形成了導(dǎo)波的邊界，故稱共 37 頁(yè) 第 8 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 之為有界波模擬器。 電磁脈沖模擬器的構(gòu)成 電磁脈沖具有陡峭的前沿及較窄的寬度，覆蓋了較寬的頻帶，能通過各種耦合途徑使電子元器件、線路和設(shè)備受到嚴(yán)重 的干擾和破壞，因而，電磁脈沖及其工程防護(hù)的理論和技術(shù)仍然是當(dāng)今世界各大國(guó)研究的熱點(diǎn)之一。論文在綜述電磁脈沖模擬相關(guān)技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，就電磁脈沖模擬的基本理論、電磁脈沖模擬器的具體設(shè)計(jì)等方面的理論和技術(shù)展開了較深入的研究與相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。核電磁脈沖模擬器按結(jié)構(gòu)形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，由脈沖源和電磁場(chǎng)形成裝置兩大部分組成，而脈沖源一般由初級(jí)能源、中間儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換及傳輸系統(tǒng)組成。其中開關(guān)技術(shù)具有特殊重要的地位。電磁脈沖測(cè)量技術(shù)包括脈沖電場(chǎng)測(cè)量、脈沖磁場(chǎng)測(cè)量、脈沖電壓測(cè)量及脈沖電流 測(cè)量等技術(shù)。理論及仿真分析表明，當(dāng) RLC回路工作在過阻尼狀態(tài)時(shí)，即可在負(fù)載電阻兩端獲得雙指數(shù)脈沖；當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，脈沖的上升時(shí)間主要決定于回路的總電感，而下降時(shí)間則決定于儲(chǔ)能電容的大小；對(duì)地分布電容不僅會(huì)影響波形參數(shù)，而且過大會(huì)引起波形振蕩；氣體開關(guān)間隙的火花電阻及間隙電容也是影響脈沖波形參數(shù)的不可忽略的因素，通常通過給開關(guān)沖一定壓力的干燥空氣或氮?dú)?，以降低開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。論文具體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用電磁脈沖模擬器，由可調(diào)直流高壓電源、儲(chǔ)能電容器、氣體火花開關(guān)及其觸發(fā)控制電路、吉赫橫電磁波室等部分構(gòu)成。直流高壓電源采 用自耦調(diào)壓器、升壓變壓器、限流保護(hù)電阻、 4倍壓整流電路及直流電壓指示等組成，最高可產(chǎn)生 30kV的直流高壓，由于采取專門的連接結(jié)構(gòu)，在解決支撐和絕緣問題的同時(shí)，很好地消除了沿面閃爍和局部放電現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的同軸一體式開關(guān)既具有良好屏蔽效果又有助于減小脈沖上升時(shí)間。理論和仿真分析及實(shí)驗(yàn)表明，電纜連接器采用內(nèi)外導(dǎo)體階梯錯(cuò)位的結(jié)構(gòu)有助于降低駐波比，電阻分壓器接入端阻抗失配將引起脈沖波形振蕩及上升時(shí)間加長(zhǎng)，采用端接阻尼電阻。模擬器脈沖源的輸出峰值電壓達(dá) 26kV，上升時(shí)間為 。 電磁脈沖模擬器就是能夠根據(jù)試驗(yàn)所 要求的電磁脈沖特性，為試件提供特定的電磁脈沖環(huán)境，并且在激勵(lì)事件的同時(shí)，不因自身的存在而嚴(yán)重改變?cè)嚰谔幍膱?chǎng)強(qiáng)分布。由于試驗(yàn)?zāi)康暮捅辉噷?duì)象的多樣性使得電磁脈沖模擬器的形式繁多。從 20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界各國(guó)就建立了許多電磁脈沖模擬器，它們大小不一，形狀各異。 核電磁脈沖模擬器按結(jié)構(gòu)形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，按電場(chǎng)強(qiáng)度分為威脅量級(jí)和亞威脅量級(jí)兩類模擬器。隨著模擬技術(shù)的發(fā)展， 1978年按所須模擬的電磁脈沖環(huán)境。將模擬器分為 4類：源區(qū)外電磁脈沖環(huán)境模擬器、地面附近核爆炸源區(qū)內(nèi)電磁脈 沖環(huán)境模擬器、空中核爆炸源區(qū)內(nèi)電磁脈沖環(huán)境模擬器、高空核爆炸源區(qū)內(nèi)系統(tǒng)電磁脈沖模擬器，較為典型的模擬器有： (1) 有界波模擬器 有界波模擬器，采用了與波導(dǎo)類似的結(jié)構(gòu)，故也稱導(dǎo)波型模擬器，其截面可用兩個(gè)正交的坐標(biāo)來(lái)描述。波在第三個(gè)正交坐標(biāo)方向上傳播，基本上是 TEM模。只要頻率不是太高 (波長(zhǎng)大于導(dǎo)波結(jié)構(gòu)截面幾何尺寸 )，對(duì)這類模擬器可按傳輸線理論加以分析，因而又稱為傳輸線型模擬器。 (2) 偶極子模擬器 共 37 頁(yè) 第 9 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 對(duì)于源區(qū)外電磁脈沖輻射場(chǎng)環(huán)境的模擬，當(dāng)要考慮存在地面反射的情況時(shí)，常采用偶極子模擬器。這類模擬器常用的電場(chǎng)照 射器就是典型的偶極子天線。 (3) 靜態(tài)模擬器 靜態(tài)模擬器是一種結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于激勵(lì)信號(hào)波長(zhǎng)的模擬器。故常稱其為駐定場(chǎng)模擬器。它適用于對(duì)低頻場(chǎng)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的模擬。由于產(chǎn)生的模擬場(chǎng)不傳播，也稱之為零維模擬器。這種模擬器的理想之處在于，它所產(chǎn)生的入射場(chǎng)在被試系統(tǒng)附近都是均勻的。 (4) 混合型模擬器 混合型模擬器綜合了偶極子模擬器和靜態(tài)模擬器的主要特點(diǎn)。 (5) 定向輻射模擬器 定向輻射也是系統(tǒng)遠(yuǎn)離模擬器結(jié)構(gòu)的一種模擬方法。所謂定向輻射是相對(duì)于偶極子模擬器無(wú)方向性的輻射而言的，它將脈沖有限的能量集中在一定的角度范圍 內(nèi)輻射，借以提高模擬器的效率。 (6) 源區(qū)電磁脈沖環(huán)境的模擬 電磁脈沖源區(qū)是康普頓電流分布的區(qū)域，源區(qū)內(nèi)的空氣介質(zhì)具有隨時(shí)間非線性變化的電導(dǎo)率，并在其中形成傳導(dǎo)電流。如果核爆炸在地面附近發(fā)生，大地巖土介質(zhì)的電導(dǎo)率也將發(fā)生變化。 E／ H比值也不像自由空間那樣呈簡(jiǎn)單的常數(shù)關(guān)系。此外， γ和中子的效應(yīng)也很重要。因此源區(qū)是一個(gè)多變量的復(fù)雜環(huán)境。如果要把源區(qū)所有的特性準(zhǔn)確的模擬出來(lái)。無(wú)疑是一個(gè)十分困難的問題。就目前的技術(shù)水平來(lái)看，根據(jù)研究問題的需要，建造一些只能產(chǎn)生部分源區(qū)特性的模擬器是可能的，特別是對(duì)大型的試驗(yàn)系統(tǒng)， 一般只能考慮單一因素或特別感興趣的某些因素的模擬．只有對(duì)很小的試驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)小部分上產(chǎn)生 “全部 ”源區(qū)環(huán)境是可能的。 但不論何種模擬器，都是由脈沖源和電磁場(chǎng)形成裝置兩大部分組成的。本文實(shí)驗(yàn)所用的電磁脈沖模擬器系統(tǒng)由高重頻脈沖源分系統(tǒng)、小型平板形有界波模擬器分系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖 21： 共 37 頁(yè) 第 10 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線