胡 淼 張子石 章越峰 許蒙蒙 周雪芳 沈成竹

①(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 杭州 310018)

②(中國移動通信集團(tuán)浙江有限公司杭州分公司 杭州 310018)

1 引言

雷電是一種發(fā)生在大氣中的天氣現(xiàn)象，發(fā)生時會產(chǎn)生瞬態(tài)大電流、高電壓和強(qiáng)電磁脈沖輻射等[1]。根據(jù)衛(wèi)星監(jiān)測和氣象部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每秒大約有2000 多個雷電發(fā)生[2]。近年來，由于電子、通信設(shè)備發(fā)展迅速，導(dǎo)致雷電災(zāi)害由以往的森林火災(zāi)和人員傷亡形式逐漸轉(zhuǎn)向?qū)﹄娮釉O(shè)備以及大型通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的干擾與破壞，對軍事、鐵路、航天航空等領(lǐng)域造成嚴(yán)重影響。因此開展雷電探測研究，提供雷電預(yù)警，對防雷減災(zāi)的工作具有十分重要的指導(dǎo)意義[3–6]。直至今日，人類對雷電探測技術(shù)的研究已經(jīng)發(fā)展了200多年，從20世紀(jì)20年代起，美國開始研究利用磁環(huán)天線來對雷電位置進(jìn)行精確探測，成為雷電探測技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑，代表了雷電探測技術(shù)逐漸走向成熟[7–11]。

目前雷電定位系統(tǒng)(Lightning Location System，LLS)主要采用正交磁環(huán)天線(Orthogonal Magnetic Loop Antenna， OMLA)作為核心探測器件[12]。為提高測向精度，以往對OMLA的研究多注重于減小其測向角度誤差，如對由雷電回?fù)敉ǖ篮偷孛娌淮怪痹斐傻臉O化誤差研究[13]、由雷電測向設(shè)備附近地形地勢造成的場地誤差研究[14]、由天線磁環(huán)非正交性造成的誤差研究[15]以及OMLA自身結(jié)構(gòu)誤差的研究等[16]，而對采用新型磁環(huán)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高天線測向精度的研究則相對較少。隨著LLS探測精度要求的不斷提高，采用正交磁環(huán)天線探測雷電方向的測量精度達(dá)到瓶頸。具體而言，在排除外界條件造成天線的測角誤差后，雖然可以通過引入修正矩陣來降低磁環(huán)的非正交性誤差[15]，或引入補(bǔ)償系數(shù)來矯正正交磁環(huán)天線的一致性誤差[16]，在一定程度上提高測向精度，但經(jīng)矯正后的正交磁環(huán)天線仍存在一定的結(jié)構(gòu)誤差角，導(dǎo)致測角誤差隨雷電方向角呈波浪形變化。即當(dāng)雷電信號方向平行于其中一個磁環(huán)時，測角誤差達(dá)到最大，最大值約等于天線結(jié)構(gòu)誤差角的值。因此研究如何設(shè)計(jì)新型磁環(huán)天線結(jié)構(gòu)以減輕結(jié)構(gòu)誤差角對測角的影響，對于提升雷電測向精度具有一定的意義。

本文提出一種由3個磁環(huán)兩兩呈60°組成的新型三環(huán)天線，由于其特殊結(jié)構(gòu)，可以有效降低結(jié)構(gòu)誤差角對測角的影響，提高天線測向精度。首先根據(jù)三磁環(huán)天線特殊結(jié)構(gòu)推導(dǎo)了低頻信號情況下三環(huán)天線的測角公式，建立了結(jié)構(gòu)誤差角與測角誤差的仿真模型；然后通過實(shí)驗(yàn)比對三環(huán)天線與同尺寸正交磁環(huán)天線測角精度。本文最后部分給出分析結(jié)論。

2 三磁環(huán)天線結(jié)構(gòu)及測向原理

雷電與地面的回?fù)敉ǖ揽梢员豢醋饕粋€垂直的電偶極子，當(dāng)?shù)孛鏋槔硐雽?dǎo)體時，雷電電磁脈沖僅激發(fā)橫磁波[17]。三磁環(huán)天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，假設(shè)H為垂直地面的閃電回?fù)敉ǖ溃?個磁環(huán)兩兩呈60°組成天線來進(jìn)行雷電源方位角的探測，中軸線O與回?fù)敉ǖ繦平行。

圖1 三磁環(huán)天線結(jié)構(gòu)示意圖

3 三磁環(huán)天線測角誤差仿真

為驗(yàn)證三磁環(huán)天線結(jié)構(gòu)誤差角對測角誤差的影響，建立測角誤差關(guān)于結(jié)構(gòu)誤差角的仿真模型。結(jié)構(gòu)誤差角由天線磁環(huán)夾角不理想造成，理論上天線的3個磁環(huán)保持兩兩呈60°，但實(shí)際情況下由于加工、磁環(huán)扭曲等問題，使得磁環(huán)間存在等效結(jié)構(gòu)誤差角σ。首先推導(dǎo)只有單個磁環(huán)存在結(jié)構(gòu)誤差角的特殊情況時測角誤差計(jì)算式，進(jìn)而拓展到一般情況。如圖2所示，設(shè)A環(huán)準(zhǔn)確東西擺放，角度自西向東逆時針由–180°～180°遞進(jìn)。C環(huán)準(zhǔn)確朝向120°，B環(huán)與理想方向60°之間的夾角σ即為等效結(jié)構(gòu)誤差角。式(3)

圖2 單磁環(huán)結(jié)構(gòu)誤差角示意圖

定得義到雷的電計(jì)來算向角與度正為東θ′。方根向據(jù)實(shí)幾際何夾關(guān)角系為，θ，理通想

過情況下B環(huán)感應(yīng)電動勢EB′與實(shí)際情況下感應(yīng)電動勢EB的比值為

圖3 三磁環(huán)天線測角誤差趨勢圖

圖4 兩磁環(huán)結(jié)構(gòu)誤差角示意圖

圖5 三磁環(huán)天線測角誤差趨勢圖

4 三磁環(huán)天線測向誤差實(shí)驗(yàn)

以下通過對照實(shí)驗(yàn)對比三磁環(huán)天線與同尺寸正交磁環(huán)天線測角精度。實(shí)驗(yàn)選取半徑為7.5 cm的磁環(huán)，根據(jù)關(guān)于雷電測向的正交磁環(huán)天線的接特性研究[18]，可確定該磁環(huán)天線在最佳接收效益時的線圈匝數(shù)為60匝。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示的三磁環(huán)天線，實(shí)物如圖7所示。

圖7 三磁環(huán)天線實(shí)物圖

表1 磁環(huán)天線參數(shù)

利用信號發(fā)生器產(chǎn)生200 kHz的正弦信號，示波器連接信號發(fā)射線圈，發(fā)射線圈匝數(shù)為30匝，半徑為40 cm，面積遠(yuǎn)大于天線線圈。將天線固定在位于發(fā)射線圈正前方10 cm的轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)動天線來改變信號方向角。將天線3個磁環(huán)分別接入終端阻抗為1 MΩ、耦合方式為直流的MDO-3052型數(shù)字示波器的3個通道，記錄天線各磁環(huán)的響應(yīng)電壓。

圖6 正交磁環(huán)天線測角誤差趨勢圖

由圖8可知，相比于正交磁環(huán)天線，采用三磁環(huán)天線對信號源進(jìn)行方位角探測的測角誤差顯著降低，整體誤差降低約50%。進(jìn)一步分析，正交磁環(huán)天線測角誤差峰值分布在 ±90°附近，誤差峰值約為3°；三磁環(huán)天線的誤差角度峰值分布在 ±120°和±60°附近，誤差峰值約為1°，結(jié)合第3節(jié)仿真可知三磁環(huán)天線兩結(jié)構(gòu)誤差角σ1，σ2為異號，測角誤差變化趨勢與仿真結(jié)果基本相符。

圖8 兩種天線測角誤差對比圖

5 結(jié)論

本文分析了正交磁環(huán)天線由于結(jié)構(gòu)誤差角造成的測角誤差較大的問題，提出一種改進(jìn)的三磁環(huán)天線，該天線通過兩兩呈60°的磁環(huán)進(jìn)行測向。通過建立測角誤差仿真模型分析了三磁環(huán)天線測角誤差優(yōu)化效果，對比實(shí)驗(yàn)表明，在同等制作工藝下，相較于正交磁環(huán)天線，三磁環(huán)天線測角誤差整體降低約50%，提高了測向精度。