雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法

摘要

本发明涉及雷电探测技术领域，具体涉及雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法，包括：点声源暂态波形响应标定，调整冲击大电流放电波形，对雷声传感器不同波形放电点声源的暂态响应进行标定；点声源能量响应标定，调整冲击大电流放电能量，对雷声传感器不同能量放电点声源的暂态响应进行标定；点声源距离衰减响应标定，调整探测距离，对雷声传感器在不同距离下的暂态响应进行标定；定义点声源暂态响应波形特征参数，得到雷声传感器暂态响应波形的特征参数随点声源放电波形、点声源放电能量、探测距离变化的标定曲线。该方法提出了雷声传感器的冲击大电流点声源暂态响应多特征参数标定方法，为雷声传感器的定量监测提供了依据。

说明书

技术领域

本发明属于雷电探测技术领域，尤其涉及雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法。

背景技术

雷电放电过程伴随的大电流、强电磁辐射、高温和冲击波等物理效应对人类活动构成极大的安全威胁。雷电活动的瞬时性和随机性，增加了雷电事故分析和雷电防护的难度。监测雷电过程伴随的声、光、电磁等间接信号并用于雷电定位或反演雷电事件的直接参量，对于区域性的雷电活动的物理过程研究及雷击事件的评估分析具有至关重要的意义。雷电活动产生的声音信号相较于光学信号具有不易受云层遮挡的特点，探测雷电声音的传感器在雷电物理研究中具有广泛的用途。

雷电活动产生的雷声信号由冲击大电流、强电磁辐射特征的暂态放电过程激发冲击波并在空气介质中传播形成。目前为止，已有的研究成果中所用雷电声音监测传感器主要为市面标准化产品，产品参数资料只给出了稳态环境下测试数据，不能用于评估传感器的雷电声音监测质量。对于同一冲击放电声源，不同型号的传感器响应的暂态声压波形参数存在较大差异。目前缺乏一种针对雷电监测声音传感器的暂态响应波形的特征参数定义方法，同时缺少对波形特征参数的标定方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过实验室的冲击大电流点声源放电模拟雷电冲击大电流、强电磁辐射的放电过程，用于雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应特性标定的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法，所述标定方法采用冲击大电流放电系统击穿短间隙的暂态放电过程来模拟强电磁辐射、冲击大电流的自然雷电活动放电过程，标定雷声传感器的冲击大电流点声源暂态响应幅度；通过调整放电波形、放电能量及雷声传感器探测距离三种变量来模拟雷电放电活动的随机性特征，对冲击大电流点声源暂态响应波形特征参数进行定义，系统地标定雷声传感器的暂态响应特性；包括以下步骤：

步骤1、点声源暂态波形响应标定，调整冲击大电流放电波形，对雷声传感器不同波形放电点声源的暂态响应进行标定；

步骤2、点声源能量响应标定，调整冲击大电流放电能量，对雷声传感器不同能量放电点声源的暂态响应进行标定；

步骤3、点声源距离衰减响应标定，调整探测距离，对雷声传感器在不同距离下的暂态响应进行标定；

步骤4、定义点声源暂态响应波形特征参数，得到雷声传感器暂态响应波形的特征参数随点声源放电波形、点声源放电能量、探测距离变化的标定曲线。

在上述的雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法中，所述步骤1中不同波形放电点声源为冲击电流放电系统调试出的1/20μs、8/20μs、30/80μs三种标准冲击电流波形。

在上述的雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法中，所述步骤2中不同能量放电点声源为5～100kA幅值范围的冲击大电流放电。

在上述的雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法中，所述步骤3中雷声传感器标定的距离为1～20m。

在上述的雷声传感器的冲击大电流点声源暂态波形响应标定方法中，所述步骤4包括：

S1.定义到达时间：雷声传感器记录的声压-时间曲线中脉冲声波首次出现的时刻t₀；得到雷声传感器暂态响应波形到达时间对各变量的标定曲线；

S2.定义峰值：雷声传感器响应声压波的正峰最大值p₁、反峰最大值p₂；得到雷声传感器暂态响应波形峰值对各变量的标定曲线；

S3.定义反峰比：反峰最大值p₂与正峰最大值p₁的比值γ；得到雷声传感器暂态响应波形反峰比对各变量的标定曲线；

S4.定义视在持续时间：脉冲声波正极半峰首次达到10％正峰值的时刻与负极半峰绝对值低于10％负峰值时刻的时间间隔T_s；S24.得到雷声传感器暂态响应波形视在持续时间对各变量的标定曲线。

本发明的有益效果：(1)通过高压实验室的冲击大电流点声源放电过程模拟大电流、强电磁辐射的自然雷电放电过程，声源模拟贴近冲击大电流雷击放电过程。

(2)标定方法对雷声传感器的冲击大电流点声源暂态响应波形进行了定义，综合测试了响应波形特征参数随声源的冲击放电波形、放电能量、探测距离的变化情况。

(3)本发明标定方法填补了雷电监测声音传感器在模拟条件下标定测试的技术空白，标定所得雷声传感器的冲击大电流点声源暂态响应幅度标定曲线对于雷电声音监测具有重要的参考价值，为雷声传感器的定量监测提供了依据。

附图说明

图1为本发明一个实施例冲击大电流点声源暂态响应幅度标定流程图；

图2为本发明一个实施例冲击大电流放电测试中雷声传感器布置示意图；

图3为本发明一个实施例雷声传感器的冲击大电流点声源暂态响应波形特征参数定义图；

图4为本发明一个实施例雷声传感器暂态响应幅度随放电幅值变化的标定曲线；

其中，1-冲击电流放电点声源、2-直线布置、3-雷声传感器布置点、4-探测距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例的原理如下，自然雷电为具有冲击大电流及强电磁辐射的暂态放电过程。雷电活动的时空分布、放电能量及雷电流波形特征具有一定的随机性。监测系统所用传感器在强电磁辐射环境下对冲击大电流放电暂态过程的优良响应能力是开展雷电监测工作及雷电活动研究的重要保障，标定雷声传感器的暂态响应幅度则是开展雷电声音监测工作的重要前提。

本实施例采用冲击大电流放电系统击穿短间隙的暂态放电过程来模拟强电磁辐射、冲击大电流的自然雷电活动放电过程，标定雷声监测传感器的冲击大电流点声源暂态响应幅度。通过调整放电波形、放电能量及雷声监测传感器探测距离三种变量来模拟雷电放电活动的随机性特征，对冲击大电流点声源暂态响应波形特征参数进行定义，系统地标定雷声监测传感器的暂态响应特性，为自然雷电声音的监测提供依据。

具体的技术方案如下：

1、点声源波形响应标定，调整冲击大电流放电波形，对雷声传感器对不同波形放电点声源的暂态响应进行标定；

2、点声源能量响应标定，调整冲击大电流放电能量，对雷声传感器对不同能量放电点声源的暂态响应进行标定；

3、点声源距离衰减响应标定，调整探测距离，对雷声传感器在不同距离下的暂态响应进行标定；

4、点声源暂态响应波形特征参数定义，得到雷声传感器响应暂态波形的特征参数随声源时域波形、点声源放电能量、探测距离变化的标定曲线。

一、标定测试方案流程说明：

标定流程见图1，冲击电流放电点声源部分，利用冲击大电流系统调试出不同冲击电流波形以进行点声源时域波形响应标定；设置不同的冲击大电流系统放电参数改变冲击大电流放电能量，以进行点声源能量响应标定；雷声传感器布置部分，调整雷声传感器的探测距离以进行距离衰减响应标定。每种测试工况下重复试验不少于5次，记录每次冲击大电流放电点声源的雷声传感器暂态响应波形。统计特征参数值，计算测试平均值结果，绘制雷声传感器在不同变量下的冲击大电流点声源暂态响应特征参数标定曲线。分别得到雷声传感器暂态响应波形到达时间对各变量的标定曲线，雷声传感器暂态响应波形峰值对各变量的标定曲线，雷声传感器暂态响应波形反峰比对各变量的标定曲线，雷声传感器暂态响应波形视在持续时间对各变量的标定曲线。

二、冲击大电流点声源的具体说明：

图2中标示的冲击电流放电点声源1，具体为利用冲击大电流系统调试RL参数获取的1/20μs、8/20μs、30/80μs三种标准波形的冲击大电流放电声源；通过数字实验平台设置放电幅值，调试出5～100kA范围内的冲击大电流放电幅值。

三、传感器布置方式的具体说明：

图2中虚线标示的直线布置2为距离衰减响应标定测试实验中雷声传感器的布置示例。雷声传感器可以布置在上述范围内的任意一点进行测试，如图2中的传感器布置点3，测试过程中，优先考虑以相等的距离间隔改变传感器布置点以方便绘制标定曲线图。距离衰减响应标定中，雷声传感器在1～20m范围布置距离下的暂态响应标定。

四、定义点声源暂态响应波形特征参数说明：

如图3所示。

1)定义到达时间：雷声传感器记录的声压-时间曲线中脉冲声波首次出现的时刻t₀；得到雷声传感器暂态响应波形到达时间对各变量的标定曲线；

2)定义峰值：雷声传感器响应声压波的正峰最大值p₁、反峰最大值p₂；得到雷声传感器暂态响应波形峰值对各变量的标定曲线；

3)定义反峰比：反峰最大值p₂与正峰最大值p₁的比值γ；得到雷声传感器暂态响应波形反峰比对各变量的标定曲线；

4)定义视在持续时间：脉冲声波正极半峰首次达到10％正峰值的时刻与负极半峰绝对值低于10％负峰值时刻的时间间隔T_s；S24.得到雷声传感器暂态响应波形视在持续时间对各变量的标定曲线。

五、绘制暂态响应幅度标定曲线的具体说明

对重复测试的暂态响应波形各项特征参数求取平均值及标准差，数据标准差小于1％则视为有效数据。统计特征参数平均值结果，绘制得到雷声传感器在不同变量下的暂态响应波形特征参数标定曲线。如图4，探测距离4为3米的雷声传感器暂态响应正峰值随探测距离变化的标定曲线图。曲线拟合公式为：y＝0.322x-0.187。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。