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原子热运动对电场量子测量的影响及修正方法

电工技术学报 2024年第10期39卷 2953-2960页

作者：阎晟肖冬萍石筑鑫张淮清刘卫华输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学电气工程学院) 重庆400044

基于里德堡原子电磁诱导透明(EIT)效应的电场量子测量方法,能够突破传统基于电学原理、光学原理测量法在测量精度和灵敏度上的极限,并且具有自校准性。采用热里德堡原子进行测量具有工程应用的便捷性,但是原子热运动形成的多普勒效应会... 详细信息

基于里德堡原子电磁诱导透明(EIT)效应的电场量子测量方法,能够突破传统基于电学原理、光学原理测量法在测量精度和灵敏度上的极限,并且具有自校准性。采用热里德堡原子进行测量具有工程应用的便捷性,但是原子热运动形成的多普勒效应会导致EIT谱峰发生频移和形变,混淆电场对原子的相干效应,从而影响电场测量精度。基于激光、电场与原子的作用机理,以及原子热力学,该文提出通过调整探测光和耦合光频率,修正原子热运动对电场量子测量影响的方法。首先,假设里德堡原子静止不动,建立和求解密度矩阵方程,描述双光子阶梯型三能级系统的EIT光谱;然后,引入温度与原子运动数学关系,将温度造成的原子热运动多普勒影响量化为探测光和耦合光频率失谐量,通过修正探测光和耦合光的频率来抵消该影响。仿真实验表明,该文提出的修正方法效果良好,该研究有利于推进基于里德堡原子电场量子测量的实用化进程。

关键词：电场测量里德堡原子电磁诱导透明原子热运动多普勒效应修正

基于SOPC的便携式瞬态电磁脉冲电场测量仪研制

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基于SOPC的便携式瞬态电磁脉冲电场测量仪研制

作者：廖智西华大学

学位级别：硕士

瞬态脉冲又称冲击信号、瞬态脉冲或者非正弦信号。瞬态脉冲是一种上升时间快,尖峰持续时间短的纳秒级别的信号,其广泛存在于核爆、闪电、静电放电、地震、高压输电和高功率电磁脉冲武器等各种场景。测量瞬态电磁脉冲电场的重点是需要准... 详细信息

瞬态脉冲又称冲击信号、瞬态脉冲或者非正弦信号。瞬态脉冲是一种上升时间快,尖峰持续时间短的纳秒级别的信号,其广泛存在于核爆、闪电、静电放电、地震、高压输电和高功率电磁脉冲武器等各种场景。测量瞬态电磁脉冲电场的重点是需要准确测量并还原脉冲波形,同时在测量过程中需要采取措施确保测量数据的准确性,并且能够对测量数据进行有效的保存、传输和处理。为了便于现场测量瞬态电磁脉冲电场,本文在数字信号型瞬态电磁脉冲电场测量系统的基础上,研发出一种基于SOPC（System On Programmable Chip）的便携式瞬态电磁脉冲电场测量仪。该测量仪体积仅65×120×30mm,携带方便,抗干扰能力好,精度高,波形还原能力好。本文研制的瞬态电磁脉冲电场测量仪可采集瞬态电磁脉冲电场信号,采样率可达1.5GS/s。另外该测量仪搭载了嵌入式Linux系统,无需连接上位机或示波器便可以实现现场波形还原和数据共享。该测量仪可测量强度为±50KV/m的瞬态电磁脉冲电场,采用AC（Alternating Current）转直流或电池供电,支持触摸功能,可以通过以太网接口接入网络。本文依据技术指标要求设计了一款平板单极子天线作为瞬态电磁脉冲电场测量仪的感应天线。相比于传统电磁脉冲电场感应天线体积更小,使用更灵活。瞬态电磁脉冲电场测量仪测量瞬态电磁脉冲电场并对采集的电场数据还原成波形现场显示。测量数据保存在SD（Secure Digital）卡中,可以通过以太网接口共享数据。本文设计了瞬态电磁脉冲电场测量仪的电路原理图,并设计了PCB（Printed Circuit Board）电路板。瞬态电磁脉冲电场测量仪的电路板包含信号采集、主控、缓存、SD卡、以太网和显示器等模块。瞬态电磁脉冲电场测量仪程序分为底层裸机程序和顶层应用程序。本文设计了瞬态电磁脉冲电场测量仪的底层软核和硬核程序并进行了仿真测试。瞬态电磁脉冲电场测量仪的底层设备需要应用软件程序进行控制,本文将Linux操作系统移植到测量仪中,并为硬件接口设计了相应的驱动程序。此外,本文还设计了一款配套的瞬态电磁脉冲电场测量仪控制软件以实现对瞬态电磁脉冲电场测量仪各项功能的管理控制。最后,本文对瞬态电磁脉冲电场测量仪进行系统联调,完成各项功能测试,并在实验室使用瞬态电磁脉冲电场测量仪对模拟器产生的脉冲信号进行测量,实验结果表明,本文研制的瞬态电磁脉冲电场测量仪对强电磁脉冲电场的测量精度较高,实现了对高速信号有效数据的分离保存,高保真地还原了脉冲电场波形。

关键词：瞬态脉冲平板单极子电场测量电磁脉冲电场脉冲测量

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基于多模波导的电场测量技术研究

基于多模波导的电场测量技术研究

作者：赵兰电子科技大学

学位级别：硕士

在高速发展的信息化时代,电场测量已经在电力行业、通信系统、航空航天等发挥着越来越重要的作用。常用的电场测量传感器包括电容式、场磨式和光学式。其中铌酸锂（LiNbO,LN）光学式的电场传感器具有大带宽、宽动态范围、小体积的特点... 详细信息

在高速发展的信息化时代,电场测量已经在电力行业、通信系统、航空航天等发挥着越来越重要的作用。常用的电场测量传感器包括电容式、场磨式和光学式。其中铌酸锂（LiNbO,LN）光学式的电场传感器具有大带宽、宽动态范围、小体积的特点。另外,铌酸锂电场传感器内部包含的金属结构少,甚至内部不含有金属电极,在测量时对待测电场引入的干扰较小。因此,该类传感器常被广泛应用在各个领域,甚至电晕间隙放电这类物理机制的研究也离不开它。高性能光学集成式传感器引发了一股研究浪潮。本文围绕多模干涉的电场测量展开研究,主要工作包含以下几个部分:1、首先介绍了电场测量的研究背景。根据它在电力行业、通信传输、航空航天的应用情况,阐明了电场传感器研究的必要性和重要性。接着以电场传感器发展历程时间线为轴,展开介绍了传感器的国内外发展历程,着重介绍了光学波导类电场传感器的主要原理、特点和发展概况。2、基于多模干涉散斑成像的电场测试研究。结合多模干涉的特点和规律,对输入端单模波导的模场进行了详细的分析,得到合适的输入端波导尺寸。接着对多模干涉区域的波导进行了尺寸优化,选择合适的宽度和长度,保证干涉结果的可使用性。最后根据设计好的多模波导结构完成待测电场的识别。最终仿真结果表明,在500 V/m～10～6 V/m电场测试范围内,灵敏度为500 V/m。该款传感器可用于低频变化电场或静电场的测试。3、基于多模干涉仪的电场测量研究。针对一般应用场景,通过利用特殊MMI结构使得温度引起输出端口功率同向变化,电光效应引起输出端口功率反向变化,采用平衡光电探测器接收输出端信号,不仅消除了温度带来的影响,而且放大了输出端信号的功率。仿真过程中,使用电压探针获取不同外电场环境下感应电压大小,得到其线性关系。根据外电场环境与多模干涉仪输出端端口功率之间的关系,给出功率与被测电场的线性表达式,实现电场的测量。

关键词：电场测量多模干涉电光效应散斑

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火星大气电场测量仪的研制及实验研究

火星大气电场测量仪的研制及实验研究

作者：周殷玉山东大学

学位级别：硕士

近年来火星探测已成为各国深空探测热门之一。火星和地球的表面环境差异巨大,火星大气稀薄、宇宙辐射强、电离程度高且尘暴事件（尘旋风和沙尘暴）频发。火星沙尘现象导致火星全球大气放电并产生瞬态强电场。火星大气独特的成分、气压... 详细信息

近年来火星探测已成为各国深空探测热门之一。火星和地球的表面环境差异巨大,火星大气稀薄、宇宙辐射强、电离程度高且尘暴事件（尘旋风和沙尘暴）频发。火星沙尘现象导致火星全球大气放电并产生瞬态强电场。火星大气独特的成分、气压及高电离度给火星大气电场探测、电场仪的设计、标定带来了挑战。测量火星大气电场具有重要科学意义。火星大气电场促进了火星氧化性环境的形成。模型分析表明火星电场促进了火星大气中的某些UV（紫外光）光化学反应。尘暴电场导致火星大气暗放电,也极有可能产生辉光放电甚至闪电（未见观察报道）,是产生火星氧化性物质H2O2、O3、ClOx以及HCl、CH4的重要原因。因此对火星大气电场产生机理、演化特征的认识,对火星表面环境氧化性起源、大气与地表物质相互作用、地表生物信息探索都具有重要的科学意义。由于目前仍无对火星大气电场的实测数据,对火星大气电场仪器的研发及其测量方法的相关研究都具有开创性。针对火星表面特殊的大气和地表环境,本文研制了火星大气电场测量仪并进行仪器标定和模拟尘暴电场测量实验,论文的主要工作如下:（1）根据火星环境的特殊性,确定了适合火星大气电场测量的新方法。火星具有特殊、严苛、甚至是未知的环境,考虑到载荷需要抗震、低重量/体积、低能耗以及需要在恶劣环境下工作等因素,常规空间大气电场测量方法如导体表面束缚法、双探针法、粒子漂移法并不适合火星探测。通过对比各种测量方法以及对尘暴电场测量方法的研究,本文选择了单探针法作为仪器的测量方法。（2）设计、研制火星大气电场测量仪。本文选择铜制空心球体作为大气电场测量的传感器,利用信号采集系统对传感器采集信号进行采集、模数转换和数据传输。编写上位机软件对采集信号进行图像实时显示和存储。（3）采用单探针法对仪器进行地面间接定标。根据大气电场仪的探测原理,用并联的等效电阻、电容来模拟在火星表面实际探测过程中电场测量仪的金属探头与火星大气之间的耦合电阻与耦合电容,从而进行火星条件下的仪器标定。（4）模拟地面尘暴电场的测量实验。为研究影响尘暴大气电场的各个因素并验证系统性能,本文设计了尘暴模拟实验。分别使用本文研制的火星大气电场测量仪和七位半数采万用表对模拟尘暴中的大气电场的电压值进行探测与对比分析。实验表明尘暴大气电场的强度与很多因素（如风速、尘埃颗粒类型、尘暴粒径大小等）有关。本工作研发的火星大气电场测量仪实际采样率达到256kHz,具有灵敏度高、采样速度快等优点,为火星大气电场测量奠定了硬件和方法基础。

关键词：火星大气电场火星大气电导率电场测量测量定标火星尘暴

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基于里德堡原子的电场测量研究

基于里德堡原子的电场测量研究

作者：雍福友电子科技大学

学位级别：硕士

随着对电场测量精度要求的提高,传统电场测量技术已达到精度瓶颈。因此,寻找一种更加精确的新式电场测量技术就变得越来越重要了,基于里德堡原子的电场测量技术正是在此背景下发展起来的一种新型测量技术,这种新型测量技术可以溯源至国... 详细信息

随着对电场测量精度要求的提高,传统电场测量技术已达到精度瓶颈。因此,寻找一种更加精确的新式电场测量技术就变得越来越重要了,基于里德堡原子的电场测量技术正是在此背景下发展起来的一种新型测量技术,这种新型测量技术可以溯源至国际测量标准,因此可以实现自校准测量。本文旨在通过采用与完善里德堡原子电场测量的相关理论对多种里德堡原子电场测量情形进行研究。本文主要的工作如下所示:一、本文首先使用半经典理论描述了光与物质之间的相互作用,并探讨了该理论的近似条件。其次,推导了密度矩阵与Liouville方程。然后,分析了行波与运动状态二能级原子相互作用的物理过程及意义。最后,将经典电磁场进行离散化,将传统经典场论Maxwell方程转化为矢量算符,并研究了该电磁场与二能级原子之间的相互作用,理论分析结果为后文实验部分提供了重要的理论基础。二、本文首先采用密度矩阵理论与Liouville方程计算了二能级原子结构对入射光的影响,计算结果表明其对入射光光强具有强烈的吸收效应。其次,探讨了三能级原子结构的情况,即探测光、耦合光同时反向地作用于里德堡铯原子气池。计算结果表明三能级原子结构对入射光强度的吸收减弱,相反三能级原子出现了电磁感应透明效应。最后,分别向三能级里德堡原子发射一单频微波电场、调幅微波电场、本振微波电场与一单频微波电场(超外差结构)。数值结果表明:对于单频微波电场,探测光透射强度光谱将随着微波电场的幅度增大而逐渐发生分裂现象,其分裂间距与微波电场存在正相关联系;对于调幅微波电场,探测光透射强度光谱为非标准正弦波,其频率、幅度与基带电场信号的频率、幅度也存在一定关系;对于原子超外差结构,可以提取微波电场的频率,并且进一步提高了测量灵敏度。三、本文首先阐述了里德堡铯原子电场测量实验装置的构成和性能。其次,基于里德堡铯原子系统分别进行了电磁诱导透明实验、单频微波测量实验、超外差相位反向实验。实验结果表明:一定电场强度范围内,可以采用光谱分裂方法进行电场测量并且对微波电场的相位、频率变化十分灵敏。最后,分别对实验中里德堡原子气池、双光子失谐与极化失配等干扰因素进行了简要分析。

关键词：里德堡原子电磁诱导透明现象刘维尔方程电场测量

基于nRF905模块的无线通信直流电场测量系统设计

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高电压技术 2012年第11期38卷 2869-2874页

作者：张业茂张建功张广洲李妮师永兴中国电力科学研究院武汉430074 湖北省电网环境保护重点实验室武汉430074 国网电力科学研究院武汉430074 甘肃省电力公司天水超高压输变电公司天水741000

受导线产生的空间离子、风等因素的影响,直流输电线路的合成电场变化较大。为获取线路直流电场的横向分布特性,需要在测量断面上多点同时进行测量并统计分析。有线通信方式的直流电场测量系统在测量布置、调整测点位置等方面非常繁琐,... 详细信息

受导线产生的空间离子、风等因素的影响,直流输电线路的合成电场变化较大。为获取线路直流电场的横向分布特性,需要在测量断面上多点同时进行测量并统计分析。有线通信方式的直流电场测量系统在测量布置、调整测点位置等方面非常繁琐,并可能导致不同时段的测量结果难以反映电场的真实分布情况。为解决这一问题,采用MSP430单片机设计了基于nRF905模块的无线通信直流电场测量系统,通过对软件和硬件的优化设计消除了无线通信本身带来的干扰测量信号、通信可靠性降低、测量单元扩展受限等问题,制作样机并进行了现场试验。测试结果表明,该系统与有线通信直流电场测量系统具有相同的测量准确度,测试过程中通信正常,通信距离可达100m,可覆盖直流线路横向测量断面200m区域,完全可以满足直流电场测量的需要,同时可有效提高直流电场测量效率。

关键词：直流(DC) 电场测量 nRF905模块 MSP430单片机无线通信相敏整流

基于RSSI技术提高直流线路电场测量无线网络节点定位精度的算法

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电网技术 2014年第6期38卷 1644-1649页

作者：胡学敏崔勇袁海文陆家榆鞠勇赵录兴北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京市海淀区100191 中国电力科学研究院北京市海淀区100192

在基于无线传感器网络的直流线路合成电场测量系统中,传感器节点位置的自动获取可以有效地减少测量工作量,提高测试效率。传统的接收信号强度(received signal strength indicator,RSSI)定位方法利用经验值选取路径衰减指数,易导致定位... 详细信息

在基于无线传感器网络的直流线路合成电场测量系统中,传感器节点位置的自动获取可以有效地减少测量工作量,提高测试效率。传统的接收信号强度(received signal strength indicator,RSSI)定位方法利用经验值选取路径衰减指数,易导致定位误差较大。为提高传感器节点的定位精度,提出一种实时估计路径衰减指数的定位方法。该方法利用参考节点间距离和未知节点收到的RSSI值来实时估计路径衰减指数,并利用它来估算距离,从而减小定位误差,提高算法对不同环境的适应性。实验结果表明,在公园草坪、学校操场以及特高压直流试验基地直流试验线段电磁环境测试场3种典型的电场测量环境下,该算法的定位精度均较其他RSSI算法高。

关键词：直流输电线路电场测量无线传感器网络接收信号强度路径衰减指数

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基于光纤消逝场的电场测量技术研究综述

高电压技术 2021年第6期47卷 1984-1997页

作者：刘轩东程章颖马乐晨陈铭西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049

电场测量对于电力设备绝缘设计优化、高压系统电磁环境分析、屏蔽装置防护效果评估等领域具有重要意义。消逝场式电场传感器是近年来新兴的一类光纤电场传感器,测量上限高达24 MV/m、封装尺寸低至1.2mm×0.2mm×0.2mm,可同步测量多场点... 详细信息

电场测量对于电力设备绝缘设计优化、高压系统电磁环境分析、屏蔽装置防护效果评估等领域具有重要意义。消逝场式电场传感器是近年来新兴的一类光纤电场传感器,测量上限高达24 MV/m、封装尺寸低至1.2mm×0.2mm×0.2mm,可同步测量多场点、多方向电场,在电缆故障诊断、特快速暂态过电压监测、电磁武器改良等方面具有广阔应用前景。目前,关于光学电场传感器原理和结构方面的研究综述较多,但缺乏对新型消逝场式电场传感器的相关总结,以及对各类光纤电场传感器技术参数的分析比较。为此,首先总结了消逝场式电场传感器的测量机理、典型结构、研究进展、应用场景、温度补偿方法和关键技术问题。在此基础上,重点分析、比较了各类光纤电场传感器的测量指标、封装尺寸和性能特点,并结合相关标准对其实用化过程中存在的问题进行了讨论。最后,指出消逝场式电场传感器在材料改性、加工工艺优化、微观尺度电场仿真和耦合影响因素分析等方面值得做进一步深入研究。对于消逝场式电场传感器的设计、研制与性能改进具有一定意义。

关键词：消逝场电场测量光纤传感器电光效应 D型光纤

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特高压真型塔操作冲击放电电场测量

高电压技术 2009年第4期35卷 731-736页

作者：牛犇曾嵘耿屹楠张赟万启发陈勇霍峰清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室北京100084 国网电力科学研究院武汉430074

鉴于研究长空气间隙放电特性对于发展特高压输电技术具有重要意义,开发了光电集成电场传感器,并建立了双通道的电场测量系统。利用球板间隙冲击电场对测量系统进行了校验,并且用冲击信号均匀电场考察了测量系统的时域波形性能,证明了测... 详细信息

鉴于研究长空气间隙放电特性对于发展特高压输电技术具有重要意义,开发了光电集成电场传感器,并建立了双通道的电场测量系统。利用球板间隙冲击电场对测量系统进行了校验,并且用冲击信号均匀电场考察了测量系统的时域波形性能,证明了测量系统对电力系统的冲击信号具有较小的误差和良好的时域特性。利用该系统在特高压真型酒杯塔中相塔窗内开展了操作波放电电场测量实验,得到了电场峰值和波形,并与计算值进行了对比,分析了电晕、流注和先导等因素的影响。实验结果表明,光电集成电场测量系统可以用于特高压长空气间隙放电的研究工作。

关键词：特高压真型塔长空气间隙操作波光电传感器双通道系统电场测量