第39卷第3期 2019年5月
核电子学与探测技术
Nuclear Electronics&D etection Technology
Vol. 39 No. 3
M ay. 2019
严雪飞\朱长青\王佳2
(1.陆军工程大学强电磁场环境模拟与防护技术国防科技重点实验室，河北石家庄050003;
2.陆军装甲兵学院，北京100071)
摘要：综述了瞬态脉冲电场传感器的研发现状。分别对直接感应式的电场传感器和电光调制式的 电场传感器的研究现状和特点进行了分析，对比了各种类型传感器的优缺点，指出瞬态脉冲电场传感器 还应该在超宽带、大线性动态范围、微干扰以及=维全向测试等方面进行深人研究和探讨，在此基础上 对其发 展前景进行了展望。
关键词：瞬态脉冲电场；测试传感器；三维传感器：电光调制
中图分类号：TM835;0441.5 文献标志码:
随着电子信息化的不断发展，人们对于电 磁脉冲的危害认识也越来越深。除了静电电磁 脉冲和核电电磁脉冲以外，高功率微波、超宽带 电磁脉冲、雷电电磁脉冲等也被人们广泛关注，尤其是随着现代电子设备的集成度越来越高，设备的电磁敏感度也越来越高，一个很小的脉 冲就可能导致整个电路板的损坏〜31。因此，这也使得对电磁脉冲的防护显得尤为重要，而 实现电磁脉冲防护首先要解决关键问题就是瞬 态脉冲电磁场的测量[4]。电磁脉冲不同于电 磁兼容中的连续波电场，瞬态电磁脉冲具有上 升沿极快、持续时间短、幅值大、重复性较差、测 量空间小等特点。因而对于测试设备要求具有 极宽的测试带宽及大线性动态范围，测试往往 发生在近场区域，因而要求测试设备体积要尽
收稿日期：2018-06-21
基金项目：国防重点实验室基金（9140C87102014C87363) 资助。
作者简介：严雪飞（1990—)，男，河北行唐人，在读博士 生，攻读方向为电磁环境模拟与测试技术研究。
356A 文童编号：0258-0934(2019)3-0356-07
可能小W。
为了更深入地研究瞬态脉冲电场的测试方 法和技术，就目前国内外对瞬态脉冲电场传感 器的研究现状进行了总结，并将各种传感器的 优缺点行进了分析，为下一步开展研究提供了参考。
1研发现状
1.1直接感应式电场传感器
最早对瞬态电场的测试是直接天线感应 法。1978年，C.E.Baum等人[6]采用电小天线 连接同轴线的方法实现了对核电磁脉冲场的测 量。其测量原理为，利用天线感应空间中的电 场信号，并通过高频电缆将信号传输至示波器 等显示装置。理论上讲，电小天线可以等效为 一个与频率无关的电容，在脉冲电场测试时，通 过电小天线可以实现无失真的电场测试。其测 试原理如图1所示。
通常，将电小天线电场传感器称为D-d〇t 传感器，D-dot传感器是直接感应式传感器的 代表。D-dot 传感器由其天线类型不同又可以
C
+ °----I I----^-^3
隔声工程
图l电小天线测试原理
分为不同的种类，如空心球偶极子传感器、渐进 圆锥偶极子传感器、嵌人式平板偶极子传感器、共形扁平偶极子传感器等[7]。其中最为常用 的为渐进圆锥偶极子传感器。D-dol传感器由 于其结构简单、无源、不需要定期标定的优点被 广泛应用于脉冲电场的测量。目前，也有一些 成熟的产品问世[84]。D-dot传感器虽然被广 泛应用于脉冲电场测试中，但也存在一些缺点。由于传感器的输出信号和被测电场呈微分关 系，为了获得被测电场的时域波形，需要在输出 信号和示波器之间添加一个有源或者无源积分 器。此时，积分器的性能往往成了制约测试系 统的主要因素。通过加载的方式虽然可以实现 被测电场和输出电压的线性关系，但此时加载 后的系统测试灵敏度很低。如原系统的时间常 数1ns，被测脉冲电场的持续时间为100 此
时需要将原来的负载加载到1〇7才能使被测电 场和输出电压呈线性关系。而此时，输出电压 也变为原来的1/107倍，所以此种方法只适用 于核电磁脉冲等强场测试[7]。
D-dot传感器通过天线直接感应空间电场，无需再加电源。此类传感器具有结构简单、无源、一旦传感器尺寸确定无需定期标定等优 点。但由于其传输线采用同轴电缆，将其放置 于脉冲电场时，由于附加结构和电磁干扰等影 响，往往会对测量结果产生误差。
1.2有源直接电光调制传感器医用脚轮
该种传感器将天线和电光调制器件融为一 体，利用天线接收的电场信号直接控制激光器 的光输出，使输出的光信号同被测电场强度成 正比，同时利用光纤代替同轴线，实现信号的远 距离传输。这种测试方法具有测试原理简单、被测电场同输出信号成正比、性价比高等优点。由于传感器内部电路需要电源供电，一般称为 有源电光调制传感器。根据测试的维度不同又分为一维脉冲电场传感器和三维脉冲电场传感器。
1.2.1有源电光调制一维瞬态电场传感器
2001年，祝敏等人[|°]设计了一套有源光纤EMP测试系统，该系统通过金属棒偶极子天 线和半导体激光器的联合设计，实现了电场信 号到光信号的直接转换，光信号经过光纤传输 至光检测器，解调出光信号，还原输出。系统的 测试带宽可达240 MHz，动态范围为0.02 ~ 1.2 V。张卫东等人[11]设计了一种球形光纤瞬 态电场传感器，该传感器测量范围为10 V/m~ 100 kV/m，测试带宽为40 Hz~ 100 MHz。朱长 青等人[12]设计了一种圆柱形脉冲电场传感器，传感器尺寸为100x30 m m2，测试带宽可达3.5 Hz~l GHz，动态范围超过60 dB，最大可测 场强为1MV/m。2009年，朱长青等人[13]又对 所设计的探头进行改进，在测试性能不变的条 件下，将探头体积缩减到横截面为1m m2，长度 为6 cm，成功解决了小空间环境下对脉冲电场 的测试。
上述脉冲电场传感器都属于有源电光调制 型的一维脉冲电场传感器，此类传感器相比于 D-dot传感器具有体积小、对被测电场干扰小 等优点。但此类传感器是有源的，上述几种传 感器需要采用电池供电，由于电池的容量有限，连续测试时会导致传感器的续航能力不足，同时在实际操作中，更换电池也存在许多不便。为此，德国的W.Mann开发了一套适用于脉冲 电场测试的激光供电系统[14]。该系统通过光 纤将外部激光器的光束传输到传感器内部的电 池组件，完成光电转换，为传感器内部的激光器 等有源器件进行供电，打破了传感器连续工作 的限制，同时，由于内部不存在电池，传感器的 体积可以做到很小（5 m m2左右），可最大限度 地减小对周围辐射场的干扰。该传感器的最大 探测场强仅为100 V/m，无法满足瞬态强电磁 场的测试。而国内对于脉冲电场测试中激光供 电问题的研究还处于起步阶段。
1.2.2有源电光调制三维瞬态电场传感器
0前，对于三维脉冲电场传感器的研究较 少，德国D.RUNDE等人基于LiNb03的M-Z效 应设计出的无源光纤传感器，也可实现三维脉
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冲电场的测量，其优点在于体积小，对被测电场 影响小，但缺点同样明显，其最低可测场强较小，且成本昂贵[15]。2008年，徐远竹等人[16]设 计了一种平行板型三维脉冲电场传感器，其外 观呈正方体
结构，在正方体每一面的外面都放 置了一个平行金属板作为接收天线。该传感器 的测量频带宽度超过600 MHz，但文中并没有 给出传感器的敏感度、动态范围、可探测的频率 下限等关键参数。司荣仁等人[17]研制了一种 球形光纤传输三维电场传感器，该传感器采用 嵌人式结构，可以有效减小传感器对被测电场 的扰动，文献中还分析了三维脉冲电场传感器 的极间耦合和三维场与峰值的合成误差，但没 有提及传感器的测试带宽、动态范围、等关键指 标。孔旭等人[181设计了一种基于光纤技术的 电磁脉冲三维电、磁场测量系统，该系统同样选 用正方体作为屏蔽外壳，分别用棒状电小天线 与B-dot天线作为电场和磁场的接收天线，并 对该系统在TEM小室中进行了标定。该测试 系统同样没有给出系统的测量带宽、灵敏度等 指标。
这些不同种类的三维脉冲电场传感器，都 没有对灵敏度、动态范围、测试带宽等一些关键 指标进行说明，未见后续报道。其研究尚处于 初期阶段，一些关键的指标还需要进一步改进。
1.2.3无源外部电光调制传感器
智能控制方法
该类传感器利用某些晶体的物理效应，即晶体的相位、偏振态等对电场比较敏感的特性 来实现脉冲电场的测量。其测试原理为，当激 光器输出的偏振光进入晶体时，在外加电场的 作用下，偏振光的相位等信息会随着外加电场 的大小而改变，从而实现电场信息对光波的调 制。然后，对调制后光波进行光电转换，这样就 可以还原被测电场信息，实现脉冲电场测试。理论上讲，由于晶体的非金属结构，
不会对被测 电场产生影响。同时，由于晶体探头的无源特 性，无需外加电源进行供电。因此，国内外学者 对晶体结构传感器也进行了大量研究。根据偏 振光与电场强度的关系，可以分为Kerr效应电 场传感器、Pockels盒电场传感器以及集成光波 导电场传感器。1.2.3.1Kerr效应电场传感器
Kerr效应是指介质折射率与电场平方成正比的电感应双折射现象，在外电场的作用下，各向同性的介质会呈现出光学上的各向异性, 如一束线性偏振光在进人介质后，在外电场的 作用下，会折射为两束方向相同，速度不同的偏 振光，从而产生相位差。利用介质的此种特性，通过光相位的变化得到光强度的变化，从而还 原得到外加电场的信息。20世纪70年代，Markus.Z等人119]首创Kerr光-电场图测量法，实现了多种介质在高压下电场分布的测量，效 果可观。吴昊等人[2°]建立了一套基于Kerr效 应的测量平台，实现了油中空间的电场。虽然 Kerr盒在实际电场测试中得到应用，但由于其 输出与被测电场的平方成正比关系，无法直接 测量得到电场的时域波形。并且其结构复杂，体积较大，将其应用于脉冲电场测试时实用性 较差。
1.2.3.2 Pockels盒电场传感器
Pokels效应同Kerr效应原理相类似，其介 质的折射率与电场的大小呈线性关系。因此，可直接利用Pokels效应测量得到电场的时域 波形。1982年，K.Hidaka等人[211研制了测量 电晕放电的Pokels盒电场传感器。1996年，王 云才等人[221利用Pockels效应对超快电信号进 行了无扰测量。2005年开始，
美国海军实验室 开始对Pockels盒电场传感器进行研究，并研制 了基于Pokcels盒电场传感器[23_M]，该传感器 基于KDP晶体设计，具有低噪声、集成度强等 优点。
总之，不管是Kerr盒还是Pockels盒电场 传感器，由于其非金属结构，在测量过程中都不 会对被测电场产生影响，但由于此类传感器灵 敏度较低、结构复杂、稳定性差等缺点，在制作 此类传感器时，难度较大，成本较高。
1.2.3.3 集成电光调制电场传感器
集成光波导传感器最早由美国海军研究实 验室于1980年研制而成[25]，该传感器基于LiNb03 (LN)设计而成，相比于Kerr盒和 Pockels盒电场传感器，其具有频带宽、对被测 场干扰小、灵敏度较高等优点，因而被美、日等 国家研究人员广泛关注。集成光波导传感器本
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质上就是一个马赫-增德（M aC h-Zender,M-Z)干涉仪，其理论基础仍然是Pockels效应。如 图2所示。
图2集成光波导传感器原理图
值得注意的是，此类传感器需要外加电极 和天线，由于电极和天线的金属结构，会对被测 场产生影响，同时，也会限制系统的高频响应。为此，K •ajima等人通过磁控溅射等技术，成 功将天线长度从厘米降到毫米级，大大降低了 传感器中金属部件的尺寸，也使得传感器对被 测电场的干扰大大降低。
国内对M-Z型集成光波导传感器的研究 进行的较晚，电子科技大学团队于2000年开始 对集成光波导电场传感器进行研究，并于2009 年制作出最大可测场强达245 kV/m的光波导 传感器，2012年又报道了一种带宽可达18 GHz，灵敏度为400 m V/m的集成光波导传感器[^28]。清华大学、西北核技术研究所等机构 也对光波导电场传感器进行了研究，也取得了 一定的进展[〜3°]。
无电极的M-Z集成光波导电场传感器[31]是在LiNb03上利用离子交换技术，在其中一个 波导臂上制作出一定宽度的畴反转区，另一个 波导臂正常。这样，具有畴反转区的波导臂的 光相位会提前，正常波导臂的光相位滞后，从而 形成推挽调制，以此来提高传感器灵敏度。美 国SRIC0公司制作出一种带宽为10 H z ~ 1GHz的，可测场强为10 V/m~ 10 KV/m的全 介质光波导传感器。
传统的M-Z集成光波导电场传感器由于 需要外加天线和电极，会对被测电场产生影响，经特殊方法制备的全介质光波导电场传感器虽 然避免了这一问题，但畴反区的制备增加了生 产成本和制作难度。同时，由于LiNbO，对温度 敏感的特点，在测试时，由于温度的变化会导致晶体光轴方向产生附加电场，从而使传感器的 固有相位差发生改变，导致传感器工作点漂移，偏离线性区，造成测量误差。
为了解决M-Z型集成光波导电场传感器 的线性工作点漂移问题，S•Thaniyavam等 人[31]提出了耦合干涉仪（CI)型和共路干涉仪 (CPI)型集成光波导电场传感器，此种类型传 感器具有一个天然的线性工作点。2013年，J. Hongsik等人[32]也研制了一种C I型集成光波 导电场传感器，该传感器采用偶极子天线作为 其接收天线，在一定电场范围内，有良好的线性 表现。该类型传感器具有天然的线性工作点，但其制备工艺比较烦琐，需要完全对称的光波 导耦合器。所以，此种类型传感器的实现很大 程度上取决于制作工艺的水平。
基于LiNb03所设计的集成光波导传感器，通过加装天线和电极的方法，虽然可以有效解 决传感器的带宽和灵敏度问题，但金属结构的 天线和电极又会对被测电场产生扰动。最主要 的是由于LiNb03对温度比较敏感的晶体特性，在测试过程中，存在工作点漂移的问题，造成测 试误差。C I型和CPI型集成光波导传感器虽 然可以在一定电场范围内保持工作点的稳定，但对制备工艺要求很高，实际应用较为困难。
总体来说，应用无源电光调制法来实现对 脉冲电场的测试，存在复杂程度高、制作难度 大、价格昂贵等缺点。虽然目前一些机构对无 源电光调制电场传感器有了一定的进展，制作 了部分样机，但在实际应用中还存在工作点漂 移、插人损耗过大、无法消除压电震荡等缺点。
2各类传感器优缺点总结
2.1 D-dot传感器
优点：D-dot传感器是最早用来进行瞬态 脉冲电场测试的传感器，其具有结构简单、无 源、一旦标定传感器尺寸确定无需定期标定等 优点。
缺点：D-dot传感器的输人和输出在时域 上呈微分关系。因此，想要获得其时域波形还 需要加装积分器等部件，而积分器的性能往往 会限制测试系统的带宽。另外，由于其采用同 轴电缆进行信号传输，电缆的金属结构带来的
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led显指数电磁干扰等，往往会使测量结果产生误差。虽 然可以使用光纤代替同轴电缆，但外加的电光 转换模块售价很高。
2.2有源电光调制一维瞬态电场传感器
优点：测试原理简单、被测电场同输出信号 成正比、性价比高。同时由于采用光纤代替同 轴电缆，可以实现远距离的信号传输。
缺点：由于传感器是有源的，因此，内部需 要电池供电，而电池的容量有限，连续测试时会 导致传感器的续航能力不足。同时由于屏蔽外 壳的金属结构，会对被测电场产生一定的扰动，影响测试结果。最主要的是，由于一维天线具 有方向性，无法完全反应出空间电场的信息。2.3有源电光调制三维瞬态电场传感器
优点：除了具备一维瞬态电场传感器的优 点，其最大的特点是不受电场传感器位置的限 制，可以实现电场的全空间测量。
缺点：屏蔽外壳会对被测电场产生一定的 扰动，三维测试时还要考虑天线之间的极间耦 合和三维信号的合成等问题，国内对这方面的 研究较少。
2.4无源电光调制电场传感器
优点：晶体结构的传感器不会对被测电场 产生扰动，而且由于传感器是无源的，因此不会 再外加电源进行供电。
缺点：纯晶体结构的传感器如（Kerr盒电 场传感器和Pockels盒电场传感器）虽然不会 对被测场产生扰动，但其测试敏感度较低，一般 只用来进行强场测试。而基于LiNb03的集成 光波导电场传感器，虽然灵敏度提高了 ，但外加 了电极和天线，同样会对被测场产生影响。而 且由于LiN bO Jt温度较为敏感，在实际测试中，往往存在传感器工作点漂移，偏离线性区的 问题，造成测量误差。虽然有学者提出了稳定 工作点的方案，但对制备工艺要求较高，价格昂 贵。而且，在实际应用中，此类传感器还有插入 损耗过大、无法消除压电震荡等缺点。因此，对 于此类传感器还需要进一步的研究。
3展望
随着各类脉冲电场传感器的不断涌现，作 为其应用前提的时频域校准以及波形重建和动 360态性能补偿方面的研究需求也越来越紧迫，而目
前国内外对于此方面的研究尚处于起步阶段。
对于传感器而言，对其进行校准是应用的
先决条件，而校准系统的不确定度则反映了校
准结果的准确度和可信程度。对于电场传感器
的校准，目前可供参考的标准主要是ffiEE Std
1309-1996《90 kHz-40 GHz电磁场传感器或探
头的校准（不包括天线）》，而国内还没有相关
的标准，也没有一些完善的校准平台的建立和
节能炉子整个校准系统的不确定度评定，这也使得各单
位自行研制的电场传感器在走向实际工程应用
中受到了限制。此外，考虑到脉冲电场具有快
时变、宽频带的特点，在进行脉冲电场测试时，
会出现一些时域波形的失真以及动态性能不稳
定的情况。因此，也需要对脉冲电场测试时的
波形重建以及动态建模等方面进行深人扩展，
以进一步提高其模型表征电场传感器的能力，
实现测试的动态性能补偿。
同时，针对目前常用脉冲电场传感器的优
缺点，在未来的研究中，还可以在以下两个方面
进行改善。（1)开发远程激光供电设备，对有
源电光调制传感器进行供电，来解决其续航能
力不足的问题。（2)对有源电光调制传感器的
结构进行优化，从硬件上最大限度减小其对被
测电场的干扰。同时，将测试重点放在如何实
现宽频带、大线性动态范围、高灵敏度以及微干
扰的全向测试。
4结论
本文主要对脉冲电场传感器的研发现状和特
点进行了分析，主要进行了以下几方面的工作：
(1) 根据传感器测量原理的不同，将传感 器分为直接感应式电场传感器和电光调制式电
场传感器。对于电光调制式的电场传感器，又
根据传感器内部有无供电电源，将其分为有源
电光调制传感器和无源电光调制传感器。
(2) 按照时间顺序，对脉冲电场传感器的 研发现状进行了综述，并对各类传感器的优缺
理疗环
点进行了归纳总结。
(3) 对脉冲电场传感器的发展进行了展望，指出脉冲电场传感器在未来的应用中，还应
加强时频域校准、动态性能补偿、远程供电技术
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