CN102928713B - 一种磁场天线的本底噪声测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场天线的本底噪声测量方法，采用测量加数学计算结合的方式，利用一致性较好的两根天线和谱密度计算方法，得到等效的天线输出电压噪声信号，其特征在于，其步骤包括：标定天线一致性、测量天线输出信号和计算天线电压噪声谱密度。该测量方法不需要额外的测量仪器和屏蔽措施，克服了直接测量天线的本底噪声时磁屏蔽效果差、测量结果不准确的缺陷，同时该方法适合不同灵敏度的天线，特别适合高精度磁场天线的本底噪声测量。
Description
技术领域
本发明属于磁场测量领域，特别涉及一种磁场天线的本底噪声测量方法。
背景技术
在磁场测量应用中，天线作为系统最前端，其噪声水平与信号探测能力密切相关。如何测量其天线的噪声水平，问题比较复杂。这是因为，有用磁场信号由于衰减极快，信号强度往往很微弱，其量级可能会与环境磁场处于同一量级或者小于环境磁场，因此很难将有用磁场从环境磁场中分离；另外，环境磁场信号分布极广且来源多样，因此很难得到环境磁场的变化规律。由此带来测量及标定困难等一系列问题。
现有技术一般采用直接测量：在磁屏蔽室内，对磁场天线的输出电信号进行测量，得到输出级电压噪声。存在的问题是：激励源发出的标准磁场信号被环境磁场所淹没，而且对磁屏蔽室要求很高，成本极高，效果不理想，尤其是低频磁场和地磁场，理论上磁屏蔽的效果很差，难以保证磁屏蔽室内的磁场信号接近于零，使得直接测量天线的本底噪声很困难。
针对这个问题，设计一种间接的测量计算方法，采用测量加数据分析方式，利用一致性较好的两根天线和谱密度计算方法得到等效的天线输出电压噪声信号。所谓一致性较好是指同样的环境下天线的幅频响应和相频响应基本一致，这样可以保证两个天线在同样的激励下输出信号是一致的；功率谱密度是指对于具有连续频谱和有限平均功率的信号或噪声，表示其频谱分量的单位带宽功率的频率函数；电压谱密度是指将功率谱密度进行折算，取得其开方信号，用于表示电压与频率的关系。
下面给出本技术方案的原理。根据信号与系统理论，时域离散信号的输出为输入信号与系统传递函数的卷积。
天线1的输出为y1[n]=h[n]*(x[n]+n1[n])；
天线2的输出为y2[n]=h[n]*(x[n]+n2[n])；
其中，h(n)为天线的响应函数（当两个天线一致性好时，其响应函数为同一函数）；
x（n）为环境磁场，当天线距离较近时磁场可认为是一样的；
n1(n)为天线1的等效输入本底噪声，n2（n）为天线2的等效输入本底噪声，这两个信号是随机信号，其数据上是不相关的；
y1(n)为天线1的输出信号，y2（n）为天线2的输出信号，这两个信号是对输入的环境磁场和等效输入本底噪声的响应，这里面包括环境磁场的输出信号，属于基本一致的信号，可以通过对y1(n)和y2(n)差分掉；而本底噪声的响应是不相关的，可通过数据的谱密度得到天线的输出噪声电压谱密度。
发明内容
发明目的：针对直接测量天线的本底噪声时磁屏蔽效果差、测量不准确这个问题，发明一种间接的磁场测量方法，以得到等效的天线输出电压噪声信号。
技术方案：一种磁场天线的本底噪声测量方法，采用测量加数学计算结合的方式，利用一致性较好的两根天线和谱密度计算方法，得到等效的天线输出电压噪声信号，其步骤包括标定天线一致性，测量天线输出信号和计算天线电压噪声谱密度；
一、标定天线一致性
该步骤目的是保证两根天线本身的传递函数一致，标定时分为如下三步：1）首先选取设计完全一致的两根天线，包括所有的电气参数，材料，结构设计等；2）其次构建合适的磁场环境，必要时可在屏蔽室内；使激励源具有一致性，产生恒定均匀磁场源，并通过安装位置、磁场环境等保证输入磁场在两根天线的入口处是一致的；3）然后通过扫频，分别测量在不同频率下的两根天线的幅频和相频响应，如量值偏差在一定范围内（如为测量仪器的分辨率的10倍以内），则标定了两根天线的一致性；
二、测量天线输出信号
该步骤使用前面标定了一致性的两根天线；天线摆放位置保证天线的输入信号是一致的，在磁场变化较稳定的环境下，可采用天线平行放置，并且距离保持在两米以内；保证两者的工作电气特征和数据记录系统的一致性；记录下两根电线同一时刻的输出y1(n)和y2(n)；
三、计算噪声电压谱密度
该步骤过程如下：数据分段并加窗函数；使用数学方法分段计算功率谱密度；求取所有段的功率谱密度平均值；功率谱密度转换为电压谱密度；计算电压谱密度可采用任何数学方法，但要保证计算过程的收敛和较高的计算灵敏度，如采用Welch方法等；
下面给出一种计算方法，设定N点长的有限长序列X[n]，分成L端数据（每段数据有50％的重叠），每段有M个数据；
序列的分段数L表示为，其中fix表示取整数；
分段后每段数据表示为：
Xi(n)＝X[n+(i-1)M]w[n+(i-1)M]
其中，0≤n≤M-1,1≤i≤L,w[n+(i-1)M]为长度为M的窗函数；
然后使用Welch方法对每一段M个样本进行FFT运算，取模平方，并估算功率谱密度，即：
其中为归一化因子，其保障由上述方法得到的功率谱估计是无偏估计；
然后求出所有L段数据功率谱的平均值，即：
然后将整个序列的平均功率谱估计除以2并开方，得到单位为V/Hz1/2的天线噪声电压谱密度，公式为：
本发明的优点和有益效果：本发明方法不需要额外的测量仪器和屏蔽措施，利用测量与数学计算方法得到本底的噪声电压，克服了直接测量天线的本底噪声时磁屏蔽效果差、测量结果不准确的缺陷；同时，本方法适合不同灵敏度的天线，特别适合高精度磁场天线的本底噪声测量。
附图说明
图1是本发明方法流程示意框图；
图2是本发明方法步骤一的流程示意框图；
图3是本发明方法步骤二的流程示意框图；
图4是本发明方法步骤三的流程示意框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
一种磁场天线的本底噪声测量方法，采用测量加数学计算结合的方式，利用一致性较好的两根天线和谱密度计算方法，得到等效的天线输出电压噪声信号，其步骤包括标定天线一致性，测量天线输出信号和计算天线电压噪声谱密度；
一、标定天线一致性
该步骤保证两根天线本身的传递函数一致，标定时分为如下三步：1）首先选取设计完全一致的两根天线，包括所有的电气参数，材料，结构设计等；2）其次构建合适的磁场环境，必要时可在屏蔽室内；激励源具有一致性，产生恒定均匀磁场源，并通过安装位置、磁场环境等保证输入磁场在两根天线的入口处是一致的；3）然后通过扫频，分别测量在不同频率下的两根天线的幅频和相频响应，如量值偏差在一定范围内（如为测量仪器的分辨率的10倍以内），则标定了两根天线的一致性；
二、测量天线输出信号
该步骤使用前面标定了一致性的两根天线；天线摆放位置保证天线的输入信号是一致的，在磁场变化较稳定的环境下，可采用天线平行放置，并且距离保持在两米以内；保证两者的工作电气特征和数据记录系统的一致性；记录下两根电线同一时刻的输出y1(n)和y2(n)；
三、计算噪声电压谱密度
该步骤过程如下：数据分段并加窗函数；使用数学方法分段计算功率谱密度；求取所有段的功率谱密度平均值；功率谱密度转换为电压谱密度；计算电压谱密度可采用任何数学方法，但要保证计算过程的收敛和较高的计算灵敏度，如采用Welch方法等；
下面给出一种计算方法，设定N点长的有限长序列X[n]，分成L端数据（每段数据有50％的重叠），每段有M个数据；
序列的分段数L表示为，其中fix表示取整数；
分段后每段数据表示为：
Xi(n)＝X[n+(i-1)M]w[n+(i-1)M]
其中，0≤n≤M-1,1≤i≤L,w[n+(i-1)M]为长度为M的窗函数；
然后使用Welch方法对每一段M个样本进行FFT运算，取模平方，并估算功率谱密度，即：
其中为归一化因子，其保障由上述方法得到的功率谱估计是无偏估计；
然后求出所有L段数据功率谱的平均值，即：
然后将整个序列的平均功率谱估计除以2并开方，得到单位为V/Hz1/2的天线噪声电压谱密度，公式为：
图1是本方法流程示意框图；图2、图3、图4分别是本方法步骤一、二、三的流程示意框图。
本发明方法不需要额外的测量仪器和屏蔽措施，利用测量与数学计算方法得到本底的噪声电压，克服了直接测量天线的本底噪声时磁屏蔽效果差、测量结果不准确的缺陷；同时，该方法适合不同灵敏度的天线，特别适合高精度磁场天线的本底噪声测量。
Claims (5)
1.一种磁场天线的本底噪声测量方法，采用测量加数学计算结合的方式，利用一致的两根天线和谱密度计算方法，得到等效的天线输出电压噪声信号，其特征在于，其步骤包括：标定天线一致性、测量天线输出信号和计算噪声电压谱密度，标定天线一致性的方法：选取两根一致的天线，在屏蔽室内测量两根天线的响应，扫频测量两根天线的幅频和相频响应；测量天线输出信号的方法：在保证天线输入信号一致、磁场变化稳定的环境下，记录两根天线同一时刻的输出信号；计算噪声电压谱密度时采用功率谱估计Welch算法，功率谱密度平均值除以2并开方得到电压谱密度。
2.如权利要求1所述的磁场天线的本底噪声测量方法，其特征在于，所述标定天线一致性步骤分为如下三步：1)选取设计完全一致的两根天线，包括所有的电气参数，材料，结构设计都相同；2)保证输入磁场在两根天线的入口处的一致性；3)扫频，测量两根天线的幅频和相频响应，如测量值偏差在一定范围内，则标定了两根天线的一致性。
3.如权利要求1所述的磁场天线的本底噪声测量方法，其特征在于，所述测量天线输出信号步骤包括：选取两个已标定一致性的天线；摆放天线，确保天线输入磁场信号的一致性；确保天线电气工作条件及记录系统的一致性；两个天线分别记为天线1和天线2，记录两个天线的输出，分别对应为y1(n)和y2(n)；
h(n)为天线的响应函数，x(n)为环境磁场，n1(n)为天线1的等效输入本底噪声，n2(n)为天线2的等效输入本底噪声；
根据信号与系统理论，时域离散信号的输出为输入信号与系统传递函数的卷积：
天线1的输出为y1[n]＝h[n]*(x[n]+n1[n])；
天线2的输出为y2[n]＝h[n]*(x[n]+n2[n])。
4.如权利要求1所述的磁场天线的本底噪声测量方法，其特征在于，所述计算噪声电压谱密度步骤过程如下：数据分段并加窗函数；使用Welch算法分段计算功率谱密度；求取所有段的功率谱密度平均值；功率谱密度平均值转换为电压谱密度。
5.如权利要求4所述的磁场天线的本底噪声测量方法，其特征在于，所述计算噪声电压谱密度的具体步骤如下：
设定N点长的有限长序列X[n]，分成L段数据，每段数据有50％的重叠，每段有M个数据；
序列的分段数L表示为，
其中fix表示取整数；
分段后每段数据表示为：
Xi(n)＝X[n+(i-1)M]w[n+(i-1)M]
其中，0≤n≤M-1,1≤i≤L,w[n+(i-1)M]为长度为M的窗函数；
然后使用Welch方法对每一段M个样本进行FFT运算，取模平方，并估算功率谱密度，即：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190524 Address after: 100089 No. 218, Building 4, No. 5 Hospital, Shangdi East Road, Haidian District, Beijing Co-patentee after: BEIJING SIKUIDE QUANTUM TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee after: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Address before: 100085 No. 218, Building 4, No. 5 Hospital, Shangdi East Road, Haidian District, Beijing Co-patentee before: Beijing Superconduct-Tech Incubator Ltd. Patentee before: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Co-patentee before: BEIJING SIKUIDE QUANTUM TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A method for measuring background noise of magnetic field antenna Effective date of registration: 20211222 Granted publication date: 20170919 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.|BEIJING SIKUIDE QUANTUM TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980015861 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170919 |