CN102944765B - 一种低频段磁传感器本底噪声测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，适用于在野外环境下，或在大型的屏蔽室内测量低频段磁传感器的本底噪声。分别调整两根磁传感器的幅频和相频响应特性为一致，两传感器距离2~2.5米水平平行放置，两端平齐，传感器感应到同样的自然水平场信号，属于相关信号，通过差分方法可去掉自然场信号，而两根传感器的本底噪声是不相关的随机信号，差分后的信号能量为两根传感器的噪声能量之和。计算差分后信号的平均功率谱，平均功率谱除以2并开方，依据磁传感器的输出灵敏度换算出单根传感器的本底噪声。本发明可准确测得低频段磁传感器在响应带宽内的本底噪声，相比理论分析方法，能更加准确地反映磁传感器的实际噪声水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁传感器噪声测量方法，尤其是涉及一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，适用于在野外环境下，或在大型的屏蔽室内测量低频段磁传感器的本底噪声。
背景技术
放大电路中存在多种噪声，主要有三种，即热噪声、1/f噪声和散粒噪声，在设计低频段磁传感器时，低频放大器中1/f噪声尤为明显，以及磁传感器的感应线圈、磁芯等都会引入噪声。为保证低频段磁传感器的使用性能，要求传感器本底噪声尽量的低，其本底噪声要比感应到的自然电磁场信号低20dB甚至更多。但在一般的自然环境下，由于工频等人文噪声以及由雷电辐射出低频电磁噪声的存在，磁传感器响应到的低频段自然电磁场信号要比本底噪声高得多，一般的方法难以测出传感器的本底噪声。
现有磁传感器本底噪声分析方法，是根据传感器的设计结构和原理，通过理论分析各设计模块的噪声，如传感器感应线圈的热噪声、磁芯损耗噪声、前置放大器的噪声等，从而获得整个磁传感器的噪声情况。但通过理论分析获得的磁传感器背景噪声准确性较差，一般比实际噪声小，不能准确判别磁传感器的性能。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
一致性调整步骤：将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，并通过向均匀磁场产生装置依次输入强度固定、频率不同以及相同相位的扫频信号，并调整磁传感器的幅频响应曲线使其与设计目标曲线一致；将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，并通过向均匀磁场产生装置依次输入强度固定、频率不同以及相同相位的扫频信号，并调整磁传感器的幅频响应曲线使其与设计目标曲线一致；
本底噪声差分测量步骤：将一号、二号磁传感器水平平行放置后通过一号、二号磁传感器的输出数据得到一号、二号磁传感器的差分输出，得到传感器的本底噪声数据；并计算噪声的平均功率谱，并通过噪声的平均功率谱中得到的电压谱数据换算出磁传感器本底噪声。
本发明采用将两根磁传感器水平平行放置，两端平齐，当传感器响应特性一致时，传感器感应到同样的自然水平场信号，属于相关信号，通过差分方法可去掉自然场信号，而两根传感器的本底噪声是不相关的随机信号，差分后的信号能量为两根传感器的噪声能量之和。
通过matlab验证如下，两个(0,1)正态分布随机信号分别为：
a=randn(1,10000)； b=randn(1,10000)；
a+b和a-b的标准方差都约等于 ，噪声能量为a、b两随机噪声分量之和。因此，通过输出信号的差分可将两根磁传感器感应到的自然场信号去除，差分后的信号为两传感器的噪声能量之和。
在上述的一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，所述的一致性调整步骤具体包括以下子步骤：
步骤2.1，将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，一号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪1输入端，动态信号分析仪1显示一号磁传感器的幅频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.2，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，一号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪1输入端，使用动态信号分析仪1的差分功能，将一号磁传感器输出信号与动态信号分析仪1输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪1显示一号磁传感器的相频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.3，将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，二号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪1输入端，动态信号分析仪1显示二号磁传感器的幅频响应曲线；调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.4，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，二号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪1输入端，使用动态信号分析仪1的差分功能，将二号磁传感器输出信号与动态信号分析仪1输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪1显示二号磁传感器的相频响应曲线；调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致。
在上述的一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，所述具体包括以下子步骤：
步骤3.1，将一号、二号磁传感器水平平行放置，两传感器距离为2～2.5米，记录一号、二号磁传感器的输出数据分别为Hx(n)、Hy(n)，得到一号、二号磁传感器的差分输出C(n)＝Hx(n)－Hy(n)；n表示一号、二号磁传感器输出数据的点数；
步骤3.2，计算噪声的平均功率谱：将差分数据C(n)分段求功率谱密度，n点的有限长序列C(n)，分成L段数据，分别计算每一段数据的瞬时功率谱，求出所有L段数据功率谱的平均值，即：
式一；
其中0≤i≤L，表示第i段数据，
式一为差分输出信号C(n)的平均功率谱估计，然后将除以2并开方，得到单位为的单根传感器噪声电压谱：
式二；
步骤3.3，磁传感器本底噪声换算，即根据磁传感器的设计指标“输出灵敏度”，即磁传感器输出电压与磁场强度的转换关系，将单位为的电压谱数据转换为单位为
的磁传感器本底噪声数据，得到磁传感器在整个响应带宽内本底噪声曲线。
因此，本发明具有如下优点：本发明可准确测得磁传感器在响应带宽内的本底噪声，相比根据传感器的设计结构和原理，通过理论分析获得传感器背景噪声大小的方法，能更加准确地反映磁传感器的实际噪声水平。
附图说明
图1 为本发明实施例磁传感器一致性检测及调整示意图。
图2 为本发明实施例磁传感器平行测试及数据采集示意图。
图3 为本发明实施例磁传感器输出灵敏度曲线示意图。
图4 为本发明实施例磁传感器本底噪声测试结果示意图。
附图中附图标记名称为：1－动态信号分析仪（SR785），2－磁天线，3－信号电缆，4－采集设备（CEMT-01）。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，包括以下步骤：
一致性调整步骤：将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，并通过向均匀磁场产生装置依次输入强度固定、频率不同以及相同相位的扫频信号，并调整磁传感器的幅频响应曲线使其与设计目标曲线一致；将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，并通过向均匀磁场产生装置依次输入强度固定、频率不同以及相同相位的扫频信号，并调整磁传感器的幅频响应曲线使其与设计目标曲线一致；
本底噪声差分测量步骤：将一号、二号磁传感器水平平行放置后通过一号、二号磁传感器的输出数据得到一号、二号磁传感器的差分输出，得到传感器的本底噪声数据；并计算噪声的平均功率谱，并通过噪声的平均功率谱中得到的电压谱数据换算出磁传感器本底噪声。
所述的一致性调整步骤，具体包括以下子步骤，以下以编号为步骤2来表述：
步骤2.1，将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，一号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪1输入端，动态信号分析仪1显示一号磁传感器的幅频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.2，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，一号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪1输入端，使用动态信号分析仪1的差分功能，将一号磁传感器输出信号与动态信号分析仪1输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪1显示一号磁传感器的相频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.3，将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，二号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪1输入端，动态信号分析仪1显示二号磁传感器的幅频响应曲线；调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.4，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，二号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪1输入端，使用动态信号分析仪1的差分功能，将二号磁传感器输出信号与动态信号分析仪1输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪1显示二号磁传感器的相频响应曲线；调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致。
所述一致性调整步骤，具体包括以下子步骤还有：
步骤3.1，将一号、二号磁传感器水平平行放置，两传感器距离为2～2.5米，记录一号、二号磁传感器的输出数据分别为Hx(n)、Hy(n)，得到一号、二号磁传感器的差分输出C(n)＝Hx(n)－Hy(n)；n表示一号、二号磁传感器输出数据的点数；
步骤3.2，计算噪声的平均功率谱：将差分数据C(n)分段求功率谱密度，n点的有限长序列C(n)，分成L段数据，分别计算每一段数据的瞬时功率谱，求出所有L段数据功率谱的平均值，即：
式一；
其中0≤i≤L，表示第i段数据，
式一为差分输出信号C(n)的平均功率谱估计，然后将除以2并开方，得到单位为的单根传感器噪声电压谱：
式二；
步骤3.3，磁传感器本底噪声换算，即根据磁传感器的设计指标“输出灵敏度”，即磁传感器输出电压与磁场强度的转换关系，将单位为的电压谱数据转换为单位为的磁传感器本底噪声数据，得到磁传感器在整个响应带宽内本底噪声曲线。
再进一步地说明如下：选择远离城市、工业区等人文噪声源的安静电磁环境区域，利用矩形线圈作为均匀磁场产生装置，通过具备信号源功能的SR785动态信号分析仪1输出扫频信号至矩形线圈，磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入SR785动态信号分析仪1输入端，显示为磁传感器的幅频响应曲线或相频响应曲线。磁传感器一致性检测及调整示意图如图1所示。
（1）一致性调整步骤
（1.1）将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，一号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪1输入端，动态信号分析仪1显示一号磁传感器的幅频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致。
（1.2）动态信号分析仪1向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，一号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪1输入端，使用动态信号分析仪1的差分功能，将一号磁传感器输出信号与动态信号分析仪1输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪1显示一号磁传感器的相频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致。
（1.3）将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，重复子步骤（1.1），得到二号磁传感器的幅频响应曲线，调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致。
重复子步骤（1.2），得到二号磁传感器的相频响应曲线，调整磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致。
（2）本底噪声测量
（2.1）将两根磁传感器水平平行放置，两传感器距离为2米，并在地上挖出15cm深度的槽，将磁传感器放在槽中，用水平仪检测并确保两根传感器水平平行，用泥土覆盖传感器，以免附近人类活动或风力吹动等导致传感器振动而影响测试结果。利用采集设备4,选用现有的大地电磁探测仪CEMT-01记录两根磁传感器的输出数据。磁传感器平行测试及数据采集示意图如图2所示，信号通过信号电缆3传输，图中所示2为磁性天线。
（2.2）CEMT-01记录一号、二号磁传感器的输出数据分别为Hx(n)、Hy(n)，得到一号、二号磁传感器的差分信号C(n)＝Hx(n)－Hy(n)；n表示一号、二号磁传感器输出数据的点数；计算差分信号C(n)的平均功率谱，然后除以2并开方，得到单位为的单根磁传感器噪声电压谱。
（2.3）已知所测试的磁传感器输出灵敏度曲线如图3所示，磁传感器的噪声电压谱除以输出灵敏度，即得到磁传感器本底噪声曲线。磁传感器本底噪声测试结果示意图如图4所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
一致性调整步骤：将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，并通过向均匀磁场产生装置依次输入强度固定、频率不同以及相同相位的扫频信号，并调整磁传感器的幅频响应曲线使其与设计目标曲线一致；将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，并通过向均匀磁场产生装置依次输入强度固定、频率不同以及相同相位的扫频信号，并调整磁传感器的幅频响应曲线使其与设计目标曲线一致；
本底噪声差分测量步骤：将一号、二号磁传感器水平平行放置后通过一号、二号磁传感器的输出数据得到一号、二号磁传感器的差分输出，得到传感器的本底噪声数据；并计算噪声的平均功率谱，并通过噪声的平均功率谱中得到的电压谱数据换算出磁传感器本底噪声；
具体包括以下子步骤：
步骤1，将一号、二号磁传感器水平平行放置，两传感器距离为2～2.5米，记录一号、二号磁传感器的输出数据分别为Hx(n)、Hy(n)，得到一号、二号磁传感器的差分输出C(n)＝Hx(n)－Hy(n)；n表示一号、二号磁传感器输出数据的点数；
步骤2，计算噪声的平均功率谱：将差分数据C(n)分段求功率谱密度，n点的有限长序列C(n)，分成L段数据，分别计算每一段数据的瞬时功率谱 ，求出所有L段数据功率谱的平均值，即：
式一；
其中0≤i≤L，表示第i段数据，
式一为差分输出信号C(n)的平均功率谱估计，然后将除以2并开方，得到单位为的单根传感器噪声电压谱：
式二；
步骤3，磁传感器本底噪声换算，即根据磁传感器的设计指标“输出灵敏度”，即磁传感器输出电压与磁场强度的转换关系，将单位为的电压谱数据转换为单位为的磁传感器本底噪声数据，得到磁传感器在整个响应带宽内本底噪声曲线。
2.根据权利要求1所述的一种低频段磁传感器本底噪声测量方法，其特征在于，所述的一致性调整步骤具体包括以下子步骤：
步骤2.1，将一号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，一号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪输入端，动态信号分析仪显示一号磁传感器的幅频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.2，动态信号分析仪向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，一号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪输入端，使用动态信号分析仪的差分功能，将一号磁传感器输出信号与动态信号分析仪输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪显示一号磁传感器的相频响应曲线；调整一号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.3，将二号磁传感器放置于均匀磁场产生装置中，动态信号分析仪向均匀磁场产生装置输出强度固定、频率不同的扫频信号，二号磁传感器感应均匀磁场后的输出信号接入动态信号分析仪输入端，动态信号分析仪显示二号磁传感器的幅频响应曲线；调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的幅频响应曲线与设计目标曲线一致；
步骤2.4，动态信号分析仪向均匀磁场产生装置输出相同相位的扫频信号，二号磁传感器响应均匀磁场后的输出信号送入动态信号分析仪输入端，使用动态信号分析仪的差分功能，将二号磁传感器输出信号与动态信号分析仪输出给均匀磁场产生装置的扫频信号差分，动态信号分析仪显示二号磁传感器的相频响应曲线；调整二号磁传感器中前放电路板的电路参数，使磁传感器的相频响应曲线与设计目标曲线一致。
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