CN104020366B - 一种确定接收机天线灵敏度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定接收机天线灵敏度的方法，包括以下步骤：第一步，确定磁场/电压转换系数K；第二步，确定零输入下的接收机天线输出噪声电压V_noise；第三步，反推灵敏度，根据天线输出的噪声电压和磁场‑电压转换系数得到天线的灵敏度。本发明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灵敏度时磁屏蔽效果差、测量结果不准确的缺陷；利用测量数据和数学运算，从而得到接收机天线的等效输入信号，得到其灵敏度指标，是一种低成本高灵活性的方案。

Description

一种确定接收机天线灵敏度的方法

技术领域

本发明属于磁场测量领域，特别涉及一种天线灵敏度的确定方法。

背景技术

在军用磁场测量与通信领域，常采用长波信号作为远距离通信手段，其信号以磁场信号形式，主要由地表波形式传播。发射台磁场信号经远距离传播后，与外界的相对较强背景磁场信号相互叠加，共同进入接收机的输入端，由于发射台磁场信号由于衰减非常大，往往远小于背景磁场，因此接收机的接收灵敏度显得非常关键。

而天线作为系统最前端，其功能是将磁场信号转换为电信号，其灵敏度是系统的最重要指标之一。由于磁场信号极其微弱，量级常在10^-14T，因此很难直接测量其接收机的灵敏度。

在磁场接收机应用中，天线作为系统最前端，其灵敏度决定了系统的通信距离，通信深度等一系列问题，是发射台和接收机的整体通信链路设计的重要参考要素。如何测量接收机天线的灵敏度，问题比较复杂。这是因为，发射台信号由于长距离传输及磁场衰减极快，因此信号强度往往很微弱，因此很难利用直接测量的方法将有用磁场从环境磁场中分离；磁场屏蔽室虽然在测量时可以屏蔽一些背景磁场，但其一般屏蔽室屏蔽效果很有限；高屏蔽效果的屏蔽室造价极高，考虑到环境磁场信号分布极广且来源多样，尤其难以屏蔽低频段信息。

为确定天线灵敏度的问题，目前主要采取的技术手段为两种。一种利用“重屏蔽室”直接测量方法。所谓重屏蔽室，是指屏蔽效果很好，造价极高的屏蔽室，能够比较好的降低环境中的背景磁场信号，从而降低环境磁场信号，尽可能使输入信号为磁场源信号。在这种屏蔽室中，可采用直接给出磁场激励源，探测其电信号输出的方式得到灵敏度；另一种为数值计算方法，通过对天线各部件进行建模，模拟系统的实际运行来对系统性能进行评估，由此得到灵敏度等诸要素。第一种手段中，在屏蔽性能很好的磁屏蔽室内，使用可调磁场源作为接收机信号源，测量其输出电信号进行测量。通过不断降低输出磁场源信号，判断输出电信号的分辨率。当输出电信号的达到最小分辨率时，读取其输出磁场大小，由此得到天线灵敏度。实现时磁屏蔽室要求很高，成本极高，屏蔽效果不理想。尤其是长波通信所用的低频段，很难实现有效屏蔽，难以保证磁屏蔽室内的磁场信号接近于零，因此天线的输出不能认为只有本底噪声，难以界定噪声和有效信号，造成数据不可信。第二种手段，需要对天线各部件进行详细的建模，工作量非常巨大，其建模效果还需要进行相关试验测定，实际实施中难以评判其有效性。

本发明从此出发，提出一种间接的接收机灵敏度确定方法，通过测量与计算得到接收机天线的灵敏度。

发明内容

发明目的：针对直接测量天线的灵敏度时磁屏蔽效果差、测量不准确这个问题，发明一种间接的接收机灵敏度确定方法，通过测量与计算得到接收机天线的灵敏度。

技术方案：一种确定接收机天线灵敏度的方法，首先确定接收机天线的的磁场-电压转换系数，然后确定零磁场输入下电信号的输出(可认为是电噪声的输出)，再根据天线系统在工作段的幅值响应为线性反推出噪声对应的磁场输入，这个输入称为等效噪声磁场输入，是输入磁场信号分辨率，也就是灵敏度；具体包括以下步骤：第一步，确定磁场/电压转换系数K；第二步，确定零输入下的接收机天线输出噪声电压V_noise；第三步，反推灵敏度，根据天线输出的噪声电压和磁场-电压转换系数得到天线的灵敏度：

所述第一步中，需要在一定效果下的屏蔽室内测量磁场-电源转换系数，如附图2所示，分为如下三小步，分别是1)构建测试磁场环境，2)确定天线幅值响应特性的线性化和3)确定磁场-电压转换系数；

1)构建合理的磁场环境：包括效果较好的屏蔽室，较少的电磁辐射源和高精度的磁场源；屏蔽室要求不高，内部应具有简单的电气环境，尽可能使环境磁场影响小；高精度磁场信号源应具有输出磁场可以调节的能力，并且结构尺寸应足够大，以使输出磁场的均匀度足够；应具有较大的动态范围，激励源的强度应明显大于背景磁场；其输出磁场大小与控制量具有唯一确定的对应关系，可通过计算得到输出磁场大小；

2)使用高精度磁场源确定天线的响应特性的线性化：首先，关闭磁场源，测量天线的输出，记录下此时的电信号E1；然后开启磁场源，选择接收机天线的工作频率中心点f，逐渐加大磁场源大小，记录下多点输出和输入，最终使输出的电信号E2为10E1(之所以确定E2为10E1，是考虑到E1为中等屏蔽室下背景磁场的输出，其量级为数十nT，10E1的大小为数百nT，已经包括自然界稳态磁场的变化范围，已涵盖实际工作中输入磁场的最大幅度)，通过绘图判断是否满足输出和输入的线性度；如不满足，整改天线的增益等使其满足线性要求；

3)通过公式计算磁场信号源在天线入口处的磁场大小Bi和测量输出电压关系Eo，得到磁场电压转换系数K为Eo/Bi，此系数将在第三步反推中使用；

所述第二步中，采用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有关计算方法得到等效的天线输出电压噪声信号；分为如下三小步，分别是1)标定两根天线一致性，2)测量天线输出，3)计算零输入下电压输出；

(1)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：a)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；b)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；c)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；

(2)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；记录下两根天线同一时刻的输出y1(n)和y2(n)；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；

(3)计算噪声电压：该步骤过程如下，天线输出信号的数据分段并加窗函数(具体参见下面给出的一种计算方法)；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，即为噪声电压；

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：

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，公式为：

所述第三步为数据计算，利用第一步所得的系数K和第二步所得的V_noise，计算得到磁场灵敏度为V_noise/K。

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，克服了直接测量天线的灵敏度时磁屏蔽效果差、测量结果不准确的缺陷；利用测量数据和数学运算，从而得到接收机天线的等效输入信号，得到其灵敏度指标，是一种低成本高灵活性的方案。

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。

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。

一种确定接收机天线灵敏度的方法，首先确定接收机天线的的磁场-电压转换系数，然后确定零磁场输入下电信号的输出(可认为是电噪声的输出)，再根据天线系统在工作段的幅值响应为线性反推出噪声对应的磁场输入，这个输入称为等效噪声磁场输入，是输入磁场信号分辨率，也就是灵敏度；具体包括以下步骤：第一步，确定磁场/电压转换系数K；第二步，确定零输入下的接收机天线输出噪声电压V_noise；第三步，反推灵敏度，根据天线输出的噪声电压和磁场-电压转换系数得到天线的灵敏度：

所述第一步中，需要在一定效果下的屏蔽室内测量磁场-电压转换系数，如附图2所示，分为如下三小步，分别是1)构建测试磁场环境，2)确定天线幅值响应特性的线性化和3)确定磁场-电压转换系数；

1)构建合理的磁场环境：包括效果较好的屏蔽室，较少的电磁辐射源和高精度的磁场源；屏蔽室要求不高，内部应具有简单的电气环境，尽可能使环境磁场影响小；高精度磁场信号源应具有输出磁场可以调节的能力，并且结构尺寸应足够大，以使输出磁场的均匀度足够；应具有较大的动态范围，激励源的强度应明显大于背景磁场；其输出磁场大小与控制量具有唯一确定的对应关系，可通过计算得到输出磁场大小；

2)使用高精度磁场源确定天线的响应特性的线性化：首先，关闭磁场源，测量天线的输出，记录下此时的电信号E1；然后开启磁场源，选择接收机天线的工作频率中心点f，逐渐加大磁场源大小，记录下多点输出和输入，最终使输出的电信号E2为10E1(之所以确定E2为10E1，是考虑到E1为中等屏蔽室下背景磁场的输出，其量级为数十nT，10E1的大小为数百nT，已经包括自然界稳态磁场的变化范围，已涵盖实际工作中输入磁场的最大幅度)，通过绘图判断是否满足输出和输入的线性度；如不满足，整改天线的增益等使其满足线性要求；

3)通过公式计算磁场信号源在天线入口处的磁场大小Bi和测量输出电压关系Eo，得到磁场电压转换系数K为Eo/Bi，此系数将在第三步反推中使用；

所述第二步中，采用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有关计算方法得到等效的天线输出电压噪声信号；分为如下三小步，分别是1)标定两根天线一致性，2)测量天线输出，3)计算零输入下电压输出；

(1)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：a)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；b)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；c)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；

(2)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；记录下两根天线同一时刻的输出y1(n)和y2(n)；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；

(3)计算噪声电压：该步骤过程如下，天线输出信号的数据分段并加窗函数(具体参见下面给出的一种计算方法)；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，即为噪声电压；

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：

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，公式为：

所述第三步为数据计算，利用第一步所得的系数K和第二步所得的V_noise，计算得到磁场灵敏度为V_noise/K。

本发明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灵敏度时磁屏蔽效果差、测量结果不准确的缺陷；利用测量数据和数学运算，从而得到接收机天线的等效输入信号，得到其灵敏度指标，是一种低成本高灵活性的方案。

Claims (4)

1.一种确定接收机天线灵敏度的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，确定磁场-电压转换系数K；第二步，确定零输入下的接收机天线输出噪声电压Vnoise；第三步，反推灵敏度，根据天线输出的噪声电压和磁场-电压转换系数得到天线的灵敏度；

其中，所述第一步包括如下三小步，分别是1)构建测试磁场环境，2)确定天线幅值响应特性的线性化和3)确定磁场-电压转换系数；

其中，1)包括构建屏蔽室和磁场源；磁场源具有输出磁场可以调节的能力，磁场源的强度大于背景磁场；

2)使用磁场源确定天线幅值响应特性的线性化：首先关闭磁场源，测量天线的输出，记录下此时的电信号E1；然后开启磁场源，选择接收机天线的工作频率中心点f，逐渐加大磁场源大小，记录下多点输出和输入，最终使输出的电信号E2为10E1，判断是否满足输出和输入的线性度；如不满足，整改天线的增益使其满足线性要求；

3)通过公式计算磁场源在天线入口处的磁场大小Bi和测量输出电压Eo，得到磁场电压转换系数K为Eo/Bi，

所述第三步利用第一步所得的系数K和第二步所得的Vnoise，计算得到磁场灵敏度为Vnoise/K。

2.根据权利要求1所述的确定接收机天线灵敏度的方法，其特征在于，所述第二步中，采用一种间接的测量计算方法，采用测量加数据分析方式，利用具有一致性的两根天线和有关计算方法得到等效的天线输出电压噪声信号；分为如下三小步，分别是1)标定两根天线一致性，2)测量天线输出，3)计算零输入下电压输出。

3.根据权利要求2所述的确定接收机天线灵敏度的方法，其特征在于，所述第二步中三小步具体如下：

(1)标定天线一致性：标定时分为如下三步：a)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；b)其次在屏蔽室内构建磁场环境；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、磁场环境保证输入磁场在两根天线的入口处是一致的；c)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，则标定了两根天线的一致性；

(2)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，在磁场稳定的环境下，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；记录下两根天线同一时刻的输出y1(n)和y2(n)；

(3)计算噪声电压：该步骤过程如下，天线输出信号的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；功率谱密度转换为噪声电压。

4.根据权利要求3所述的确定接收机天线灵敏度的方法，其特征在于，计算电压谱密度采用Welch方法；

计算噪声电压的方法如下：

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：

${\hat{P}}_{PER}\left(k\right)=\frac{1}{{\mathrm{MUf}}_s}\·{\left|\underset{n=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{X}^i\left(n\right)w\left(n\right)W_M^{-kn}\right|}^2$

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：

${\hat{P}}_{PER}\left(k\right)=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}{\hat{P}}_{PER}^i\left(k\right)=\frac{1}{{\mathrm{LMUf}}_s}\·\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}{\left|\underset{n=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{X}^i\left(n\right)w\left(n\right)W_M^{-kn}\right|}^2$

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/Hz^1/2的天线噪声电压，公式为：