CN105044638B - 一种电场仪极低频数据时域频域综合校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电场仪极低频数据时域频域综合校正方法，在时域基于最小二乘法将电场仪数据中电场趋势信息和电场细节信息分离，对电场细节信息进行Fourier变换，得到电场细节信息的频域信息，将电场细节信息在频域进行校正，对校正后的电场细节信息进行Fourier逆变换，得到新的时域电场细节信息，电场细节信息与电场趋势信息累加，得到校正后的电场仪数据。本发明从电场仪极低频段数据特点出发，对电场仪极低频段数据进行时域频域综合校正处理，有效地分离了电场仪数据中电场趋势信息和电场细节信息，并将电场细节信息在频域、时域进行综合处理，与现有处理方法相比较，结果稳定、处理高效，并且处理精度显著提高，很好的满足了电场仪校正的运算效率和精度需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种电场仪校正方法，特别是涉及一种电场仪极低频数据时域频域综合校正方法。
背景技术
电场仪可以直接测量地面、空中或电离层的电场强度，对地球电磁场环境实施有效的监测。电场强度是地球空间物理和空间环境的一个重要的参数，对空间电场的长期监测，可以制作全球电磁图，对通信、导航、空间天气预警、地球物理勘探等具有重要作用，具有极大的应用价值和广阔的应用前景。
电场仪极低频(3-30Hz)段响应中包含电场随时间慢变化的电场趋势信息和电场随时间快变化的电场细节信息两部分。为提高极低频段电场分辨率，电场仪的采样时间较长，因此长时间积累的电场趋势变化非常明显，数据处理中不能被忽略。电场仪数据中电场趋势信息和电场细节信息相互叠加，高精度的电场探测需要对电场细节信息进行校正，因此需要将电场仪响应中电场趋势变化和电场细节信息两部分分离，对电场细节信息进行校正后与电场趋势信息相加，完成电场仪的校正。
参见图1为电场仪数据，电场仪数据为图中*线表示的曲线，电场趋势信息为实线表示的曲线。电场仪校正处理是电场仪数据处理的核心处理环节，直接决定了电场仪的数据精度，因此必须对电场仪进行严格的校正。现有方法电场趋势信息与电场细节信息分离不彻底，分离后的电场趋势信息中包含部分电场细节信息，因此现有方法校正精度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电场仪极低频(3-30Hz)段校正的技术问题的方法，有效地分离了电场仪数据中电场趋势信息和电场细节信息，并将电场细节信息在频域、时域进行综合处理，取得了良好的校正效果，校正精度高。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：一种电场仪极低频数据时域频域综合校正方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在时域根据电场仪数据基于最小二乘法获得电场趋势信息F(n)，从电场仪数据中分离电场趋势信息F(n)，得到电场细节信息x(n)；
2)对电场细节信息x(n)进行Fourier变换，得到电场细节信息x(n)的频域信息X(k)；
3)将电场细节信息X(k)在频域进行校正；得到校正后的电场细节频域信息X1(k)；
4)对校正后的电场细节频域信息X1(k)进行Fourier逆变换，得到新的时域电场细节信息；
5)电场细节信息x1(n)的实部R(n)与电场趋势信息F(n)累加，得到校正后的电场仪数据。
其中，步骤1)具体包括如下步骤：
1.1对电场仪数据进行最小二乘拟合，得到电场趋势信息F(n)；
F(n)＝P(1)*nm+P(2)*nm-1+...+P(m)*n+P(m+1)
其中m为拟合多项式阶数；
P(1)，P(2)…P(m)，P(m+1)拟合多项式系数；
n为电场仪数据的离散点序号；
1.2计算电场细节信息x(n)；
x(n)＝E(n)-F(n)
其中n为离散点序号；
E(n)为电场仪数据；
F(n)为电场趋势信息。
其中，步骤2)中Fourier变换采用如下公式计算：
其中n为电场仪数据的离散点序号，0≤n≤N-1；
k为频率；
X(k)为电场细节频谱信息；
N为参与Fourier变换的数据点个数。
其中步骤3)具体包括：
3.1相位校正
3.1.1求X(k)相位信息
Phase(k)＝angle(X(k))；
其中k为频率；
angle为求相位函数；
Phase(k)为电场细节信息的相位值；
3.1.2计算相位差值
PhaseL(k)＝Phase(k)-PhaseC(k)
其中phaseC(k)为试验测定的相位校正系数；
PhaseL(k)为校正后的相位；
3.2模校正
3.2.1求X(k)的模
Gain(k)＝abs(X(k))
其中k为频率；
abs为求模函数；
Gain(k)为电场细节信息的模值；
(2)计算模比值
GainL(k)＝Gain(k)/GainC(k)
其中GainC(k)为试验测定的模校正系数；
GainL(k)为校正后的模；
(3)求校正后的电场细节频域信息X1(k)
X1(k)＝GainL(k)*ej*PhaseL(k)。
其中PhaseC(k)、GainC(k)采用如下方式获取：
(1)对已知电场进行测量，所述已知电场已知其电场强度E和相位信息phase；
(2)通过电场仪对已知电场强度进行测量，测量结果为电场强度E1，相位信息phase1；
(3)则相位校正系数phaseC(k)＝phase1-phase；模校正系数GainC(k)＝E1/E。
其中步骤4)中得到的新的时域电场细节信息x1(n)的具体步骤如下：
对校正后的电场细节信息X1(k)进行Fourier逆变换，得到校正后的时域电场细节信息x1(n)；
其中步骤5)电场细节信息x1(n)的实部R(n)与电场趋势信息F(n)累加，采用如下公式：
EL(n)＝R(n)+F(n)
其中：EL(n)为电场仪校正结果数据。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明从电场仪极低频段数据特点出发，对电场仪极低频段数据进行时域频域综合校正处理，有效地分离了电场仪数据中电场趋势信息和电场细节信息，并将电场细节信息在频域、时域进行综合处理，取得了良好的校正效果，校正精度高。本方法与现有处理方法相比较，结果稳定、处理高效，并且处理精度显著提高，很好的满足了电场仪校正的运算效率和精度需求。
附图说明
图1为本发明电场仪数据图示；
图2为本发明校正方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
1)在时域基于最小二乘法将电场仪数据中电场趋势信息和电场细节信息分离；
1.1最小二乘拟合电场趋势信息
对电场仪数据进行最小二乘拟合，得到电场趋势信息
F(n)＝P(1)*nm+P(2)*nm-1+...+P(m)*n+P(m+1)
其中m为拟合多项式阶数；
P(1)，P(2)…P(m)，P(m+1)拟合多项式系数；
n为离散点序号；
F(n)为离散的电场趋势信息。
1.2计算电场细节信息
x(n)＝E(n)-F(n)
其中n为离散点序号；
E(n)为电场仪数据；
F(n)为电场趋势信息；
x(n)为电场细节信息。
2)对电场细节信息进行离散Fourier变换，得到电场细节信息的频域信息；
其中n为离散点序号，0≤n≤N-1；
x(n)为电场细节信息；
k为频率；
X(k)为电场细节频谱信息；
N为参与Fourier变换的数据点个数。
3)将电场细节信息在频域进行校正；
3.1相位校正
3.1.1求X(k)相位信息
Phase(k)＝angle(X(k))；
其中k为频率；
angle为求相位函数；
Phase(k)为电场细节信息的相位值。
3.1.2相位差值
PhaseL(k)＝Phase(k)-PhaseC(k)
其中phaseC(k)为试验测定的相位校正系数；
PhaseL(k)为校正后的相位。
3.2模校正
3.2.1求X(k)模
Gain(k)＝abs(X(k))
其中k为频率；
abs为求模函数；
Gain(k)为电场细节信息的模值。
3.2.2模比值
GainL(k)＝Gain(k)/GainC(k)
其中GainC(k)为试验测定的模校正系数；
GainL(k)为校正后的模。
3.2.3求校正后的电场细节频域信息X(k)
X(k)＝GainL(k)*ej*PhaseL(k)。
其中PhaseC(k)、GainC(k)采用如下方式获取：
(1)试验室通过已知电场强度，其电场强度E和相位信息phase均已知进行试验；
(2)通过电场仪对已经电场强度进行测量，测量结果为电场强度为E1相位信心为phase1，
(3)则可以确定：
试验测定的相位校正系数phaseC(k)＝phase1-phase；
试验测定的模校正系数GainC(k)＝E1/E。
4)对校正后的电场细节频域信息转换到时域
4.1对校正后的电场细节信息进行Fourier逆变换，得到校正后的时域电场细节信息x(n)；
4.2对校正后的时域电场细节信息x(n)取实部；
R(n)＝real(x(n))
其中real为取实部函数；
R(n)为电场细节时域信息的实部。
5)电场细节信息与电场趋势信息累加，得到校正后的电场仪数据。
EL(n)＝R(n)+F(n)
其中n为离散点序号；
EL(n)为电场仪校正结果数据；
F(n)为电场趋势信息；
R(n)为电场细节信息。
此时时域频域综合校正后的电场仪数据完好的保留了电场趋势信息，同时将电场趋势信息进行了频域校正，使得最终校正后的电场仪数据精度显著提高。
在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种电场仪极低频数据时域频域综合校正方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在时域根据电场仪数据基于最小二乘法获得电场趋势信息F(n)，从电场仪数据中分离电场趋势信息F(n)，得到电场细节信息x(n)；
2)对电场细节信息x(n)进行Fourier变换，得到电场细节信息x(n)的频域信息X(k)；
3)将频域信息X(k)在频域进行校正；得到校正后的电场细节频域信息X1(k)；
4)对校正后的电场细节频域信息X1(k)进行Fourier逆变换，得到新的时域电场细节信息x1(n)；
5)电场细节信息x1(n)的实部R(n)与电场趋势信息F(n)累加，得到校正后的电场仪数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)具体包括如下步骤：
1.1对电场仪数据进行最小二乘拟合，得到电场趋势信息F(n)；
F(n)＝P(1)*nm+P(2)*nm-1+...+P(m)*n+P(m+1)
其中m为拟合多项式阶数；
P(1)，P(2)…P(m)，P(m+1)拟合多项式系数；
n为电场仪数据的离散点序号；
1.2计算电场细节信息x(n)；
x(n)＝E(n)-F(n)
其中n为离散点序号；
E(n)为电场仪数据；
F(n)为电场趋势信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤2)中Fourier变换采用如下公式计算：
其中n为电场仪数据的离散点序号，0≤n≤N-1；
k为频率；
X(k)为电场细节频谱信息；
N为参与Fourier变换的数据点个数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤3)具体包括：
3.1相位校正
3.1.1求X(k)相位信息
Phase(k)＝angle(X(k))；
其中k为频率；
angle为求相位函数；
Phase(k)为电场细节信息的相位值；
3.1.2计算相位差值
PhaseL(k)＝Phase(k)-PhaseC(k)
其中phaseC(k)为试验测定的相位校正系数；
PhaseL(k)为校正后的相位；
3.2模校正
3.2.1求X(k)的模
Gain(k)＝abs(X(k))
其中k为频率；
abs为求模函数；
Gain(k)为电场细节信息的模值；
3.2.2计算模比值
GainL(k)＝Gain(k)/GainC(k)
其中GainC(k)为试验测定的模校正系数；
GainL(k)为校正后的模；
3.2.3求校正后的电场细节频域信息X1(k)
X1(k)＝GainL(k)*ej*PhaseL(k)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于PhaseC(k)、GainC(k)采用如下方式获取：
(1)对已知电场进行测量，所述已知电场已知其电场强度E和相位信息phase；
(2)通过电场仪对已知电场强度进行测量，测量结果为电场强度E1，相位信息phase1；
(3)则相位校正系数phaseC(k)＝phase1-phase；模校正系数GainC(k)＝E1/E。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤4)中得到的新的时域电场细节信息x1(n)的具体步骤如下：
对校正后的电场细节信息X1(k)进行Fourier逆变换，得到校正后的时域电场细节信息x1(n)；
<mrow>
<msub>
<mi>x</mi>
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</msub>
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<mo>=</mo>
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</munderover>
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<mo>)</mo>
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<mfrac>
<mrow>
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</mrow>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<mi>n</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>.</mo>
</mrow>
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤5)电场细节信息x1(n)的实部R(n)与电场趋势信息F(n)累加采用如下公式：
EL(n)＝R(n)+F(n)
其中：EL(n)为电场仪校正结果数据。
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