CN108362372A - 低频噪声测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频噪声测试系统，属于通信技术领域。所述系统包括：低频天线、频谱分析仪、计算机、显示器和电源，频谱分析仪同时与低频天线、计算机及电源电连接，计算机还同时与显示器和电源电连接，显示器还与电源电连接；所述频谱分析仪用于按照设定的采样间隔对所述低频天线接收到的噪声信号进行扫频，得到多幅扫频图谱，每幅所述扫频图谱包括测试频段内间隔分布的频率和频率对应的低频噪声场强值；所述计算机用于根据每幅所述扫频图谱中的频率和低频噪声场强值计算出外部噪声系数，并拟合出所述多幅扫频图谱对应的所述外部噪声系数随时间变化的曲线；所述显示器用于显示所述外部噪声系数随时间变化的曲线。

Description

低频噪声测试系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种低频噪声测试系统。

背景技术

低频频率由于具备传播距离远、穿透能力强等特点，被广泛应用在、舰艇通信、地质勘测、地质探测及医疗仪器等行业中。例如，地质勘测中常用的甚低频电磁仪是利用甚低频电台发射的电磁波为场源，测定甚低频电磁场多种参数在各种地质体影响下的变化的仪器设备。甚低频电磁仪能用于探测地下矿体、溶洞，进行快速电阻率填图；对于寻找地下管道、房基和塌基漏水，也有良好的勘探效果。甚低频电磁仪的主要工作频段集中在8kHz～30kHz的甚低频段范围，在这些甚低频设备中，噪声直接影响了探测结果的准确度和一致性。再例如，低频医疗器械中常见的低频脉冲治疗仪器也多在低于100kHz的频段内工作。

可以说低频技术的应用已经渗透到关系国计民生的各行各业中，而只要是低频技术应用的行业，都会存在低频噪声的测试需求，也都需要对低频噪声进行准确的测量分析，从而为低频技术在这些行业的应用提供指导。

发明内容

本发明实施例提供了一种低频噪声测试系统，以对低频噪声进行测量。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种低频噪声测试系统，所述系统包括：低频天线、频谱分析仪、计算机、显示器和电源，所述频谱分析仪同时与所述低频天线、所述计算机及所述电源电连接，所述计算机还同时与所述显示器和所述电源电连接，所述显示器还与所述电源电连接；

所述频谱分析仪用于按照设定的采样间隔对所述低频天线接收到的噪声信号进行扫频，得到多幅扫频图谱，每幅所述扫频图谱包括测试频段内间隔分布的频率和频率对应的低频噪声场强值；

所述计算机用于根据每幅所述扫频图谱中的频率和低频噪声场强值计算出外部噪声系数，并拟合出所述多幅扫频图谱对应的所述外部噪声系数随时间变化的曲线；

所述显示器用于显示所述外部噪声系数随时间变化的曲线。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述计算机用于根据如下公式计算所述外部噪声系数：

F_a＝E_n+95.5-20lg f-10lgb；

其中，F_a为外部噪声系数，单位为dB；f为频率，单位为MHz；b为频谱分析仪的接收机的带宽，单位为Hz；En为低频噪声场强值的均方根值，单位为dB(μV/m)。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述计算机还用于获取内部噪声补偿值，采用所述内部噪声补偿值对所述多幅扫频图谱中的低频噪声场强值进行补偿，根据补偿后的所述低频噪声场强值计算所述外部噪声系数。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述计算机用于获取用户输入指令；确定与所述用户输入指令对应的测试条件，所述测试条件包括如下参数：测试时间段、测试频段、采样速率、采样间隔以及带宽；将所述测试条件中的参数发送给所述频谱分析仪；

所述频谱分析仪用于接收所述计算机发送的参数，并按照所述参数对所述低频天线接收到的噪声信号进行扫频。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述测试条件包括多组参数，每组参数均包括测试时间段、测试频段、采样速率、采样间隔以及带宽，且各组参数中的测试时间段不重叠；

所述计算机用于按照所述多组参数中测试时间段的先后顺序依次向所述频谱分析仪发送所述多组参数。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述频谱分析仪包括信号检测单元和频谱分析单元；

所述信号检测单元用于检测所述低频天线接收到的噪声信号的幅值，当所述噪声信号的幅值大于或等于预设值时，停止向所述频谱分析单元输入所述噪声信号；当所述噪声信号的幅值小于预设值时，向所述频谱分析单元输入所述噪声信号。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述电源为锂电池。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块设置在所述锂电池和所述计算机之间。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述系统还包括箱体，所述箱体的侧壁包括铝合金内胆以及包裹所述铝合金内胆的铁板外壁，所述频谱分析仪、计算机和电源设置在所述箱体的内部，所述显示器嵌设在所述箱体的一侧壁的表面上，所述低频天线设置在所述箱体的外部。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述箱体内设置有将所述箱体分隔为两部分的噪声隔离板，所述频谱分析仪设置在所述隔离板的一侧，所述计算机和电源设置在所述隔离板的另一侧。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本申请通过低频天线接收低频噪声信号，然后采用频谱分析仪对低频噪声信号进行扫频，获得多幅扫频图谱，每幅所述扫频图谱包括测试频段内间隔分布的频率点对应的低频噪声场强值，然后由计算机采用多幅扫频图谱拟合外部噪声系数随时间变化的曲线，该曲线能够标识该位置低频噪声和随时间的变化关系，实现了对低频噪声的测量分析，能够为工作在低频频段的设备工作提供了参考和依据。例如，采用该系统可以测量出不同地理位置的曲线，然后根据该曲线可以确定各个地理位置的平均外部噪声系数，根据各个地理位置的平均外部噪声系数大小，选择平均外部噪声系数较小的地理位置设置电台；或者，根据外部噪声系数随时间变化的曲线可以确定出一天中外部噪声系数最小的时间段进行通信或者地质探测等工作，从而减弱低频噪声的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种低频噪声测试系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种低频噪声测试系统的结构示意图，参见图1，该系统包括：低频天线100、频谱分析仪101、计算机102、显示器103和电源104，所述频谱分析仪101同时与所述低频天线100、所述计算机102及所述电源104电连接，所述计算机102还同时与所述显示器103和所述电源104电连接，所述显示器103还与所述电源104电连接。

所述频谱分析仪101用于按照设定的采样间隔对所述低频天线100接收到的噪声信号进行扫频，得到多幅扫频图谱，每幅所述扫频图谱包括测试频段内间隔分布的频率(频率值)和频率对应的低频噪声场强值；所述计算机102用于根据每幅所述扫频图谱中的频率和低频噪声场强值计算出外部噪声系数，并拟合出所述多幅扫频图谱对应的所述外部噪声系数随时间变化的曲线；所述显示器103用于显示所述外部噪声系数随时间变化的曲线。

具体地，频谱分析仪101每一次扫频得到一幅扫频图谱，每一次扫频会按照预定的采样速率进行采样，每次采样得到一个频率对应的低频噪声场强值。其中，采样间隔用于限定两次扫频的间隔时间，例如可以为10分钟；测试频段用于限定扫频的频段区间，例如10KHz-100KHz；采样速率用于限定每秒钟采样次数，对于一次扫频而言，其扫频所用的时间是确定的(根据扫频的模式不同，扫频时间长短不同)，因此确定了采样速率也就确定了两个采样点之间的频率间隔。

另外，扫频图谱上除了频率和低频噪声场强值外，还记录了扫频时间，该扫频时间可以为扫频开始或者结束时间，计算机102可以根据该扫频时间拟合外部噪声系数随时间变化的曲线。

本申请通过低频天线接收低频噪声信号，然后采用频谱分析仪对低频噪声信号进行扫频，获得多幅扫频图谱，每幅所述扫频图谱包括测试频段内间隔分布的频率点对应的低频噪声场强值，然后由计算机采用多幅扫频图谱拟合外部噪声系数随时间变化的曲线，该曲线能够标识该位置低频噪声和随时间的变化关系，实现了对低频噪声的测量分析，能够为工作在低频频段的设备工作提供了参考和依据。例如，采用该系统可以测量出不同地理位置的曲线，然后根据该曲线可以确定各个地理位置的平均外部噪声系数，根据各个地理位置的平均外部噪声系数大小，选择平均外部噪声系数较小的地理位置设置电台；或者，根据外部噪声系数随时间变化的曲线可以确定出一天中外部噪声系数最小的时间段进行通信或者地质探测等工作，从而减弱低频噪声的影响。

在本发明实施例中，低频天线为无损耗垂直极化单极短天线，具体可以采用线圈天线、环形天线等型式的天线。

在本发明实施例中，计算机102包括存储模块，例如硬盘。计算机102在接收到所述频谱分析仪101传输的扫频图谱后，将该扫频图谱存储在存储模块内。另外，在拟合出所述外部噪声系数随时间变化的曲线后，同样可以存储在该存储模块内。通过存储上述数据，能够方便后续对低频噪声的测量数据进行使用。

具体地，计算机102存储模块内设置有数据库(例如SQL数据库)，频谱分析仪101传输的扫频图谱中的数据，可以按照频率—低频噪声场强值—时间(扫频时间)以三维表格的形式存储到数据库中。

在本发明实施例中，低频噪声测试系统在进行低频噪声测试时，可以选择多个地点，然后依次在不同地点进行测量。具体地，低频天线可以通过车辆进行运输，频谱分析仪101、计算机102、显示器103和电源104可以集成为一便携式设备，从而方便运输，详见后文描述。

在本发明实施例中，所述计算机102可用于根据如下公式计算所述外部噪声系数：

F_a＝E_n+95.5-20lg f-10lgb；

其中，F_a为外部噪声系数，单位为dB，外部噪声系数用于表征系统外部噪声强度的测量结果；f为频率，单位为MHz；b为频谱分析仪101的接收机的带宽，单位为Hz；En为低频噪声场强值的均方根值，单位为dB(μV/m)。其中，En为频率f在带宽范围内对应的低频噪声场强值的均方根值。

值得说明的是，这里F_a为扫频图谱中的一个频率对应的外部噪声系数，每一幅图可以计算出多个外部噪声系，每一个外部噪声系数对应扫频图谱中的一个频率。

最终，在完成多幅扫频图谱的外部噪声系数的计算时，拟合出外部噪声系数随时间变化的曲线。该曲线具有时间、频率和外部噪声系数三个维度，具体地，每幅扫频图谱形成一条外部噪声系数和频率的相关曲线，多幅扫频图谱的相关曲线按照时间排列显示在显示器103上；或者，每个频率形成一条外部噪声系数随时间变化的曲线，多个频率对应的曲线按照频率大小排列显示在显示器103上。进一步地，这多条曲线还可以拟合成曲面的形式进行显示。

具体地，频谱分析仪101在用户设定的测试频段内进行扫频并采样。本发明实施例中，低频噪声测试系统的测量范围为10KHz-10MHz，该范围被划分为多个测试频段，例如10KHz-100KHz、100KHz-1MHz、1MHz-3MHz、3MHz-10MHz，将测量范围划分为多个频段不仅可以使得用户可以根据需要选择需要的频段进行测试，而且能够与低频天线的测量频段对应，便于选用相应频段的低频天线进行测试。也就是说，本申请提供的系统包括一组低频天线，用于接收现场场强信号，这一组低频天线的工作频段应覆盖10kHz～10MHz，接收灵敏度小于-98dB/mW。

在本发明实施例中，所述计算机102还用于获取内部噪声补偿值，采用所述内部噪声补偿值对所述多幅扫频图谱中的低频噪声场强值进行补偿，根据补偿后的所述低频噪声场强值计算所述外部噪声系数。

其中，内部噪声补偿值用于补偿频谱分析仪101、计算机102、显示器103和电源104产生的内部噪声，该内部噪声一方面可以根据各个设备的标定参数进行计算，另一方面可以采用比对的方法进行测量，例如采用高精度大型接收机和本申请提供的系统同时测量噪声，根据二者的偏差确定内部噪声，进而确定内部噪声补偿值。其中高精度大型接收机由于体积庞大难以移动、且由于需要大功率电源难以野外工作，无法实现本发明实施例提供的低频噪声测试系统的功能。

在本发明实施例中，所述计算机102用于获取用户输入指令；确定与所述用户输入指令对应的测试条件，所述测试条件包括如下参数：测试时间段、测试频段、采样速率、采样间隔以及带宽；将所述测试条件中的参数发送给所述频谱分析仪101；所述频谱分析仪101用于接收所述计算机102发送的参数，并按照所述参数对所述低频天线100接收到的噪声信号进行扫频。

其中，测试时间段用于限定频谱分析仪101在该时间段内连续扫频获得多幅扫频图谱。带宽用于限定每次采样的精度，例如采样点频率为15KHz，带宽为10Hz，则该采样点的低频噪声场强值为(15KHz-10Hz)到(15KHz+10Hz)范围内的低频噪声场强值均值。

具体地，为了方便用户操作，该输入指令可以为一键式输入指令。计算机102中可以配置专用测控软件，软件界面提供一键式模式设置，每个模式对应一种测试条件，用户点击相应模式，即可完成测试条件的设置。无需用户编程，提供可视化操作，操作简单。

另外，该一键式指令可以针对10kHz～40kHz的甚低频段以及60kHz～130kHz的低频应急频段设置常规模式，其他测量频段则可通过自定义参数设置的方式来实现。

在本发明实施例中，所述测试条件包括多组参数，每组参数均包括测试时间段、测试频段、采样速率、采样间隔以及带宽，且各组参数中的测试时间段不重叠；所述计算机102用于按照所述多组参数中测试时间段的先后顺序依次向所述频谱分析仪101发送所述多组参数。通过上述方式能够实现自动化的低频噪声测量。

其中，各组参数中的测试时间段可以间隔布置，例如上午10-12点、下午2-4点等，这样设置，可以在中间时间进行位置转移，使得在同时测试多个位置的低频噪声时，同样能够实现自动化。前述时间仅为举例，各个测试时间段之间的间隔可以根据各个测试地点的远近进行设置。

在本发明实施例中，所述频谱分析仪101包括信号检测单元和频谱分析单元；所述信号检测单元用于检测所述低频天线100接收到的噪声信号的幅值(电压幅值)，当所述噪声信号的幅值大于或等于预设值(例如20V)时，停止向所述频谱分析单元输入所述噪声信号；当所述噪声信号的幅值小于预设值时，向所述频谱分析单元输入所述噪声信号。

其中，信号检测单元包括前述接收机，为了避免低频噪声信号对频谱分析单元噪声损伤，可以采用两种方式进行保护：其中一种方式即前文对接收到的噪声信号的幅值进行检测，仅当幅值低于预设值时进行后续处理，保证不会损伤频谱分析单元；另一种方式，即在接收机之后设置衰减器，通过对信号进行衰减，从而避免损伤频谱分析单元，但由于这种方式会对信号强度较弱的噪声信号进行衰减，影响后续测量精度，故本申请采用前一种方式。

进一步地，频谱分析单元在对噪声信号进行扫频前，还可以对该噪声信号进行滤波等处理。

在本发明实施例中，所述电源104为锂电池，由于锂电池自身噪声较低，对低频噪声测量的影响小，能够提高测试精度。

在本发明实施例中，所述系统还包括电源管理模块105，所述电源管理模块105设置在所述锂电池和所述计算机102之间，电源管理模块105用于通过传感器对锂电池的各项参数进行检测，并传输给计算机102，计算机102将这些信息可视化显示在显示器104上，使得用户能够根据锂电池的信息合理安排测试工作。该电源管理模块105具备集电池电压温度检测、剩余电量估算、均衡管理等功能，电源管理模块105采用模块化设计，从而尽量减小空间占用。

在本发明实施例中，所述系统还包括箱体106，所述箱体106的侧壁包括铝合金内胆以及包裹所述铝合金内胆的铁板外壁，所述频谱分析仪101、计算机102和电源104设置在所述箱体106内部，所述显示器103嵌设在所述箱体106的一侧壁的表面上，所述低频天线100设置在所述箱体106外部。通过设置上述结构的箱体106，能够屏蔽外部噪声信号对频谱分析仪101影响，从而保证测量精度。

其中，箱体106侧壁上设置有供低频天线100与频谱分析仪101电连接的线缆穿过的孔。同时，箱体106侧壁上还设置有嵌设显示器103的凹槽。

其中，铝合金内胆的厚度可以为2-3mm，这种厚度一方面能够实现对外部噪声的屏蔽，另一方面能够实现系统的便携式设计。

在本发明实施例中，所述箱体106内设置有将所述箱体106分隔为两部分的噪声隔离板160，所述频谱分析仪101设置在所述隔离板的一侧，所述计算机102和电源104设置在所述隔离板的另一侧。将计算机102和电源104与频谱分析仪101分开设置，可以尽量减小计算机102和电源104对频谱分析仪101的影响。

其中，所述噪声隔离板160采用铜箔或者锡箔制成，保证隔离作用。

其中，所述噪声隔离板160上设置有供频谱分析仪101与计算机102和电源104电连接的线缆。

在本发明实施例中，低频天线100采用输出信噪比指标较好的低频天线，例如R&S公司生产的HFH2-Z2、HFH2-Z1或HFH2-Z6天线；频谱分析仪101选用本底噪声尽量低的频谱分析仪，例如signalhound USB-SA44B频谱分析仪；线缆选用驻波比较小的连接电缆。

采用上述型号的低频天线100、频谱分析仪101和线缆搭建的系统的测量频率范围涵盖甚低频到短波段，数据采集灵敏度高达-142dBm，可根据技术人员需要在0.1Hz到250kHz范围内调节分辨率带宽(RBW)，并且频率准确可以达到±1ppm。除此之外，该系统可实现低频噪声绝对信号强度的自动测试，可统计分析连续24小时内低频噪声强度变化规律，并描绘噪声随时间的变化的曲线，且外部噪声场强绝对值与外部噪声系数测量的不确定度小于1.5dB(计算时所采用的不确定度系数为2)。

另外，由于计算机102需要完成实时数据采集与运算处理，因此其处理器、主频与内存配置要高，例如研华公司AIMB-B1000计算机。

为了便于用户操作，同时使得该系统更为便携，该显示器103采用触摸显示屏设计，从而同时实现显示和输入功能。

可选地，该系统还包括外部接口，外部接口用于将计算机102与其他外部设备连接，从而能够实现测量数据的传输。该外部接口嵌设在箱体106的侧壁上。

进一步地，该系统还包括散热及电源保护组件，使得系统的安全性能能够得到保证。

下面对本发明实施例提供的系统的工作过程进行说明，该系统的工作过程包括：

A、准备阶段。将低频噪声测试系统运至待测区域，检查低频天线的安装状态，开启设备，运行计算机中的专用测控软件。

B、校验阶段。在进行低频噪声测量之前，根据使用要求完成频谱分析仪的自校准，如校验结果正常，则开始测试，否则不进行任何操作；其中，频谱分析仪具备自校准功能，为了方便操作，在系统开机后，可以由计算机中的专用测控软件自动向频谱分析仪发送一指令，指示频谱分析仪进行自校准。

另外，在准备和校验阶段，还可以调整天线方向，使得检测到的噪声信号最强；在完成噪声测量后，还可以根据天线对应方向确定噪声源。

C、检测阶段。根据使用要求对系统参数进行配置，包括测试条件及存储地址(具体包括扫频图谱的数据的存储地址和曲线的存储地址)等，配置完成后，点击开始按钮运行低频噪声测试系统，系统通过计算机控制频谱分析仪完成低频噪声的采集，计算机利用MATLAB完成数据的计算与处理工作，并对低频噪声数据进行存储，最后将测试结果显示到显示器上。

D、智能调节阶段。在低频噪声测试过程中，系统可根据测试条件完成各个测试时间段的测试参数的智能调节，从而实现自动化的低频噪声测量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低频噪声测试系统，其特征在于，所述系统包括：低频天线、频谱分析仪、计算机、显示器和电源，所述频谱分析仪同时与所述低频天线、所述计算机及所述电源电连接，所述计算机还同时与所述显示器和所述电源电连接，所述显示器还与所述电源电连接；

所述频谱分析仪用于按照设定的采样间隔对所述低频天线接收到的噪声信号进行扫频，得到多幅扫频图谱，每幅所述扫频图谱包括测试频段内间隔分布的频率和频率对应的低频噪声场强值；

所述计算机用于根据每幅所述扫频图谱中的频率和低频噪声场强值计算出外部噪声系数，并拟合出所述多幅扫频图谱对应的所述外部噪声系数随时间变化的曲线；

所述显示器用于显示所述外部噪声系数随时间变化的曲线。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机用于根据如下公式计算所述外部噪声系数：

F_a＝E_n+95.5-20lgf-10lgb；

其中，F_a为外部噪声系数，单位为dB；f为频率，单位为MHz；b为频谱分析仪的接收机的带宽，单位为Hz；En为低频噪声场强值的均方根值，单位为dB(μV/m)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述计算机还用于获取内部噪声补偿值，采用所述内部噪声补偿值对所述多幅扫频图谱中的低频噪声场强值进行补偿，根据补偿后的所述低频噪声场强值计算所述外部噪声系数。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述计算机用于获取用户输入指令；确定与所述用户输入指令对应的测试条件，所述测试条件包括如下参数：测试时间段、测试频段、采样速率、采样间隔以及带宽；将所述测试条件中的参数发送给所述频谱分析仪；

所述频谱分析仪用于接收所述计算机发送的参数，并按照所述参数对所述低频天线接收到的噪声信号进行扫频。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述测试条件包括多组参数，每组参数均包括测试时间段、测试频段、采样速率、采样间隔以及带宽，且各组参数中的测试时间段不重叠；

所述计算机用于按照所述多组参数中测试时间段的先后顺序依次向所述频谱分析仪发送所述多组参数。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述频谱分析仪包括信号检测单元和频谱分析单元；

所述信号检测单元用于检测所述低频天线接收到的噪声信号的幅值，当所述噪声信号的幅值大于或等于预设值时，停止向所述频谱分析单元输入所述噪声信号；当所述噪声信号的幅值小于预设值时，向所述频谱分析单元输入所述噪声信号。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电源为锂电池。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块设置在所述锂电池和所述计算机之间。

9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括箱体，所述箱体的侧壁包括铝合金内胆以及包裹所述铝合金内胆的铁板外壁，所述频谱分析仪、计算机和电源设置在所述箱体的内部，所述显示器嵌设在所述箱体的一侧壁的表面上，所述低频天线设置在所述箱体的外部。

10.根据权利要求9述的系统，其特征在于，所述箱体内设置有将所述箱体分隔为两部分的噪声隔离板，所述频谱分析仪设置在所述隔离板的一侧，所述计算机和电源设置在所述隔离板的另一侧。