[发明专利]一种磁场天线的本底噪声测量方法

说明书

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]