一種確定接收機天線靈敏度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定接收機天線靈敏度的方法，包括以下步驟：第一步，確定磁場/電壓轉換系數(shù)K；第二步，確定零輸入下的接收機天線輸出噪聲電壓Vnoise；第三步，反推靈敏度，根據(jù)天線輸出的噪聲電壓和磁場-電壓轉換系數(shù)得到天線的靈敏度。本發(fā)明方法不需要額外的測量儀器和屏蔽措施，克服了直接測量天線的靈敏度時磁屏蔽效果差、測量結果不準確的缺陷；利用測量數(shù)據(jù)和數(shù)學運算，從而得到接收機天線的等效輸入信號，得到其靈敏度指標，是一種低成本高靈活性的方案。
【專利說明】一種確定接收機天線靈敏度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于磁場測量領域，特別涉及一種天線靈敏度的確定方法。
【背景技術】
[0002]在軍用磁場測量與通信領域，常采用長波信號作為遠距離通信手段，其信號以磁場信號形式，主要由地表波形式傳播。發(fā)射臺磁場信號經(jīng)遠距離傳播后，與外界的相對較強背景磁場信號相互疊加，共同進入接收機的輸入端，由于發(fā)射臺磁場信號由于衰減非常大，往往遠小于背景磁場，因此接收機的接收靈敏度顯得非常關鍵。
[0003]而天線作為系統(tǒng)最前端，其功能是將磁場信號轉換為電信號，其靈敏度是系統(tǒng)的最重要指標之一。由于磁場信號極其微弱，量級常在10_14τ，因此很難直接測量其接收機的靈敏度。
[0004]在磁場接收機應用中，天線作為系統(tǒng)最前端，其靈敏度決定了系統(tǒng)的通信距離，通信深度等一系列問題，是發(fā)射臺和接收機的整體通信鏈路設計的重要參考要素。如何測量接收機天線的靈敏度，問題比較復雜。這是因為，發(fā)射臺信號由于長距離傳輸及磁場衰減極快，因此信號強度往往很微弱，因此很難利用直接測量的方法將有用磁場從環(huán)境磁場中分離；磁場屏蔽室雖然在測量時可以屏蔽一些背景磁場，但其一般屏蔽室屏蔽效果很有限；高屏蔽效果的屏蔽室造價極高，考慮到環(huán)境磁場信號分布極廣且來源多樣，尤其難以屏蔽低頻段息。
[0005]為確定天線靈敏度的問題，目前主要采取的技術手段為兩種。一種利用“重屏蔽室”直接測量方法。所謂重屏蔽室，是指屏蔽效果很好，造價極高的屏蔽室，能夠比較好的降低環(huán)境中的背景磁場信號，從而降低環(huán)境磁場信號，盡可能使輸入信號為磁場源信號。在這種屏蔽室中，可采用直接給出磁場激勵源，探測其電信號輸出的方式得到靈敏度；另一種為數(shù)值計算方法，通過對天線各部件進行建模，模擬系統(tǒng)的實際運行來對系統(tǒng)性能進行評估，由此得到靈敏度等諸要素。第一種手段中，在屏蔽性能很好的磁屏蔽室內(nèi)，使用可調磁場源作為接收機信號源，測量其輸出電信號進行測量。通過不斷降低輸出磁場源信號，判斷輸出電信號的分辨率。當輸出電信號的達到最小分辨率時，讀取其輸出磁場大小，由此得到天線靈敏度。實現(xiàn)時磁屏蔽室要求很高，成本極高，屏蔽效果不理想。尤其是長波通信所用的低頻段，很難實現(xiàn)有效屏蔽，難以保證磁屏蔽室內(nèi)的磁場信號接近于零，因此天線的輸出不能認為只有本底噪聲，難以界定噪聲和有效信號，造成數(shù)據(jù)不可信。第二種手段，需要對天線各部件進行詳細的建模，工作量非常巨大，其建模效果還需要進行相關試驗測定，實際實施中難以評判其有效性。
[0006]本發(fā)明從此出發(fā)，提出一種間接的接收機靈敏度確定方法，通過測量與計算得到接收機天線的靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:針對直接測量天線的靈敏度時磁屏蔽效果差、測量不準確這個問題，發(fā)明一種間接的接收機靈敏度確定方法，通過測量與計算得到接收機天線的靈敏度。
[0008]技術方案:一種確定接收機天線靈敏度的方法，首先確定接收機天線的的磁場-電壓轉換系數(shù)，然后確定零磁場輸入下電信號的輸出(可認為是電噪聲的輸出)，再根據(jù)天線系統(tǒng)在工作段的幅值響應為線性反推出噪聲對應的磁場輸入，這個輸入稱為等效噪聲磁場輸入，是輸入磁場信號分辨率，也就是靈敏度；具體包括以下步驟:第一步，確定磁場/電壓轉換系數(shù)K ;第二步，確定零輸入下的接收機天線輸出噪聲電壓Vntjise ;第三步，反推靈敏度，根據(jù)天線輸出的噪聲電壓和磁場-電壓轉換系數(shù)得到天線的靈敏度:
[0009]所述第一步中，需要在一定效果下的屏蔽室內(nèi)測量磁場-電源轉換系數(shù)，如附圖2所示，分為如下三小步，分別是I)構建測試磁場環(huán)境，2)確定天線幅值響應特性的線性化和3)確定磁場-電壓轉換系數(shù)；
[0010]I)構建合理的磁場環(huán)境:包括效果較好的屏蔽室，較少的電磁輻射源和高精度的磁場源；屏蔽室要求不高，內(nèi)部應具有簡單的電氣環(huán)境，盡可能使環(huán)境磁場影響??；高精度磁場信號源應具有輸出磁場可以調節(jié)的能力，并且結構尺寸應足夠大，以使輸出磁場的均勻度足夠；應具有 較大的動態(tài)范圍，激勵源的強度應明顯大于背景磁場；其輸出磁場大小與控制量具有唯一確定的對應關系，可通過計算得到輸出磁場大?。?br> [0011]2)使用高精度磁場源確定天線的響應特性的線性化:首先，關閉磁場源，測量天線的輸出，記錄下此時的電信號El ;然后開啟磁場源，選擇接收機天線的工作頻率中心點f，逐漸加大磁場源大小，記錄下多點輸出和輸入，最終使輸出的電信號E2為10E1(之所以確定E2為IOEl，是考慮到El為中等屏蔽室下背景磁場的輸出，其量級為數(shù)十nT，IOEl的大小為數(shù)百ηΤ，已經(jīng)包括自然界穩(wěn)態(tài)磁場的變化范圍，已涵蓋實際工作中輸入磁場的最大幅度)，通過繪圖判斷是否滿足輸出和輸入的線性度；如不滿足，整改天線的增益等使其滿足線性要求；
[0012]3)通過公式計算磁場信號源在天線入口處的磁場大小Bi和測量輸出電壓關系Εο，得到磁場電壓轉換系數(shù)K為Eo/Bi，此系數(shù)將在第三步反推中使用；
[0013]所述第二步中，采用一種間接的測量計算方法，采用測量加數(shù)據(jù)分析方式，利用一致性較好的兩根天線和有關計算方法得到等效的天線輸出電壓噪聲信號；分為如下三小步，分別是I)標定兩根天線一致性，2)測量天線輸出，3)計算零輸入下電壓輸出；
[0014](I)標定天線一致性:該步驟目的是保證兩根天線本身的傳遞函數(shù)一致，標定時分為如下三步:a)首先選取設計完全一致的兩根天線，包括所有的電氣參數(shù)，材料，結構設計等山)其次構建合適的磁場環(huán)境，必要時可在屏蔽室內(nèi)；使激勵源具有一致性，產(chǎn)生恒定均勻磁場源，并通過安裝位置、磁場環(huán)境等保證輸入磁場在兩根天線的入口處是一致的；c)然后通過掃頻，分別測量在不同頻率下的兩根天線的幅頻和相頻響應，如量值偏差在一定范圍內(nèi)(如為測量儀器的分辨率的10倍以內(nèi))，則標定了兩根天線的一致性；
[0015](2)測量天線輸出信號:該步驟使用前面標定了一致性的兩根天線；天線擺放位置保證天線的輸入信號是一致的，在磁場變化較穩(wěn)定的環(huán)境下，可采用天線平行放置，并且距離保持在兩米以內(nèi)；保證兩者的工作電氣特征和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的一致性；記錄下兩根天線同一時刻的輸出yl(n)和y2(n) ；yl(n)為天線I的輸出信號，y2(n)為天線2的輸出信號，這兩個信號是對輸入的環(huán)境磁場和等效輸入本底噪聲的響應，這里面包括環(huán)境磁場的輸出信號，屬于基本一致的信號，可以通過對yl (η)和y2(n)差分掉；而本底噪聲的響應是不相關的，可通過數(shù)據(jù)的譜密度得到天線的輸出噪聲電壓譜密度；
[0016](3)計算噪聲電壓:該步驟過程如下，天線輸出信號的數(shù)據(jù)分段并加窗函數(shù)(具體參見下面給出的一種計算方法)；使用數(shù)學方法分段計算功率譜密度；求取所有段的功率譜密度平均值；功率譜密度轉換為電壓譜密度，即為噪聲電壓；
[0017]計算電壓譜密度可采用任何數(shù)學方法，但要保證計算過程的收斂和較高的計算靈敏度，如采用Welch方法等；
[0018]下面給出一種計算方法，設定N點長的有限長序列X[n]，分成L段數(shù)據(jù)(每段數(shù)據(jù)有50%的重疊)，每段有M個數(shù)據(jù)；
[0019]序列的分段數(shù)L表示為，其中fix表示取整數(shù)；
[0020]
【權利要求】
1.一種確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于，包括以下步驟:第一步，確定磁場/電壓轉換系數(shù)K;第二步，確定零輸入下的接收機天線輸出噪聲電壓Vntjise ;第三步，反推靈敏度，根據(jù)天線輸出的噪聲電壓和磁場-電壓轉換系數(shù)得到天線的靈敏度。
2.根據(jù)權利要求1所述的確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于，所述第一步中，需要在一定效果下的屏蔽室內(nèi)測量磁場-電壓轉換系數(shù)，分為如下三小步，分別是I)構建測試磁場環(huán)境，2)確定天線幅值響應特性的線性化和3)確定磁場-電壓轉換系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于， 其中，I)構建合理的磁場環(huán)境:包括效果較好的屏蔽室，較少的電磁福射源和高精度的磁場源；高精度磁場信號源應具有輸出磁場可以調節(jié)的能力；激勵源的強度應明顯大于背景磁場；其輸出磁場大小與控制量具有唯一確定的對應關系，可通過計算得到輸出磁場大小； 2)使用高精度磁場源確定天線的響應特性的線性化:首先關閉磁場源，測量天線的輸出，記錄下此時的電信號El ;然后開啟磁場源，選擇接收機天線的工作頻率中心點f，逐漸加大磁場源大小，記錄下多點輸出和輸入，最終使輸出的電信號E2為10E1，通過繪圖判斷是否滿足輸出和輸入的線性度；如不滿足，整改天線的增益等使其滿足線性要求； 3)通過公式計算磁場信號源在天線入口處的磁場大小Bi和測量輸出電壓關系Eo，得到磁場電壓轉換系數(shù)K為Eo/Bi。
4.根據(jù)權利要求1所述的確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于，所述第二步中，采用一種間接的測量計算方法，采用測量加數(shù)據(jù)分析方式，利用一致性較好的兩根天線和有關計算方法得到等 效的天線輸出電壓噪聲信號；分為如下三小步，分別是I)標定兩根天線一致性，2)測量天線輸出，3)計算零輸入下電壓輸出。
5.根據(jù)權利要求4所述的確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于， (1)標定天線一致性:標定時分為如下三步:a)首先選取設計完全一致的兩根天線，包括所有的電氣參數(shù)，材料，結構設計等；b)其次構建合適的磁場環(huán)境，必要時可在屏蔽室內(nèi)；使激勵源具有一致性，產(chǎn)生恒定均勻磁場源，并通過安裝位置、磁場環(huán)境等保證輸入磁場在兩根天線的入口處是一致的；c)然后通過掃頻，分別測量在不同頻率下的兩根天線的幅頻和相頻響應，如量值偏差在一定范圍內(nèi)，則標定了兩根天線的一致性； (2)測量天線輸出信號:該步驟使用前面標定了一致性的兩根天線；天線擺放位置保證天線的輸入信號是一致的，在磁場變化較穩(wěn)定的環(huán)境下，可采用天線平行放置，并且距離保持在兩米以內(nèi)；保證兩者的工作電氣特征和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的一致性；記錄下兩根天線同一時刻的輸出yl(n)和y2(n)； (3)計算噪聲電壓:該步驟過程如下，天線輸出信號的數(shù)據(jù)分段并加窗函數(shù)；使用數(shù)學方法分段計算功率譜密度；求取所有段的功率譜密度平均值；功率譜密度轉換為電壓譜密度，即為噪聲電壓。
6.根據(jù)權利要求5所述的確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于， 計算電壓譜密度可采用任何數(shù)學方法，但要保證計算過程的收斂和較高的計算靈敏度，如采用Welch方法等； 一種計算方法具體如下: 設定N點長的有限長序列X [η]，分成L段數(shù)據(jù)(每段數(shù)據(jù)有50 %的重疊)，每段有M個數(shù)據(jù)； 序列的分段數(shù)L表示為,其中fix表示取整數(shù)；

7.根據(jù)權利要求1所述的確定接收機天線靈敏度的方法，其特征在于，所述第三步為數(shù)據(jù)計算，利用第一步所得的系數(shù)K和第二步所得的vMise，計算得到磁場靈敏度為vMisyK。
【文檔編號】G01R31/00GK104020366SQ201310064657
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年3月1日 優(yōu)先權日:2013年3月1日
【發(fā)明者】蔡希昌, 艾海明, 米旺, 劉偉, 王愛敏 申請人:北京斯奎德量子技術有限公司