基于数据融合机制的宽带电场传感器平坦度优化方法与流程

本发明属于传感器测量处理
技术领域：
，特别涉及一种基于数据融合机制的应用于宽带电场传感器平坦度优化的方法。
背景技术：
：近年来电场传感器的发展主要集中在对电场探头天线的设计、传感器制作器件选型、传感器校准等方面，关于传感器测量数据处理方面的研究很少。而且，对于传感器测量数据的处理目前较多的是关于线性度校准，如IEEE公布的传感器校准标准中已对线性度校准做了分析，但是关于平坦度的校准，值得参考的标准和文献寥寥无几。然而，在工程应用中，适当地进行传感器测量数据处理很有必要，后端数据处理是配合硬件设计以解决探头性能优化问题的重要方法。技术实现要素：本发明的目的是提供一种宽带电场传感器平坦度优化方法，采取优势融合机制，解决电场传感器系统工作频率宽所带来的全频段的平坦度难以兼顾的问题，以达到拓宽频带的同时不降低平坦度。为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：基于数据融合机制的宽带电场传感器平坦度优化方法，步骤如下：S101、在电场传感器的测量频段内设置多个测量频点，获取电场传感器各感应天线在各测量频点的测试数据，计算各个测量频点处的各感应天线的场强测量值；S102、根据感应天线在每一个测量频点的场强测量值计算该测量频点处电场传感器的每一个感应天线的特征判断值，进行电场传感器的特征提取及特征识别；第n个测量频点处电场传感器的第m个感应天线的特征判断值Km(n)通过以下公式计算：式中的Em(n)为在第n个测量频点处电场传感器中第m个感应天线的场强测量值，n＝1,2,…,N，N为测量频点的数量，m＝1,2,…,M，M为电场传感器中感应天线的数量；对于每一个测量频点，由电场传感器的所有感应天线的特征判断值组成一个特征判断组合(K1(n),…,Km(n),…,KM(n))，根据特征判断规则确定该测量频点处电场传感器的特征值；S103、根据各测量频点的电场传感器的特征值对整个测量频段的场强数据进行融合处理，计算电场传感器的融合场强；将各测量频点处电场传感器的特征值(f1,…,fn,…,fN)进行按位或运算，得到电场传感器在整个测量频段内的融合特征fs：fs＝f1∨f2…∨fn...∨fN＝[w1,w2,…,wM]；其中，fn为第n个测量频点处电场传感器的特征值，∨表示按位或运算；根据融合特征fs计算融合场强Ef：其中，Em表示第m个感应天线的实际场强测量值。更具体的，根据特征判断规则确定该测量频点处电场传感器的特征值的步骤如下：a.确定各感应天线符合平坦度要求的频段；在电场传感器测量频段内的各测量频点，分别对每一感应天线进行标准场强情况下的平坦度测试，根据电场传感器的平坦度要求确定各感应天线符合平坦度要求的频段；b.假设第n个测量频点的特征判断组合(K1(n),…,Km(n),…,KM(n))中，对于第m个感应天线来说，当特征判断值Km(n)符合以下条件之一时，认为第m个感应天线是该测量频点的符合平坦度要求的天线：感应天线有0个或1个谐振点时：Km(n)＞Pm1，或Km(n)∈[Pm2,Pm1]且Km+1(n)＞Qm1，其中，Pm1为第m个感应天线在全频段内的第1个界限值，Pm2为第m个感应天线在全频段内的第2个界限值，Qm1为第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值，m＝M时，Qm1为第1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值；感应天线有2个或2个以上谐振点时：Km(n)＞hm(1)；或Km(n)∈[hm(i),hm(i-1)]且Km+1(n)∈[Qm(2i-2),Qm(2i-3)]，i＝2,…,I；或Km(n)∈[Hm,hm(I)]且Km+1(n)>Qm(2I-1)；其中，hm(1)为第m个感应天线在各谐振点处所对应的特征判断值中的最大值，hm(i)为第m个感应天线的谐振点特征判断值集合中的第i个元素，hm(I)为第m个感应天线的谐振点特征判断值集合中的第I个元素，I为感应天线的谐振点个数，Hm为第m个感应天线在符合平坦度要求的所有频点处所对应的特征判断值中的最小值，Qm(2i-2)为第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第2i-2个界限值。由以上技术方案可知，本发明基于数据融合机制，利用传感器数据融合的结果修正传感器直接获取的数据结果，可以解决电场传感器系统工作频率宽带来的全频段的平坦度难以兼顾的问题，可应用于宽带电场传感器的测量数据处理融合中，从而对电场探头的性能进行优化。附图说明图1为本发明方法的流程图。图2为本发明实施例三个感应天线的10V/m频率响应曲线图；图3为本发明实施例三个感应天线的特征判断值曲线图。以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。一个电场传感器可以包括多个感应天线，以常用的包括三个感应天线(S1、S2、S3)的电场传感器为例，三个感应天线分别用于测量不同频率上的电场分量，电场传感器上的每一个感应天线都是独立的敏感单元，每个感应天线的典型工作频率范围各不相同，并在各自的典型工作频率范围内处于最优工作状态。电场传感器的感应天线采集到数据后，将数据传输至单片机，由单片机根据传感器采集的数据计算出场强值(E1、E2、E3)，然后将计算得到的场强数据传输给上位机进行数据处理，上位机接收到的各感应天线的场强值在物理线路上是相互独立的，只有数值大小，不包含待测电场频率和相位信息。由于电场传感器的感应天线在设计时是按照频率特征进行分类的，每个感应天线的典型工作频率范围各不相同，在不同的频段内，单个感应天线在局部频段上会存在缺陷，因此每个感应天线在测量频段内各局部频段测得的场强值对电场传感器最终传输出的场强值的数值的可靠性是不同的，即三个感应天线在不同频段的场强值E1、E2、E3的支持度不同，在某个频段范围内起优势作用(符合平坦度要求)的天线可能有1个或多个。由于被测场强是未知的，本发明通过对各感应天线的场强值(E1、E2、E3)进行有效性评估，将多路感应天线的测量数据进行决策融合，从而集中多个感应天线的优势，弥补单个传感天线在局部频段上的缺陷问题，进而达到优化传感器平坦度的目的。本发明的电场传感器平坦度优化方法主要包括传感器数据获取、数据特征提取及识别和融合处理三大步骤，图1为本发明方法的流程图，下面结合图1，对本发明的电场传感器平坦度优化方法进行说明，本发明方法的步骤如下：S101、在电场传感器的测量频段内设置多个测量频点，获取电场传感器各感应天线在各测量频点的测试数据，计算各个测量频点处的电场传感器各感应天线的场强测量值；S102、根据电场传感器的感应天线在每一个测量频点的场强测量值计算该测量频点处电场传感器的每一感应天线的特征判断值，进行电场传感器的特征提取及特征识别；特征提取就是根据感应天线的场强测量值计算感应天线的特征判断值，感应天线的特征判断值为两个感应天线的场强测量值的比值，第n个测量频点处，电场传感器的第m个感应天线的特征判断值Km(n)通过以下公式计算：式中的Em(n)为在第n个测量频点处电场传感器中第m个感应天线Sm的场强测量值，n＝1,2,…,N，N为测量频点的数量，m＝1,2,…,M，M为电场传感器中感应天线的数量；计算出所有感应天线的特征判断值后，对于每一个测量频点，都有由电场传感器的所有感应天线的特征判断值组成的一个特征判断组合(K1(n),…,Km(n),…,KM(n))，根据特征判断规则确定该测量频点处电场传感器的特征值fn，一个特征判断组合可以得到一个特征值fn，该特征值表示在该测量频点(频段)符合平坦度要求的感应天线，即特征识别；S103、根据各测量频点的电场传感器的特征值对整个测量频段的场强数据进行融合处理，计算电场传感器的融合场强；将各测量频点处电场传感器的特征值(f1,…,fn,…,fN)进行按位或运算，得到电场传感器在整个测量频段内的融合特征fs：fs＝f1∨f2…∨fn…∨fN＝[w1,w2,…,wM]；其中，fn为第n个测量频点处电场传感器的特征值，∨表示按位或运算，按位或运算的结果w1、w2、wM为0或1，0表示不符合平坦度要求，1表示符合平坦度要求；根据融合特征fs计算融合场强Ef：其中，Em表示第m个感应天线的实际场强测量值。步骤S102中，特征判断值等于两个感应天线之间场强测量值的比值，反映的是感应天线性能的相似性，在不同频段上，不同感应天线的性能不同，特征识别的过程就是确定电场传感器的特征值的过程，即确定哪个感应天线符合平坦度要求的过程，在同一个频段内允许多个感应天线同时符合平坦度要求；特征识别的步骤如下：a.确定各感应天线符合平坦度要求的频段；在电场传感器测量频段内的各测量频点，分别对每一感应天线进行标准场强情况下的平坦度测试，根据电场传感器的平坦度要求确定各感应天线符合平坦度要求的频段；b.假设第n个测量频点的特征判断组合(K1(n),…,Km(n),…,KM(n))中，对于第m个感应天线来说，当该感应天线存在0或1个谐振点时，其特征判断值Km(n)符合以下条件之一则认为第m个感应天线在该测量频点(频段)的符合平坦度要求：Km(n)＞Pm1，或Km(n)∈[Pm2,Pm1]且Km+1(n)＞Qm1；其中，Pm1为第m个感应天线在全频段内的第1个界限值，Pm2为第m个感应天线在全频段内的第2个界限值，Qm1为第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值，当m＝M时，Qm1为第1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值；当该感应天线存在I个谐振点时，I≥2，将第m个感应天线在各谐振点处所对应的特征判断值从大到小排列，形成第m个感应天线的谐振点特征判断值集合i＝1,…,I，当其特征判断值Km(n)符合以下条件之一时，认为第m个感应天线在该测量频点(频段)的符合平坦度要求：Km(n)＞hm(1)；或Km(n)∈[hm(i),hm(i-1)]且Km+1(n)∈[Qm(2i-2),Qm(2i-3)]，i＝2,…,I；或Km(n)∈[Hm,hm(I)]且Km+1(n)>Qm(2I-1)；其中，hm(1)为第m个感应天线在各谐振点处所对应的特征判断值中的最大值，hm(i)为第m个感应天线的谐振点特征判断值集合中的第i个元素(即从大到小排列的第i个判断特征值)，对应的，hm(i-1)则为第m个感应天线的谐振点特征判断值集合中的第i-1个元素，hm(I)为第m个感应天线的谐振点特征判断值集合中的第I个元素，即第m个感应天线的所有谐振点对应的判断特征值中的最小值，Hm为第m个感应天线在符合平坦度要求的所有频点处所对应的特征判断值中的最小值，Qm(2i-2)表示第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第2i-2个界限值，对应的，Qm(2i-3)表示第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第2i-3个界限值，Qm(2I-1)为第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第2I-1个界限值。即，对于某一个只有1个或没有谐振点的感应天线来说，当该感应天线在某一测量频点的特征判断值Km(n)大于该感应天线在全频段内的第一界限值Pm1时，无需考虑其它感应天线，即可判定该感应天线在此频点上的数据输出值符合电场传感器的平坦度要求；当Km(n)在[Pm2,Pm1]范围内时，有时可能会出现该特征判断值对应的测量频点在符合平坦度要求的频段内和不在符合平坦度要求的频段内两种情况，此时需要加入第m+1个感应天线的特征判断值进行判断，当第m+1个感应天线的特征判断值Km+1(n)大于第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值Qm1时，则判定第m个感应天线在此频点上的数据输出值符合电场传感器的平坦度要求；具有2个或2个以上谐振点的感应天线的判断过程同上。如Pm1、Pm2、Qm1等各界限值的取值为经验值，根据每个感应天线在全频段内的测试数据确定，当测试频点的选取发生变化时，各界限值的取值也会相应改变。本发明根据电场传感器的各感应天线间的相互支持度进行决策，通过感应天线对的特征判断值来反推感应天线符合平坦度要求的频段范围，进而得到该频带范围内的E1、E2、E3不同支持度，本发明的支持度是指感应天线在各自测试频段内测量数据的可靠性，频段范围反推是指根据各感应天线的测试数据计算特征判断值，从而分析出特征判断值所对应的固定频段。下面以一个具体实施例对本发明方法进行详细说明，本实施例中的电场传感器包括三个感应天线S1、S2、S3，所采用的三个感应天线S1、S2、S3的理论典型频率工作范围分别为1MHz～3GHz、100MHz～18GHz和500MHz～25GHz，电场传感器的测量频段为0.5MHz～25GHz，电场传感器的平坦度要求为小于±3dB；首先，在电场传感器的测量频段0.5MHz～25GHz范围内取N＝90个测量频点，将传感器置于10V/m标准场环境下，获取各感应天线在各测量频点处的场强测量值，计算出在各测量频点每个感应天线的场强测量值；根据在每一个测量频点测得的每个感应天线的场强测量值计算各感应天线每一测量频点的特征判断值，在第n个测量频点处，该电场传感器共有三个特征判断值：K1(n)＝E1(n)/E2(n)，K2(n)＝E2(n)/E3(n)，K3(n)＝E3(n)/E1(n)；其中，E1(n)为在第n个测量频点电场传感器中第1个感应天线S1的场强测量值，E2(n)为在第n个测量频点处电场传感器中第2个感应天线S2的场强测量值，E3(n)为在第n个测量频点处电场传感器中第3个感应天线S3的场强测量值；三个感应天线的特征判断值曲线如图3所示；由每一测量频点所有感应天线的特征判断值组成该测量频点的特征判断组合(K1(n),K2(n),K3(n))，K1(n)表示第n个测量频点处第1个感应天线的特征判断值，K2(n)表示第n个测量频点处第2个感应天线的特征判断值，K3(n)表示第n个测量频点处第3个感应天线的特征判断值，根据特征判断规则确定该测量频点处电场传感器的特征值，即确定该测量频点处三个感应天线中的哪个感应天线为符合平坦度要求的感应天线，具体步骤如下：通过绘图法判断每个感应天线符合平坦度要求的频段；根据在各个测量频点测得的场强值进行绘图，横坐标为频率，纵坐标为场强值，如图2所示；当电场传感器的平坦度要求为小于±3dB时，在标准场强条件下感应天线得到的场强测量值在7V/m-14V/m范围内的均认为符合±3dB的平坦度要求，由场强曲线图(图2)可以看出，三个感应天线S1、S2、S3符合平坦度要求的频率工作范围分别为0.5MHz～3.0GHz，95MHz～18GHz(除13000MHz，16000MHz外)，500MHz～25GHz；然后，对于各个测量频点的特征判断组合(K1(n)，K2(n)，K3(n))，依次判断每个感应天线是否符合条件，从而确定符合平坦度要求的天线，本实施例三个感应天线的界限值及判断条件如表1所示：表1K1K2K3feature特征描述OO>0.77f3S3起作用O[0.51,1.68]>0.69f2S2起作用O[1.68,2.27][0.41,1.09]f2S2起作用O>2.27Of2S2起作用[0.64,1.03]>0.64Of1S1起作用>1.03OOf1S1起作用根据以上条件判断出各测量频点处电场传感器的特征值后，将各测量频点处电场传感器的特征值(f1,…,fn,…,fN)进行按位或运算，得到电场传感器在整个测量频段内的融合特征fs，根据融合特征fs计算实际测量的融合场强Ef。本实施例的3个感应天线的界限值采用绘图法确定，步骤如下：根据每个感应天线在各测量频点的特征判断值作图，横坐标为频率，纵坐标为特征判断值，得到的特征判断值曲线图如图3所示。已确定三个感应天线S1、S2、S3的符合平坦度要求的频段范围分别为：第1个感应天线S1符合平坦度要求的频段为0.5MHz～3.0GHz，第2个感应天线S2符合平坦度要求的频段为95MHz～18GHz(除13000MHz，16000MHz外)，第3个感应天线S3符合平坦度要求的频段为500MHz～25GHz；对于第1个感应天线来说，第1个感应天线没有谐振点，从图3可以看出，在0.5MHz～3.0GHz频段之外，即第1个感应天线不符合平坦度要求的频段范围内，第1个感应天线的所有特征判断值中的最大值是1.03，则第1个感应天线在全频段内的第1个界限值P11为1.03，由此可知某一感应天线在全频段内的第1个界限值为该感应天线在其不符合平坦度要求的频段范围内(各测量频点)的特征判断值中的最大值；当满足K1(n)＞1.03时，无需考虑其它感应天线对应的特征判断值，即可判定第1个感应天线为此频点(频段)符合平坦度要求的天线；同时从图3还可以看出，在第1个感应天线符合平坦度要求的频段范围0.5MHz～3.0GHz内，其所有特征判断值中的最小值是0.64，则第1个感应天线的第2个界限值P12为0.64，由此可知某一感应天线在全频段内的第2个界限值为该感应天线在其符合平坦度要求的频段范围内(各测量频点)的特征判断值中的最小值；当K1(n)∈[0.64,1.03]时，需借助第2个感应天线判断是否符合平坦度要求，K1(n)∈[0.64,1.03]时，第1个感应天线在其符合平坦度要求的频率范围内的频率点有：95MHz-150MHz、250MHz、400MHz、450MHz、550MHz、700MHz、750MHz和950MHz，以上各频点处对应的第2个感应天线的特征判断值中的最小值为0.64，同时当K1(n)∈[0.64,1.03]时，第2个感应天线在第1个感应天线符合平坦度要求的频率范围之外的频率点有：21000MHz-25000MHz(22000MHz除外)，以上各频点处对应的第2个感应天线的特征判断值中的最大值为0.18，两者中的较大值为第2个感应天线在第1个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值，0.18小于0.64，则第2个感应天线在第1个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值Q11为0.64，当满足K1(n)∈[0.64,1.03]且K2(n)＞0.64时，可判定第1个感应天线为此频点(频段)符合平坦度要求的天线。相当于Qm1为Km(n)∈[Pm2,Pm1]时，第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求的频率范围内各测量频点对应的特征判断值的最小值与第m+1个感应天线在第m个感应天线不符合平坦度要求的频率范围内各测量频点对应的特征判断值的最大值，这两个值中的较大者。对于第2个感应天线来说，从图3可以看出，在第2个感应天线在符合平坦度要求的频段范围95MHz～18GHz内有两个谐振点13000MHz和16000MHz，第2个感应天线在这两个谐振点处对应的特征判断值分别为1.68和2.27，即第2个感应天线的谐振点所对应的特征判断值中的最大值h2(1)是2.27，第2个感应天线的谐振点所对应的特征判断值中的最小值h2(2)是1.68，2.27同时也是第2个感应天线不符合平坦度要求的频段范围内(95MHz～18GHz频段之外)所有特征判断值中的最大值，当满足K2(n)＞2.27时，无需考虑其它感应天线对应的特征判断值，即可判定第2个感应天线为此频点(频段)符合平坦度要求的天线；第2个感应天线的谐振点特征判断值集合当K2(n)∈[1.68,2.27]时需要加入第3个感应天线的特征判断值进行判断，当K2(n)∈[1.68,2.27]时，第2个感应天线存在以下符合平坦度要求的频率点：300MHz、400MHz、3500MHz，以上各频点处对应的第3个感应天线的特征判断值中的最大值为1.09，最小值为0.41，则第3个感应天线在第2个感应天线符合平坦度要求频段内的第1个界限值Q21为1.09，第2个界限值Q22为0.41，则可得到其对应的判断规则为K2(n)∈[1.68,2.27]且K3(n)∈[0.41,1.09]；相当于Qm(2i-2)和Qm(2i-3)分别为Km(n)∈[hm(i),hm(i-1)]时，第m个感应天线符合平坦度要求的各测量频点所对应的第m+1个感应天线的特征判断值中的最小值和最大值，当有更多谐振点时，采用相同的方法获得其余界限值；同时由图3可以看出，第2个感应天线在其符合平坦度要求的频段95MHz～18GHz内(除13000MHz，16000MHz)的所有测量频点对应的特征判断值中的最小值为0.51，即H2为0.51，当K2(n)∈[H2,h2(2)]＝[0.51,1.68]时，第2个感应天线存在符合平坦度要求的频率点为95MHz和450MHz-18000MHz(除3500MHz,13000MHz,16000MHz)，以上各频点处对应的第3个感应天线的特征判断值中的最小值为0.69，而当K2(n)∈[0.51,1.68]时，第3个感应天线在第2个感应天线符合平坦度要求的频率范围之外的频率点为0.5MHz-70MHz(除3MHz)，以上各频点对应的第3个感应天线的特征判断值中的最大值为0.35，0.35小于0.69，则第3个感应天线在第2个感应天线起作用频段内的第3个界限值Q23为0.69，即当满足K2(n)∈[0.51,1.68]且K3(n)＞0.69时，可判定第2个感应天线为此频点(频段)符合平坦度要求的天线。相当于Qm(2I-1)为Km(n)∈[Hm,hm(I)]时，第m+1个感应天线在第m个感应天线符合平坦度要求的频率范围内各测量频点所对应的特征判断值中的最小值与第m+1个感应天线在第m个感应天线不符合平坦度要求的频率范围内各测量频点对应的特征判断值中的最大值，两个值中的较大者。对于第3个感应天线来说，从图3可以看出，在500MHz～25GHz频段之外，即第3个感应天线不符合平坦度要求的频段范围内，第3个感应天线的特征判断值的最大值是0.77，则将第3个感应天线的第一界限值P31定为0.77；本实施例中，第3个感应天线没有谐振点，且所有特征判断值均满足K3(n)＞0.77，无需考虑其它判断条件(其它感应天线对应的特征判断值)，即可判定第3个感应天线为此频点(频段)符合平坦度要求的天线。本发明的电场传感器平坦度优化方法，在包含多个感应天线的电场传感器的基础上，基于数据融合技术，将多路电场感应天线的测量数据进行决策融合，集中多个感应天线的优势，弥补单组传感天线在局部频段上的缺陷问题，进而达到优化探头平坦度的目的，利用传感器数据融合的结果修正传感器直接获取的数据的结果，可以解决电场传感器系统工作频率宽带来的全频段的平坦度难以兼顾的问题，可应用于宽带电场传感器的测量数据处理融合中，从而对电场探头的性能进行优化。以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页1 2 3