1.本发明涉及一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法，属于电磁传感技术与宽频带电磁测量领域。
背景技术：
2.瞬态电磁骚扰来源于静电放电、雷击以及电力系统中的各类暂态开关操作，可以以电磁波的形式在空间中传播，并常通过天线、孔缝和介质窗口等途径耦合进入电子系统内部，严重威胁其正常工作与设备自身安全；为了准确测量空间中的瞬态电磁环境，需要发展工作频带宽、量程大的电磁传感技术；对于从低频段或直流段起的宽带传感器，基于电磁和磁场天线以及相应的信号处理单元上限截止频率已经高达百mhz量级或以上，而基于电磁致光或者其他物理量的间接测量手段也不断涌现，截止频率从几十mhz到数ghz不等；如何准确标定各类宽带电磁传感器的频率宽度、灵敏度、分辨率，特别是工作动态范围，是准确测量空间电磁骚扰、保障重要基础设施安全可靠运行的重要手段。
3.目前，对于宽带电磁传感器，主要采用的是频域扫描法，如tem室标准场法的校准频段为10khz～200mhz，gtem室标准场法的校准频段为200mhz～1ghz，微波暗室标准场法的校准频段为1ghz～40ghz；但由于动态范围涉及到传感器的非线性特性，无法利用傅里叶变换从频域进行处理，通常利用时域脉冲信号进行时域标定；这种方法的思路是用标准的瞬态电磁脉冲波形，如矩形波脉冲或指数波脉冲激励传感器，测量传感器的响应，再通过输入输出间的关系计算传感器的传递系数；通过改变脉冲激励的幅值，绘制传递系数的变化曲线，截取线性段作为宽带电磁传感器的工作动态范围；这种方法需要人工多次测量传感器的输入输出，绘制散点图，并凭经验选取步进值，选取线性工作段，测试步骤复杂，测试效率低；此外，由于需要进行脉冲信号的准确测量，需要配置有高采样率和宽模拟带宽的信号采集设备，如高速数字示波器等，平台建设的成本很高，且需要培训专业的人员进行操作。
技术实现要素：
4.本发明提出的是一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法，其目的旨在解决现有标定方法和装置在选取线性工作段时无法实现宽带电磁传感器动态范围自动标定的问题。
5.本发明的技术解决方案：一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构包括脉冲发生器，横电磁波室，峰值检测电路；所述脉冲发生器的信号输出端与横电磁波室的首端连接，横电磁波室内用于放置被试的宽带电磁传感器，峰值检测电路的信号输入端与被试的宽带电磁传感器的信号输出端连接。
6.进一步地，一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构还包括直流电源和采样、分析和控制单元；直流电源的电输出端与脉冲发生器的电输入端连接；采样、分析和控制单元的信号输入端与峰值检测电路的信号输出端连接；所述横电磁波室设置有匹配负载；匹配负载设置在横电磁波室的末端。
7.进一步地，所述脉冲发生器用于产生可调脉冲电压波。
8.进一步地，所述脉冲发生器包括储能电容、开关器件、负载电阻，由外部的直流电源对储能电容供电，开关器件为气体火花间隙开关或半导体开关器件；工作时，脉冲发生器产生脉冲上升时间固定、峰值可调的可调脉冲电压波；所述可调脉冲电压波的幅值通过直流电源对储能电容上的充电电压进行控制。
9.进一步地，所述开关器件选择三电极火花间隙开关或相应的功率mosfet可控半导体开关，在开关器件的触发极输入控制信号触发开关器件闭合，将储能电容上存储的电荷向负载电阻释放，产生可调脉冲电压波。
10.进一步地，所述可调脉冲电压波的波形通过公式(1)进行描述：
[0011][0012]
其中，ur(t)是负载电阻r上的输出电压，u0是储能电容上的充电电压，c1和l分别是脉冲发生器的储能电容和回路电感；当直流电源的电压u0确定时，可调脉冲电压波的峰值时刻如公式(2)所示：
[0013][0014]
故可调脉冲电压波的峰值电压即为u
peak
＝ur(t
peak
)。
[0015]
进一步地，所述横电磁波室内的电场e(t)和磁场h(t)均匀分布，具体如公式(3)和公式(4)：
[0016][0017][0018]
其中，h是横电磁波室的高度，z是横电磁波室的特征阻抗；
[0019]
所述横电磁波室内的峰值电场e
peak
和峰值磁场h
peak
分别为：
[0020][0021][0022]
进一步地，所述峰值检测电路包括宽带前置放大器，隔离二极管，信号保持电容，缓冲器；宽带前置放大器的输出端与隔离二极管的输入端连接，隔离二极管的输出端分别与信号保持电容和缓冲器的输入端连接，隔离二极管的输出端通过信号保持电容接地；工作时，从峰值检测电路数字采样得到的时间序列看作一个阶跃信号，以高电平或者上升边缘作为触发判据，记录触发时刻的第一个采样点作为峰值的估计值，数字采样获得的电压记为u
meas
；u
meas
与可调脉冲电压波的峰值u
peak
进行比对，即可得到被试的宽带电磁传感器的
传递系数k，具体如公式(7)所示：
[0023][0024]
工作时，控制脉冲发生器的充电电压u0就能够改变所述宽带电磁传感器动态范围自动标定装置输出的场强，进而获得传递系数k随场强的变化曲线；对传递系数k随场强的变化曲线作最小二乘线性拟合，通过公式(8)得到线性部分的比例系数b：
[0025][0026]
其中，ui和ki分别是n次测量结果中的第i次可调脉冲电压波的峰值电压与传递系数，和分别是n次的平均值。
[0027]
进一步地，所述动态范围的自动标定是通过对工作特性曲线进行最小二乘线性拟合和残差计算获得的，用线性拟合的结果bu
peak
与实测的传递系数k求残差，则只要给定非线性度α，即可获得单边线性工作区间的线性动态范围0到具体如公式(9)：
[0028][0029]
一种利用宽带电磁传感器动态范围自动标定装置进行动态范围自动标定的方法，该方法具体包括：
[0030]
1)将被试的宽带电磁传感器放置于横电磁波室内；
[0031]
2)利用脉冲发生器产生峰值电压u
peak
已知的可调脉冲电压波；
[0032]
3)可调脉冲电压波通过横电磁波室时，产生瞬态脉冲电磁场并作用在被试的宽带电磁传感器上，利用公式(5)和公式(6)获得施加在被试的宽带电磁传感器上的峰值电场场强e
peak
和峰值磁场h
peak
；
[0033]
4)被试的宽带电磁传感器的输出经过峰值检测电路后，输出信号的脉冲幅值被维持在信号保持电容c2中，并通过数字采样被记录；通过合理选择隔离二极管d和信号保持电容c2，增加缓冲器b的入端阻抗，就能够延长峰值保持的时间，以远低于奈奎斯特采样频率的低速采样系统采集宽带电磁传感器输出信号的峰值u
meas
；
[0034]
5)获得u
meas
之后，根据公式(7)，计算被试的宽带电磁传感器在当前输入下的传递系数k；
[0035]
6)设脉冲发生器输出的最大电压为um，为了防止输入大信号损坏被试的宽带电磁传感器，初始设定充电电压为0.05um；无论传递系数的计算结果如何，连续进行0.05um、0.10um、0.15um三次测量，获得k1、k2、k3三个传递系数；
[0036]
7)选取非线性度α(如0.01)，用以量化工作动态范围偏离线性的程度；
[0037]
8)根据k1、k2和k3判断被试的宽带电磁传感器的工作状态：
[0038]
如果被试的宽带电磁传感器工作在线性范围内；
[0039]
如果被试的宽带电磁传感器已经进入非线性范围；
[0040]
9)根据步骤8)中的判定结果设置下一次的充电电压；如果系统工作在线性范围内，则下一次充电电压增加0.05um，测量后计算获得新的传递系数k
*
，如下更新k1、k2和k3并回到步骤8)：
[0041]
k1←
k2，k2←
k3，k3←k*
；
[0042]
如果被试的宽带电磁传感器工作在非线性范围内，则接下来的两次充电电压分别向上步进0.05um和0.10um，然后结束测量；
[0043]
10)重复步骤8)和9)，直到测量结束，此时非线性边缘处应至少存在三个数据点，根据公式(9)即可获得系统的线性动态范围。
[0044]
本发明的有益效果：
[0045]
1)本发明通过数字采样和脉冲功率技术，实现宽带电磁传感器时域脉冲响应动态范围的自动标定，解决了现有装置成本高、测试步骤复杂，测试效率低、测量时间长的问题；
[0046]
2)本发明利用高压电容和三电极可控功率开关产生波形固定、幅值可调并已知的脉冲电压波，并通过阻抗恒定的横电磁波室在试验区域形成均匀的横电磁模标准场，激励被试的宽带电磁传感器；
[0047]
3)本发明利用宽带运放、截断二极管和储能电容搭建峰值保持电路，在一定时间内保存被试传感器输出的瞬态电压波形峰值，使得廉价低速的模拟/数字转换器可以被用来进行脉冲峰值的采集；
[0048]
4)本发明利用标准场的原始峰值和检测峰值可以计算宽带电磁传感器的传递系数，基于该系数相应地改变标准场的场强以获得传递系数的动态曲线，再通过最小二乘线性拟合和残差计算，即可自动求得系统的线性动态范围，能够自动完成宽带电磁传感器时域脉冲响应动态范围的标定，获得传感器在脉冲激励下的线性工作区间，且不依赖高速采样设备，无需外部人员的操作和介入；
[0049]
5)本发明能够脱离高速采集设备，仅通过内建的普通低速模拟/数字转换功能就可以实现瞬态电磁激励下响应幅值的捕捉；
[0050]
6)本发明还能够通过反馈电路自行设置下一次的激励电压，通过算法自动完成传递系数曲线的测量并计算动态范围，有助于短时间、低成本、高可靠、零培训地完成宽带电磁传感器动态范围的标定工作；
[0051]
7)本发明有利于促进瞬态电磁骚扰的科学防治工作，保障国民生产生活中各类电子设备和系统的安全可靠运行。
附图说明
[0052]
附图1是宽带电磁传感器动态范围自动标定装置组成示意框图。附图2是脉冲发生
器的结构示意图。
[0053]
附图3是峰值检测电路原理图。
[0054]
附图4是峰值检测电路和低速数字采样波形示例。
[0055]
附图5是实施例1中宽带电场传感器的正方向动态范围标定的流程示意图。
[0056]
附图中c1是储能电容，r是负载电阻，a是宽带前置放大器，d是隔离二极管，c2是信号保持电容，b是缓冲器。
具体实施方式
[0057]
一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构包括脉冲发生器，横电磁波室，峰值检测电路；所述脉冲发生器的信号输出端与横电磁波室的首端连接，横电磁波室内用于放置被试的宽带电磁传感器，峰值检测电路的信号输入端与被试的宽带电磁传感器的信号输出端与连接。
[0058]
所述横电磁波室设置有匹配负载；匹配负载优选设置在横电磁波室的末端；匹配负载用于吸收脉冲能量。
[0059]
所述一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构还包括直流电源；直流电源的电输出端与脉冲发生器的电输入端连接；直流电源优选为高压直流电源。
[0060]
所述一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构还包括采样、分析和控制单元；采样、分析和控制单元的信号输入端与峰值检测电路的信号输出端连接。
[0061]
所述脉冲发生器包括储能电容c1、开关器件、负载电阻r、回路电感，由外部的直流电源对储能电容c1供电，开关器件为气体火花间隙开关或半导体开关器件，半导体开关器件优选为功率mosfet；工作时，脉冲发生器产生脉冲上升时间固定、峰值可调的可调脉冲电压波；所述脉冲电压波的幅值通过直流电源对储能电容上的充电电压进行控制；为了保证开关器件能够在低压和高压下均能可靠工作，开关器件优先选择三电极火花间隙开关或相应的功率mosfet可控半导体开关，在开关器件的触发极输入控制信号触发开关器件闭合，将储能电容上存储的电荷向负载电阻释放，产生可调脉冲电压波。
[0062]
所述可调脉冲电压波的波形通过公式(1)进行描述：
[0063][0064]
其中，ur(t)是负载电阻r上的输出电压，u0是储能电容上的充电电压，c1和l分别是脉冲发生器的储能电容和回路电感；当直流电源的电压u0确定时，可调脉冲电压波的峰值时刻如公式(2)所示：
[0065][0066]
故可调脉冲电压波的峰值电压即为u
peak
＝ur(t
peak
)。
[0067]
所述可调脉冲电压波被输入到后端的横电磁波室，产出标准的瞬态电磁环境标定被试电磁传感器；特别地，在横电磁波室的末端设置匹配负载用以吸收脉冲能量，防止由于
失配造成的反射波回到横电磁波室中影响测量结果；对于所设计的横电磁波室，其上限截止频率是横电磁模(tem)独自存在时的带宽，此时没有高次模存在，电场与磁场始终垂直于行波方向，在横电磁波室中心处，由于没有边缘的影响，横电磁波室内的电场e(t)和磁场h(t)近似均匀分布，具体如公式(3)和公式(4)：
[0068][0069][0070]
其中，h是横电磁波室的高度，z是横电磁波室的特征阻抗。
[0071]
由(3)、(4)可知，横电磁波室内的峰值电场e
peak
和峰值磁场h
peak
分别为：
[0072][0073][0074]
所述被试电磁传感器的瞬态响应需要反馈给标定系统用以进行传递系数计算和下一次的充电电压设定；为了不使用昂贵的高速采集设备，本发明仅通过峰值检测电路和低速模拟/数字转换器获得响应的峰值。
[0075]
所述峰值检测电路包括宽带前置放大器a，隔离二极管d，信号保持电容c2，缓冲器b；宽带前置放大器a的输出端与隔离二极管d的输入端连接，隔离二极管d的输出端分别与信号保持电容c2和缓冲器b的输入端连接，隔离二极管d的输出端通过信号保持电容c2接地。
[0076]
所述峰值检测电路的工作原理如下：如图3所示，被试的宽带电磁传感器输出的脉冲波形首先被输入到宽带前置放大器a中，进行电压放大和阻抗转换，然后通过一个隔离二极管d给信号保持电容c2充电；通过改变隔离二极管d的方向决定信号保持电容c2上所充电压的正负，进而调整峰值检测电路检测的是正峰值还是负峰值。
[0077]
所述隔离二极管d保证信号保持电容c2上的电压不低于被试的宽带电磁传感器输出的峰值电压；即使脉冲波形的峰值已经经过一段时间，由于隔离二极管d的截止作用，信号保持电容c2上的电压无法释放，仅会通过自身的泄漏和后端的高阻通路缓慢放电，起到电压保持的作用；缓冲器b是一个电压跟随器，用于稳定输出信号保持电容c2上的电压至输出端，并进行阻抗变换。
[0078]
所述峰值检测电路通过隔离二极管d的截断和信号保持电容c2的保持为后端的数字采样提供了更长的时间，使得可以利用廉价低速的模拟/数字转换器和相应的低速数字采样进行脉冲幅值的记录，被试的宽带电磁传感器输出的原始脉冲波形、峰值检测电路的峰值检测、相应的低速数字采样位置如图4所示。
[0079]
由于宽带电磁传感器输出的原始脉冲波形持续时间远短于低速数字采样的间隔，模拟/数字转换器无法被触发，但能够将从峰值检测电路数字采样得到的时间序列看作一个阶跃信号，以高电平或者上升边缘作为触发判据，记录触发时刻的第一个采样点作为峰值的估计值(此时信号保持电容c2上的电荷消散最少，最接近宽带电磁传感器输出的原始波形峰值)，数字采样获得的电压记为u
meas
。
[0080]
所述数字采样记录到量化的峰值u
meas
后，与峰值u
peak
进行比对，即可得到被试的宽带电磁传感器的传递系数k，具体如公式(7)所示：
[0081][0082]
工作时，控制脉冲发生器的充电电压u0就能够改变本发明所述宽带电磁传感器动态范围自动标定装置输出的场强，进而获得传递系数k随场强的变化曲线；对传递系数k随场强的变化曲线作最小二乘线性拟合，通过公式(8)得到线性部分的比例系数b：
[0083][0084]
其中，ui和ki分别是n次测量结果中的第i次可调脉冲电压波的峰值电压与传递系数，和分别是n次的平均值。
[0085]
所述动态范围的自动标定是通过对工作特性曲线进行最小二乘线性拟合和残差计算获得的，用线性拟合的结果bu
peak
与实测的传递系数k求残差，则只要给定非线性度α，即可获得单边线性工作区间的线性动态范围0到具体如公式(9)：
[0086][0087]
一种利用宽带电磁传感器动态范围自动标定装置进行动态范围自动标定的方法，该方法通过传递系数k随场强的变化曲线测得传递系数动态范围；通过闭环控制获得被试的宽带电磁传感器的工作特性曲线，并保证曲线边缘至少包含3个非线性数据点。
[0088]
一种利用宽带电磁传感器动态范围自动标定装置进行动态范围自动标定的方法，该方法具体包括：
[0089]
1)将被试的宽带电磁传感器放置于横电磁波室内；
[0090]
2)利用脉冲发生器产生峰值电压u
peak
已知的可调脉冲电压波；
[0091]
3)可调脉冲电压波通过横电磁波室时，产生瞬态脉冲电磁场并作用在被试的宽带电磁传感器上，利用公式(5)和公式(6)获得施加在被试的宽带电磁传感器上的峰值电场场强e
peak
和峰值磁场h
peak
；
[0092]
4)被试的宽带电磁传感器的输出经过峰值检测电路后，输出信号的脉冲幅值被维持在信号保持电容c2中，并通过数字采样被记录；通过合理选择隔离二极管d和信号保持电容c2，增加缓冲器b的入端阻抗，就能够延长峰值保持的时间，以远低于奈奎斯特采样频率的低速采样系统采集宽带电磁传感器输出信号的峰值u
meas
；
[0093]
5)获得u
meas
之后，根据公式(7)，计算被试的宽带电磁传感器在当前输入下的传递
系数k；
[0094]
6)设脉冲发生器输出的最大电压为um，为了防止输入大信号损坏被试的宽带电磁传感器，初始设定充电电压为0.05um；无论传递系数的计算结果如何，连续进行0.05um、0.10um、0.15um三次测量，获得k1、k2、k3三个传递系数；
[0095]
7)选取非线性度α(如0.01)，用以量化工作动态范围偏离线性的程度；
[0096]
8)根据k1、k2和k3判断被试的宽带电磁传感器的工作状态：
[0097]
如果被试的宽带电磁传感器工作在线性范围内；
[0098]
如果被试的宽带电磁传感器已经进入非线性范围；
[0099]
9)根据步骤8中的判定结果设置下一次的充电电压；如果系统工作在线性范围内，则下一次充电电压增加0.05um，测量后计算获得新的传递系数k
*
，如下更新k1、k2和k3并回到步骤8)：
[0100]
k1←
k2，k2←
k3，k3←k*
；
[0101]
如果被试的宽带电磁传感器工作在非线性范围内，则接下来的两次充电电压分别向上步进0.05um和0.10um，然后结束测量；
[0102]
10)重复步骤8)和步骤9)，直到测量结束，此时非线性边缘处应至少存在三个数据点，根据公式(9)即可获得系统的线性动态范围。
[0103]
通常宽带电磁传感器的标定方法有两种，即标准源法与标准天线法；本发明采用标准源法，原始波形通过脉冲发生器的电路参数进行计算获得，能够避免测量过程中对昂贵的高速采集设备的依赖。
[0104]
实施例1
[0105]
以宽带电场传感器的正方向动态范围标定为例，阐述本发明自动完成动态范围的具体实施步骤：
[0106]
1)将被试的电场传感器放置于横电磁波室内；
[0107]
2)利用脉冲发生器产生峰值电压u
peak
已知的脉冲电压波；
[0108]
3)脉冲电压波通过横电磁波室时，产生瞬态脉冲电磁场并作用在被试的电场传感器上，获得所施加的标准脉冲电场的峰值场强e
peak
；
[0109]
4)被试的电场传感器的输出经过峰值检测电路后，输出信号的脉冲幅值被维持在信号保持电容c2中，并通过低速模拟/数字转换器被记录；通过合理选择隔离二极管d和信号保持电容c2，增加缓冲器b的入端阻抗，就能够延长峰值保持的时间，以远低于奈奎斯特采样频率的低速采样系统采集被试的电场传感器输出信号的峰值u
meas
；
[0110]
5)获得u
meas
之后，计算获得被试的电场传感器在当前输入下的传递系数k；
[0111]
6)设脉冲发生器的输出的最大电压为um，为了防止输入大信号损坏被试的电场传感器，初始设定充电电压为0.05um；无论传递系数的计算结果如何，连续进行0.05um、0.10um、0.15um三次测量，获得k1、k2、k3三个传递系数；
[0112]
7)选取非线性度α(如0.01)，用以量化工作动态范围偏离线性的程度；
[0113]
8)根据k1、k2和k3判断系统的工作状态：
[0114]
如果系统工作在线性范围内；
[0115]
如果系统已经进入非线性范围；
[0116]
9)根据步骤8中的判定结果设置下一次的充电电压；如果系统工作在线性范围内，则下一次充电电压增加0.05um，计算获得新的传递系数k
*
，如下更新k1、k2和k3并回到步骤8)：
[0117]
k1←
k2，k2←
k3，k3←k*
；
[0118]
如果被试的电场传感器工作在非线性范围内，则接下来的两次充电电压分别向上步进0.05um和0.10um，然后结束测量；
[0119]
10)重复步骤8)和步骤9)，直到测量结束，此时非线性边缘处应至少存在三个数据点，根据公式(9)，即可获得系统的线性动态范围。