一种基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法及装置

1.本发明涉及测量磁变量技术领域，具体为一种基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法及装置。


背景技术：

2.磁通门磁强计，是磁场测量的主要仪器，可以测量三分量的空间矢量磁场。磁通门磁强计具有功耗低、体积小、精度高、可靠性好等优点，目前广泛应用于航空、航天和地基磁场测量领域。磁通门磁强计通过激励线圈和感应线圈，借助软磁性磁芯的磁通门效应，将空间中低频的磁场信号转化为电信号。为了提升磁通门磁强计测量空间磁场的精度，其感应线圈通常具有非常高的灵敏度，以实现对外界磁场的精密探测。但与此同时，高频的电磁波信号也会被所述的高灵敏度的感应线圈拾取。所述的高频电磁波信号如果频率与磁通门磁强计的激励频率接近，则将对磁通门的测量数据产生很大干扰。
3.一般地，闭环测量的磁通门磁强计包含五个主要的模块，分别是：磁通门探头，激励模块，感应模块，反馈模块，综合控制模块。综合控制模块控制激励模块，产生激励信号；激励信号在磁通门探头的激励线圈上激励出对称的交变磁场，使探头的磁芯周期性饱和；磁芯的周期性饱和磁场叠加外界待测的磁场，在感应线圈上产生带有待测磁场信息的非对称交变电流信号，称为感应信号；感应模块拾取感应信号，进行一系列的前期处理，提取出外界待测磁场信息；综合控制模块对待测磁场信息进行后期处理，进行数据输出，并指导反馈模块进行反馈；反馈模块生成反馈信号，在探头的反馈线圈形成准直流的反馈信号，抵消探头所在空间的磁场强度。这一过程被称为磁通门磁强计的闭环控制。闭环的磁通门磁强计实际测得的磁感应强度应当是感应模块测得磁感应强度和反馈模块的反馈磁感应强度的总和。
4.磁通门探头的工作基于磁通门效应，主要用于测量低频磁场。以常见的，激励频率为10khz的环形磁芯平行磁通门磁强计为例，感应线圈上的二次谐波，即20khz的感应电流信号将会由于磁通门效应而携带外界磁场的信息。二次谐波的信号强度一般与外界磁感应强度正相关。
5.但磁通门探头本身与对高频信号敏感的探测线圈磁强计具有相似的结构。探测线圈磁强计对高频磁场波动敏感，因此高频的磁场波动将被这种寄生的探测线圈感应到。
6.在实际操作中，准直流到低于100hz量级的超低频磁场波动将被磁通门效应捕获，一般认为是有效的待测磁场信号，会被磁通门磁强计提取出来。高于100hz，低于1khz量级的磁场波动虽然能被磁通门效应捕获，但将被磁强计综合控制模块以数字低通滤波的方式滤除。高于50khz量级的磁场波动不会被磁通门效应捕获，但会被前述的类似探测线圈磁强计的结构感应到，这部分信号被磁强计感应模块的硬件模拟低通滤波滤除。但接近激励波形（10khz）和二次谐波（20khz），即约5khz~30khz频率的磁场波动信号，包括脉冲、正弦波动等，这一频率范围是仪器所关注的范围，数字和模拟滤波的手段无法消除。一旦有特征频率接近20khz附近的强干扰，将会直接破坏磁通门磁强计的测量数据。
7.一般地，在科学研究和测绘调查工作中，往往会尽可能使磁通门磁强计探头远离干扰。例如将其安装在远离干扰数米至数十米的磁洁净伸杆上，或安置在无电磁干扰源的磁洁净室内，以避免干扰。
8.目前，在工业生产、医疗检验、物联网领域，精密磁场测量的应用需求不断增长。在这些环境中，如果想要应用磁通门磁强计，由于成本控制和复杂的工况要求，无法实现类似于科学研究和测绘调查活动中的完善的磁洁净措施。应用于这些领域的磁通门磁强计的抗干扰能力亟待提升。
9.正常工作的磁通门感应信号波形有其预期的形态特征。若磁通门磁强计受到强烈的干扰，则其实际形态特征会偏离预期形态特征。在机器学习的相关领域内，通常将形态特征归纳为特征空间中的向量，而两种形态特征之间的差异可以表示为特征空间中对应的两向量之差的模。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法，包括步骤：s110、输出所需频率的激励信号激励探头；s120、参考激励信号的相位，获取探头的感应信号；s130、将采样窗口内的感应信号经过数字信号处理得到当前磁感应强度；s140、捕获感应信号，识别信号形态，并标注异常相位，然后切除异常信号；s150、对切除异常信号的感应信号进行磁场数据解算得到当前磁感应强度测量值；s160、处理当前磁感应强度测量值后将数据输出。
12.进一步的，所述接收感应信号，识别信号形态，并标注异常相位，然后切除异常信号包括：将接收感应信号，实时比对波形特征数据库，挑选出异常波形；随后参考激励波形标注出异常波形所在的相位，确定异常信号的起止位置和长度；最后切除异常信号部分。
13.进一步的，当前窗口磁感应强度测量值是切除异常信号后，用剩余的正常信号解算得到的；当前窗口磁感应强度测量值作为磁通门探头新的反馈磁感应强度信号；若异常信号超过了采样窗口长度，则当前窗口磁感应测量值输出为空；当前磁感应强度测量值作为激励探头新的反馈磁感应信号，换算为反馈电流，经反馈模块反馈到探头；若当前磁感应强度测量值为空，则保持前一时刻的反馈信号；当前磁感应强度测量值经时间戳记、压缩后处理之后输出。
14.进一步的，根据探头的磁通门效应形成的偶次波形提取感应波形的特征矢量，建立特征库，实时计算输入的感应波形的形态特征矢量与标准正常波形形态特征矢量间的特征空间距离，根据测量环境下的波形形态，确立正常波形形态特征矢量与标准正常波形形
态特征矢量间的特征空间距离的判断阈值，在干扰环境下，感应波形的形态特征矢量与标准正常波形形态特征矢量间的特征空间距离一旦超过阈值，即认为发现异常波形形态。
15.进一步的，发现异常波形形态后，异常标志位挂起，标注异常波形起始相位，继续监测波形形态，直到干扰结束，异常波形形态消失，随后标注异常波形终结相位，异常标志位释放。
16.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种基于波形特征分类的磁通门抗干扰装置，包括：激励模块，用于输出所需频率的激励信号激励探头；感应模块，用于参考激励信号的相位，获取探头的感应信号；波形特征分类抗干扰模块，用于接收感应信号，识别信号形态，并标注异常相位，然后切除异常信号；综合控制模块，用于将切除异常信号的感应信号进行磁场数据解算得到当前磁感应强度测量值；以及用于处理当前磁感应强度测量值后将数据输出；具体的，综合控制模块，用于控制上述所有模块的正常工作，并打包输出当前真实磁感应强度值数据。
17.进一步的，反馈模块，用于输出准直流的反馈电流信号，在探头上产生反馈磁场，维持探头在所需（较小）的磁场动态范围内工作。
18.进一步的，波形特征分类抗干扰模块包括：识别单元，用于将接收感应信号，实时比对波形特征数据库，挑选出异常波形；标注单元，用于随后参考激励波形标注出异常波形所在的相位，确定异常信号的起止位置和长度；以及切除单元，用于最后切除异常信号部分。
19.进一步的，综合控制模块还包括：激励模块控制单元，用于给出激励模块的起振方波信号，限制激励模块的激励信号频率，并给出参考激励信号；磁感应强度测量值计算单元，用于接收经波形特征分类抗干扰模块处理后的感应信号，将采样窗口内的感应信号经过数字信号处理得到当前磁感应强度测量值；反馈磁感应强度控制单元，用于将当前磁感应强度测量值与上一时刻反馈磁场的磁感应强度值加和，得到当前真实磁感应强度值，随后用当前真实磁感应强度值指导反馈模块输出反馈电流；数据处理输出单元，用于对当前真实磁感应强度值加时间戳，形成数据文件并输出；以及：正常工作必需的其它逻辑控制功能。
20.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述中任一项所述方法的步骤。
21.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述中任一项所述的方法的步骤。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所针对的，是磁通门磁强计在扰动环境下工作时，易被与工作频率相近的电磁波和突发的脉冲磁场干扰，导致测量系统稳定性破坏、测量值有效性劣化的技术问题。所述的扰动环境包括但不限于：1.多旋翼无人机或车辆搭载的磁场导航、磁场测量；2.工业磁场监测；3.微小型无伸杆人造卫星搭载的磁场测量等。
23.相比于已有的磁通门磁强计抗干扰方案，此发明所描述的方法基于对磁通门探头物理特性的分析，通过特征空间矢量距离的方法区分信号有效性，因此更为准确可靠。此外，此方案是硬件层面的实现方案，具有实时、快速的特点。
24.传统的磁通门磁强计通常用于科学、勘探工作，这些应用场景通常预算充足，可以提供优良的磁洁净工作环境。本发明所描述的方案，可以拓展磁通门磁强计的应用场景，使其在相比传统应用场景干扰更强的环境下工作。
附图说明
25.图1为现有闭环模式的磁通门磁强计测量系统示意图。
26.图2为一般的磁通门磁强计测量系统中的综合控制模块主要功能示意图。
27.图3 为本发明提供的带有波形特征分类抗干扰模块的综合控制模块的主要功能示意图。
28.图4 为本发明提供的带有波形特征分类抗干扰系统的磁通门磁强计工作流程图。
29.图5 为二次谐波正常波形图。
30.图6为施加20微秒脉冲干扰的异常波形片段示意图。
31.图7为施加20khz正弦波干扰信号的异常波形片段示意图。
32.图8为本发明提供的基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法的流程示意图。
33.图9为本发明的基于波形特征分类的磁通门抗干扰模块框图。
34.图10为本发明的综合控制模块框图。
35.图11为本发明的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：一种基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法，应用于磁通门磁强计，且用于增强磁通门磁强计的抗干扰性能。
38.本发明方法的基本原理，是通过观察当前信号在正常的磁通门探头输出信号形态特征上，叠加的反常信号特征的存在性和严重程度，判断当前阶段数据片段的有效性。当反常信号存在且超出判断阈值，将在数据解算过程去除这一片段，以保证测量系统的稳定性和测量数据的有效性。
39.本发明所指的实现方案，即是在原有的磁通门磁强计测量系统的五个模块中的感应模块基础上，增加一组数据形态判断模块。这一形态判断模块存储了多种不同模式，对应
不同测量值的正常波形形态模型，通过特征距离标准分类进行实时判断。以判断结果为依据，切除反常信号。输出的数据每个数据点由一段采样窗口内的有效数据平均得来。若数据点切除量超过采样窗口长度，该数据点设为空（nan）；对应数据点切除量小于采样窗口时，该数据点由剩余有效数据平均得来。
40.闭环反馈磁通门，实际上是指，将感应线圈测量到的磁场，经过换算后，在反馈线圈上通过直流电流产生直流磁场，抵消掉，使得探头总是处于接近于“0”磁场的环境下工作的一种状态。而在这个过程中，激励线圈只是提供了探头工作所需的环境（即一个交变的磁场），并不参与反馈工作。
41.如图1所示，一般的闭环磁通门磁强计测量系统框图。测量系统如背景介绍中说明，包括探头、激励模块、感应模块、反馈模块和综合控制模块。信号流图中由箭头方向标示。
42.如图2所示，一般的闭环磁通门综合控制模块的主要功能框图。综合控制模块需要调控激励模块、感应模块、反馈模块的工作，并同时处理它们的输入\输出信号流。综合控制模块控制激励模块输出所需频率的激励信号。感应模块的信号参考激励信号的相位，将采样窗口内的感应信号经过数字信号处理得到当前磁感应强度。当前磁感应强度与反馈磁感应强度相加得到当前外界磁感应强度测量值。当前磁感应强度测量值作为新的反馈信号，指导反馈模块输出反馈电流信号。当前磁感应强度测量值经过时间戳、压缩等后处理之后输出。
43.如图3所示，带有波形特征分类抗干扰模块的综合控制模块的主要功能。在原有基础上，综合控制模块内内嵌波形特征分类抗干扰模块。这一模块接收感应信号，实时比对波形特征数据库，挑选出异常波形；随后参考激励波形标注出异常波形所在的相位，确定异常信号的起止位置和长度；最后切除异常信号部分。切除后的感应信号继续参与常规的磁场信息解算，得到当前磁感应强度测量值。但如果前一步异常信号超过了采样窗口长度，则输出空（nan）。当前磁感应强度测量值作为新的反馈磁感应信号，但如果当前磁感应强度测量值为空，则保持前一时刻的反馈信号。当前磁感应强度测量值经时间戳记、压缩等后处理之后输出。
44.如图4所示，波形特征分类抗干扰系统工作流程图。简述了波形特征分类抗干扰模块的工作流程。
45.如图5所示，本发明中所述的正常波形形态片段。
46.如图6所示，本发明中所述的一种异常波形形态片段。由脉冲干扰引起。
47.如图7所示，本发明中所述的另一种异常波形形态片段。由接近二次谐波频率的正弦波干扰引起。
48.具体地，本发明的方案是在磁通门磁强计的综合控制模块内，添加一个识别二次谐波形态的子模块。
49.平行磁通门磁强计正常工作过程中，其感应线圈上的波形理论上完全来自于磁通门效应形成的偶次波形，具有独特的形态特征。根据这一形态特征，提取感应波形的特征矢量，建立特征库，可以通过求取特征空间距离的方法，识别遭受严重干扰的测量信号片段，进而去除干扰，修正测量值。
50.具体地，在不超过量程的情况下，二次谐波的波形形态类似于图5。注意波形形态
类似于一个正脉冲，紧随一个负脉冲，随后保持一段时间的近
‘0’
的平缓形态。正负脉冲的高度与外界磁感应强度相关。
51.在不超过量程的情况下，遭遇脉冲信号干扰的波形形态特征类似于图6。注意形态差别最大的部分即是平缓部分不再平缓。这种形态差别是由于脉冲上升沿和下降沿的高频磁场干扰，经由寄生的探测线圈效应引入的。针对这种情况，本发明以平缓部分的形态特征作为判据。
52.在不超过量程的情况下，遭遇接近20khz的类正弦波干扰的波形形态特征类似于图7。如图可见，这种正弦波的干扰信号将严重影响对感应信号的带通滤波和相敏检波。注意形态差别最大的部分也是平缓部分。针对这种情况，也可以将平缓部分的形态特征作为判据。
53.遭到干扰的波形可能有其他形态，包括但不限于上述的两种异常形态。
54.根据实验室洁净磁环境下的标准波形形态，建立标准正常波形形态的特征矢量。建立算法，实时计算输入的感应波形的形态特征矢量与标准正常波形形态特征矢量间的特征空间距离。根据一般测量环境下的波形形态，确立一般正常波形形态特征矢量与标准正常波形形态特征矢量间的特征空间距离的判断阈值。在干扰环境下，感应波形的形态特征矢量与标准正常波形形态特征矢量间的特征空间距离一旦超过阈值，即认为发现异常波形形态。
55.阈值的确定将根据具体的应用场景和误差许可范围决定，不在本发明的保护范围之内。两种形态特征矢量求取特征空间距离的计算过程为机器学习方法中的常用方法，具体表现为两向量求差再求模长，这种求取特征空间距离的具体过程不在本发明的保护范围之内。根据两种形态特征矢量的距离，区分特征矢量的类别，是机器学习方法中的分类方法，这种分类方法不在本发明的保护范围之内。
56.在磁通门磁强计正常工作的情况下，二次谐波波形形态的正负脉冲尖峰与激励模块的输入方波（以下简称激励方波）具有定常的相位差，因此可以通过参考激励波形来标注二次谐波的相位。
57.发现异常波形形态后，综合控制器内的异常标志位挂起，标注异常波形起始相位。继续监测波形形态，直到干扰结束，异常波形形态消失，随后综合控制器标注异常波形终结相位，异常标志位释放。
58.当异常标志位挂起时，感应信号不参与磁感应强度的解算。即，异常波形起始相位和异常波形终结相位之间的信号将被丢弃。
59.磁通门磁强计通常关注低频磁场波动，以激励频率为10khz的磁通门磁强计为例，一般会以0.01秒为观测窗口，此窗口内的所有感应信号共同解算得到一个磁感应强度数据点，即由10khz减采样到100hz。
60.如果一个观测窗口内的所有感应信号都被丢弃，即，无感应信号参与解算，则该窗口对应的输出磁感应强度数据点标注为空（nan）。
61.当输出的磁感应强度数据点为空时，综合控制模块控制反馈模块保持上一时刻反馈值不变。
62.上述的方法通过可执行程序的形式，储存在计算机可读的存储介质中，由磁通门磁强计的综合控制模块执行。综合控制模块可以是fpga/cpld或arm单片机等嵌入式处理
器。
63.本发明中，计算机设备可以包括存储器、存储控制器、一个或多个(图中仅示出一个)处理器等，各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法分别包括至少一个可以以软件或固件（firmware）的形式存储于存储器中的软件功能模块，例如所述基于波形特征分类的磁通门抗干扰装置包括的软件功能模块或计算机程序。存储器可以存储各种软件程序以及模块，如本技术实施例提供的基于波形特征分类的磁通门抗干扰方法及装置对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本技术实施例中的解析方法。
64.本发明所针对的，是磁通门磁强计在扰动环境下工作时，易被与工作频率相近的电磁波和突发的脉冲磁场干扰，导致测量系统稳定性破坏、测量值有效性劣化的技术问题。所述的扰动环境包括但不限于：1.多旋翼无人机或车辆搭载的磁场导航、磁场测量；2.工业磁场监测；3.微小型无伸杆人造卫星搭载的磁场测量等。
65.相比于已有的磁通门磁强计抗干扰方案，此发明所描述的方法基于对磁通门探头物理特性的分析，通过特征空间矢量距离的方法区分信号有效性，因此更为准确可靠。此外，此方案是硬件层面的实现方案，具有实时、快速的特点。
66.传统的磁通门磁强计通常用于科学、勘探工作，这些应用场景通常预算充足，可以提供优良的磁洁净工作环境。本发明所描述的方案，可以拓展磁通门磁强计的应用场景，使其在相比传统应用场景干扰更强的环境下工作。
67.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。