一种低采样率的电磁脉冲幅度和宽度测量方法

本发明属于电磁脉冲信号测量，具体涉及一种在低采样率的电磁脉冲幅度和宽度测量方法。

背景技术：

1、随着日常用频设备的增加，各设备所处在的电场环境在时频空能多个维度越来越复杂，包括信号越来越密集、频谱占用宽、属性复杂，这就需要了解电磁环境特性，对所处位置的电磁环境进行实时监测。由于uwb脉冲信号频带宽和脉冲宽度窄的特性，其脉冲宽度在0.3ns-5ns范围，因此，对这类信号的实时测量一直是电磁环境监测的难题。

2、脉冲宽度测量就是测量脉冲上升沿和下降沿之间的时间间隔，目前国内外脉冲宽度测量的常用方法主要有三种：示波器测量方法、计数器测量方法和高速采集方法。示波器测量法是按时间绘出被测脉冲信号波形，通过波形计算脉冲宽度，这种方法能准确测量大部分瞬态信号，但是难以实现数字化且系统集成难度大。另一种计数器测量法用被测脉冲作为测量的控制信号，当被测脉冲上升沿到来后，作为触发信号控制计数器，计数器对基准时钟信号进行计数，在被测脉冲下降沿或下一个脉冲的上升沿到来后，计数器停止计数。计数器测量方法受限于基准时钟频率，且存在低时钟频率情况下信号测量误差大的问题。高速采集方法是采用高速模数转换器对信号进行数据采集，针对窄脉冲测量时需要非常高的采样率，高采样率导致大量数据冗余和高功耗，同时该测量方法也遇到采样率和测量误差间矛盾的瓶颈问题。

3、另外，脉冲幅度是脉冲最重要的参数之一，它表征着脉冲的能量信息。针对脉冲幅度测量主要有两种方法：示波器测量和高速采集方法。示波器测量法是按时间绘出被测脉冲信号波形，通过波形计算脉冲幅度，这种方法能准确测量大部分瞬态信号，但是难以实现数字化且系统集成难度大。高速采集方法是采用高速模数转换器对信号进行数据采集，针对窄脉冲测量时需要非常高的采样率，高采样率导致大量数据冗余和高功耗，同时该测量方法也遇到采样率和测量误差间矛盾的瓶颈问题。以低采样率测量脉冲的方式有非相关接收和峰值检波方式。低采样率指的是低于奈奎斯特采样率。非相关接收是将脉冲经过积分电路后通过阈值判断信号的有无，不适合脉冲幅度测量。峰值检波是一种较好的低采样率下测量脉冲幅度的方式，它是利用电容的充放电特性和二极管单向导通特性实现对脉冲最大值在时域的幅度保持。但是峰值检波因寄生参数影响存在响应时间，导致在测量窄脉冲时检波幅度失真，无法获得真实的脉冲幅度。

技术实现思路

1、鉴于上述分析，本发明提供了一种在低采样率的电磁脉冲幅度和宽度测量方法，用以解决采样率和脉冲宽度测量误差之间的限制矛盾的技术问题，本发明的测量方法可以在低采样率情况下测量窄脉冲的宽度，同时可以对检波失真的幅度测量进行修正，实现对窄脉冲的宽度和幅度进行测量和监测。

2、本发明公开的一种低采样率的电磁脉冲幅度和宽度测量方法，步骤具体如下：

3、建立脉冲宽度与脉冲幅度和脉冲面积关系的等效模型；

4、

5、其中，w、a和s分别代表脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲面积；k为波形系数；

6、将待测脉冲分为两路子脉冲；

7、一路子脉冲进入峰值检波电路获得检波输出信号；用模数转换器采集检波输出信号的检波信号幅度，将采集到的检波信号幅度的最大值作为脉冲幅度a；

8、另一路子脉冲进入积分电路获得积分输出信号；用模数转换器对积分输出信号进行采样获得积分信号幅度，积分输出信号的最大值为积分信号幅度的最大值，用采样得到的积分信号幅度的最大值作为脉冲面积s；

9、基于脉冲宽度与脉冲幅度和脉冲面积关系的等效模型、获得的待测脉冲的检波信号幅度的最大值和脉冲面积，获得脉冲幅度a和脉冲宽度w。

10、可选地，通过模数转换器对检波输出信号进行采样获得检波信号幅度，用采样得到的检波信号幅度的最大值adet_max获得脉冲幅度a，表达式为：

11、

12、式中，adet_max为最大检波信号幅度；a为脉冲幅度；e为自然对数；rs为二极管串联电阻值；cdet为充电电容值。

13、可选地，通过模数转换器对积分输出信号进行采样获得积分信号幅度，积分输出信号的最大值为积分信号幅度的最大值vs_max，用采样得到的积分信号幅度的最大值vs_max作为脉冲面积s，表达式为：

14、

15、式中，rs_int为检波电路串联电阻；cint为检波电路充电电容。

16、可选地，步骤3中，当积分电路充电时常数远大于输入脉冲宽度时，积分输出信号的表达式为：

17、

18、式中，so(t)为t时刻的积分输出信号；rs_int为检波电路串联电阻；cint为检波电路充电电容；dτ为对时刻t进行积分；s(τ)为以时刻t为积分变量的子脉冲。

19、可选地，用于获取脉冲为矩形脉冲或高斯脉冲的脉冲宽度；

20、对于矩形脉冲，矩形脉冲宽度与脉冲幅度和脉冲面积关系的等效模型表达式为：

21、

22、其中，w、a和s分别代表脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲面积；k＝1；

23、对于高斯脉冲，高斯脉冲宽度与脉冲幅度和脉冲面积关系的等效模型表达式为：

24、

25、其中，w、a和s分别代表脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲面积；

26、本发明至少具有如下有益效果：

27、(1)本发明的方法将时域参数测(直接测量脉冲宽度)量转换为能域参数测量(测量脉冲的幅度和面积)，使得采样率大幅降低，从而降低了系统测量和监测成本；

28、(2)本发明的方法通过联立脉冲的幅度和面积，将失真的检波幅度进行校正，不仅降低了针对窄脉冲测量的采样率，同时也突破了峰值检波的响应时间限制，大幅降低脉冲测量下限；

29、(3)本发明的方法以较小成本即可实现高精度测量，无需示波器或高速采集装置，使用便携，并能实时使用。

30、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本实发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种低采样率的电磁脉冲幅度和宽度测量方法，其特征在于，步骤具体如下：

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过模数转换器对检波输出信号进行采样获得检波信号幅度，用采样得到的检波信号幅度的最大值adet_max获得脉冲幅度a，表达式为：

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤3中，当积分电路充电时常数远大于输入脉冲宽度时，积分输出信号的表达式为：

5.根据权利要求1-4任一项所述的测量方法，其特征在于，用于获取脉冲为矩形脉冲或高斯脉冲的脉冲宽度；

技术总结
本发明公开一种低采样率的电磁脉冲幅度和宽度测量方法，该方法将脉冲宽度测量转换为脉冲幅度和脉内面积测量。幅度值测量是使脉冲通过峰值检波电路后用模数转换器进行采样，采样得到的最大值作为幅度值；面积值测量是使脉冲通过积分电路后用模数转换器进行采样，采样得到的最大值经处理后作为脉内面积值。同时，本发明针对峰值检波对纳秒级窄脉冲检波幅度失真的情况，对脉冲检波幅度进行修正获得真实脉冲幅度。该方法能够在低采样率情况下测量脉冲宽度，同时对检波失真的幅度测量进行修正，实现对脉冲宽度和幅度进行准确测量和监测。

技术研发人员：谢树果,张申达,王永胜,杨燕,李映翰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13