电磁环境监测系统研究范文

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《安全与电磁兼容杂志》2016年第3期

摘要：

基于LabVIEW及软硬件结合的方式设计了一种电磁监测系统，能对电磁信号的频域、时域、能域以及信号类别等特性进行监测，实现“仪器控制”、“数据采集和分析”、“数据存储”等功能，可为电磁环境评估提供支撑。

关键词：

电磁环境；LabVIEW；监测

1概述

复杂电磁环境主要包括自然电磁环境和人为电磁环境。自然电磁环境包括静电和雷电等；人为电磁环境主要有两方面：人为无意电磁干扰和人为有意电磁干扰。研究电磁环境，需要先了解电磁信号，电磁环境监测是得到电磁信号特性的一种手段。一般来说，电磁信号以频率、调制、天线扫描性、脉冲串、极化、功率电平以及辐射源的位置等特征来描述。电磁环境监测通过搜索、截获，对信号工作参数的测量、信号的时域和频域特征分析，研究信号的特点和规律，科学、直观的描述电磁环境特征，为电磁环境辐射源数据库提供有效、准确的基础数据。

2复杂电磁环境监测系统功能

复杂电磁环境的监测要素，一般包括信号个数（信号密度），信号种类，信号距离、信号出现的时间（间隔或周期），信号频率/频谱，信号功率等。电磁环境监测是对电磁信号进行监测、数据采集、分析和存储监测数据。电磁环境监测系统一般具有以下功能：

（1）可以对电磁环境进行实时监测，例如连续波雷达信号、脉冲瞬变信号以及FSK信号及其他数字调制信号、AM信号以及电磁脉冲信号；

（2）具有对监测数据频谱、功率、信号出现时间间隔和信号类型等参数进行分析、统计、记录功能，对监测的数据进行处理；

（3）向外部系统提供监测数据。

3复杂电磁环境监测系统设计电磁环境监测系统由硬件和软件两部分构成

3.1复杂电磁环境监测

系统硬件组成复杂电磁环境监测系统为实现对复杂电磁环境的监测和分析，必须具备对电磁环境的监测能力、电磁环境特征数据的存储能力和对频谱携带信息的还原能力。系统硬件的功能必须满足一定的要求，才能实现以上三项能力。要实现电磁环境的监测能力就必须具备频率探测和数据采集系统，可以由宽带接收天线、高速频谱分析仪等相关设备实现。要实现电磁环境特征数据的存储能力就必须具备存储空间和数据记录系统，可以由测控计算机、数据接口卡等相关设备实现。要实现对频谱携带信息的还原能力就必须具备频谱自由解调系统和数据信息还原系统，可以由测控计算机、射频分析仪、宽带接收天线、数据接口卡等相关设备实现。复杂电磁环境监测系统是基于软件无线电技术来实现对复杂电磁环境的监测和分析，其系统硬件由测控计算机、射频分析仪或者接收机、GPIB卡、频谱仪、宽带接收天线、连接电缆与连接数据线组成，如图1所示。

3.1.1低频磁场监测

杆天线长1m，测量的频段为10kHz~30MHz。杆天线有两种：无源杆天线和有源杆天线，二者的不同之处在于测量的灵敏度。杆天线收到的场强信号通过连接电缆，传输到频谱仪或者测量接收机。采用自动扫频的方式进行测试，计算机可以通过软件系统自动控制接收电路的接收频率，不断地接收不同频率的信号。

3.1.2高频电场监测

随着频率的增加，电场的辐射影响会变强。在监测过程中需用垂直和水平两种极化方式。频率不同对天线的要求也不同：双锥天线（30~200MHz）；喇叭天线（200MHz~1GHz）；喇叭天线（1~18GHz）。实时监测时，可以根据不同的频率天线类型，以自动扫描的形式对环境进行监测，通过设置环境参考电平和视频带宽等参数，在扫描过程中可以实时绘出信号的频谱，监测的数据以excel文件形式存储。为了避免在监测过程中由更换天线而引入的不确定性误差，系统可以利用GPIB控制的天线开关对接收天线的接收信号进行自动切换。

3.2电磁环境监测系统软件分析

3.2.1软件设计思想

复杂电磁环境监测系统软件是基于LabVIEW软件开发的自动监测软件。LabVIEW（实验室虚拟仪器集成环境）是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，用于实现对仪器的控制和功能的二次开发。在系统软件的设计中，按照模块化设计的思想，把复杂任务逐层分解，然后将其组合来完成更复杂的任务，并且这种层次的调用是无限制的。各层之间的调用如图2所示。用户可以利用LabVIEW软件的内置分析能力，在测量中实现消除噪声、调理和转换信号的功能。

3.2.2系统软件特点

复杂电磁环境监测系统软件的主要功能为控制测试仪器、快速设置仪器参数、监控频谱数据的采集和存储、频谱信号的自由解调和界面友好等，软件的设计特点：

a）参数设置，主要包括测试设备、测试天线及频段的选择；测量带宽、测量间隔等参数设置；

b）测试中采集到的数据可以自动以测试项目为文件名保存，以便后续对数据进行处理，测试的结果可以以excel表格的形式进行调用查看，方便与其他平台间的资源共享；

c）对监测到的信号可以自动进行多种模式的解调，根据独立分量和归一化瞬时幅度谱密度最大值等相关算法对采集的数据进行分析，并最终确定信号最可能的调制方式，并进行数据还原和记录；

d）测试结果可以多种方式显示。测试中的所有参数和测试结果图都可以以excel表格或者频谱图的方式进行存储或者打印；

e）界面美观友好，操作性强。另外，对数据进行分析处理时，由于电缆衰减、天线系数、环境因素等影响，频谱仪或者接收机上的信号即接收到的信号与真实信号有一定偏差。为了降低这类偏差，需对电缆衰减和天线系数做补偿处理。

3.2.3电磁环境软件设计流程

复杂电磁环境监测系统，在处理速度一定的限制下，运用处理软件和操作系统软件的有效支持，使处理器的性能充分发挥，合理分配有限的处理资源，针对不同的通信体制的共同点，开发出高效而灵活的实时运行控制软件和应用处理软件，以完成在复杂电磁环境下对多种通信模式系统的监测和分析，流程如图3所示。

3.2.4系统软件各功能模块

（1）仪器接口模块

此模块负责控制系统中仪器的数据接口，并完成相应的数据传输：将参数设置传输给频谱仪，调用仪器驱动，使频谱仪能识别每一个传过来的参数命令，从而能设定频谱仪的参数等。

（2）数据采集分析

模块当完成仪器的控制后，以一定的设置进行相关测量、分析、判别和读出数据。由于在一定的频段内，频谱仪的分辨率带宽和扫频宽度是固定的，而开始的测试频段具有随机性，因此测试中最后一次扫频的扫频宽度有可能低于程序中设定的扫频宽度，需先对其加以判断，否则测试频段可能会超出初始设定的频段，因此在采集模块程序中需要加以设定。

（3）数据存储模块

数据存储模块主要负责将采集到的频谱数据按照一定的命名规则和存储路径存储在指定位置，并将监测数据的名称存储起来，以便后续组成数据库系统，方便调用。在系统设计时要考虑硬件设备的选取与软件中指令控制的匹配性，以及系统要具有扩展性来适应监测对象变化的需求。在进行数据分析和处理时对设备的校准参数、天线、线缆的修正因子进行文档管理，以便及时调用来降低监测数据的误差。

3.3信号的分离和识别采集信号的处理流程如图4所示：

（1）信号的分离

对信号的分离采用的是独立分量（IndependentComponentAnalysis,ICA）算法，独立分量原理见图5。独立分量这种信号处理方法是由盲源分离技术发展而来。盲源分离可以描述为：在多输入、多输出的系统模型中，输出信号是由输入信号混合叠加而成的，输出信号称为观测信号x(t)，输入信号称为源信号s(t)，源信号和观测信号之间的系统被称为混合系统，盲源分离就是指在源信号和混合系统未知的情况下，仅从观测信号中分离出源信号的过程。独立分量分析方法按照统计独立的原则，通过目标函数及其优化算法将多路观测信号分解成若干相互独立的源信号。独立分量分析能够发掘出隐藏在样本高阶统计量中的信息，适用于非高斯分布的信号。如果要保证ICA模型的确定性，即能够对解混合矩阵W进行有效的估计，则ICA需满足如下的假设条件：

1）源信号各向量为平稳随机过程，且相互独立；

2）观测信号向量维数不小于源信号向量维数；

3）混合矩阵A可逆，即为非奇异矩阵；

4）源信号中的高斯信号至多有一个。

（2）信号识别

对信号的识别主要包括对雷达信号的识别和通信信号的识别两部分：对监测到的雷达信号进行分析通常需要对提取和处理信号的调制信息，识别信号脉内调制类型以及检测信号脉内调制参数。脉内调制参数用于显示脉内分析的结果，主要包括信号类型、中心频率、脉宽、相位编码的子码宽度和编码、线性调频信号的起始/终止频率。基于归一化瞬时幅度谱密度最大值的通信信号识别算法是根据通信信号调制类型信号的特点，对通信信号进行识别。

4结语

在系统设计时要考虑硬件设备的选取与软件中指令控制的匹配性，以及系统要具有扩展性来适应监测对象变化的需求。在进行数据分析和处理时对设备的校准参数、天线、线缆的修正因子进行文档管理，以便及时调用来降低监测数据的误差。

参考文献：

[1]李永红,张晓东.电磁环境自动监测系统的设计[J].电测与仪表,2005(10):34-36.

[2]王汝群.战场电磁环境[M].北京:解放军出版社,2006:62.

[3]中国电子技术标准化研究所,中船总公司701所.GJB151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京:国防科工委军标出版发行部,1997.

[4]孙国至,刘尚合,陈京平,等.战场电磁环境效应对信息化战争的影响[J].军事运筹与系统工程,2006(3):43-47.

作者:路延 贾翠霞 和慧芬 单位:中国电子科技集团公司科学研究院系统电磁效能测试评估中心