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《安全與電磁兼容雜志》2016年第3期

摘要：

基于LabVIEW及軟硬件結合的方式設計了一種電磁監測系統，能對電磁信號的頻域、時域、能域以及信號類別等特性進行監測，實現“儀器控制”、“數據采集和分析”、“數據存儲”等功能，可為電磁環境評估提供支撐。

關鍵詞：

電磁環境；LabVIEW；監測

1概述

復雜電磁環境主要包括自然電磁環境和人為電磁環境。自然電磁環境包括靜電和雷電等；人為電磁環境主要有兩方面：人為無意電磁干擾和人為有意電磁干擾。研究電磁環境，需要先了解電磁信號，電磁環境監測是得到電磁信號特性的一種手段。一般來說，電磁信號以頻率、調制、天線掃描性、脈沖串、極化、功率電平以及輻射源的位置等特征來描述。電磁環境監測通過搜索、截獲，對信號工作參數的測量、信號的時域和頻域特征分析，研究信號的特點和規律，科學、直觀的描述電磁環境特征，為電磁環境輻射源數據庫提供有效、準確的基礎數據。

2復雜電磁環境監測系統功能

復雜電磁環境的監測要素，一般包括信號個數（信號密度），信號種類，信號距離、信號出現的時間（間隔或周期），信號頻率/頻譜，信號功率等。電磁環境監測是對電磁信號進行監測、數據采集、分析和存儲監測數據。電磁環境監測系統一般具有以下功能：

（1）可以對電磁環境進行實時監測，例如連續波雷達信號、脈沖瞬變信號以及FSK信號及其他數字調制信號、AM信號以及電磁脈沖信號；

（2）具有對監測數據頻譜、功率、信號出現時間間隔和信號類型等參數進行分析、統計、記錄功能，對監測的數據進行處理；

（3）向外部系統提供監測數據。

3復雜電磁環境監測系統設計電磁環境監測系統由硬件和軟件兩部分構成

3.1復雜電磁環境監測

系統硬件組成復雜電磁環境監測系統為實現對復雜電磁環境的監測和分析，必須具備對電磁環境的監測能力、電磁環境特征數據的存儲能力和對頻譜攜帶信息的還原能力。系統硬件的功能必須滿足一定的要求，才能實現以上三項能力。要實現電磁環境的監測能力就必須具備頻率探測和數據采集系統，可以由寬帶接收天線、高速頻譜分析儀等相關設備實現。要實現電磁環境特征數據的存儲能力就必須具備存儲空間和數據記錄系統，可以由測控計算機、數據接口卡等相關設備實現。要實現對頻譜攜帶信息的還原能力就必須具備頻譜自由解調系統和數據信息還原系統，可以由測控計算機、射頻分析儀、寬帶接收天線、數據接口卡等相關設備實現。復雜電磁環境監測系統是基于軟件無線電技術來實現對復雜電磁環境的監測和分析，其系統硬件由測控計算機、射頻分析儀或者接收機、GPIB卡、頻譜儀、寬帶接收天線、連接電纜與連接數據線組成，如圖1所示。

3.1.1低頻磁場監測

桿天線長1m，測量的頻段為10kHz~30MHz。桿天線有兩種：無源桿天線和有源桿天線，二者的不同之處在于測量的靈敏度。桿天線收到的場強信號通過連接電纜，傳輸到頻譜儀或者測量接收機。采用自動掃頻的方式進行測試，計算機可以通過軟件系統自動控制接收電路的接收頻率，不斷地接收不同頻率的信號。

3.1.2高頻電場監測

隨著頻率的增加，電場的輻射影響會變強。在監測過程中需用垂直和水平兩種極化方式。頻率不同對天線的要求也不同：雙錐天線（30~200MHz）；喇叭天線（200MHz~1GHz）；喇叭天線（1~18GHz）。實時監測時，可以根據不同的頻率天線類型，以自動掃描的形式對環境進行監測，通過設置環境參考電平和視頻帶寬等參數，在掃描過程中可以實時繪出信號的頻譜，監測的數據以excel文件形式存儲。為了避免在監測過程中由更換天線而引入的不確定性誤差，系統可以利用GPIB控制的天線開關對接收天線的接收信號進行自動切換。

3.2電磁環境監測系統軟件分析

3.2.1軟件設計思想

復雜電磁環境監測系統軟件是基于LabVIEW軟件開發的自動監測軟件。LabVIEW（實驗室虛擬儀器集成環境）是一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具，用于實現對儀器的控制和功能的二次開發。在系統軟件的設計中，按照模塊化設計的思想，把復雜任務逐層分解，然后將其組合來完成更復雜的任務，并且這種層次的調用是無限制的。各層之間的調用如圖2所示。用戶可以利用LabVIEW軟件的內置分析能力，在測量中實現消除噪聲、調理和轉換信號的功能。

3.2.2系統軟件特點

復雜電磁環境監測系統軟件的主要功能為控制測試儀器、快速設置儀器參數、監控頻譜數據的采集和存儲、頻譜信號的自由解調和界面友好等，軟件的設計特點：

a）參數設置，主要包括測試設備、測試天線及頻段的選擇；測量帶寬、測量間隔等參數設置；

b）測試中采集到的數據可以自動以測試項目為文件名保存，以便后續對數據進行處理，測試的結果可以以excel表格的形式進行調用查看，方便與其他平臺間的資源共享；

c）對監測到的信號可以自動進行多種模式的解調，根據獨立分量和歸一化瞬時幅度譜密度最大值等相關算法對采集的數據進行分析，并最終確定信號最可能的調制方式，并進行數據還原和記錄；

d）測試結果可以多種方式顯示。測試中的所有參數和測試結果圖都可以以excel表格或者頻譜圖的方式進行存儲或者打??；

e）界面美觀友好，操作性強。另外，對數據進行分析處理時，由于電纜衰減、天線系數、環境因素等影響，頻譜儀或者接收機上的信號即接收到的信號與真實信號有一定偏差。為了降低這類偏差，需對電纜衰減和天線系數做補償處理。

3.2.3電磁環境軟件設計流程

復雜電磁環境監測系統，在處理速度一定的限制下，運用處理軟件和操作系統軟件的有效支持，使處理器的性能充分發揮，合理分配有限的處理資源，針對不同的通信體制的共同點，開發出高效而靈活的實時運行控制軟件和應用處理軟件，以完成在復雜電磁環境下對多種通信模式系統的監測和分析，流程如圖3所示。

3.2.4系統軟件各功能模塊

（1）儀器接口模塊

此模塊負責控制系統中儀器的數據接口，并完成相應的數據傳輸：將參數設置傳輸給頻譜儀，調用儀器驅動，使頻譜儀能識別每一個傳過來的參數命令，從而能設定頻譜儀的參數等。

（2）數據采集分析

模塊當完成儀器的控制后，以一定的設置進行相關測量、分析、判別和讀出數據。由于在一定的頻段內，頻譜儀的分辨率帶寬和掃頻寬度是固定的，而開始的測試頻段具有隨機性，因此測試中最后一次掃頻的掃頻寬度有可能低于程序中設定的掃頻寬度，需先對其加以判斷，否則測試頻段可能會超出初始設定的頻段，因此在采集模塊程序中需要加以設定。

（3）數據存儲模塊

數據存儲模塊主要負責將采集到的頻譜數據按照一定的命名規則和存儲路徑存儲在指定位置，并將監測數據的名稱存儲起來，以便后續組成數據庫系統，方便調用。在系統設計時要考慮硬件設備的選取與軟件中指令控制的匹配性，以及系統要具有擴展性來適應監測對象變化的需求。在進行數據分析和處理時對設備的校準參數、天線、線纜的修正因子進行文檔管理，以便及時調用來降低監測數據的誤差。

3.3信號的分離和識別采集信號的處理流程如圖4所示：

（1）信號的分離

對信號的分離采用的是獨立分量（IndependentComponentAnalysis,ICA）算法，獨立分量原理見圖5。獨立分量這種信號處理方法是由盲源分離技術發展而來。盲源分離可以描述為：在多輸入、多輸出的系統模型中，輸出信號是由輸入信號混合疊加而成的，輸出信號稱為觀測信號x(t)，輸入信號稱為源信號s(t)，源信號和觀測信號之間的系統被稱為混合系統，盲源分離就是指在源信號和混合系統未知的情況下，僅從觀測信號中分離出源信號的過程。獨立分量分析方法按照統計獨立的原則，通過目標函數及其優化算法將多路觀測信號分解成若干相互獨立的源信號。獨立分量分析能夠發掘出隱藏在樣本高階統計量中的信息，適用于非高斯分布的信號。如果要保證ICA模型的確定性，即能夠對解混合矩陣W進行有效的估計，則ICA需滿足如下的假設條件：

1）源信號各向量為平穩隨機過程，且相互獨立；

2）觀測信號向量維數不小于源信號向量維數；

3）混合矩陣A可逆，即為非奇異矩陣；

4）源信號中的高斯信號至多有一個。

（2）信號識別

對信號的識別主要包括對雷達信號的識別和通信信號的識別兩部分：對監測到的雷達信號進行分析通常需要對提取和處理信號的調制信息，識別信號脈內調制類型以及檢測信號脈內調制參數。脈內調制參數用于顯示脈內分析的結果，主要包括信號類型、中心頻率、脈寬、相位編碼的子碼寬度和編碼、線性調頻信號的起始/終止頻率?；跉w一化瞬時幅度譜密度最大值的通信信號識別算法是根據通信信號調制類型信號的特點，對通信信號進行識別。

4結語

在系統設計時要考慮硬件設備的選取與軟件中指令控制的匹配性，以及系統要具有擴展性來適應監測對象變化的需求。在進行數據分析和處理時對設備的校準參數、天線、線纜的修正因子進行文檔管理，以便及時調用來降低監測數據的誤差。

參考文獻：

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作者:路延 賈翠霞 和慧芬 單位:中國電子科技集團公司科學研究院系統電磁效能測試評估中心