CN102944757A - 一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法。该方法具体为：在测试现场布置接收天线阵列，每个天线单元均可接收到由受试设备辐射信号和干扰信号所组成的混合信号，利用基于多重信号分类（MUSIC，Multiple Signal Classification algorithm）的空间谱估计方法获取各个信号的波达角。根据空间谱估计结果，利用最小方差无失真响应（MVDR，Minimum Variance Distortionless Response）波束形成准则对各天线阵元接收信号作最优加权，在保证受试设备辐射信号不失真的前提下，使阵列波束在干扰信号的来向形成“零陷”，实现对干扰信号的空域滤波。该方法将MUSIC空间谱估计方法，MVDR波束形成技术引入到电磁兼容测试领域，可有效抑制现场辐射发射测试中的环境干扰，准确地获取受试设备在实际工作环境中的辐射发射特性。

Description

一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法

技术领域

本发明涉及电磁兼容测试领域中辐射发射特性测试，主要目的是在现场复杂电磁环境下较为准确地获取大型装备平台上发射设备的辐射发射特性。

背景技术

在实施平台或系统级的电磁干扰排查和诊断时，需要对发射设备进行现场辐射发射特性测试，但此时测试精度容易受到环境中的其他发射设备的干扰而下降，不能真实反映受试的发射设备（受试设备）的辐射发射特性，如何有效抑制环境中的干扰信号以获取受试设备的真实发射特性一直亟待解决。美国学者Marino.Jr于2005年申请的虚拟暗室测量专利是目前比较常用的解决方法。但是，由于使用条件苛刻以及诸多限制，其使用情况并不理想，尤其是当环境中的干扰信号存在与受试设备辐射信号相同的频率成分时，该方法基本失效。

发明内容

本发明针对现场测试时辐射源数量多、易突发以及先验信息缺失等特点，提出一种能够有效抑制环境中的干扰信号并能较为准确地获取受试设备辐射发射特性的测量方法。

本发明所采用的技术方案是：在测试现场布置接收天线阵列，每个天线单元均可接收到由受试设备辐射信号和干扰信号所组成的混合信号，利用基于多重信号分类（MUSIC，Multiple Signal Classification algorithm）的空间谱估计方法获取各个信号的波达角。根据空间谱估计结果，利用最小方差无失真响应（MVDR，Minimum Variance Distortionless Response）波束形成准则对各天线阵元接收信号作最优加权，在保证受试设备辐射信号不失真的前提下，使阵列波束在干扰信号的来向形成“零陷”，实现对干扰信号的空域滤波，能较为准确地反映受试设备的真实辐射特性，技术方案的示意如图1所示。本方法的具体流程如图2所示。

本发明的有益效果为：

将MUSIC空间谱估计方法，MVDR波束形成技术引入到电磁兼容测试领域，可有效抑制现场辐射发射测试中的环境干扰，准确地获取受试设备在实际工作环境中的辐射发射特性。

附图说明

图1为本测试方法示意图，

图2为方法流程图，

图3为STFT结合MVDR波束形成算法的结构，

图4宽带干扰信号抑制效果图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的作详细说明。

假设空间中同时存在着P个信号，其中包含了受试设备的发射信号，接收阵列为 M元均匀线阵，阵元间距为d。

第一步，构建输入信号矩阵；

空间中的所有辐射信号记作s(t)=[s₁(t),s₂(t),…,s_P(t)]，其入射方向与阵列法线方向夹角记作θ=[θ₁,θ₂,…,θ_P]，定义第i个信号的阵列导向矢量：

α(ω_i)=[1,exp(-jω_i),…,exp(-j(M-1)ω_i)]^T（1）

其中ω_i=2πdsinθ_i/λ_i。可得第k个阵元上接收到的信号为：

$x_k\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_k\left({\mathrm{\ω}}_i\right)u_i\left(t\right),k=\mathrm{1,2},...,M-1---\left(2\right)$

其中α(ω_i)=[1,exp(-jω_i),…,exp(-j(M-1)ω_i)]^T。

将M个阵元上的观测数据组成M×1维观测数据向量:

x(t)=[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T（3）

构造M×P维的阵列响应矩阵：

定义矢量U(t)=[u₁(t),u₂(t),…,u_p(t)]为信号s(t)在参考阵元上产生的感应信号的幅值，则阵列输入数据x(t)可写为：

$x\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\β}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)u_i\left(t\right)+n\left(t\right)=A\left(\mathrm{\ω}\right)U\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(5\right)$

其中n(t)为加性噪声，其平均功率为σ2，且噪声矢量n(t)与信号矢量s(t)不相关。

第二步，根据阵列输入数据x(t)，计算输入协方差矩阵：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{xx}}=E\left\{x\left(t\right)x^H\left(t\right)\right\}\\ =A\left(\mathrm{\ω}\right)E\left\{s\left(t\right)s^H\left(t\right)\right\}+E\left\{n\left(t\right)n^H\left(t\right)\right\}\\ =A\left(\mathrm{\ω}\right)R_{\mathrm{ss}}{A}^H\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\σ}}^2{I}_{M\×M}\end{array}---\left(6\right)$

其中R_SS为P×P维入射信号协方差矩阵。

第三步，对R_xx进行特征分解：

$R_{\mathrm{xx}}=V_s{\mathrm{\Λ}}_s{V}_s^H+V_H{\mathrm{\Λ}}_N{V}_N^H(S-\mathrm{dignal},N-\mathrm{noise})---\left(7\right)$

其中，Λ_S=diag{λ₁  λ₂  …  λ_P}是由大特征值组成的对角阵，V_s=[v₁ v₂ … v_P]是由大特征值对应的特征向量v_i(i=1,2,…,P)张成的子空间，即信号子空间；Λ_N=diag{λ_P+1  λ_P+2  …λ_M}是由小特征值构成的对角阵， V_N=[v_P+1 v_P+2 … v_M]是由小特征值对应的特征向量v_i(i=P+1,P+2,…,M)张成的子空间，即噪声子空间。

第四步，计算MUSIC谱：定义函数：

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{A\left(\mathrm{\ω}\right)V_N{V_N}^H{A}^H\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(8\right)$

由于信号的阵列响应矢量与噪声子空间正交，即A^H(ω)V_N=0。A(ω)与噪声子空间正交时分母最小，求出波数ω即可确定信号的波达角θ，会出现P个峰值，这些峰值所对应的角度就是P个信号所对应的波达角。

第五步，采用MVDR方法确定各个阵元的最优加权系数w=[w₁,w₂,…,w_M]^T，尽可能保证受试设备的信号不失真，并最大化抑制干扰信号功率。

阵列信号的输出功率表示如下：

$P_{\mathrm{out}}=E\left\{{\left|y\right|}^2\right\}=E\{\left(w^{H}x\right)\·{\left(w^{H}x\right)}^H\}=w^H{R}_{\mathrm{xx}}w---\left(9\right)$

式中y=w^Hx是阵列加权后的输出信号。设受试设备辐射信号的方向为θ₁，则其导向矢量为α(θ₁)，因此有w^Hα(θ₁)=1。最后MVDR最佳化准则可表示为：

$\begin{array}{c}\min P_{\mathrm{out}}=w^H{R}_{\mathrm{xx}}w\\ s.t.w^H\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=1\end{array}---\left(10\right)$

构造拉格朗日函数：

$L(w,\mathrm{\λ})=w^H{R}_{\mathrm{xx}}w+\mathrm{\λ}(\mathrm{\α}{\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^{H}w-1)+{\mathrm{\λ}}^{*}(w^H\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-1)---\left(11\right)$

令L(w,λ)的共轭梯度为0，即

$\∂L(w,\mathrm{\λ})/{\∂w}^{*}=0---\left(12\right)$

得到

$w^H=-\mathrm{\λ\α}{\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^H{R_{\mathrm{xx}}}^{-1}---\left(13\right)$

代入w^Hα(θ₁)=1，可得到

$\mathrm{\λ}=-{\left(\mathrm{\α}{\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}^H{R_{\mathrm{xx}}}^{-1}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right)}^{-1}---\left(14\right)$

从而可得最优权值：

$w_{\mathrm{opt}}={R_{\mathrm{xx}}}^{-1}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\left({\mathrm{\α}}^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right){R_{\mathrm{xx}}}^{-1}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right)}^{-1}={R_{\mathrm{xx}}}^{-1}\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P_{o\min }---\left(15\right)$

式中P_omin=(α^H(θ₁)R_xx ^-1α(θ₁))^-1为最小输出功率。

第六步，采用频域宽带MVDR波束形成方式进行宽带滤波：

①将各阵元接收的信号进行采样，再分别进行分段，各段数据长度为L；

②对于某一段数据，如第n段，各阵元在这一段的数据记为，对其做L点离散傅里叶变换（DFT），得到频域窄带数据，即

$X_m^{\left(n\right)}\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_m^{\left(n\right)}\left(l\right)\exp (-j2\mathrm{\πkl}/L),k=\mathrm{0,1},...,L-1---\left(16\right)$

③提取出各阵元各窄带频域数据矩阵：

$X^{\left(n\right)}\left(k\right)=[X_1^{\left(n\right)}\left(k\right),...,X_m^{\left(n\right)}\left(k\right),...,X_M^{\left(n\right)}\left(k\right)]---\left(17\right)$

④采用窄带MVDR的方法设计对应的波束加权向量：

$w\left(f_k\right)={[w_1\left(f_k\right),w_2\left(f_k\right),...,w_M\left(f_k\right)]}^T---\left(18\right)$

⑤对各窄带数据进行加权求和，得到各子带的波束输出数据：

$Y^{\left(n\right)}\left(k\right)=w^H\left(f_k\right)X^{\left(n\right)}\left(k\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{w}_m^{*}\left(f_k\right)X_m^{\left(n\right)}\left(k\right)---\left(19\right)$

测试频段是有限频段，因此波束形成所需的频域数据只需要取出其中的对应频段数据即可。

第七步，将短时傅里叶变换（STFT）方法与频域宽带MVDR方法结合起来，一方面滤除环境中的干扰信号，另一方面刻画出受试设备发射信号的时频特性。STFT结合宽带MVDR形成算法的结构如附图3所示。采用这种方式可使环境中的干扰信号在整个测试时间和测试频段上得到抑制，天线阵列的输出能较为准确地反映出受试设备的发射信号的时频特性。该算法的详细步骤如下：

① 对所有阵元的接收信号进行采样，并选取前N点数据（第一帧）做FFT；

② 对N点FFT输出数据做加权。假设整个测试频段被分为K段，则由式（15）可以计算出天线各阵元在整个频段上的加权向量；

将该权向量加权到每个天线的前N点FFT输出，则可得到第一帧的宽带MVDR输出；

③ 沿时间轴平移τ(τ＜N)个点，对各阵元的接收信号截取N点数据（第二帧），做N点FFT；

④ 重复②，得到第二帧的宽带MVDR输出；

⑤ 重复③和④，直至截取到时间终点，则所有帧的宽带MVDR输出即为具有干扰抑制效果的受试设备时频特性表征。

附图4是利用本发明方法对宽带干扰信号的抑制效果。

Claims (4)

1.一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法，其特征在于，该方法为：在测试现场布置接收天线阵列，每个天线单元均可接收到由受试设备辐射信号和干扰信号所组成的混合信号，利用基于多重信号分类（MUSIC，Multiple Signal Classification algorithm）的空间谱估计方法获取各个信号的波达角，根据空间谱估计结果，利用最小方差无失真响应（MVDR，Minimum Variance Distortionless Response）波束形成准则对各天线阵元接收信号作最优加权，在保证受试设备辐射信号不失真的前提下，使阵列波束在干扰信号的来向形成“零陷”，实现对干扰信号的空域滤波；具体步骤包括：

第一步，构建输入信号矩阵；具体为：

假设空间中同时存在着P个信号，其中包含了受试设备的发射信号，接收阵列为 M元均匀线阵，阵元间距为d，

空间中的所有辐射信号记作                                                

，其入射方向与阵列法线方向夹角记作

，定义第i个信号的阵列导向矢量：

        

              （1）

其中

，可得第k个阵元上接收到的信号为：

           

                  （2）

其中

；

将M个阵元上的观测数据组成M×1维观测数据向量:

           

                      （3）

构造M×P维的阵列响应矩阵：

          

             （4）

定义矢量

为信号

在参考阵元上产生的感应信号的幅值，则阵列输入数据

可写为：

          

                （5）

其中

为加性噪声，其平均功率为

，且噪声矢量

与信号矢量

不相关；

第二步，根据阵列输入数据

，计算输入协方差矩阵；具体为：

                    （6）

其中

为P×P维入射信号协方差矩阵；

第三步，对

进行特征分解；具体为：

            （7）

其中，

是由大特征值组成的对角阵，

是由大特征值对应的特征向量

张成的子空间，即信号子空间；

是由小特征值构成的对角阵， 

是由小特征值对应的特征向量

张成的子空间，即噪声子空间；

第四步，计算MUSIC谱；具体为：

定义函数：

             

                          （8）

由于信号的阵列响应矢量与噪声子空间正交，即

，

与噪声子空间正交时分母最小，求出波数

即可确定信号的波达角，会出现P个峰值，这些峰值所对应的角度就是P个信号所对应的波达角；

第五步，采用MVDR方法确定各个阵元的最优加权系数

，保证受试设备的信号不失真，并最大化抑制干扰信号功率；

第六步，采用频域宽带MVDR波束形成方式进行宽带滤波；

第七步，将短时傅里叶变换方法与频域宽带MVDR方法结合起来，一方面滤除环境中的干扰信号，另一方面刻画出受试设备发射信号的时频特性。

2.根据权利要求1所述的一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法，其特征在于，采用MVDR方法确定各个阵元的最优加权系数

，具体为：

阵列信号的输出功率表示如下：

          

               （9）

式中是阵列加权后的输出信号，设受试设备辐射信号的方向为

，则其导向矢量为

，有

，最后MVDR最佳化准则可表示为：

                        

                   （10）

构造拉格朗日函数：

             

    （11）

令

的共轭梯度为0，即

                     

                          （12）

得到

                     

                        （13）

代入

，可得到

                      （14）

从而可得最优权值：

             

     （15）

式中为最小输出功率。

3.根据权利要求1所述的一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法，其特征在于，采用频域宽带MVDR波束形成方式进行宽带滤波，具体为：

①将各阵元接收的信号进行采样，再分别进行分段，各段数据长度为L；

②对于某一段数据，如第n段，各阵元在这一段的数据记为

，对其做L点离散傅里叶变换，得到频域窄带数据，即

             

      （16）

③提取出各阵元各窄带频域数据矩阵：

              

            （17）

④采用窄带MVDR的方法设计对应的波束加权向量：

               

              （18）

⑤对各窄带数据进行加权求和，得到各子带的波束输出数据：

                       （19）

测试频段是有限频段，因此波束形成所需的频域数据只需要取出其中的对应频段数据即可。

4.根据权利要求1所述的一种抗环境干扰的电磁辐射发射现场测试方法，其特征在于，傅里叶变换方法与频域宽带MVDR方法结合，具体为：

⑴对所有阵元的接收信号进行采样，并选取前N点数据即第一帧，做FFT；

⑵ 对N点FFT输出数据做加权，假设整个测试频段被分为K段，则由式（15）可以计算出天线各阵元在整个频段上的加权向量；

       

               （20）

将该权向量加权到每个天线的前N点FFT输出，则可得到第一帧的宽带MVDR输出；

⑶ 沿时间轴平移τ(τ＜N)个点，对各阵元的接收信号截取N点数据即第二帧，做N点FFT；

⑷ 重复⑵，得到第二帧的宽带MVDR输出；

⑸ 重复⑶和⑷，直至截取到时间终点，则所有帧的宽带MVDR输出即为具有干扰抑制效果的受试设备时频特性表征。

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