CN104597330A - 电磁辐射信号采集与处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁辐射信号采集与处理系统及方法，处理系统包括有数个频谱分析仪、数据采集卡、GPIB卡和计算机，其中数个频谱分析仪并列设置后分别与数据采集卡和GPIB卡连接，数据采集卡和GPIB卡并列设置后分别与计算机相连。采集与处理方法为：第一步：在计算机上对采集设备的参数进行设置，通过GPIB卡控制前端采集设备；第二步：当前置参数设置完成之后，系统开始对信号进行采集和保存；第三步：为使采集到的信号数据反应所测实际情况，将保存到计算机的数据调出，有益效果：提高了测量的速度；提高了测量的精度；实现了对采集信号的现场实时处理。

Description

电磁辐射信号采集与处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种信号采集与处理系统及方法，特别涉及一种电磁辐射信号采集与处理系统及方法。

背景技术

当前，随着电气化铁路的飞速发展，列车大量采用电力电子设备、无线通信设备及其他数字化设备，使得铁路的电磁环境十分复杂。这些电磁敏感设备都工作在列车运行时的电磁环境中,极易受到列车电磁噪声的影响而导致其不能正常工作,乃至威胁行车安全。从电磁辐射传递能量的角度出发，接触网正常工作时是不可能向其周围空间形成有效的能量辐射。其主要辐射干扰信号是弓网离线时电弧带来的辐射干扰，离线电弧是一个电场、磁场、热场、流场变化的综合作用过程，因此，它严重依赖于测试，单纯的理论分析和建模仿真不能完全模拟真实的电磁环境，数据测试是十分重要的一个环节。

目前现有的测试系统及方法是在铁路沿线布置天线和频谱分析仪采集信号，然后再上传到计算机进行处理。由于牵引车辆通过测试点后，噪音不会达到其最大值，但当车辆离开很远后却可能出现最大值，因此测试时设置应始终处于激活状态，不要当列车接近测试地点时还不启动。同时，野外测试的误差因素很多，需要大量测试数据才能得出结论，现有的设备通过人工操作采集噪声最大值，因此测试时列车通过采集点一次仅可以记录一组数据。

综上所述，现有铁路电磁辐射测试的方法主要存在以下几个问题:(1)采集数据时需要人工操作，对操作要求高；(2)铁路沿线用电设备较多，电磁环境复杂，采集的数据存在较大的干扰；(3)采集设备不够数字化，无法在短时间内进行多次采集。(4)采集数据的保存和提取也比较麻烦。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的电磁辐射信号采集与处理系统在使用过程中存在诸多问题而提供的一种电磁辐射信号采集与处理系统及方法。

本发明提供的电磁辐射信号采集与处理系统包括有数个频谱分析仪、数据采集卡、GPIB卡和计算机，其中数个频谱分析仪并列设置后分别与数据采集卡和GPIB卡连接，数据采集卡和GPIB卡并列设置后分别与计算机相连。

频谱分析仪用于对干扰信号的频谱测量。

频谱分析仪分别连接有柱状天线、双锥天线和对数天线，其中柱状天线用于采集频率在9k-30MHz范围内的低频磁场辐射信号；双锥天线用于采集频率在30M-300MHz范围内的中频电场辐射信号；对数天线用于采集频率在300M-1GHz范围内的高频电场辐射信号。

数据采集卡用于完成对频谱分析仪所测量信号的采集，提供三十二路十八bit模拟输入，用于完成对频谱分析仪所测频谱的输入；提供四路十六bit同步模拟输出、三十二路数字输入输出端口及十六路多功能数字输入输出端口，用于多通道测量信号数据的输出；提供两路计数器和PXI_TRIG、MSIB同步触发，用于多通道自动化测试测量应用。

GPIB卡用于完成计算机对频谱分析仪的控制，接口规格为PXI，所有基于GPIB-32.DLL编写的程序在不需要任何修改与编译的情况下直接使用

本发明提供的电磁辐射信号采集与处理方法，其方法如下所述：

第一步：在计算机上对采集设备的参数进行设置，通过GPIB卡控制前端采集设备；

第二步：当前置参数设置完成之后，系统开始对信号进行采集和保存，各组天线采集不同频率的信号，通过数据线传递到频谱分析仪上，频谱分析仪将接收到的电流信号传换成数字信号提供给数据采集卡，数据采集卡再把采集数据传递给计算机，在计算机上完成最后数据的显示及保存，具体的操作步骤在计算机程序上完成，具体如下：

(1)、创建一个项目并完成前置参数的设定，通过计算机编辑菜单中的选项卡界面,完成对系统参数的设置，同时提供不同天线类型和天线修正系数文件路径，用于减小干扰响应带来的误差，在频谱分析仪进行测量时,设置GPIB卡地址和数据采集卡设备号,确保系统通信正常，完成自校准功能；

(2)、运行信号采集程序来控制频谱分析仪进行扫描,将采集的数据绘制成频谱图进行显示,并生成数据文本文档，其子菜单中包含：运行、连续运行、节点窗口、输出频谱数据和删除节点四个选项，频谱图选择线性和对数两种方式显示；

(3)、系统对采集到的信号进行频谱分析，程序利用labview软件自带的测量模块对采集信号进行测量，包括幅值与电平测量模块、频谱测量模块、信号的瞬态与时间特性测量模块，同时以节点的形式在excel文件中保存；

第三步：为使采集到的信号数据反应所测实际情况，将保存到计算机的数据调出，通过labview软件所自带的一些滤波模块和去噪声模块或使用MatlabScript编程方式，将相应的算法代码添加入程序，来完成对数据的处理，在编写源程序时，添加了软件中函数/信号处理/滤波器/高级FIR滤波模块，用来完成对所测信号的滤波，此模块针对铁路沿线电磁环境复杂的特点，能够有效的去除白噪声和一些随机噪声对采集数据的影响；

在利用MatlabScript编程方式时，加入天线误差系数，使采集数据更加接近真实情况，根据不同采集信号，依靠不同特点的自适应递推运算，来选择相对简单且易于实现的最小均方误差(LMS)算法，所述的经验公式主要是借鉴小波阈值去噪算法以及自适应滤波算法两种的基本公式，根据电磁辐射信号的频谱特点，将其编写成matlab程序在软件中对采集数据进行计算和频谱图形的生成。

本发明的有益效果：

1、本发明在现有的铁路电磁辐射测试方法和测试设备上，实现了多路采集和快速采集，提高了测量的速度。

2、在计算机上将采集数据进行了去噪处理，并加入了天线的系数设定，使得最终的频谱波形更准确，提高了测量的精度。

3、本发明执行计算机对测试设备的控制，同时完成了采集信号的管理和采集波形的显示，实现了对采集信号的现场实时处理。

附图说明

图1为本发明所述采集与处理系统的结构示意图。

图2为本发明的软件操作流程图。

图3为本发明的电磁辐射采集与处理系统显示频谱图。

1、频谱分析仪  2、数据采集卡  3、GPIB卡  4、计算机

5、柱状天线    6、双锥天线    7、对数天线。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示：

本发明提供的电磁辐射信号采集与处理系统包括有四个频谱分析仪1、数据采集卡2、GPIB卡3和计算机4，其中四个频谱分析仪1并列设置后分别与数据采集卡2和GPIB卡3连接，数据采集卡2和GPIB卡3并列设置后分别与计算机4相连。

频谱分析仪1用于对干扰信号的频谱测量。

频谱分析仪1分别连接有柱状天线5、双锥天线6和对数天线7，其中柱状天线5用于采集频率在9k-30MHz范围内的低频磁场辐射信号；双锥天线6用于采集频率在30M-300MHz范围内的中频电场辐射信号；对数天线7用于采集频率在300M-1GHz范围内的高频电场辐射信号。

数据采集卡2用于完成对频谱分析仪1所测量信号的采集，提供三十二路十八bit模拟输入，用于完成对频谱分析仪1所测频谱的输入；提供四路十六bit同步模拟输出、三十二路数字输入输出端口及十六路多功能数字输入输出端口，用于多通道测量信号数据的输出；提供两路计数器和PXI_TRIG、MSIB同步触发，用于多通道自动化测试测量应用。

GPIB卡3用于完成计算机4对频谱分析仪1的控制，接口规格为PXI，所有基于GPIB-32.DLL编写的程序在不需要任何修改与编译的情况下直接使用。

本发明提供的电磁辐射信号采集与处理方法，其方法如下所述：

第一步：在计算机4上对采集设备的参数进行设置，通过GPIB卡3控制前端采集设备；

第二步：当前置参数设置完成之后，系统开始对信号进行采集和保存，各组天线采集不同频率的信号，通过数据线传递到频谱分析仪1上，频谱分析仪1将接收到的电流信号传换成数字信号提供给数据采集卡2，数据采集卡2再把采集数据传递给计算机4，在计算机4上完成最后数据的显示及保存，具体的操作步骤在计算机程序上完成，具体如下：

(1)、创建一个项目并完成前置参数的设定，通过计算机4编辑菜单中的选项卡界面,完成对系统参数的设置，同时提供不同天线类型和天线修正系数文件路径，用于减小干扰响应带来的误差，在频谱分析仪1进行测量时,设置GPIB卡3地址和数据采集卡2设备号,确保系统通信正常，完成自校准功能；

(2)、运行信号采集程序来控制频谱分析仪1进行扫描,将采集的数据绘制成频谱图进行显示,并生成数据文本文档，其子菜单中包含：运行、连续运行、节点窗口、输出频谱数据和删除节点四个选项，频谱图选择线性和对数两种方式显示；

(3)、系统对采集到的信号进行频谱分析，程序利用labview软件自带的测量模块对采集信号进行测量，包括幅值与电平测量模块、频谱测量模块、信号的瞬态与时间特性测量模块，同时以节点的形式在excel文件中保存；

第三步：为使采集到的信号数据反应所测实际情况，将保存到计算机4的数据调出，通过labview软件所自带的一些滤波模块和去噪声模块或使用MatlabScript编程方式，将相应的算法代码添加入程序，来完成对数据的处理，在编写源程序时，添加了软件中函数/信号处理/滤波器/高级FIR滤波模块，用来完成对所测信号的滤波，此模块针对铁路沿线电磁环境复杂的特点，能够有效的去除白噪声和一些随机噪声对采集数据的影响；

在利用MatlabScript编程方式时，加入天线误差系数，使采集数据更加接近真实情况，根据不同采集信号，依靠不同特点的自适应递推运算，来选择相对简单且易于实现的最小均方误差(LMS)算法，所述的经验公式主要是借鉴小波阈值去噪算法以及自适应滤波算法两种的基本公式，根据电磁辐射信号的频谱特点，将其编写成matlab程序在软件中对采集数据进行计算和频谱图形的生成。

Claims (6)

1.一种电磁辐射信号采集与处理系统，其特征在于：包括有数个频谱分析仪、数据采集卡、GPIB卡和计算机，其中数个频谱分析仪并列设置后分别与数据采集卡和GPIB卡连接，数据采集卡和GPIB卡并列设置后分别与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的电磁辐射信号采集与处理系统，其特征在于：所述的频谱分析仪用于对干扰信号的频谱测量。

3.根据权利要求1所述的电磁辐射信号采集与处理系统，其特征在于：所述的频谱分析仪分别连接有柱状天线、双锥天线和对数天线，其中柱状天线用于采集频率在9k-30MHz范围内的低频磁场辐射信号；双锥天线用于采集频率在30M-300MHz范围内的中频电场辐射信号；对数天线用于采集频率在300M-1GHz范围内的高频电场辐射信号。

4.根据权利要求1所述的电磁辐射信号采集与处理系统，其特征在于：所述的数据采集卡用于完成对频谱分析仪所测量信号的采集，提供三十二路十八bit模拟输入，用于完成对频谱分析仪所测频谱的输入；提供四路十六bit同步模拟输出、三十二路数字输入输出端口及十六路多功能数字输入输出端口，用于多通道测量信号数据的输出；提供两路计数器和PXI_TRIG、MSIB同步触发，用于多通道自动化测试测量应用。

5.根据权利要求1所述的电磁辐射信号采集与处理系统，其特征在于：所述的GPIB卡用于完成计算机对频谱分析仪的控制，接口规格为PXI。

6.一种电磁辐射信号采集与处理方法，其特征在于：其方法如下所述：

第一步：在计算机上对采集设备的参数进行设置，通过GPIB卡控制前端采集设备；

第二步：当前置参数设置完成之后，系统开始对信号进行采集和保存，各组天线采集不同频率的信号，通过数据线传递到频谱分析仪上，频谱分析仪将接收到的电流信号传换成数字信号提供给数据采集卡，数据采集卡再把采集数据传递给计算机，在计算机上完成最后数据的显示及保存，具体的操作步骤在计算机程序上完成，具体如下：

(1)、创建一个项目并完成前置参数的设定，通过计算机编辑菜单中的选项卡界面,完成对系统参数的设置，同时提供不同天线类型和天线修正系数文件路径，用于减小干扰响应带来的误差，在频谱分析仪进行测量时,设置GPIB卡地址和数据采集卡设备号,确保系统通信正常，完成自校准功能；

(2)、运行信号采集程序来控制频谱分析仪进行扫描,将采集的数据绘制成频谱图进行显示,并生成数据文本文档，其子菜单中包含：运行、连续运行、节点窗口、输出频谱数据和删除节点四个选项，频谱图选择线性和对数两种方式显示；

(3)、系统对采集到的信号进行频谱分析，程序利用labview软件自带的测量模块对采集信号进行测量，包括幅值与电平测量模块、频谱测量模块、信号的瞬态与时间特性测量模块，同时以节点的形式在excel文件中保存；

第三步：为使采集到的信号数据反应所测实际情况，将保存到计算机的数据调出，通过labview软件所自带的一些滤波模块和去噪声模块或使用MatlabScript编程方式，将相应的算法代码添加入程序，来完成对数据的处理，在编写源程序时，添加了软件中函数/信号处理/滤波器/高级FIR滤波模块，用来完成对所测信号的滤波，此模块针对铁路沿线电磁环境复杂的特点，能够有效的去除白噪声和一些随机噪声对采集数据的影响；

在利用MatlabScript编程方式时，加入天线误差系数，使采集数据更加接近真实情况，根据不同采集信号，依靠不同特点的自适应递推运算，来选择相对简单且易于实现的最小均方误差(LMS)算法，所述的经验公式主要是借鉴小波阈值去噪算法以及自适应滤波算法两种的基本公式，根据电磁辐射信号的频谱特点，将其编写成matlab程序在软件中对采集数据进行计算和频谱图形的生成。