CN107064834B - 一种基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统，由上位机、STM32F4控制板、双ADC、光电信号转换模块、两个一切八光开关、步进电机扫描模块构成。上位机发送数据采集命令，使系统开始工作，步进电机运载16个电场探头在电磁成像上进行扫描，每个探头在像面上，每隔一段距离采集一次电磁信号，16个探头由两个一切八光开关连接，在电磁信号采集过程中，两个一切八光开关同时顺序切换，则双光路在16个探头之间顺序切换，两路激光经光电信号转换模块后，将光信号转换为电信号，电信号再由双ADC进行电信号的采集，最后将采集到的数据传回到上位机并保存，实现对电磁成像上电磁信号的采集，总共采集16*80个点的数据。
Description
技术领域
本发明属于宽带电磁探测领域中的信号采集系统部分，主要涉及一种宽带电磁成像面的信号采集技术。
背景技术
随着科学技术的不断发展，信息化系统越来越复杂，同一平台上装载的电子设备越来越多，对电磁兼容的要求也越来越高；另一方面，电磁环境日益复杂，电子电器设备和系统面临越来多的电磁干扰，其性能降低、功能丧失的概率显著增加。因此，对系统电磁兼容性的研究与电磁辐射的排查显得尤为重要。
在电磁兼容领域，现阶段对被试品电磁辐射主要的排查手段，是由接收天线、探头或功率计等接收设备连接频谱仪、接收机等设备组成。这种辐射排查设备在测试时通常需要对测试物品进行逐点人工扫描测试，效率很低，对人员经验的依赖性很强；此外，传统的电磁辐射测量设备体积较大，无法适用于范围较小的电磁测量。为了克服上述缺点，利用抛物反射面对电磁辐射进行探测，可以实现快速、无干扰的电磁探测。电磁信号经抛物反射面反射后，在其像面上形成缩小电磁图像，基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统就是实现在像面上电磁信号的快速检测。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统，实现对电磁信号快速有效的检测。
本发明技术解决方案：一种基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统，实现对1.2×0.6m2宽带电磁成像面上的电磁信号的快速准确采集，系统扫描时间在20s以内，电磁信号采集量为16*80。本发明的技术方案主要是通过对两个一切八光开关的快速切换，实现对16路电场探头电磁信号采集。
本发明包括：上位机、STM32F4控制板、双ADC模数转换模块、光电信号转换模块、两个一切八光开关及步进电机扫描模块；
上位机：发送命令及接收数据，给控制板发送测试命令，触发系统进行电磁信号采集；完成信号采集，读取所采集到成像面信号数据并保存；
STM32F4控制板：控制各部件有序工作，包括控制步进电机在成像面上进行扫描、双ADC的同步采样，两个一切八光开关的顺序切换；
ADC模数转换模块：以设定的频率完成对电信号的AD采样；
光电信号转换模块：将光信号转换为电信号，由于成像面电场的存在，电场探头将光调制，调制后的光经光电转换模块转换为电信号；
两个一切八光开关：使光路在两套8个电场探头之间高速切换，从而测量得到各个电场探头通道的信号值；
步进电机扫描模块：运载16个电场探头在电磁成像面上来回扫描，测量像面上的电磁信号；
上位机发送数据采集命令，使系统开始工作，步进电机运载16个电场探头在电磁成像上进行扫描，每个探头在像面上，每隔一段距离采集一次电磁信号，16个探头由两个一切八光开关连接，在电磁信号采集过程中，两个一切八光开关同时顺序切换，则双光路在16个探头之间顺序切换，两路激光经光电信号转换模块后，将光信号转换为电信号，电信号再由双ADC进行电信号的采集，最后将采集到的数据传回到上位机并保存，实现对电磁成像上电磁信号的采集，总共采集16*80个点的数据。
所述控制板采用STM32F4控制板，使其具有双ADC高速同步采样、一切八光开关控制、步进电机控制、数据传输功能。
所述ADC中，设定的频率为1MHz。
所述每个探头在1.2m长的像面上，每隔1.5cm采集一次电磁信号。
所述光电信号转换模块处理信号频率为0.5GHz～6GHz，由光电探测箱、滤波器、峰值检波器组成。
所述步进电机扫描模块实现在1.2×0.6m2宽带电磁成像面上等1.5cm间距采集电磁信号，在20s内采集16*80个点的数据。
实现过程为：
步骤1，设计系统控制电路，利用核心的嵌入式芯片STM32F407ZGT6，使其具有双ADC高速同步采样、一切八光开关控制、步进电机扫描模块控制、数据传输等功能；
步骤2，搭建后端信号采集模块，用2个一切八光开关分别连接到8个电场探头，光开关另一端连接到光电信号转换模块，其主要由光电探测箱、滤波器、峰值检波器组成；光电信号转换模块的功能是将光信号转换为电信号，最后由双ADC进行高速AD采样；
步骤3，搭建步进电机扫描模块，系统控制电路给步进电机驱动器提供脉冲和方向信号，再由驱动器驱动电机转动，使其运载16个电场探头在电磁成像面来回扫描，等间距采集电磁信号；
步骤4，嵌入式程序设计，使得各个硬件部分协同工作。在1.2米长的电磁成像上，每隔1.5cm，两个一切八光开关高速切换，同时进行AD采样，测量16个电场探头所探测到电场数据；
步骤5，编写上位机程序，使其能给系统发送开始测试的命令，并且能够接收与保存测量数据。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)采用步进电机控制模式，实现在1.2×0.6m2宽带电磁成像面上等间距的电磁信号采集，通过定时器频率可调节的PWM波输出，与计数器精确的计数功能，使得该本发明具有快速测量、探测点处定位精度高的优点；
(2)设计了基于光路切换的宽带电磁信号采集模式。利用两个一切八光开关，分别连接到16个电场探头，而光开关的另一端仅需要两套光电信号转换模块，大大减少了所需光电信号转换模块的数量，节约成本，同时使得系统更加小巧，易于集成；
附图说明
图1是本发明所设计的宽带电磁信号采集系统的实施场景图；
图2是本发明设计的电脑远程控制界面；
图3是利用STM32F4ZGT6芯片所设计的硬件控制电路；
图4是光电信号转换模块结构示意图；
图5是利用控制电路实现两个光开关顺序切换的电路示意图；
图6是本发明中嵌入式程序设计的流程图；
图7是利用本发明测试菱形天线的电磁辐射经抛物反射面的电磁分布。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于光路切换的电磁成像面信号采集系统由上位机、STM32F4控制板、双ADC模数转换模块、光电信号转换模块、两个一切八光开关、以及步进电机扫描模块等组成。各个部分主要的功能如下：
1)上位机：发送命令及接收数据。给STM32F4控制板发送测试命令，触发系统进行电磁信号采集；完成信号采集，读取所采集到成像面信号数据并保存；
2)STM32F4控制板：自动控制的核心，控制各分设备有序工作。主要包括控制步进电机在成像面上进行扫描、双ADC的同步采样，两个一切八光开关的顺序切换；
3)ADC模数转换模块：以1MHz的频率完成对电信号的AD采样；
4)光电信号转换模块：将光信号转换为电信号。由于成像面电场的存在，电场探头将光调制，调制后的光经光电信号转换模块转换为电信号；
5)两个一切八光开关：使光路在8个电场探头之间高速切换，从而测量得到各个电场探头通道的信号值；
6)步进电机扫描模块：运载16个电场探头在电磁成像面上来回扫描，测量像面上的电磁信号。
本发明由以上各分设备构成，通过系统的集成与有效的控制，实现宽带电磁成像面上电磁信号的采集。下面对各分设备作具体详尽的描述。
(1)上位机
如图2所示，为系统所使用的上位机。点击开始测量，整个系统开始工作，同时将采集到的数据实时显示在窗口，具备数据保存与清除功能。
(2)STM32F4控制板
由核心芯片STM32F407ZGT6，以及外围电路构成，主要有电源电路、通信串口、JTAG程序下载电路等部分构成。如图3所示，晶振、电容电阻等外围电路组成STM32F407ZGT6芯片的最小系统。JTAG口用于下载程序，IO口用于步进电机控制以及双ADC模数转换，串口1用于电脑与STM32F4控制板件命令及数据传输，串口2用于控制一切八光开关进行切换。
(3)双ADC模数转换模块
图1可知，光信号经两个光电信号转换模块后，光信号将转变为电信号，此时需要两个ADC进行采样，进行模数转换。双ADC使用STM32F4内部自带的ADC，该ADC是12位逐次逼近型的模数转换器。在实际使用过程中，将ADC的采样频率设置1MHz的高速采样，这样设置的好处是：一是保证在电磁成像面上各采样位置点的精确，二是进行高速多次采样，其多次采样的平均有利于减小采样误差。
(4)光电信号转换模块
光电信号转换模块主要由光电探测箱、滤波器和峰值检波器构成，其作用是将光信号转换成电信号。如图4所示，光电探测箱有两个接口，一是光输入输出口，连接到电场探头，二是电输出口，连接到滤波器。光电信号转换模块的工作过程为：光电探测箱内部光源发出激光到电场探头，激光通过电场探头时，会被电场调制，调制后的激光返回到光电探测箱，被探测箱内部的光电模块转换为对应频率的电信号，输出电信号到滤波器，滤波器滤掉了电信号中的噪声，再由峰值检波器检测电信号的峰值，最终经峰值检波器出来信号将是直流信号，对直流信号进行AD采样完成对电磁信号采集。
(5)两个一切八光开关
电磁成像面上，16个电场探头在步进电机的控制下进行来回扫描。由于光电信号转换模块非常昂贵，采用光路切换的控制方式可以大大减少所需要的光电信号转换模块以及ADC的数量。
光路切换装置采用两个一切八光开关来实现，每个光开关有8路光纤接口，分别连接到8个电场探头，通过光开关的顺序切换，就分别连通了各个电场探头的光路，从而实现16路探头在电磁成像面上对电磁分布的探测。
一切八光开关可由STM32F4控制板来进行控制，STM32F4控制板通过串口2发送16进制的0x01～0x08，使得光开关在8个通道之间顺序切换。由于两个光开关需要同时控制，需要在STM32F4控制板后端增加一个RS232一分二电路，将串口2的控制信号分成两路，分别控制两个光开关同时切换，具体实现方式如图5所示。
(6)步进电机扫描模块
电磁成像面的大小为1.2×0.6m2，16个探头每隔4cm均匀排布，步进电机需要运载16个探头在1.2m长的像面上进行电磁信号的采集。步进电机驱动器由两路信号控制，分别是Dir方向信号，控制转动方向；Pulse脉冲信号，控制转动速度。这两路信号都由STM32F4控制板提供，以控制步进电机转动，从而带动电场探头在像面上进行扫描。
STM32F407ZGT6芯片是控制系统的MCU，控制各个分设备相互协调完成工作，而程序设计则是整个系统的核心部分，如图6所示，程序设计主要包括双ADC同步采样、两个光开关顺序切换、步进电机扫描三个部分。上位机通过给STM32F4控制板发送测试命令，触发整个系统开始工作。在电磁成像面上，每个电场探头在1.2m长的平面上间隔1.5cm进行一次信号采集，总共采样80个点。在每个位置点，光信号经光电信号转换模块转换成电信号，电信号经1000次的1MHz的高速AD采样，并取平均值，以减小测量误差。最终采集到16*80个数据点，从而实现对电磁成像面上电磁信号的探测。
下面结合试验对本系统的测试性能作进一步的说明。
实验系统采用直径1.5米，焦距1.1米的偏馈抛物反射面。在距离反射面水平距离5米处，在一定的高度放置一个菱形天线。用信号源给菱形天线发射信号，发射的信号为频率3GHz，功率为16dBm。
此时，抛物反射面的像面上会形成菱形天线电磁辐射图像，利用所设计的系统在该电磁成像面上进行信号的采集，主要的步骤如下：
(1)上位机给系统发送开始测试指令，STM32F4控制板控制步进电机转动，运载电场探头在电磁成像面进行扫描；
(2)在1.2米长的成像面上，每隔1.5cm触发光开关进行顺序切换，同时双ADC进行高速数据采集及处理；
(3)总共采集16*80个点的数据，并将数据传回上位机并保存。
这一过程的完成时间在20s以内，最终在电磁成像面上得到16*80个。通过对电磁成像面上采集的信号数据进行绘图，可以探测到该像面上的电磁分布。如图7所示，系统在电磁成像面上进行信号采集，在抛物反射面的像面上，探测到了菱形天线在电磁成像面上的电磁分布。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (2)
1.一种基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统，其特征在于包括：上位机、STM32F4控制板、双ADC模数转换模块、光电信号转换模块、两个一切八光开关及步进电机扫描模块；
上位机：发送命令及接收数据，给控制板发送测试命令，触发系统进行电磁信号采集；完成信号采集，读取所采集到成像面信号数据并保存；
STM32F4控制板：具有双ADC高速同步采样、光开关控制、步进电机控制、数据传输功能，由以STM32F4芯片为核心的MCU处理器，及供电、晶振、串口外围电路组成，功能是控制各部件有序工作，包括控制步进电机在成像面上进行扫描、双ADC的同步采样，两个一切八光开关的顺序切换；
双ADC模数转换模块：该ADC是12位逐次逼近型模数 转换器，其功能是以设定的频率完成对电信号的AD采样；所述ADC模数转换模块中，设定的采样频率为1MHz；
光电信号转换模块：将光信号转换为电信号，由于成像面电场的存在，电场探头将光调制，调制后的光经光电转换模块转换为电信号；
一切八光开关：由控制板发送命令，控制两个一切八光开关顺序切换，使得光路在两套8个电场探头之间高速切换，从而测量得到各个电场探头通道的信号值；
步进电机扫描模块：由步进电机驱动器、步进电机及导轨构成，控制板发送命令，控制步进电机运动，使其运载16个电场探头在电磁成像面上来回扫描，测量像面上的电磁信号；所述步进电机扫描模块实现在1.2×0.6m2宽带电磁成像面上每个探头在等1.5cm的间距上采集电磁信号，在20s内采集16*80个点的数据；
实现过程为：上位机发送数据采集命令，使系统开始工作，步进电机运载16个电场探头在电磁成像上进行扫描，每个探头在像面上，每隔一段距离采集一次电磁信号，16个探头由两个一切八光开关连接，在电磁信号采集过程中，两个一切八光开关同时顺序切换，则双光路在16个探头之间顺序切换，两路激光经光电信号转换模块后，将光信号转换为电信号，电信号再由双ADC进行电信号的采集，最后将采集到的数据传回到上位机并保存，实现对电磁成像上电磁信号的采集，总共采集16*80个点的数据；所述光电信号转换模块处理信号频率为0.5GHz～6GHz；
采用基于光路切换的宽带电磁信号采集模式，两个一切八光开关分别连接到16个电场探头，光开关的另一端仅需要两套光电信号转换模块，由控制板控制两个一切八光开关顺序切换，这种设计大大减少了所需光电转换模块的数量，节约了成本，同时使得系统更加小巧，易于集成。
2.根据权利要求1所述的基于光路切换的宽带电磁成像面信号采集系统，其特征在于：所述光电信号转换模块由光电探测箱、滤波器、峰值检波器组成。
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