CN108020740B - 一种设备区域电磁干扰检测识别系统及方法 - Google Patents

一种设备区域电磁干扰检测识别系统及方法 Download PDF

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CN108020740B CN201711227692.3A CN201711227692A CN108020740B CN 108020740 B CN108020740 B CN 108020740B CN 201711227692 A CN201711227692 A CN 201711227692A CN 108020740 B CN108020740 B CN 108020740B
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Abstract

本发明涉及一种设备区域电磁干扰检测识别系统及方法，其中，所述系统包括：一天线升降杆、一安装在所述天线升降杆顶端的天线云台、一与所述天线云台连接的定向天线、一连接在所述定向天线输出端的低噪声放大器、一连接在所述低噪声放大器输出端的信号分析仪、一与所述信号分析仪连接的计算机以及一连接在所述计算机与所述天线云台之间的控制器。本发明可对电磁干扰进行快速检测，并有效去除环境瞬态干扰对检测结果的影响，提高干扰信号的识别性能，降低实现难度，减少计算工作量。

Description

一种设备区域电磁干扰检测识别系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于现场环境的设备区域电磁干扰检测识别系统及方法。
背景技术
随着国民经济的增长，频谱使用率越来越高，移动通信、卫星导航、广播电视及其他无线通信业务对射电天文业务影响越来越大，台址内各类数字化、智能化电子设备不断引入，电磁环境异常复杂。另外，现有射电天文台站在建设及升级改造过程容易忽略设备管理及电磁防护，以致电磁干扰对射电天文业务影响越来越大。而电磁环境测量数据综合了台址外部无线通信业务及台址内部各类电子设备产生的电磁干扰。因此，台址内电磁干扰的有效检测和识别为电磁干扰缓解策略的制定提供了重要依据。
实测表明，设备区域单一设备电磁辐射频谱不能有效反映其对电磁环境的贡献，这是由于设备电磁辐射经过多次反射及传输后变得杂散，仅有遮挡较少或辐射较强的电磁干扰容易进入射电望远镜接收系统，恶化观测数据.故台址内设备区域干扰信号的有效检测与识别，对分析台址内电磁干扰对射电天文观测的影响更有意义。然而，由于现场环境电磁环境复杂，环境中固定干扰，尤其是瞬态干扰信号对测量结果影响较大，所以，现场环境下设备区域干扰信号的检测和识别方法研究，对分析台址内电磁干扰对射电天文观测的影响极其重要。
然而，现有的电磁干扰检测系统仅能实现对干扰信号的检测，却并没有考虑瞬态信号对检测结果的影响，即，不存在对干扰信号进行识别的功能。因此，现有的检测识别系统已经无法满足使用需要。
另外，目前，关于信号识别的方法较多，例如统计模式识别算法、模板匹配算法、高阶累积量算法等，其中，统计模式识别算法是通过从接收到的数据中提取预先定义的特征参数实现信号识别，然而，当信噪比低时，该方法难以提取信号特征参数，因此，识别性能低；模板匹配算法则是以待测信号和数据库中已知信号的距离测度为相似性判断依据实现信号识别，然而，该方法需要提前统计信号特征参数，并建立相应的数据库，因此，需要实时更新数据库，实现起来工作量较大，且识别精度影响因素较多；高阶累积量算法是指计算信号的高阶累积量，并通过归一化或者平方等方法寻找信号间的差异从而实现信号识别，然而，该方法计算量大，且主要用于对调制信号进行识别。而且，上述现有的识别方法除了以上各自存在的缺点外，还由于现场环境下电磁环境的复杂，而均难以有效去除环境瞬态干扰对测量结果的影响。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种设备区域电磁干扰检测识别系统及方法，以对电磁干扰进行快速检测，并有效去除环境瞬态干扰对检测结果的影响，提高干扰信号的识别性能，降低实现难度，减少计算工作量。
本发明之一所述的一种设备区域电磁干扰检测识别系统，其包括：一天线升降杆、一安装在所述天线升降杆顶端的天线云台、一与所述天线云台连接的定向天线、一连接在所述定向天线输出端的低噪声放大器、一连接在所述低噪声放大器输出端的信号分析仪、一与所述信号分析仪连接的计算机以及一连接在所述计算机与所述天线云台之间的控制器，其中，
所述计算机配置为：一方面通过所述控制器控制所述天线云台转动，以使所述定向天线可分别在水平极化状态和垂直极化状态下360度转动，一方面控制所述信号分析仪根据预设的频段对所述低噪声放大器输出的信号进行频域测量，以使该信号分析仪在所述定向天线对着设备区域时测得一组设备区域频谱，并在所述定向天线隔过所述设备区域时测得三组环境频谱，另一方面对所述设备区域频谱进行信号预处理，以提取出所述设备区域频谱的频谱噪声，并识别出所述设备区域频谱中的干扰信号，然后分析所述设备区域频谱中的干扰信号分别与三组所述环境频谱中对应频段内的环境信号之间的相关性，以确定所述设备区域频谱中的干扰信号来自于设备区域内部或外部，最后采用所述设备区域频谱的频谱噪声替换所述设备区域频谱中来自于设备区域外部的干扰信号，以获得设备区域内部的电磁辐射频谱。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别系统中，还包括用于容置所述信号分析仪、计算机和控制器的屏蔽机柜。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别系统中，还包括用于放置所述天线升降杆和屏蔽机柜的柴油汽车。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别系统中，所述计算机还配置为存储所述设备区域频谱和环境频谱。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别系统中，所述信号分析仪通过射频线缆与所述低噪声放大器连接；所述控制器通过控制线缆与所述天线云台连接。
本发明之二所述的一种设备区域电磁干扰检测识别方法，其包括以下步骤：
步骤S1，先将定向天线对着设备区域，测得一组设备区域频谱，再将所述定向天线隔过所述设备区域，测得三组环境频谱；
步骤S2，对所述设备区域频谱进行信号预处理，以提取出所述设备区域频谱的频谱噪声，并识别出所述设备区域频谱中的干扰信号；
步骤S3，分析所述设备区域频谱中的干扰信号分别与三组所述环境频谱中对应频段内的环境信号之间的相关性，以确定所述设备区域频谱中的干扰信号来自于所述设备区域内部或外部；以及
步骤S4，采用所述设备区域频谱的频谱噪声替换所述设备区域频谱中来自于所述设备区域外部的干扰信号，以获得所述设备区域内部的电磁辐射频谱。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别方法中，所述步骤S1包括：
步骤S11，假设所述设备区域的高度为H1，根据式(1)确定所述定向天线的测量高度H为：
Figure BDA0001487554360000031
步骤S12，使所述定向天线指向所述设备区域的中间位置，根据式(2)确定所述定向天线的测量距离l为：
其中，D为所述设备区域的跨度，β为所述定向天线的3dB波束宽度；
步骤S13，根据所述测量高度H和测量距离l，调节所述定向天线的高度以及其与所述设备区域之间的距离，然后将所述定向天线指向所述设备区域，通过信号分析仪对所述定向天线接收到的信号进行频域测量以获取所述设备区域频谱Y；随后保持所述定向天线指向不变，移动所述定向天线，使其隔过所述设备区域，并通过所述信号分析仪对所述定向天线接收到的信号进行频域测量以获取三组所述环境频谱X1、X2、X3：
Figure BDA0001487554360000041
Figure BDA0001487554360000043
Figure BDA0001487554360000044
其中，N为频谱中频点的个数，f表示频率向量，f1…fN分别表示第1至N个频点的频率，p1表示第一组所述环境频谱X1的幅度向量，p11…p1N分别表示第一组所述环境频谱X1中第1至N个频点的幅度，p2表示第二组所述环境频谱X2的幅度向量，p21…p2N分别表示第二组所述环境频谱X2中第1至N个频点的幅度，p3表示第三组所述环境频谱X3的幅度向量，p31…p3N分别表示第三组所述环境频谱X3中第1至N个频点的幅度，p0表示所述设备区域频谱Y的幅度向量，p01…p0N分别表示所述设备区域频谱Y中第1至N个频点的幅度。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别方法中，所述步骤S2包括：
步骤S21，给定所述设备区域频谱Y的信噪分离阈值为
Figure BDA0001487554360000045
Figure BDA0001487554360000046
步骤S22，采用Ii标记所述设备区域频谱Y中的第i个频点是否为干扰信号：
Figure BDA0001487554360000047
其中，Ii＝0表示所述设备区域频谱Y中的第i个频点为噪声，Ii＝1表示所述设备区域频谱Y中的第i个频点为干扰信号，p0i表示所述设备区域频谱Y中的第i个频点的幅度；
根据式(9)提取频谱噪声
Figure BDA0001487554360000051
其中，当i＝1时，初始噪声
Figure BDA0001487554360000053
p0z为所述设备区域频谱Y中第1个为噪声的频点z的幅度；
步骤S23，采用二值法检测所述设备区域频谱Y中每个干扰信号的边界，并采用向量L存储每个干扰信号的起始频点对应的序号，采用向量R存储每个干扰信号的终止频点对应序号，其中，所述设备区域频谱Y中所有干扰信号组成的干扰信号的集合y表示为：
y＝M(f,p0)＝[M1,M2,M3,…,Mk]T (10)，
w＝dim(L) (11)，
Figure BDA0001487554360000054
其中，dim()表示向量空间的维度，w表示所述设备区域频谱Y中干扰信号的个数，Mk表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号，Lk表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点对应的序号，
Figure BDA0001487554360000055
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点的频率，
Figure BDA0001487554360000056
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点的幅度，Rk表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点对应的序号，表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点的频率，
Figure BDA0001487554360000058
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点的幅度。
在上述的设备区域电磁干扰检测识别方法中，所述步骤S3包括：
步骤S31，设定信号宽度阈值为2个频点，判断所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中的频点个数是否大于2，若是，则执行步骤S32，否则执行步骤S33，其中，k依次取1,2,…,w；
所述步骤S32，采用一元回归算法并根据式(26)、(27)、(28)计算获得所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号分别与所述三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的决定系数
Figure BDA0001487554360000059
并根据式(29)计算获得最大决定系数
Figure BDA00014875543600000510
Figure BDA00014875543600000511
Figure BDA00014875543600000512
Figure BDA0001487554360000061
Figure BDA0001487554360000062
其中，p0m表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中第m个频点的幅度，
Figure BDA0001487554360000063
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中第m个频点与所述三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号中的第m个频点的一元线性回归，
Figure BDA0001487554360000064
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中所有频点的幅度的平均值；
设定决定系数阈值采用jk标记所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是否来自所述设备区域内部：
Figure BDA0001487554360000066
其中，jk＝0表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域内部，jk＝1表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域外部；
所述步骤S33，根据所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号对应的频段，采用jk标记所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是否来自所述设备区域内部：
其中，jk＝0表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域内部，jk＝1表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域外部，p1m、p2m、p3m分别表示所述三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段内的第m个频点的幅度，
Figure BDA0001487554360000068
表示所述设备区域频谱Y的信噪分离阈值。
步骤S34，根据式(32)、(33)采用所述设备区域频谱Y中与来自所述设备区域外部的干扰信号对应的频段的频谱噪声
Figure BDA0001487554360000069
替换该干扰信号中的各个频点的幅度，并获得所述设备区域内部的电磁辐射频谱
Figure BDA00014875543600000610
Figure BDA00014875543600000611
Figure BDA0001487554360000071
Figure BDA0001487554360000072
其中，表示电磁辐射频谱
Figure BDA0001487554360000074
中第i个频点的幅度，
Figure BDA0001487554360000075
分别表示电磁辐射频谱
Figure BDA0001487554360000076
中第1至N个频点的幅度。
上述的设备区域电磁干扰检测识别方法，通过如上所述设备区域电磁干扰检测识别系统实现。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明先检测获得设备区域的设备区域频谱，再对该设备区域频谱进行干扰信号识别，即采用一组设备区域频谱与三组环境频谱进行相关分析，从而去除设备区域干扰信号中来自环境的瞬态信号和固定信号，获得设备区域自身的电磁干扰，由此减少环境瞬态信号对测量结果的影响。采用本发明的信号识别准确率高于94％，且本发明易于程序化，在设备区域电磁干扰测量后可通过软件及时处理，从而快速获得识别处理结果。
附图说明
图1是本发明一种设备区域电磁干扰检测识别系统的结构示意图；
图2是本发明中定向天线指向设备区域时的示意图；
图3是本发明中定向天线隔过设备区域时的示意图；
图4是本发明一种设备区域电磁干扰检测识别方法中信号识别参数对信号识别结果的影响关系图；
图5是本发明的一个实施例中设备区域频谱及环境频谱的示意图；
图6是本发明的一个实施例中经识别产生的电磁辐射频谱的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明之一，即一种设备区域电磁干扰检测识别系统，包括：天线升降杆1、天线云台2、定向天线3、低噪声放大器4(充电式)、信号分析仪5、计算机6、控制器7、屏蔽机柜8和柴油汽车9，其中，
天线升降杆1竖立在柴油汽车9后部，在本实施例中，天线升降杆1的升降行程为2-8m；
天线云台2安装在天线升降杆1顶端，并通过控制线缆与控制器7连接；
定向天线3与天线云台2连接，其输出端与低噪声放大器4连接；
低噪声放大器4的输出端通过射频线缆与信号分析仪5连接；
计算机6分别与信号分析仪5以及控制器7连接，该计算机6配置为：一方面通过控制器7控制天线云台2转动，以通过天线云台2带动定向天线3分别在水平极化状态和垂直极化状态下360度转动，从而实现使定向天线3指向测量位置的目的；一方面控制信号分析仪5根据预设的频段对低噪声放大器4输出的信号(即，定向天线3接收到的信号经放大后产生的信号)进行频域测量，并存储该信号分析仪5获得的测量数据，该测量数据包括：在定向天线3对着设备区域10时测得的一组设备区域频谱，以及在定向天线3隔过设备区域10时测得的三组环境频谱；另一方面对设备区域频谱进行信号预处理，以提取出设备区域频谱的频谱噪声，并识别出设备区域频谱中的干扰信号，然后分析设备区域频谱中的干扰信号分别与三组环境频谱中对应频段内的环境信号之间的相关性，以确定设备区域频谱中的干扰信号来自于设备区域10内部或外部，最后采用设备区域频谱的频谱噪声替换设备区域频谱中来自于设备区域10外部的干扰信号，以获得设备区域10内部的电磁辐射频谱；
屏蔽机柜8放置在柴油车辆9上，其用于容置信号分析仪5、计算机6和控制器7，从而防止这些设备自身的干扰影响测量结果，在本实施例中，屏蔽机柜屏蔽效能大于60dB(100MHz-3GHz)；
柴油车辆9可用于防止火花塞打火产生宽带干扰影响电磁干扰检测精度。
本发明之二，即一种设备区域电磁干扰检测识别方法，可通过上述设备区域电磁干扰检测识别系统实现，该方法包括以下步骤：
步骤S1，先将定向天线3对着设备区域10，通过信号分析仪5测得一组设备区域频谱，再将定向天线3隔过设备区域10，通过信号分析仪5测得三组环境频谱；
步骤S2，通过计算机6对设备区域频谱进行信号预处理，以提取出设备区域频谱的频谱噪声，并识别出设备区域频谱中的干扰信号；
步骤S3，通过计算机6分析设备区域频谱中的干扰信号分别与三组环境频谱中对应频段内的环境信号之间的相关性，以确定设备区域频谱中的干扰信号来自于设备区域10内部或外部；以及
步骤S4，通过计算机6采用设备区域频谱的频谱噪声替换设备区域频谱中来自于设备区域10外部的干扰信号，以获得设备区域10内部的电磁辐射频谱。
在本实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11，确定定向天线的测量高度H，包括：
假设建筑或设备区域的高度为H1，根据式(1)确定设备区域电磁干扰检测识别系统中定向天线3的测量高度H为：
这是因为射电天文台站的射电望远镜高度大于设备区域高度，区域电磁干扰测量时，取2/3高度，分析电磁干扰对射电天文观测的影响更准确；且此高度能够更好的接收设备区域内和区域外电磁干扰，可提高信号识别的准确率；
步骤S12，确定定向天线的测量距离l，包括：
如图2所示，使定向天线3指向设备区域10的中间位置，根据式(2)确定定向天线3的测量距离l(即，定向天线3与设备区域10之间的距离)为：
其中，D为设备区域10的跨度，β为定向天线3的3dB波束宽度；根据上式确定测量距离，可保证定向天线3的测量范围覆盖整个设备区域10；
在本实施例中，测量时，若设备区域跨度大于20m(设备区域跨度主要考虑实际测量的可实施性，若跨度太大，则测量距离太远，测量可实施性较差，且容易受其他区域影响，增加测量数据的复杂性)，则需将设备区域分为多个子设备区域，确保每次测量的区域跨度小于20m，从而确保测量系统距离设备区域一定距离，保证测量系统的灵敏度；
步骤S13，测量电磁辐射，包括：
根据上述定向天线3的测量高度H和测量距离l，调节设备区域电磁干扰检测识别系统中的天线升降杆1的高度，从而调节定向天线3的高度，并通过柴油车辆9调节定向天线3与设备区域10之间的距离，从而使定向天线3的测量高度H和测量距离l满足测量要求，然后通过计算机6控制天线云台2，使定向天线3指向设备区域10(如图2所示)，以通过计算机6控制信号分析仪5对定向天线3接收到的信号(在本实施例中，定向天线3接收到的信号可先经过低噪声放大器4放大后输入信号分析仪5)进行频域测量，即扫频，以获取一组设备区域频谱Y；随后保持定向天线3指向不变，通过柴油车辆9移动定向天线3，使其隔过设备区域10(如图3所示)，并在该状态下，通过计算机6控制信号分析仪5扫频以获取三组环境频谱X1、X2、X3(即，在测量条件一致的情况下，测量三次，每次获取一组环境频谱)：
Figure BDA0001487554360000101
Figure BDA0001487554360000103
Figure BDA0001487554360000104
其中，N为频谱中频点的个数(设备区域频谱Y以及环境频谱X1、X2、X3中的频点个数一致)，f表示频率向量(单位为MHz)，f1…fN分别表示第1至N个频点的频率，p表示幅度向量(单位为dBm)，p11…p1N分别表示第一组环境频谱X1中第1至N个频点的幅度，p21…p2N分别表示第二组环境频谱X2中第1至N个频点的幅度，p31…p3N分别表示第三组环境频谱X3中第1至N个频点的幅度，p01…p0N分别表示设备区域频谱Y中第1至N个频点的幅度，各频谱中频点的序号可用向量c表示：
c＝(1 2… N)T (7)。
在本实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21，根据现有的信噪分离方法，给定设备区域频谱Y的信噪分离阈值为
Figure BDA0001487554360000111
步骤S22，提取设备区域频谱Y的频谱噪声包括：
将设备区域频谱Y中各个频点的幅度与信噪分离阈值为
Figure BDA0001487554360000113
进行比较，判断各个频点是噪声还是干扰信号，具体采用Ii标记设备区域频谱Y中的第i个频点是否为干扰信号：
Figure BDA0001487554360000114
其中，Ii＝0表示设备区域频谱Y中的第i个频点为噪声，Ii＝1表示设备区域频谱Y中的第i个频点为干扰信号，p0i表示设备区域频谱Y中的第i个频点的幅度；
根据式(9)提取频谱噪声
Figure BDA0001487554360000116
其中，需要确定初始噪声
Figure BDA0001487554360000117
依次取i＝1,2,…,N，根据上式(8)判断Ii的值，当Ii第1次为0时，取z＝i，并使
Figure BDA0001487554360000118
即，初始噪声
Figure BDA0001487554360000119
的值为设备区域频谱Y中第1个为噪声的频点z的幅度p0z；
步骤S23，采用现有的二值法，检测设备区域频谱Y中每个干扰信号的边界，并采用向量L存储检测后的每个干扰信号的起始频点对应的序号，采用向量R存储检测后的每个干扰信号的终止频点对应序号，其中，设备区域频谱Y中所有干扰信号可组成干扰信号的集合y，其可以表示为：
y＝M(f,p0)＝[M1,M2,M3,…,Mk]T (10)，
w＝dim(L) (11)，
Figure BDA00014875543600001110
其中，dim()表示向量空间的维度，w表示设备区域频谱Y中干扰信号的个数，Mk表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号，Lk表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点对应的序号，
Figure BDA00014875543600001111
表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点的频率，
Figure BDA00014875543600001112
表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点的幅度，Rk表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点对应的序号，
Figure BDA00014875543600001113
表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点的频率，
Figure BDA00014875543600001114
表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点的幅度。
步骤S3具体包括：
步骤S31，设定信号宽度阈值为2个频点，判断设备区域频谱Y中第k个干扰信号中的频点个数是否大于2，若是，则执行步骤S32，否则执行步骤S33，其中，k依次取1,2,…,w；
步骤S32，通过现有的一元回归算法计算设备区域频谱Y中第k个干扰信号分别与三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号(由于设备区域频谱Y中每个干扰信号都对应一个频段，因此，对应频段的第k个环境信号指的是：在环境频谱中与第k个干扰信号所对应的频段相同的频段内的所有频点构成的信号，例如，设备区域频谱Y中的第k个干扰信号对应的频段为900-910MHz，则需要在环境频谱X1、X2、X3中分别找到频段900-910MHz，并由该频段内的频点构成的环境信号即为对应频段的第k个环境信号)之间的相似程度，包括：
首先，建立式(13)-(14)：
Figure BDA0001487554360000121
其中，m表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号中的频点的序号，p0m表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号中第m个频点的幅度，p1m、p2m、p3m分别表示三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号中的第m个频点的幅度，
Figure BDA0001487554360000124
分别表示三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的常数项，
Figure BDA0001487554360000125
分别表示三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的回归系数，e1m、e2m、e3m分别表示三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号中的第m个频点的残差项；
其次，为了使上述残差项尽量小，在此采用最小二乘法分别对上述常数项
Figure BDA0001487554360000126
以及回归系数
Figure BDA0001487554360000127
进行估计，对应的常数项估计值
Figure BDA0001487554360000128
Figure BDA0001487554360000129
以及回归系数估计值
Figure BDA00014875543600001210
分别为：
Figure BDA0001487554360000131
Figure BDA0001487554360000132
Figure BDA0001487554360000133
Figure BDA0001487554360000135
Figure BDA0001487554360000136
其中，
Figure BDA0001487554360000137
表示设备区域频谱Y中第k个干扰信号中所有频点的幅度的平均值，
Figure BDA0001487554360000138
分别表示三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号中所有频点的幅度的平均值；
由此，可以得到设备区域频谱Y中第k个干扰信号中第m个频点与三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号中的第m个频点的一元线性回归
Figure BDA0001487554360000139
分别为：
Figure BDA00014875543600001314
Figure BDA00014875543600001311
然后，计算得到设备区域频谱Y中第k个干扰信号分别与三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的决定系数
Figure BDA00014875543600001315
Figure BDA00014875543600001312
Figure BDA00014875543600001313
Figure BDA0001487554360000141
接着，计算得到设备区域频谱Y中第k个干扰信号与三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的最大决定系数
Figure BDA0001487554360000142
Figure BDA0001487554360000143
最后，设定决定系数阈值
Figure BDA0001487554360000144
并将最大决定系数
Figure BDA0001487554360000145
与决定系数阈值
Figure BDA0001487554360000146
进行比较，判断设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是来自设备区域10内部还是外部，具体采用jk标记设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是否来自设备区域10内部：
其中，jk＝0表示设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自设备区域10内部，jk＝1表示设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自设备区域10外部，即，来自于环境。
在上述步骤S3中，需要注意的是，在数据处理过程中，不同宽度阈值和决定系数阈值会对信号识别结果产生不同的影响，如图4所示，当信号宽度阈值越大，信号识别错误率越高；决定系数阈值设置越大，信号识别错误错误率越高。因此，依据宽带阈值和决定系数阈值对信号识别结果的影响，设定信号识别时宽度阈值为2个频点，决定系数阈值为0.4，此时信号错误识别个数最少，从而能够获取较高的识别正确率。
步骤S33，根据设备区域频谱Y中的第k个干扰信号对应的频段，判断三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段内的所有频点是否均为噪声，若是，则表示设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自设备区域10内部，否则表示设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自设备区域10外部，具体采用jk标记设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是否来自设备区域10内部：
Figure BDA0001487554360000148
其中，jk＝0表示设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自设备区域10内部，jk＝1表示设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自设备区域10外部，即，来自于环境，p1m、p2m、p3m分别表示三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段内的第m个频点的幅度，
Figure BDA0001487554360000151
表示设备区域频谱Y的信噪分离阈值。
步骤S34，根据上述式(30)、(31)，对于设备区域频谱Y中来自设备区域10外部的干扰信号，根据式(32)、(33)采用设备区域频谱Y中与该干扰信号对应的频段的频谱噪声
Figure BDA0001487554360000152
替换该干扰信号中的各个频点的幅度，由此剔除设备区域频谱Y中来自环境的信号，最终获得设备区域10内部的电磁辐射频谱
Figure BDA0001487554360000153
Figure BDA0001487554360000154
Figure BDA0001487554360000155
Figure BDA0001487554360000156
其中，表示电磁辐射频谱
Figure BDA0001487554360000158
中第i个频点的幅度，
Figure BDA0001487554360000159
分别表示电磁辐射频谱
Figure BDA00014875543600001510
中第1至N个频点的幅度。
下面结合具体实例对上述方法进行详细说明。
首先，运用上述设备区域电磁干扰检测识别系统，针对新疆天文台南山台址某设备区域10进行测量，设备区域10的高度H1为3.2m，跨度D为15m，按照上式(1)计算出定向天线3的测量高度H为2.1m；定向天线3的3dB波束宽度β为60°，按照上式(2)计算出定向天线3的测量距离l为13m。
其次，移动柴油车辆9，调节天线升降杆1，确保定向天线3的高度为2.1m；控制天线云台2，将定向天线3指向设备区域10的中心位置，且距离设备区域10约13m；通过计算机6控制信号分析仪5扫频并存储信号分析仪5输出的数据(测量时保证屏蔽机柜8关闭)；定向天线3对着设备区域10测量获取1组设备区域频谱Y；定向天线3隔过设备区域10，且定向天线3指向不变，测量获取3组环境频谱X1、X2、X3，并依据现有方法，计算设备区域频谱Y的信噪分离阈值备区域频谱Y、环境频谱X1、X2、X3以及信噪分离阈值
Figure BDA00014875543600001512
可如图5所示。
接着，按照上式(8)、(9)提取设备区域频谱Y的频谱噪声并按照上式(10)、(11)、(12)识别和确定设备区域频谱Y中的干扰信号。
然后，对于设备区域频谱Y中识别出的干扰信号，判断每个干扰信号中的频点个数：
若频点个数大于2，则采用一元回归方法对信号进行相关分析，即，按照上式(26)、(27)、(28)计算设备区域频谱Y中第k个干扰信号分别与三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的决定系数
Figure BDA0001487554360000161
按照上式(29)计算最大决定系数
Figure BDA0001487554360000162
设定决定系数阈值为
Figure BDA0001487554360000163
当
Figure BDA0001487554360000164
时，确定该干扰信号来自设备区域内部，否则该干扰信号来自环境；
若频点个数小于2，则采用频率占用度统计方法对信号进行相关分析，即，对于设备区域频谱Y中的第k个干扰信号，若三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段内的所有频点是否均为噪声，则认为该干扰信号来设备区域内部，否则认为该干扰信号来自环境。
最后，按照上式(32)、(33)，将设备区域频谱Y中来自环境的干扰信号用对应频段的频谱噪声替换，以获得设备区域10内部的电磁辐射频谱
Figure BDA0001487554360000165
电磁辐射频谱
Figure BDA0001487554360000166
可如图6所示。
通过信号识别统计，并与人工识别进行对比，本发明方法的信号识别准确率为94.73％。为了进一步验证该方法的适用性，针对南山台址4个不同的设备区域的实测频谱数据进行信号识别与分析，对信号识别结果与人工识别结果进行对比，对比结果见下表1，结果表明本发明具有较好的适应性，且信号识别准确率较高。
表1不同电子设备区域信号识别结果
Figure BDA0001487554360000167
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种设备区域电磁干扰检测识别系统，其特征在于，所述系统包括：一天线升降杆、一安装在所述天线升降杆顶端的天线云台、一与所述天线云台连接的定向天线、一连接在所述定向天线输出端的低噪声放大器、一连接在所述低噪声放大器输出端的信号分析仪、一与所述信号分析仪连接的计算机以及一连接在所述计算机与所述天线云台之间的控制器，其中，
所述计算机配置为：一方面通过所述控制器控制所述天线云台转动，以使所述定向天线可分别在水平极化状态和垂直极化状态下360度转动，一方面控制所述信号分析仪根据预设的频段对所述低噪声放大器输出的信号进行频域测量，以使该信号分析仪在所述定向天线对着设备区域时测得一组设备区域频谱，并在所述定向天线隔过所述设备区域时测得三组环境频谱，另一方面对所述设备区域频谱进行信号预处理，以提取出所述设备区域频谱的频谱噪声，并识别出所述设备区域频谱中的干扰信号，然后分析所述设备区域频谱中的干扰信号分别与三组所述环境频谱中对应频段内的环境信号之间的相关性，以确定所述设备区域频谱中的干扰信号来自于设备区域内部或外部，最后采用所述设备区域频谱的频谱噪声替换所述设备区域频谱中来自于设备区域外部的干扰信号，以获得设备区域内部的电磁辐射频谱。
2.根据权利要求1所述的设备区域电磁干扰检测识别系统，其特征在于，所述系统还包括用于容置所述信号分析仪、计算机和控制器的屏蔽机柜。
3.根据权利要求2所述的设备区域电磁干扰检测识别系统，其特征在于，所述系统还包括用于放置所述天线升降杆和屏蔽机柜的柴油汽车。
4.根据权利要求1所述的设备区域电磁干扰检测识别系统，其特征在于，所述计算机还配置为存储所述设备区域频谱和环境频谱。
5.根据权利要求1所述的设备区域电磁干扰检测识别系统，其特征在于，所述信号分析仪通过射频线缆与所述低噪声放大器连接；所述控制器通过控制线缆与所述天线云台连接。
6.一种设备区域电磁干扰检测识别方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，先将定向天线对着设备区域，测得一组设备区域频谱，再将所述定向天线隔过所述设备区域，测得三组环境频谱；
步骤S2，对所述设备区域频谱进行信号预处理，以提取出所述设备区域频谱的频谱噪声，并识别出所述设备区域频谱中的干扰信号；
步骤S3，分析所述设备区域频谱中的干扰信号分别与三组所述环境频谱中对应频段内的环境信号之间的相关性，以确定所述设备区域频谱中的干扰信号来自于所述设备区域内部或外部；以及
步骤S4，采用所述设备区域频谱的频谱噪声替换所述设备区域频谱中来自于所述设备区域外部的干扰信号，以获得所述设备区域内部的电磁辐射频谱。
7.根据权利要求6所述的设备区域电磁干扰检测识别方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，假设所述设备区域的高度为H1，根据式(1)确定所述定向天线的测量高度H为：
Figure FDA0002202642410000021
步骤S12，使所述定向天线指向所述设备区域的中间位置，根据式(2)确定所述定向天线的测量距离l为：
Figure FDA0002202642410000022
其中，D为所述设备区域的跨度，β为所述定向天线的3dB波束宽度；
步骤S13，根据所述测量高度H和测量距离l，调节所述定向天线的高度以及其与所述设备区域之间的距离，然后将所述定向天线指向所述设备区域，通过信号分析仪对所述定向天线接收到的信号进行频域测量以获取所述设备区域频谱Y；随后保持所述定向天线指向不变，移动所述定向天线，使其隔过所述设备区域，并通过所述信号分析仪对所述定向天线接收到的信号进行频域测量以获取三组所述环境频谱X1、X2、X3：
Figure FDA0002202642410000023
Figure FDA0002202642410000024
Figure FDA0002202642410000031
Figure FDA0002202642410000032
其中，N为频谱中频点的个数，f表示频率向量，f1…fN分别表示第1至N个频点的频率，p1表示第一组所述环境频谱X1的幅度向量，p11…P1N分别表示第一组所述环境频谱X1中第1至N个频点的幅度，p2表示第二组所述环境频谱X2的幅度向量，p21…p2N分别表示第二组所述环境频谱X2中第1至N个频点的幅度，p3表示第三组所述环境频谱X3的幅度向量，p31…p3N分别表示第三组所述环境频谱X3中第1至N个频点的幅度，p0表示所述设备区域频谱Y的幅度向量，p01…p0N分别表示所述设备区域频谱Y中第1至N个频点的幅度。
8.根据权利要求7所述的设备区域电磁干扰检测识别方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21，给定所述设备区域频谱Y的信噪分离阈值为
Figure FDA0002202642410000033
Figure FDA0002202642410000034
步骤S22，采用Ii标记所述设备区域频谱Y中的第i个频点是否为干扰信号：
Figure FDA0002202642410000035
其中，Ii＝0表示所述设备区域频谱Y中的第i个频点为噪声，Ii＝1表示所述设备区域频谱Y中的第i个频点为干扰信号，p0i表示所述设备区域频谱Y中的第i个频点的幅度；
根据式(9)提取频谱噪声
Figure FDA0002202642410000036
Figure FDA0002202642410000037
其中，当i＝1时，初始噪声
Figure FDA0002202642410000038
p0z为所述设备区域频谱Y中第1个为噪声的频点z的幅度；
步骤S23，采用二值法检测所述设备区域频谱Y中每个干扰信号的边界，并采用向量L存储每个干扰信号的起始频点对应的序号，采用向量R存储每个干扰信号的终止频点对应序号，其中，所述设备区域频谱Y中所有干扰信号组成的干扰信号的集合y表示为：
y＝M(f，p0)＝[M1，M2，M3，...，Mk]T (10)，
w＝dim(L) (11)，
其中，dim()表示向量空间的维度，w表示所述设备区域频谱Y中干扰信号的个数，Mk表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号，Lk表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点对应的序号，
Figure FDA0002202642410000042
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点的频率，
Figure FDA0002202642410000043
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的起始频点的幅度，Rk表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点对应的序号，
Figure FDA0002202642410000044
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点的频率，
Figure FDA0002202642410000045
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号的终止频点的幅度。
9.根据权利要求8所述的设备区域电磁干扰检测识别方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31，设定信号宽度阈值为2个频点，判断所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中的频点个数是否大于2，若是，则执行步骤S32，否则执行步骤S33，其中，k依次取1，2，...，w；
所述步骤S32，采用一元回归算法并根据式(26)、(27)、(28)计算获得所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号分别与所述三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号的决定系数
Figure FDA0002202642410000046
并根据式(29)计算获得最大决定系数
Figure FDA0002202642410000047
Figure FDA00022026424100000410
Figure FDA00022026424100000411
其中，p0m表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中第m个频点的幅度，
Figure FDA00022026424100000412
表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中第m个频点与所述三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段的第k个环境信号中的第m个频点的一元线性回归，表示所述设备区域频谱Y中第k个干扰信号中所有频点的幅度的平均值；
设定决定系数阈值
Figure FDA0002202642410000051
采用jk标记所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是否来自所述设备区域内部：
Figure FDA0002202642410000052
其中，jk＝0表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域内部，jk＝1表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域外部；
所述步骤S33，根据所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号对应的频段，采用jk标记所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号是否来自所述设备区域内部：
Figure FDA0002202642410000053
其中，jk＝0表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域内部，jk＝1表示所述设备区域频谱Y中的第k个干扰信号来自所述设备区域外部，P1m、p2m、p3m分别表示所述三组环境频谱X1、X2、X3中对应频段内的第m个频点的幅度，
Figure FDA0002202642410000054
表示所述设备区域频谱Y的信噪分离阈值；
步骤S34，根据式(32)、(33)采用所述设备区域频谱Y中与来自所述设备区域外部的干扰信号对应的频段的频谱噪声
Figure FDA00022026424100000513
替换该干扰信号中的各个频点的幅度，并获得所述设备区域内部的电磁辐射频谱
Figure FDA0002202642410000055
Figure FDA0002202642410000056
Figure FDA0002202642410000057
其中，
Figure FDA0002202642410000058
表示电磁辐射频谱
Figure FDA0002202642410000059
中第i个频点的幅度，
Figure FDA00022026424100000510
分别表示电磁辐射频谱
Figure FDA00022026424100000511
中第1至N个频点的幅度。
10.根据权利要求6-9中任意一项所述的设备区域电磁干扰检测识别方法，其特征在于，所述方法通过如权利要求1-5中任意一项所述设备区域电磁干扰检测识别系统实现。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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