CN113438042A - 一种实时电磁环境监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实时电磁环境监测系统，所述实时电磁环境监测系统由前端测量装置、控制及信号处理装置和数据处理及存储装置组成，所述控制及信号处理装置包括单个频谱仪，所述频谱仪采用快速扫频模式。本发明还通过了相应的实时电磁环境监测方法。本发明的实时电磁环境监测系统的频谱仪采用快速扫频模式，以在一段时间内对单频测试带宽进行多次快速扫描并捕获数据，同时对测量数据进行实时统计处理，以针对瞬态干扰信号进行检测，实现实时电磁环境监测。

Description

一种实时电磁环境监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种实时电磁环境监测系统及方法。
背景技术
大口径射电望远镜工作带宽覆盖较大，具有极高的系统灵敏度，但极易受到通讯业务、广播业务等的干扰[1]。电磁干扰对射电天文望远镜观测影响很大，干扰信号使得系统信噪比降低，影响观测结果质量[2]。随着高速数字技术的发展，射电天文台站无线电干扰日趋增加，各类电子、商用设备使得台站电磁环境变得越来越复杂[3]，如大幅提高环境噪声的宽带干扰源、瞬态信号干扰源、具有极化特性的辐射干扰源等[4]。稳定的干扰信号通常很容易确定它们的来源，因为它们遵守分配的频带，然而瞬态干扰信号是宽带的、间歇性的，很难识别[5]。瞬态干扰信号对射电天文观测的影响越来越大，台址内各类电磁干扰的有效监测能够为电磁干扰缓解策略的制定提供重要依据，对保护射电天文台站宁静的电磁环境，以及射电望远镜的正常运行具有重要意义。
为了更好地保护电磁环境，世界范围内有较多关于电磁干扰监测方面的研究。贵州省无线电监测站在FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)台址设立了电磁环境监测站[6]，以长期保障FAST射电天文业务的正常开展。美国GBT射电望远镜台站设立了两个RFI(Radio Frequency Interference)监测系统[7]，在电磁干扰监测方面做了很多工作。平方公里阵列望远镜SKA(Square Kilometer Array)台站根据RFI测试协议[8]开发了RFI测试系统[9]，针对SKA选址做了大量测试、分析与数据处理。
然而，现有的电磁环境测量方法一般采用线性平均模式进行测试，即在频谱仪分辨率带宽和扫描时间确定的情况下，对单屏测试带宽多次扫描，每次扫描频谱与前一次扫描频谱进行线性平均。该测量模式通过频谱仪的线性平均可以降低系统噪声，提高信噪比，从而提高对微弱信号的分辨能力。但是由于进行了多次积分(即频谱仪的线性平均过程)，导致丢失瞬态信号频谱信息，无法有效分辨瞬态信号，而相对固定的信号平均后并不受影响，因此只能针对稳定的干扰信号进行检测，无法有效检测瞬态信号。因此，常规的电磁环境监测只能针对稳定的干扰信号进行检测，确定及排除常规干扰源，缺乏信号的实时性信息，不能充分反映瞬态干扰的频谱特征。此外，目前采用商用频谱仪实现电磁环境监测，一般只对频谱仪进行常规配置，没有对频谱仪的测量时间和测量不确定度的深入分析，因此很少应用于实时测量。
为了缓解瞬态干扰信号对射电天文观测的影响，实时电磁环境监测的研究极为必要，高时间分辨率测量能够大大提升瞬态信号检测能力，对射电天文台址频谱管理意义重大，能够为大口径射电望远镜系统电磁兼容性设计、接收机设计及消干扰等提供依据，保障望远镜的科学产出。
参考文献
[1]王玥,刘奇,刘晔,苏晓明.自动化电磁环境监测系统软件开发与实现.天文研究与技术,2020.
[2]刘奇,陈卯蒸,李颖等.射电天文台址电子设备电磁辐射评估[J].天文研究与技术,2015,12(3):292-298.
[3]袁力,刘奇,孙正文等.现场环境下设备区域电磁干扰检测与识别方法.电波科学学报,2017,32(6):650-656.
[4]J.G.Porko.Radio frequency interference in radio astronomy.Master'sthesis,Aalto University.School of Electrical Engineering,Finland,2011.
[5]P.A.Fridman.A method of detection radio transients.Mon.Not.R.Astro.Soc.409,808-820,2010.
[6]黄仕杰.500米口径球面射电望远镜(FAST)电磁干扰监测与分析[D].贵州:贵州大学.2017.
[7]J.R.Fisher.RFI Measurement and Monitoring Facilities.NRAO,P.O.Box2,Green Bank,WV.March,1997.
[8]R.Ambrosini,R.Beresford,A.J.Boonstra,S.Ellingson,and K.Tapping,RFIMeasurement Protocol for Candidate SKA Sites.May 23,2003.
[9]R.PMillenaar,SSSM System Design Considerations.Doc.No.ASTRON-RP-013,Rev.1.0,31March 2005.
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时电磁环境监测系统及方法，以针对瞬态干扰信号进行检测，实现实时电磁环境监测。
为了实现上述目的，本发明提供一种实时电磁环境监测系统，所述实时电磁环境监测系统由前端测量装置、控制及信号处理装置和数据处理及存储装置组成，所述控制及信号处理装置包括单个频谱仪，所述频谱仪采用快速扫频模式。
所述控制及信号处理装置安装于一屏蔽机柜内部；所述数据处理及存储装置；放置于一屏蔽控制室中，所述前端测量装置和控制及信号处理装置均与所述屏蔽控制室至少间隔开一屏蔽距离阈值，所述控制及信号处理装置通过光纤链路与数据处理及存储装置互连。
所述屏蔽距离阈值为50m至5km。
所述前端测量装置包括升降杆、安装于升降杆的顶端的天线云台以及安装于天线云台上的定向天线，所述定向天线与射频电缆连接，所述天线云台与控制线缆连接；天线云台设置为控制定向天线转动，天线云台通过在水平方向上的旋转使得定向天线实现测量方向的360度转动，天线云台通过在垂直方向上的旋转将定向天线的极化状态在水平极化状态和垂直极化状态之间切换；所述控制及信号处理装置包括与所述定向天线连接的频谱仪、与所述天线云台连接的云台控制器、以及与所述频谱仪和云台控制器均相连的第一光交换机；所述数据处理及存储装置包括计算机，计算机通过第二光交换机连接至第一光交换机。
另一方面，本发明提供一种实时电磁环境监测方法，包括：
S1：配置频谱仪的测量模式和测量参数，所述测量模式为快速扫频模式，所述测量参数包括频谱仪分辨率带宽WRB、视频滤波器带宽WVB、扫描点数Cpoints与扫描时间SWT，并根据所述测量模式和测量参数搭建上文所述的实时电磁环境监测系统；
S2：利用所述实时电磁环境监测系统的数据处理及存储装置的计算机进行测量线程和数据处理线程的并行处理。
在所述步骤S1中，选用通用型商用频谱仪作为实时电磁环境监测系统的频谱仪；通过测试频谱仪在各个维度的不同的测量参数下的实际测量时间和测量不确定度，以确定频谱仪在实际测量时间和测量不确定度的综合结果最低时的测量参数作为测量参数的配置结果。
所述实际测量时间和测量不确定度通过一时间及不确定度测量装置来进行测量；所述时间及不确定度测量装置包括安装于一电波暗室中的信号源和第三光交换机，以及安装于一控制室中的待测的频谱仪、配置计算机和第四光交换机；频谱仪与信号源连接，并与配置计算机相连；信号源、第三光交换机、光纤、第四光交换机与配置计算机依次连接；频谱仪设置为配置不同测量参数后执行单次的快速扫描；配置计算机设置为频谱仪每次执行完单次的快速扫描后，获取并记录频谱的时间戳，通过每次当前扫描的频谱的时间戳与当前扫描的前一次扫描的频谱的时间戳的差值计算频谱仪的实际测量时间，同时读取并记录测量到的信号幅度值，通过信号幅度的偏差计算频谱仪的测量不确定度。
所述测量线程的工作流程为：
S21：利用计算机向云台控制器发送控制命令，以控制天线云台转动至指定测量位置；
S22：利用计算机控制频谱仪进行单次的快速扫描测量并读取测量数据；
S23：对读取的测量数据进行数据压缩；
S24：将压缩后的测量数据存入内存缓冲区；
S25：重复上述步骤S22至步骤S24，以使得单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成；随后在改变分频段的情况下继续重复步骤S22至步骤S24，直到所有分频段的所有测量完成；
S26：将下一个测量方位角作为天线云台的指定测量位置，重复步骤S21-S25；
数据处理线程的工作流程为：
S21’：在单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成后，从内存缓冲区读取该分频段的测量数据，直到单个测量方位角上单个分频段的所有测量数据均读取完成；
S22’：对测量数据进行统计处理；
S23’：将测量数据和统计处理结果进行存储；
S24’：将测量数据和统计处理结果实时发布；
S25’：重复所述步骤S21’至步骤S24’。
所述测量线程和所述数据处理线程通过以下方式并行处理：
A1：在进行测量线程和数据处理线程的并行处理之前，在内存中开辟两个缓冲区并作为一个环形缓冲区；每个缓冲区设置一个标志位并将该标志位初始化为0；
A2：在测量线程的单个测量方位角上单个分频段的测量开始时，分别读取两个缓冲区的标志位，若标志位为0，则在每次执行所述步骤S24时将压缩后的测量数据不断存入标志位为0的缓冲区，单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成后将该标志位为0的缓冲区的标志位设为1，再继续进行测量线程的下一个分频段的测量。
A3：在测量线程工作的同时执行数据处理线程，在每次执行所述步骤S21’时读取两个缓冲区的标志位，若标志位为1，则读取该标志位为1缓冲区的测量数据；在所述标志位为1的缓冲区中的所有测量数据均读取完成后，将该缓冲区的标志位重设为0。
所述步骤S23包括：
S231：将读取的测量数据乘以100；
S232：定义short型变量，并对放大的数据进行取整，以确保取整后的数据的范围在所述short型变量的范围内；
S233：将取整后的数据除以100，以得到精度为小数点后两位的测量数据；
在所述步骤S22’中，对读取的测量数据实时统计其频谱序列的最大值与平均值作为统计处理结果；
在所述步骤S23’中，进行存储时，存储在一个数据库中，所述数据库包括：测试开始日期、测试天线的初始方位、测试相关备注信息以及每个测量方向所对应的文件夹，每个测量方向所对应的文件夹包括一个极化状态为水平方向的水平方向文件夹和一个极化状态为垂直方向的垂直方向文件夹，每个水平方向文件夹和每个垂直方向文件夹中均包括文件名为“测量轮次编号_扫描的分频段_data”、“测量轮次编号_扫描的分频段_max”和“测量轮次编号_扫描的分频段_avg”的文件，data、max、avg分别表示存储的是测量数据、最大值与平均值。
本发明的实时电磁环境监测系统的频谱仪采用快速扫频模式，以在一段时间内对单频测试带宽进行多次快速扫描并捕获数据，同时对测量数据进行实时统计处理，以针对瞬态干扰信号进行检测，实现实时电磁环境监测。
另外，本发明的实时电磁环境监测系统的控制及信号处理装置安装于屏蔽机柜内部，防止自身干扰影响测量结果；数据处理及存储装置易产生强干扰且较易受到恶劣环境的影响，放置于间隔开屏蔽距离阈值的屏蔽控制室，并使用光纤链路实现远距离控制与数据传输，更大程度上降低电磁干扰对测量结果的影响，提高系统稳定性，同时便于实时监控系统运行状态及电磁干扰状况。
再者，本发明的实时电磁环境监测系统的前端测量装置包括升降杆、天线云台和定向天线，易于快速搭建及拆卸，便于系统维护，以满足射电天文台址电磁环境监测需求。
此外，本发明的实时电磁环境监测方法通过设计程序实现频谱仪的闭环控制，测试频谱仪在不同参数配置下的实际测量时间和测量不确定度，分析得出频谱仪的最佳参数配置，使频谱仪在具有较快扫描速度的同时能够保证测量数据的精度，从而有效提高瞬态信号检测能力。
本发明的实时电磁环境监测方法采用多线程并行处理，提高数据处理速度，增强数据处理性能，从而保证测量时间分辨率，提高测量效率。
此外，本发明的实时电磁环境监测方法基于通用型商用频谱仪实现了实时电磁环境监测及监测数据的实时发布，使得频谱仪能够应用于实时测量。
另外，还对现有的环形缓冲区结构进行了优化，避免了环形缓冲区频繁读取指针位置带来的内存消耗，有效提高了高速数据流的传输速度，且具有良好的可扩展性。
本发明采用一种快速高效的数据压缩算法，以针对实时电磁环境监测产生的高速数据流，数据压缩后的数据量仅为压缩前的约十分之一左右，可以大大减小存储空间，提高CPU计算效率。同时，对数据存储结构及数据文件命名方式进行了设计，方便数据检索、调用与处理，能够提高数据处理效率，实现数据的快速查找与提取。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的实时电磁环境监测系统的整体示意图。
图2为如图1所示的实时电磁环境监测系统的前端测量装置的结构示意图。
图3为如图1所示的实时电磁环境监测系统的控制及信号处理装置的结构示意图。
图4为如图1所示的实时电磁环境监测系统的数据处理及存储装置的结构示意图。
图5为用于测量频谱仪的实际测量时间和测量不确定度的时间及不确定度测量装置的结构示意图。
图6为数据处理及存储装置的测量线程和数据处理线程利用环形缓冲区进行并行处理的流程示意图。
图7为实时电磁环境监测数据的存储结构图。
图8为实时发布系统的软件框图。
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所示为根据本发明的一个实施例的实时电磁环境监测系统。所述实时电磁环境监测系统由前端测量装置100、控制及信号处理装置200、数据处理及存储装置300组成。
其中，前端测量装置100通过射频电缆L1和控制线缆L2和与控制及信号处理装置200相连，实现测量装置的控制与射频信号的接收。控制及信号处理装置200采用光纤链路L3与数据处理及存储装置300互连，避免通信线缆串扰对测量结果产生影响，实现自动化控制和测量数据的传输。所述控制及信号处理装置200安装于一屏蔽机柜400内部，防止自身干扰影响测量结果。所述数据处理及存储装置300易产生强干扰，因此其放置于一屏蔽控制室500中，前端测量装置100和控制及信号处理装置200均与所述屏蔽控制室500均至少间隔开一屏蔽距离阈值，更大程度上降低对测量结果的影响，同时便于实时监控系统运行状态及电磁干扰状况。在本实施例中，前端测量装置100与控制及信号处理装置200安装在一处，所述数据处理及存储装置300与二者的距离至少为屏蔽距离阈值。屏蔽距离阈值为50m至5km。在本实施例中，屏蔽距离阈值为100m。
如图2所示，前端测量装置100包括升降杆101、安装于升降杆101的顶端的天线云台102以及安装于天线云台102上的定向天线103，所述定向天线103与所述射频电缆L1连接，所述天线云台102与所述控制线缆L2连接。由于定向天线103安装在天线云台102上，天线云台102设置为控制定向天线103转动，天线云台102通过在水平方向104上的旋转使得定向天线103实现测量方向的360度转动，天线云台102通过在垂直方向105上的旋转将定向天线103的极化状态在水平极化状态和垂直极化状态之间切换。由此，实现水平极化、垂直极化状态360度转动。升降杆101的行程为2-8m，且升降杆101是手动控制的，用于调节定向天线103升降至指定的测量高度。
如图3所示，所述控制及信号处理装置200包括通过射频电缆L1和射频连接器2011与所述定向天线103连接的频谱仪201、通过控制线缆L2和信号滤波器2021与所述天线云台102连接的云台控制器202、以及通过LAN总线与所述频谱仪201和云台控制器202均相连的第一光交换机203。所述第一光交换机203通过光线波导管2031与光纤链路L3连接。云台控制器202设置为控制天线云台102转动，频谱仪201设置为对接收到的来自定向天线103的干扰信号进行处理，第一光交换机203设置为通过光纤链路L3连接至下文将详述的数据处理及存储装置，以通过网络实现数据处理及存储装置对频谱仪201和云台控制器202这两者的远距离控制。第一光交换机203的作用是将以太网接入的信号(即频谱仪201接收与发送的信号和云台控制器202的接收信号)转变为光信号进行远距离传输，避免网络传输产生电磁干扰影响测量结果。
如图4所示，数据处理及存储装置300主要包括彼此相连的计算机301和第二光交换机302，使得计算机301通过第二光交换机302和光纤链路L3连接至上文所述的控制及信号处理装置200的第一光交换机203。计算机301设置为进行测量线程和数据处理线程的并行处理(即多线程并行处理)；所述测量线程包括：向云台控制器202发送控制命令以控制天线云台102转动，在天线云台102转动至指定测量位置后控制频谱仪201进行连续多次的单次快速扫描测量并读取测量数据，对测量数据进行数据压缩和临时存储；所述数据处理线程包括：读取临时存储的测量数据，对测量数据进行统计处理，将原始的测量数据和统计处理结果进行存储，将测量数据实时发布。由此，实现了自动化实时电磁环境监测。其中，在对测量数据进行处理时，采用环形缓冲区和多线程并行处理提高数据传输和处理速度，并基于统计计算方法来对测量数据进行处理。对测量数据的发布是实时进行的。
基于上文所述的实时电磁环境监测系统，所实现的实时电磁环境监测方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：配置频谱仪201的测量模式和测量参数，其中，测量参数包括频谱仪分辨率带宽WRB、视频滤波器带宽WVB、扫描点数Cpoints与扫描时间SWT，并根据所述测量模式和测量参数搭建上文所述的实时电磁环境监测系统。
(1)频谱仪201的测量模式的配置
现有的电磁环境测量方法一般采用线性平均模式进行测试，即在频谱仪201分辨率带宽和扫描时间确定的情况下，对单屏测试带宽多次扫描，每次扫描频谱与前一次扫描频谱进行线性平均。该测量模式通过频谱仪的线性平均可以降低系统噪声，提高信噪比，从而提高对微弱信号的分辨能力。但是由于进行了多次积分(即频谱仪的线性平均过程)，导致丢失瞬态信号频谱信息，无法有效分辨瞬态信号，而相对固定的信号平均后并不受影响，因此只能针对稳定的干扰信号进行检测，无法有效检测瞬态信号。此外，传统测试只对频谱仪进行常规配置，没有对频谱仪的测量时间和测量不确定度的深入分析。
本发明的频谱仪201的数量为单个，其测量模式为快速扫频模式，频谱仪不做积分，而是在一段时间内对单频测试带宽进行多次快速扫描以捕获测量数据，实现实时电磁环境监测。其中，相邻两次扫描之间没有时间间隔，以便迅速捕捉干扰信号。数据处理及存储装置300将每次扫描的频谱数据保存并对测量数据进行统计处理，频谱仪每次扫描的频谱数据包含了电磁干扰的相关信息，因此可以通过每次扫描时的频谱数据的变化分析电磁干扰随时间的变化，从而针对瞬态干扰信号特征对现有测量模式进行了改进。该测量模式具有较高的测量时间分辨率，可以实现电磁环境的实时监测。
需要说明的是，目前没有相关文献显示使用该模式进行测试，该快速扫频模式需要通过对频谱仪的测量参数的合理配置，例如需要通过合理设置频谱仪的分辨率带宽WRB、视频滤波器带宽WVB、扫描点数Cpoints与扫描时间SWT等测量参数，以使频谱仪在具有较快扫描速度的同时能够保证测量数据的精度，从而有效提高瞬态信号检测能力。
(2)频谱仪201的测量参数的配置
其中，测量参数包括频谱仪201的分辨率带宽WRB、视频滤波器带宽WVB、扫描点数Cpoints与扫描时间SWT。
在所述步骤S1中，选用通用型商用频谱仪作为实时电磁环境监测系统的频谱仪201。频谱仪的实际测量时间和测量不确定度是实现实时电磁干扰检测的两个重要性能，因此，通过测试频谱仪201在各个维度的不同的测量参数下的实际测量时间和测量不确定度，以确定频谱仪201在实际测量时间和测量不确定度的综合结果最低时的测量参数作为测量参数的配置结果。
因此，在所述步骤S1中，配置频谱仪201的测量参数，具体包括：
步骤S11：配置频谱仪201在各个分频段的分辨率带宽WRB和视频滤波器带宽WVB；
依据射电天文业务无线电频率划分，并结合射电天文观测频段，实时电磁环境监测主要分为三个分频段：100MHz-2GHz、2-5GHz、5-13GHz。这三个频段的干扰信号都需要监测，同一个频谱仪201通过依次进行分频段的测试来配置不同频段下的测量参数，每个频段测试完成后再进行下一个频段的测试。为有效辨别不同频段的射频信号，依据SKA选址射频干扰测试协议选择不同频段的频谱仪的分辨率带宽WRB与视频滤波器带宽WVB，如表1所示。
表1不同频段的频谱仪的WRB与WVB的配置
Figure BDA0003058621040000111
步骤S12：根据频谱仪201在不同的分频段下设置不同扫描点数Cpoints时的实际测量时间与测量不确定度，确定频谱仪201在各个分频段的扫描点数Cpoints；
扫描点数Cpoints的设置选择电磁环境测量中常用的七种配置，如表2所示。在其他测量参数一致的情况下，分别测试频谱仪201在不同的分频段下设置不同Cpoints时的实际测量时间与测量不确定度，从而最终为三个频段分别确定各自的扫描点数，每个频段分别选择一个合适的扫描点数。
表2频谱仪201的扫描点数Cpoints的设置
C<sub>points</sub> 1001 5001 10001 15001 20001 25001 30001
其中，频谱仪201的实际测量时间和测量不确定度通过如图5所示的一个另外搭建的时间及不确定度测量装置来进行测量，以配置频谱仪测量参数。时间及不确定度测量装置包括安装于一电波暗室600中的信号源601和第三光交换机602，以及安装于一控制室700中的待测的频谱仪201、配置计算机701和第四光交换机702。信号源601放置于电波暗室600，避免电磁干扰对频谱仪201测量结果产生影响，频谱仪201和配置计算机701放置于控制室700。其中，频谱仪201与信号源601通过射频电缆L1连接，接收信号源601发射的固定信号。频谱仪201直接通过网线LAN与配置计算机701相连，信号源601先通过网线LAN与第三光交换机602相连，再通过光纤连接至控制室700的第四光交换机702，最后通过网线与配置计算机701相连，实现频谱仪201和信号源601的控制。由于配置计算机701与频谱仪201和信号源601均相连，从而控制信号源601依次在不同频段固定输出信号强度-30dBm的信号(即100MHz-2GHz、2-5GHz、5-13GHz这三个频段的每个频段分别选择一个典型频点固定输出信号)；频谱仪201设置为配置不同测量参数后执行单次的快速扫描；配置计算机701设置为在频谱仪201每次执行完单次的快速扫描后，获取并记录频谱的时间戳，通过每次当前扫描的频谱的时间戳与当前扫描的前一次扫描的频谱的时间戳的差值计算频谱仪201的实际测量时间，同时读取并记录测量到的信号幅度值(即单次扫描的过程中测量到的信号幅度最大值)，通过信号幅度的偏差计算频谱仪201的测量不确定度。在本步骤S12中，单次扫描时，扫描点数Cpoints不同，而其余测量参数固定，以每个频段均需要配置多个不同的扫描点数Cpoints来一一进行实验，根据测试结果选择每个频段最合适的扫描点数。
频谱仪的测量不确定度的计算公式如下：
Figure BDA0003058621040000121
式中Ui为频谱仪在不同参数设置下测量的信号幅值，
Figure BDA0003058621040000122
为频谱仪在所有参数设置下测量的信号幅值的平均值，如公式(2)所示：
Figure BDA0003058621040000123
经过上文的单次扫描实验后，对测试结果进行分析，选择不同频段下具有较低实际测量时间和测量不确定度(即实际测量时间和测量不确定度的综合结果最低)时所对应的扫描点数Cpoints的配置，最终得到的配置结果如表3所示。
此处需要结合实际测量时间和测量不确定度的测试结果，得到综合结果，以综合考虑扫描点数Cpoints的配置。具体来说，在实际测量时间相差不大时选择较低测量不确定度对应的扫描点数作为扫描点数Cpoints的配置，在实际测量时间相差较大时，首先考虑较低实际测量时间，再从中选择较低测量不确定度所对应的扫描点数。例如：若A的实际测量时间略低于B，但测量不确定度高于B，则选择B；若A的实际测量时间低于B很多，但测量不确定度略高于B，则选择A。
表3频谱仪在不同频段的扫描点数Cpoints的配置结果
FREQ C<sub>points</sub>
100MHz-2GHz 10001
2-5GHz 15001
5-13GHz 25001
步骤S13：根据频谱仪201在不同的分频段下设置不同扫描时间SWT时的实际测量时间与测量不确定度，确定频谱仪201在各个分频段的扫描时间SWT；
扫描时间SWT的设置范围为从1ms依次增加到1s(间隔1ms)，由此包含了电磁环境测量中常用的扫描时间SWT的配置。在其他测量参数一致的情况下，分别测试频谱仪在不同频段设置不同扫描时间SWT时的实际测量时间与测量不确定度，实际测量时间与测量不确定度的测试方法与步骤S12相同。所有测试完成后，对测试结果进行分析，选择不同频段下具有较低实际测量时间和测量不确定度所对应的扫描时间SWT的配置结果，如表4所示。
表4频谱仪在不同频段上的扫描时间SWT的配置结果
FREQ SWT
100MHz-2GHz 1ms
2-5GHz 20ms
5-13GHz 26ms
步骤S2：利用数据处理及存储装置300的计算机301进行测量线程和数据处理线程的并行处理。
测量线程的工作流程为：
步骤S21：利用计算机301向云台控制器202发送控制命令，以控制天线云台102转动至指定测量位置；
步骤S22：利用计算机301控制频谱仪201进行单次的快速扫描测量并读取测量数据；
其中，所述测量在单个分频段下进行，实现了单个分频段的单次扫描；在频谱仪201进行快速扫描测量的过程中，天线云台102固定不动。
测量数据为信号强度(单位为dbm)的数值，该数值为十进制数据，优选为double型十进制数，其值通常在-50到-110之间。
步骤S23：对读取的测量数据进行数据压缩；
步骤S24：将压缩后的测量数据存入内存缓冲区。
此时，步骤S22-步骤S24使得单个测量方位角上单个分频段上的单次的快速扫描测量完成。每次快速扫描测量产生的数据进行数据压缩后不断存入内存缓冲区。
步骤S25：重复上述步骤S22至步骤S24，以使得单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成；随后在改变分频段的情况下继续重复步骤S22至步骤S24，直到所有分频段的所有测量完成。
由于频谱仪分三个分频段依次进行测量，单个测量方位角上每个分频段测量时需进行多次的快速扫描测量，以在单个测量方位角上单个分频段上进行多次扫描，这其中，所有状态和参数不变，每个分频段在一段时间内连续多次执行单次快速扫描，捕捉干扰信号信息。
步骤S26：将下一个测量方位角作为天线云台的指定测量位置，重复步骤S21-S25，以进行连续的测量。在本实施例中，所有测量方位角为循环测量，6个测量方位角覆盖360度且覆盖所有分频段的所有测量作为一个测量轮次，一个轮次的测量完成后会继续进行下一轮测量。
测量方位角包括测量方向和极化状态，单个测量方位角的全频段的测量时间约10分钟，其中分频段100MHz-2GHz的测量时间约5分钟，分频段2-5GHz的测量时间约3分钟，分频段5-13GHz的测量时间约2分钟。每个测量方位角之间的天线云台转动需要约12秒。每个分频段均需进行多次快速扫描，每个分频段的不同测量参数的配置决定了不同频段频谱仪的实际测量时间，100MHz-2GHz单次扫描时间约70ms，2-5GHz单次扫描时间约60ms，5-13GHz单次扫描时间约50ms。
数据处理线程的工作流程为：
步骤S21’：在单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成后，从内存缓冲区读取该分频段的测量数据，直到单个测量方位角上单个分频段的所有测量数据均读取完成；
步骤S22’：对测量数据进行统计处理；
步骤S23’：将测量数据和统计处理结果进行存储；
步骤S24’：将测量数据和统计处理结果实时发布；
步骤S25’：重复上述步骤S21’至步骤S24’。
由此，实现了多线程并行处理，多线程是指测量线程和数据处理线程这两个线程。由于频谱仪扫描速度较快，采用多线程并行处理可有效提高高速数据流的传输和处理速度。测量线程控制天线云台转动，同时控制频谱仪进行测试与读取数据，从频谱仪读取的测量数据经过数据压缩后，在CPU开辟缓存空间，对测量数据缓存。随后，缓存的测量数据进入数据处理线程进行数据统计与处理，处理完成后将测量数据保存并发布。开辟多线程可使测量过程和数据处理过程同时进行，数据处理与存储过程需占用一定的时间，若采用单一线程，需等待数据处理及存储完成后才可进行下次测量；在数据处理线程中进行数据处理及存储，测量线程无需等待可立即进行下次测量，能够保证测量过程不间断的连续进行，从而保证测量时间分辨率。综上，开辟多线程，能够保证测量时间分辨率，同时测量线程与数据处理线程互不影响，提高测量效率，增强数据处理性能。
如图6所示，所述测量线程的步骤S24和所述数据处理线程的步骤S21’是在同一内存缓冲区中并行地进行的，所述内存缓冲区优选为一个环形缓冲区，由此实现了多线程的并行处理。
环形缓冲区是一个头尾相连、先进先出的缓冲区结构，建立环形缓冲区进行数据传输与处理，能够提高数据访问及处理速度，缓解数据量带来的内存压力。但是环形缓冲区需要不断读取读指针和写指针的位置，会在一定程度上降低程序运行速度。考虑到实时电磁环境监测过程中单个测量方位角上单个分频段的测量过程占用时间较长，而测量数据的处理过程占用时间相对较短，本发明结合该特点对环形缓冲区的结构进行了优化，可避免频繁读取指针位置带来的内存消耗，且具有良好的可扩展性。
因此，如图6所示，所述测量线程和所述数据处理线程通过以下方式并行处理：
步骤A1：在进行测量线程和数据处理线程的并行处理之前，在内存中开辟两个缓冲区并作为一个环形缓冲区；每个缓冲区设置一个标志位并将该标志位初始化为0。
其中，每个缓冲区的大小为200MB。
步骤A2：在测量线程的单个测量方位角上单个分频段的测量开始时，分别读取两个缓冲区的标志位，若标志位为0，则在每次执行所述步骤S24时将压缩后的测量数据不断存入标志位为0的缓冲区(其中，若两个缓冲区的标志位均为0，则任意选定其一后输入测量数据)，单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成后将该标志位为0的缓冲区的标志位设为1，再继续进行测量线程的下一个分频段的测量。
步骤A3：在测量线程工作的同时执行数据处理线程，在每次执行所述步骤S21’时读取两个缓冲区的标志位，若标志位为1，则读取该标志位为1缓冲区的测量数据，以执行所述步骤S22’-步骤S24’；在所述标志位为1的缓冲区中的所有测量数据均读取完成后(即单个测量方位角上单个分频段的所有测量数据均读取完成)，将该缓冲区的标志位重设为0。
在所述步骤S23中，由于实时电磁环境监测需要频谱仪进行多次快速扫描，会产生大量测量数据，容易导致计算机内存超出负荷，并且若保存所有原始测量数据至本地磁盘，会占用大量存储空间。为了减小数据量，提高CPU计算效率，需要对测量数据进行压缩，只保存测量数据的小数点后两位，即可满足需求。
因此，所述步骤S23具体包括如下步骤：
步骤S231：将读取的测量数据乘以100；
在本实施例中，由于测量数据通常在-50到-110之间，因此，放大数值为100。
步骤S232：定义short型变量，并对放大的数据进行取整，以确保取整后的数据的范围在所述short型变量的范围内；
其中，short型变量的范围是-32768～32767。由于测量数据通常在-50到-110之间，因此数据乘以100再取整后可确保在short型变量范围内。
步骤S233：将取整后的数据除以100，以得到精度为小数点后两位的测量数据。
由此，假设从频谱仪读取的每个采样点的数据大小为18B，则单次扫描的数据量为：
Sdata＝18×Cpoints (3)
short型变量为16位，占2个字节，则数据压缩后单次扫描的数据量为：
S′data＝2×Cpoints (4)
由此，针对实时电磁环境监测产生的高速数据流，本发明采用一种快速高效的数据压缩算法，数据压缩后的数据量仅为压缩前的约十分之一左右，可以大大减小存储空间，提高CPU计算效率。
下面具体说明在所述步骤S22’-S23’中，数据处理与存储的具体方式。
现有电磁环境监测系统的测量数据一般通过系统校准数据校准，随后进行显示或存储；或采用数据后处理方式，将校准数据与测量数据保存后进行离线处理，由于缺乏信号的实时性信息，无法做到实时频谱分析。校准数据一般采用标准噪声源，通过获得噪声源开、关状态下的典型频点功率，计算系统增益和系统噪声系数。
为了有效分析瞬态干扰信号对射电天文观测的影响，本发明的实时电磁环境监测数据(即测量数据)处理采用统计分析方法来进行统计处理，在数据处理线程的步骤S22’中，对读取的测量数据实时统计其频谱序列的最大值与平均值(实时统计的频谱序列中包含该分频段的所有多次扫描产生的频谱数据)作为统计处理结果。由此，将测量数据与统计处理结果进行存储和实时发布，实现干扰信号的实时检测与分析。
因此，由于数据量较大，本发明针对实时电磁环境监测数据特点，对步骤S23’存储时的数据存储结构及数据文件命名方式进行了设计，能够提高数据处理效率，方便后期的数据检索、调用与数据处理，实现数据的快速查找与提取。
如图7所示，在所述步骤S23’中，进行存储时，存储在一个测试数据的数据库中，所述数据库包括：测试开始日期、测试天线的初始方位、测试相关备注信息以及每个测量方向所对应的文件夹。测量方向的度数包括图7中的0、60、120、180、240和300度，6个方位覆盖360度。每个测量方向所对应的文件夹包括一个极化状态为水平方向的水平方向文件夹H和一个极化状态为垂直方向的垂直方向文件夹V，每个水平方向文件夹H和每个垂直方向文件夹V中均包括文件名为“测量轮次编号_扫描的分频段_data”、“测量轮次编号_扫描的分频段_max”和“测量轮次编号_扫描的分频段_avg”的dat格式文件。其中，每测量6个方位角覆盖360度作为一个测量轮次，扫描的分频段的值为1、2、3，分别表示范围在100MHz-2GHz、2-5GHz、5-13GHz的三个分频段；data、max、avg分别表示存储的是测量数据、最大值与平均值。
由此，本发明的实时电磁环境监测方法对数据存储结构及数据文件命名方式进行了设计，方便数据检索、调用与处理，能够提高数据处理效率，实现数据的快速查找与提取。
下面具体说明在所述步骤S24’中，数据发布的具体方式。
电磁环境监测数据包括天线不同测量方位角(即不同极化状态及测量方向)下，不同频段多次扫描产生的测量数据，以及测量数据的统计处理结果。基于本地应用程序实现电磁环境监测数据的可视化具有一定的局限性，远端无法实时查看监测频谱信息，为了使监测数据更加直观，便于查看、管理与维护，基于Web开发兼容性强且具有较好的可扩展性，能够实时监控电磁干扰变化，分析干扰信号特征。
在所述步骤S24’中，测量数据和统计处理结果的实时发布通过一个如图8所示的基于Django框架的实时发布系统800来实现。
如图8所示，在所述步骤S24’中，测量数据和统计处理结果的实时发布具体包括以下步骤：
步骤S241’：利用第一定时函数801来定时刷新浏览器802的交互页面，在交互页面刷新时发送http请求807；同时，服务器803利用网页管理程序804和第二定时函数805来实时监控数据库806，若数据库更新，则读取更新的测量数据和统计处理结果来得到更新的响应函数809，并更新第二定时函数805。
具体来说，网页管理程序804根据第二定时函数805定时读取数据库806的数据文件，判断是否有新的测量数据和统计处理结果的文件产生，来实时监控数据库。
步骤S242’：服务器803响应于所述http请求807，将测量数据和统计处理结果通过响应函数809向浏览器返回http响应及html文件808，浏览器802解析响应数据后进行成图显示，并更新第一定时函数801。由此，对浏览器的交互页面进行刷新及显示。测量数据和统计处理结果通过Echarts图表控件成图显示。
步骤S243’：根据第一定时函数801和第二定时函数805的定时来重复步骤S241’和步骤S242’，实现电磁环境监测数据的实时发布。
如图8所示，该实时发布系统800的前端使用html+css+js和Echarts图表库构建，服务器803及后台(即网页管理程序804)选用Django进行调试，业务逻辑使用python在Django框架下编写，实现电磁环境监测数据的实时读取、处理与成图显示，同时可设置频率范围，从而针对指定频段的频谱进行显示。这里的前端是指浏览器802的交互页面，后台是指网页管理程序804；数据库806就是上文中的测量数据及统计处理结果所存储的数据库；服务器设置为提供计算服务，响应http服务请求并进行处理，主要是处理需要向浏览器发送html的请求以供浏览。
实验结果
根据本发明的实时电磁环境监测系统可以获得如下的实验结果。
(1)运用自动化实时电磁环境监测系统，针对新疆天文台QTT台址进行实时电磁环境监测，测量分为3个频段，每个频段6个测量方向覆盖360度，水平极化与垂直极化交替重复性测量。
(2)根据表1、表3与表4配置频谱仪测量参数，通过测量及控制软件控制天线云台转动，同时控制频谱仪进行快速扫描与数据读取。
(3)根据数据压缩方法对测量数据进行压缩，采用多线程并行处理的方法，将压缩后的数据存入环形缓冲区，再通过数据处理线程进行处理。
(4)依据数据处理方法对实时监测数据进行统计与处理，并将原始测量数据与统计结果按照图6所示数据存储结构进行保存。
(5)基于实时电磁环境数据发布软件实现监测数据的实时可视化。
以上记载的，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。

Claims (10)

1.一种实时电磁环境监测系统，其特征在于，所述实时电磁环境监测系统由前端测量装置(100)、控制及信号处理装置(200)和数据处理及存储装置(300)组成，所述控制及信号处理装置(200)包括单个频谱仪(201)，所述频谱仪(201)采用快速扫频模式。
2.根据权利要求1所述的实时电磁环境监测系统，其特征在于，所述控制及信号处理装置(200)安装于一屏蔽机柜(400)内部；所述数据处理及存储装置(300)；放置于一屏蔽控制室(500)中，所述前端测量装置(100)和控制及信号处理装置(200)均与所述屏蔽控制室(500)至少间隔开一屏蔽距离阈值，所述控制及信号处理装置(200)通过光纤链路(L3)与数据处理及存储装置(300)互连。
3.根据权利要求2所述的实时电磁环境监测系统，其特征在于，所述屏蔽距离阈值为50m至5km。
4.根据权利要求1所述的实时电磁环境监测系统，其特征在于，所述前端测量装置(100)包括升降杆(101)、安装于升降杆(101)的顶端的天线云台(102)以及安装于天线云台(102)上的定向天线(103)，所述定向天线(103)与射频电缆(L1)连接，所述天线云台(102)与控制线缆(L2)连接；天线云台(102)设置为控制定向天线(103)转动，天线云台(102)通过在水平方向(104)上的旋转使得定向天线(103)实现测量方向的360度转动，天线云台(102)通过在垂直方向(105)上的旋转将定向天线(103)的极化状态在水平极化状态和垂直极化状态之间切换；
所述控制及信号处理装置(200)包括与所述定向天线(103)连接的频谱仪(201)、与所述天线云台(102)连接的云台控制器(202)、以及与所述频谱仪(201)和云台控制器(202)均相连的第一光交换机(203)；
所述数据处理及存储装置(300)包括计算机(301)，计算机(301)通过第二光交换机(302)连接至第一光交换机(203)。
5.一种实时电磁环境监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：配置频谱仪(201)的测量模式和测量参数，所述测量模式为快速扫频模式，所述测量参数包括频谱仪分辨率带宽WRB、视频滤波器带宽WVB、扫描点数Cpoints与扫描时间SWT，并根据所述测量模式和测量参数搭建权利要求1-4中的任一项所述的实时电磁环境监测系统；
步骤S2：利用所述的实时电磁环境监测系统的数据处理及存储装置(300)的计算机(301)进行测量线程和数据处理线程的并行处理。
6.根据权利要求5所述的实时电磁环境监测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，选用通用型商用频谱仪作为实时电磁环境监测系统的频谱仪(201)；通过测试频谱仪(201)在各个维度的不同的测量参数下的实际测量时间和测量不确定度，以确定频谱仪(201)在实际测量时间和测量不确定度的综合结果最低时的测量参数作为测量参数的配置结果。
7.根据权利要求6所述的实时电磁环境监测方法，其特征在于，所述实际测量时间和测量不确定度通过一时间及不确定度测量装置来进行测量；所述时间及不确定度测量装置包括安装于一电波暗室(600)中的信号源(601)和第三光交换机(602)，以及安装于一控制室(700)中的待测的频谱仪(201)、配置计算机(701)和第四光交换机(702)；频谱仪(201)与信号源(601)连接，并与配置计算机(701)相连；信号源(601)、第三光交换机(602)、光纤、第四光交换机(702)与配置计算机(701)依次连接；频谱仪(201)设置为配置不同测量参数后执行单次的快速扫描；配置计算机(701)设置为频谱仪(201)每次执行完单次的快速扫描后，获取并记录频谱的时间戳，通过每次当前扫描的频谱的时间戳与当前扫描的前一次扫描的频谱的时间戳的差值计算频谱仪(201)的实际测量时间，同时读取并记录测量到的信号幅度值，通过信号幅度的偏差计算频谱仪(201)的测量不确定度。
8.根据权利要求5所述的实时电磁环境监测方法，其特征在于，所述测量线程的工作流程为：
步骤S21：利用计算机(301)向云台控制器(202)发送控制命令，以控制天线云台(102)转动至指定测量位置；
步骤S22：利用计算机(301)控制频谱仪(201)进行单次的快速扫描测量并读取测量数据；
步骤S23：对读取的测量数据进行数据压缩；
步骤S24：将压缩后的测量数据存入内存缓冲区；
步骤S25：重复上述步骤S22至步骤S24，以使得单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成；随后在改变分频段的情况下继续重复步骤S22至步骤S24，直到所有分频段的所有测量完成；
步骤S26：将下一个测量方位角作为天线云台的指定测量位置，重复步骤S21-S25；
数据处理线程的工作流程为：
步骤S21’：在单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成后，从内存缓冲区读取该分频段的测量数据，直到单个测量方位角上单个分频段的所有测量数据均读取完成；
步骤S22’：对测量数据进行统计处理；
步骤S23’：将测量数据和统计处理结果进行存储；
步骤S24’：将测量数据和统计处理结果实时发布；
步骤S25’：重复所述步骤S21’至步骤S24’。
9.根据权利要求8所述的实时电磁环境监测方法，其特征在于，所述测量线程和所述数据处理线程通过以下方式并行处理：
步骤A1：在进行测量线程和数据处理线程的并行处理之前，在内存中开辟两个缓冲区并作为一个环形缓冲区；每个缓冲区设置一个标志位并将该标志位初始化为0；
步骤A2：在测量线程的单个测量方位角上单个分频段的测量开始时，分别读取两个缓冲区的标志位，若标志位为0，则在每次执行所述步骤S24时将压缩后的测量数据不断存入标志位为0的缓冲区，单个测量方位角上单个分频段的所有测量完成后将该标志位为0的缓冲区的标志位设为1，再继续进行测量线程的下一个分频段的测量。
步骤A3：在测量线程工作的同时执行数据处理线程，在每次执行所述步骤S21’时读取两个缓冲区的标志位，若标志位为1，则读取该标志位为1缓冲区的测量数据；在所述标志位为1的缓冲区中的所有测量数据均读取完成后，将该缓冲区的标志位重设为0。
10.根据权利要求8所述的实时电磁环境监测方法，其特征在于，所述步骤S23包括：
步骤S231：将读取的测量数据乘以100；
步骤S232：定义short型变量，并对放大的数据进行取整，以确保取整后的数据的范围在所述short型变量的范围内；
步骤S233：将取整后的数据除以100，以得到精度为小数点后两位的测量数据；
在所述步骤S22’中，对读取的测量数据实时统计其频谱序列的最大值与平均值作为统计处理结果；
在所述步骤S23’中，进行存储时，存储在一个数据库中，所述数据库包括：测试开始日期、测试天线的初始方位、测试相关备注信息以及每个测量方向所对应的文件夹，每个测量方向所对应的文件夹包括一个极化状态为水平方向的水平方向文件夹和一个极化状态为垂直方向的垂直方向文件夹，每个水平方向文件夹和每个垂直方向文件夹中均包括文件名为“测量轮次编号_扫描的分频段_data”、“测量轮次编号_扫描的分频段_max”和“测量轮次编号_扫描的分频段_avg”的文件，data、max、avg分别表示存储的是测量数据、最大值与平均值。
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