CN102565546A - 一种电磁辐射扫描定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁辐射扫描定位技术领域。所要解决的技术问题是提供一种电磁辐射扫描定位方法，取代机械扫描技术，能快速扫描探测待测电路各个位置的电磁辐射强度，定位辐射源，实现连续扫描，动态显示。本发明采用阵列式电磁辐射探测探头及电子开关技术，具有独特的频谱、空间扫描功能，能对选定区域进行一个频率范围的扫描，测量被测物每个空间位置上整个频率段的辐射情况，从而得到被测物完整的电磁场信息。通过电磁扫描测试软件控制扫描天线所获取的数据经过拟合处理，绘制出电磁辐射频谱图及空间辐射云图，为电磁辐射测量领域提供一种能够快速、实时进行二维电磁辐射扫描定位的方法及设备。

Description

一种电磁辐射扫描定位方法

技术领域：

本发明涉及电磁辐射扫描定位技术领域。

背景技术：

在电子产品发明中，随着主频的提高，布线密度的增加，多电平方案和地平面、电源平面分割技术的使用，PCB板中信号间存在着大量的辐射干扰，造成设备功能故障或者工作不稳定。

传统调试PCB查找电路故障的工具包括时域的示波器、逻辑分析仪，以及频域的频谱分析仪等设备，但是这些手段都无法给出一个反映PCB板整体信息的数据。时域设备只能观察一个或有限的几个信号的时域波形；频域设备也只能给出某个位置点的一个频率段的频谱数据。如果我们能够获得反映PCB工作状态的全部信息，对PCB板的调试及发明会有很大的帮助。

电磁辐射扫描仪国内目前普遍采用机械扫描方式，将扫描探头固定在可沿X、Y轴移动的扫描平台上，由平台带动扫描探头在待测物表面进行扫描，由频谱分析仪接收扫描数据并加以记录。这种扫描方式存在扫描速度慢，对不同待测物需重新设定其扫描区间及扫描高度等弊端。

国外已有平面电磁辐射扫描设备，依靠小型探测天线阵列、电子开关、微波网络完成空间不同位置的电磁辐射接收，通过频谱分析仪接收测量数据。但目前的电磁辐射扫描设备由于其微波网络结构特点，使得测量信号损耗大，从而直接影响电磁辐射扫描设备的灵敏度。其接收设备采用标准频谱分析仪，扫描速度慢，无法实时、动态显示待测物电磁辐射变化。

目前，能够快速进行电磁辐射扫描，动态实时显示电磁辐射分布图的电磁辐射扫描设备在国内外未见报道。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁辐射扫描定位方法，采用阵列式电磁辐射探测探头及电子开关技术，取代机械扫描技术，能快速扫描探测待测电路各个位置的电磁辐射强度，定位辐射源，实现连续扫描，动态显示。

一种电磁辐射扫描定位方法，其特征在于：采用扫描天线、前置低噪声放大器、开关控制电路、稳压电源、频谱分析仪、控制计算机组成电磁辐射扫描仪；其中扫描天线是由若干磁场探头组成的阵列，每个探头都有独立的控制开关，探测板的印制板顶层是磁场探头阵列，底层是开关电路，中间为接地层，顶层底层之间通过金属化通孔连接。通过开关的切换，可以任意选通探测板上的探头，使探头上的信号通过接收机被检测到，这样，轮流切换每个开关，就能对电路板上各个位置的电磁辐射强度进行探测及定位；

所述前置低噪声放大器用于对微弱的射频信号进行放大；所述开关控制电路用于对天线阵列开关进行控制，对待测物进行扫描，分时接收各个方位的电磁辐射信号；所述稳压电源用于提供微波开关电路及控制电路所需的直流稳压电源；所述频谱分析仪用于对***接收到的微波信号进行频谱分析，得出信号的频率信息及幅度信息。频谱分析仪的参数设置及扫描过程均由计算机控制，以保证扫描与天线控制同步，得到正确的电磁辐射空间分布。

控制计算机用于总体控制电磁辐射扫描***的运行，包括天线开关切换，频谱分析仪参数设置及扫描，扫描数据获取，人机界面交互，数据处理，电磁辐射数据显示工作。天线开关的控制通过控制计算机内的IO扩展卡实现，与频谱分析仪的通讯连接通过GPIB扩展卡实现。

所述电磁辐射扫描仪通过以下步骤实现扫描定位：

首先控制计算机初始化GPIB卡及IO卡，搜索GPIB总线上的频谱仪设备，再根据不同的扫描频段，选用适当的扫描天线，当扫描频段为100MHz以下时选用低频天线，100MHz以上选用高频天线。

由于低频时天线的耦合系数小，灵敏度低，因此为提高低频时的灵敏度必须减小分辨率带宽，这样由计算机根据所需的包括扫描频段、灵敏度的参数要求，通过控制总线控制扫描天线；同时通过GPIB接口控制频谱分析仪，对不同频点进行扫描，并将扫描得到的数据通过GPIB传回计算机；最后，由计算机根据扫描数据进行拟合，绘制出电磁辐射频谱图及空间辐射云图。

本发明带来以下有益效果：

针对以上问题，本发明具有独特的频谱、空间扫描功能，能对选定区域进行一个频率范围的扫描，测量被测物每个空间位置上整个频率段的辐射情况，从而得到被测物完整的电磁场信息。通过电磁扫描测试软件控制扫描天线所获取的数据经过拟合处理，绘制出电磁辐射频谱图及空间辐射云图，为电磁辐射测量领域提供一种能够快速、实时进行二维电磁辐射扫描定位的方法及设备。

附图说明：

图1***的组成框图

图2磁场探头阵图

图3电子开关切换组成框图

图4电磁兼容测试软件结构框图

图5数据流走向示意图

图6二维电磁辐射扫描云图

图7整个扫描频段的频谱图

图8人机界面的操作流程

具体实施方式：

电磁辐射扫描仪主要由扫描天线、前置低噪声放大器、开关控制电路、稳压电源、频谱分析仪、控制计算机及相关软件组成。***的组成框图如图1所示。其中扫描天线是由一系列的磁场探头组成的阵列，每个探头都有独立的控制开关，印制板顶层是天线探头，底层是开关电路，中间为接地层，顶层底层之间通过金属化通孔连接。通过开关的切换，可以任意选通探测板上的探头，使探头上的信号通过接收机被检测到，这样，轮流切换每个开关，就能对电路板上各个位置的电磁辐射强度进行探测及定位。磁场探头阵图如图2所示，电子开关切换组成框图如图3所示。

前置低噪声放大器负责对微弱的射频信号进行放大。开关控制电路负责对天线阵列开关进行控制，对待测物进行扫描，分时接收各个方位的电磁辐射信号。稳压电源负责提供微波开关电路及控制电路所需的直流稳压电源。频谱分析仪负责对***接收到的微波信号进行频谱分析，得出信号的频率信息及幅度信息。频谱分析仪的参数设置及扫描过程均由计算机上的扫描软件控制，以保证扫描与天线控制同步，得到正确的电磁辐射空间分布。控制计算机负责总体控制电磁辐射扫描***的运行，包括天线开关切换，频谱分析仪参数设置及扫描，扫描数据获取，人机界面交互，数据处理，电磁辐射数据显示等工作。天线开关的控制通过控制计算机内的IO扩展卡实现，与频谱分析仪的通讯连接通过GPIB扩展卡实现。

软件部分主要包括电磁兼容测试软件，GPIB控制软件，总线控制软件，编制生成可执行文件后安装在计算机上操作运行。电磁兼容测试软件结构框图如图4所示。整个***测试软件的工作原理是：首先由软件初始化GPIB卡及IO卡，搜索GPIB总线上的频谱仪设备，再根据不同的扫描频段，选用适当的扫描天线，当扫描频段为100MHz以下时选用低频天线，100MHz以上选用高频天线。由于低频时天线的耦合系数小，灵敏度低，因此为提高低频时的灵敏度必须减小分辨率带宽，这样由计算机根据所需的扫描频段、灵敏度等参数要求，通过控制总线控制扫描天线；同时通过GPIB接口控制频谱分析仪，对不同频点进行扫描，并将扫描得到的数据通过GPIB传回计算机；最后，由计算机根据扫描数据进行拟合，绘制出电磁辐射频谱图及空间辐射云图。首先在Matlab软件中设置编译器，配置deploymenttool窗口，对编写的信号处理函数进行编译，编译完成后在C#环境下添加引用及调用函数的相关代码就完成了数据插值处理。数据流的走向如图5所示。

便携式计算机负责将所需扫描的频带等参数传输至信号处理机中，并将处理好的数据实时显示出来。处理后的数据分为一维辐射强度分布图与二维辐射强度分布图两种：一维辐射强度分布图不考虑辐射的空间位置，只取同一频点上辐射强度的最大值，它代表了待测电路中辐射强度的频率分布信息；二维辐射强度分布图显示辐射强度与其空间位置的信息。为了更加直观有效的实现电磁辐射分布及场强等信息，我们采用二维云图式的显示方式。黑色代表辐射强度较强的区域，白色代表较弱的区域，这样用颜色的不同分别代表该处辐射强度的不同，能更加清楚的显示强度的变化。

本发明对选定区域一个频率范围内进行空间扫描，针对每一个探头可以得到一组数据。由于扫描器的栅格不能做到无限紧密，所以得到的数据跳跃性比较大。针对数据量有限，显示结果不平滑的缺陷，我们采取插值的数据处理方式来平滑强度的变化。

发明中，我们将扫描得到的原始数据读入MATLAB软件，进行三阶或更高阶次的插值计算，然后将插值得到的数据传送给原C#主程序进行显示。经过插值所得到的数据跳跃性已经很小，得到的空间扫描云图更加平滑。

此外，鉴于外界电磁环境比较复杂，为了更清晰的显示主要辐射源，我们在软件发明部分增加了对比度和饱和度滑动条，用户可以通过对这两个选项的自由调节，使影响电路板的主要辐射源突显出来，而其他次要辐射干扰源被滤掉，这样所得到的扫描云图的效果更好，更能真实的反映电路板的实际情况，有利于精确定位电磁辐射源的位置。

通过采用插值平滑的数据处理技术、频谱与空间同时扫描功能，该***具有连续扫描、动态显示的技术效果，具体表现在以下几个方面：

(1)可实现电磁辐射动态分布扫描。

通过对一定带宽内的信号进行连续扫描和峰值保持功能，能捕捉到瞬态的电磁干扰信号，实时显示电磁辐射的动态分布，为现场调试及瞬态电磁辐射测量提供了极大方便。

(2)强大的后台分析和处理能力。

由于本产品特有的频谱、空间扫描功能，得到的数据是被测物的完整的EM信息，因此可在测量结束后对测量结果进行细致的全面分析。如合成频谱功能和合成空间功能，无需再次测量，可任意组合空间位置查看合成频谱图，或者任意组合频率点查看空间分布图。

(3)提高了测量的精确性和可重复性。

本发明采用了快速扫描技术及其先进的幅度保持扫描技术和同步扫描技术，使该***能有效捕捉瞬态事件，同时采用能提升频谱分析仪测量精度的技术，提高了测量的精确性和可重复性。

(4)极大提高了扫描速度。

机械扫描***仅能测量有限的几个频率点的数据，当频率点增加时，速度会变得非常慢，而采用电子开关切换技术，较机械扫描速度有极大提高；加之专用数字化接收机，使得电磁辐射扫描速度有了极大提高。同时优化扫描算法进一步加快了扫描速度。

(5)安装、操作和维护方便。

操作者无需了解宽带接收机和数字信号处理机的原理和操作，所有的操作都可在终端计算机的中文界面中完成，且本产品所有装置均为电子装置，安装简易方便，因此可维护性和可靠性得到了有效的保障。

便携式电磁辐射扫描定位仪自动化测试软件负责接收各种参数设置，如扫描开始频率、截止频率、分辨率带宽、***增益(参考电平)等；阵列天线控制模块根据扫描要求，按照一定顺序通过调用数字IO控制卡的驱动程序，向阵列天线发出控制信号，完成阵列天线的扫描；频谱分析仪控制模块根据扫描的起止频率，通过GPIB控制卡控制频谱分析仪进行频率扫描；图像处理模块同样通过GPIB控制卡从频谱分析仪中获取频谱扫描信息，再结合阵列天线的扫描控制，形成二维电磁辐射扫描云图(图6)和整个扫描频段的频谱图(图7)。

由于低频段天线只有16×16个单元，因此空间分辨率较低，显示效果也较差，不能很好地表示电磁辐射的空间分布。所以采用插值的方法对原图像进行处理，将原始数据读入MATLAB软件，进行三次或更高阶次的插值计算，处理后的数据再传回原主程序显示。经过插值处理后所得到的数据跳跃性已经很小，得到的空间扫描云图更加平滑。

本软件还可以标注频谱值的峰值，并调出相应的二维扫描云图，也可通过保存、打开按钮对扫描数据进行保存，以备再次用到该频段数据时节约扫描时间，便于结果分析与处理。

便携式电磁辐射扫描定位仪是一种电磁辐射扫描设备，其主要功能是测量待测设备的电磁辐射频率、强度及二维空间分布信息。本成果基于二维电磁辐射扫描阵列天线技术及电子开关技术，采用高密度平板式阵列天线、二维微波开关网络及快速扫描算法，解决了传统机械式电磁辐射扫描仪体积大、扫描速度慢、使用方法繁琐等问题，使电磁辐射扫描仪能快速、实时、有效地进行电磁辐射的二维测量。人机界面的操作流程图如图8所示。具体工作流程如下：

(1)点击刷新按钮，GPIB部分显示为扫描到的频谱分析仪的型号；

(2)点击复位按钮，由***内部计算机对各个部分进行复位和初始化；

(3)设置扫描的起止频率、分辨率带宽、参考电平，完成后点击设置按钮，所设置的各项参数被更新，频谱分析仪完成各项内容的设置；

(4)进行若干次单次扫描，检测软件和仪器之间工作是否正常。如工作正常，则得到一次扫描数据，单次扫描图中出现一根谱线，和频谱仪上显示结果一样；

(5)进行二次扫描，界面底部的进度条开始滑动，等待扫描结果；

(6)扫描结束，弹出三维立体扫描图和二维扫描云图；其中扫描图中的黑色代表辐射强度较强的区域，白色代表较弱的区域，这样用颜色的不同分别代表该处辐射强度的不同，能更加清楚的显示强度的变化。此时可以通过调节对比度和饱和度滑动条对二维扫描云图进行调节，滤除干扰电磁辐射，得到更加清晰的扫描结果；

(7)手动扫描主要用于单点调试，通过设置扫描阵列天线上的16×16个探头中的任意一个的位置，查看单次扫描结果是否正确，扫描结果在单次扫描图中显示；

(8)频谱图中显示最大辐射强度时的频谱图，并标注相应的强度和所对应的频率。

Claims (2)

1.一种电磁辐射扫描定位方法，其特征在于：采用扫描天线、前置低噪声放大器、开关控制电路、稳压电源、频谱分析仪、控制计算机组成电磁辐射扫描仪；其中扫描天线是由若干磁场探头组成的阵列，每个探头都有独立的控制开关，探测板的印制板顶层是磁场探头阵列，底层是开关电路，中间为接地层，顶层底层之间通过金属化通孔连接；通过开关的切换，可以任意选通探测板上的探头，使探头上的信号通过接收机被检测到，这样，轮流切换每个开关，就能对电路板上各个位置的电磁辐射强度进行探测及定位；

所述前置低噪声放大器用于对微弱的射频信号进行放大；所述开关控制电路用于对天线阵列开关进行控制，对待测物进行扫描，分时接收各个方位的电磁辐射信号；所述稳压电源用于提供微波开关电路及控制电路所需的直流稳压电源；所述频谱分析仪用于对***接收到的微波信号进行频谱分析，得出信号的频率信息及幅度信息；频谱分析仪的参数设置及扫描过程均由计算机控制，以保证扫描与天线控制同步，得到正确的电磁辐射空间分布；

控制计算机用于总体控制电磁辐射扫描***的运行，包括天线开关切换，频谱分析仪参数设置及扫描，扫描数据获取，人机界面交互，数据处理，电磁辐射数据显示工作；天线开关的控制通过控制计算机内的IO扩展卡实现，与频谱分析仪的通讯连接通过GPIB扩展卡实现。

2.一种电磁辐射扫描定位方法，其特征在于：所述电磁辐射扫描仪通过以下步骤实现扫描定位：

首先控制计算机初始化GPIB卡及IO卡，搜索GPIB总线上的频谱仪设备，再根据不同的扫描频段，选用适当的扫描天线，当扫描频段为100MHz以下时选用低频天线，100MHz以上选用高频天线；

由于低频时天线的耦合系数小，灵敏度低，因此为提高低频时的灵敏度必须减小分辨率带宽，这样由计算机根据所需的包括扫描频段、灵敏度的参数要求，通过控制总线控制扫描天线；同时通过GPIB接口控制频谱分析仪，对不同频点进行扫描，并将扫描得到的数据通过GPIB传回计算机；

最后，由计算机根据扫描数据进行拟合，绘制出电磁辐射频谱图及空间辐射云图。

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