基于空間譜估計的電磁干擾源定位

陳少昌，林朋飛，申振

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033）

基于空間譜估計的電磁干擾源定位

陳少昌，林朋飛，申振

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033）

EMI的定位測試是電磁兼容測試的一個重要內容。傳統的干擾源定位測試方法相對大型的電子設備而言效率和準確度都有限。本文提出一種基于空間譜估計技術的EMI定位方法，該方法使用二維空間平滑算法對電磁干擾信號進行DOA（波達方向）估計從而精確定位電磁干擾源。在MATLAB平臺上編寫了相關程序進行了模擬實驗，實驗結果證明，該方法不僅可以區分不同頻率的干擾而且可以定位同頻的干擾，可以為實際應用提供參考。

EMI；干擾源定位；二維空間平滑；DOA（波達方向）

0 引言

在電磁兼容現場測量中，對電磁干擾源進行快速定位可以幫助工程師快速地排除電磁干擾問題。傳統的關于輻射源定位方法是使用輻射信號的頻率這一信息，根據所找到的超標點頻率去尋找頻率相同的輻射源，但是在一個大型的電子設備或者系統中往往可能有多個位置產生相似頻率的干擾，因此使用這種方法定位干擾源可能會出現誤差[1]。

在基于自適應干擾抵消系統的虛擬暗室中使用信號的相關性定位電磁輻射干擾源。其使用兩個探頭，一個放在EUT（受試設備）附近的遠場天線或者電流卡鉗，一個作為近場探頭[2]。用兩個探頭同時接收EUT輻射出的信號，通過雙通道的同步接收機對接收到的兩個信號進行處理，并通過研究兩個信號的相關性實現干擾源的識別定位。但是基于信號相關性的定位方法需要不斷地移動接收天線，而且在不同地點接收到的同一輻射信號也有變化，這都會影響定位的準確性。本文提出一種基于空間譜估計技術的電磁干擾定位方法，該方法使用二維空間平滑對電磁信號進行DOA（波達方向）估計以精確定位電磁干擾源[3]。二維空間平滑算法可以分辨出不同來向的相干信號，且具有很高的定位精度，適合用于EMC現場測量的電磁干擾源定位。

1 基本原理

1.1 MUSIC算法

假設EMC現場測量空間中入射到M元陣列的EUT輻射信號和干擾信號共計p個[4]，則陣列接收信號的協方差矩陣為：

由于假設的干擾信號及EUT輻射信號與噪聲是不相關的加性高斯白噪聲，因此在式（1）中的第一項是滿秩矩陣，Λs是對角陣，包含了干擾信號和EUT輻射信號的特征值。σ2和Un是協方差矩陣對應的特征值和特征向量。故：

式（2）兩端乘噪聲子空間得：

由式（2）、（3）得：

故：

其中矩陣P是非奇異矩陣，則：

因此有噪聲特征空間和導向矢量矩陣正交：

由于U=[Us，Un]是酉矩陣，其不同特征值對應特征向量之間正交。因此：

由式（6）和式（8）知，陣列輸出的方向矩陣A與協方差矩陣的干擾信號和EUT輻射信號特征向量組成的子空間矩陣Us相同。表示為：

噪聲特征值對應的特征向量與信源的方向正交。得到空間譜估計形式為：1

對PMusic（θ）譜峰θ域尋優，所求的θ即為入射信號的DOA的估計。

1.2 二維空間平滑算法

MUSIC不能對空間中相關的信號進行估計，且只能對信號進行一維的定位[5]。本文使用二維空間平滑算法對電磁干擾信號進行定位[6]。如圖1所示的M×N的均勻矩形陣列，分成若干個重疊大小為m×n的均勻矩形子陣列。

圖1 均勻矩形陣的空間平滑結構圖

假設K個遠場窄帶信源s（t）照射到這個矩形陣列上，信號的俯仰角用陣列的第（m，n）個陣元的輸出為：

式中：

圖1所示陣列的導向矢量為：

式（14）中：

將圖1所示的M×N的均勻矩形陣列分成若干個M0×N0的均勻矩形子陣，如圖2所示。

圖2 均勻矩形的空間平滑結構圖

第（m，n）個子陣的接收信號向量為：

定義所有子陣的協方差矩陣的平均值為二維空間平滑協方差矩陣：

上式中Ms=M-M0+1，Ns=N-N0+1

按照MUSIC的方法對得到的協方差矩陣進行處理，估計出空間電磁干擾信號的來向。

2 實驗仿真

設接收陣列為6×6的二維等距平面矩形陣列，在x軸方向和y軸方向上，陣元之間的距離均為d=400 mm。設空間中有三個不同體制下的信號，其中一個為EUT的單頻輻射信號，另外兩個均是電磁兼容現場測量現場的環境干擾信號或者是受試系統的其他部分發出的超標干擾源。所使用的均為窄帶信號，其數學形式為：

其中，A0=2A1=A2，f0=200 MHz，f1=10 MHz。n（t）是空間中的白噪聲和各個陣元上的加性噪聲，信噪比為20 dB。其中電磁信號的水平方位角和俯仰角為[30，40]，[20，50]，[60，10]。使用MATLAB軟件平臺對二維空間平滑算法性能進行仿真實驗，取子陣為4×4的均勻矩形陣，在快拍數為500的情況下運用改進的空間平滑技術對空間中同頻信號和不相關信號的估計結果如圖3和圖4所示。

圖3 二維空間平滑定位結果

圖4 二維空間平滑算法定位等高圖

3 結束語

實驗仿真表明，通過二維空間平滑算法可以精確估計出空間中電磁信號的DOA，利用電磁干擾信號的DOA可以對大型系統或者電子設備的干擾源進行定位。較傳統的頻率定位法和相關性定位方法，該測試方法不僅定位方便而且可以對相干信號進行定位，因此可以應用于大型系統或電子設備的EMI測試中。

[1]容向系統科技有限公司.CASSPER系統技術文檔[Z]．2005．

[2]SCHMIDT R．Multiple emitter location and signal parameter estimation[J]．IEEE Trans on AP，1986，34（3）：276-280．

[3]SHAN T J，WAX M，KAILATH T．On spatial smoothingfor direction-of-arrival estimation of coherent signals[J]．IEEE Trans on ASSP，1985，33（4）：806-811．

[4]劉夢南.預測試中的噪聲抑制與消除技術[J]．安全與電磁兼容，2003（6）：34-41．

[5]程君佳，田書林，李力．電磁干擾源的相關性定位測試方法研究[J]．中國測試技術，2007，33（2）：42-44．

[6]魏小麗，陳建，林琳．基于空間平滑算法的二維相干源DOA估計[J]．吉林大學學報，2008，38（5）：1160-1164．

Electromagnetic interference source localization based on spectrum estimation

Chen Shaochang，Lin Pengfei，Shen Zhen
（School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

EMI localization is an important part of electromagnetic compatibility test.The efficiency and accuracy of interference localization is limited if only the traditional test method is applied.An EMI localization method based on spectrum estimation is presented to locate EMI.This method uses 2-D spatial smooth algorithm to estimate the DOA of electromagnetic interference.The EMC engineer can locate the EMI based on its DOA.The related program was written based on MATLAB for experiments.The results of experiment prove that this method can locate the EMI.

EMI；interference source localization；the two-dimensional smoothing；DOA

TP306

：A

：1674-7720（2015）07-0069-03

2014-12-03）

陳少昌（1962-），男，碩士，教授，主要研究方向：電路與系統的電磁兼容性研究。

林朋飛（1991-），女，碩士，主要研究方向：電路與系統的電磁兼容性研究。

申振（1989-），男，碩士，主要研究方向：電路與系統的電磁兼容性。