專利名稱：一種電磁輻射掃描定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁輻射掃描定位技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電子產(chǎn)品發(fā)明中，隨著主頻的提高，布線密度的增加，多電平方案和地平面、電源平面分割技術(shù)的使用，PCB板中信號間存在著大量的輻射干擾，造成設(shè)備功能故障或者工作不穩(wěn)定。傳統(tǒng)調(diào)試PCB查找電路故障的工具包括時域的示波器、邏輯分析儀，以及頻域的頻譜分析儀等設(shè)備，但是這些手段都無法給出一個反映PCB板整體信息的數(shù)據(jù)。時域設(shè)備只能觀察一個或有限的幾個信號的時域波形；頻域設(shè)備也只能給出某個位置點的一個頻率段的頻譜數(shù)據(jù)。如果我們能夠獲得反映PCB工作狀態(tài)的全部信息，對PCB板的調(diào)試及發(fā)明會有很大的幫助。電磁輻射掃描儀國內(nèi)目前普遍采用機械掃描方式，將掃描探頭固定在可沿X、Y軸移動的掃描平臺上，由平臺帶動掃描探頭在待測物表面進行掃描，由頻譜分析儀接收掃描數(shù)據(jù)并加以記錄。這種掃描方式存在掃描速度慢，對不同待測物需重新設(shè)定其掃描區(qū)間及掃描高度等弊端。國外已有平面電磁輻射掃描設(shè)備，依靠小型探測天線陣列、電子開關(guān)、微波網(wǎng)絡(luò)完成空間不同位置的電磁輻射接收，通過頻譜分析儀接收測量數(shù)據(jù)。但目前的電磁輻射掃描設(shè)備由于其微波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，使得測量信號損耗大，從而直接影響電磁輻射掃描設(shè)備的靈敏度。其接收設(shè)備采用標準頻譜分析儀，掃描速度慢，無法實時、動態(tài)顯示待測物電磁輻射變化。目前，能夠快速進行電磁輻射掃描，動態(tài)實時顯示電磁輻射分布圖的電磁輻射掃描設(shè)備在國內(nèi)外未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電磁輻射掃描定位方法，采用陣列式電磁輻射探測探頭及電子開關(guān)技術(shù)，取代機械掃描技術(shù)，能快速掃描探測待測電路各個位置的電磁輻射強度，定位輻射源，實現(xiàn)連續(xù)掃描，動態(tài)顯示。一種電磁輻射掃描定位方法，其特征在于采用掃描天線、前置低噪聲放大器、開關(guān)控制電路、穩(wěn)壓電源、頻譜分析儀、控制計算機組成電磁輻射掃描儀；其中掃描天線是由若干磁場探頭組成的陣列，每個探頭都有獨立的控制開關(guān)，探測板的印制板頂層是磁場探頭陣列，底層是開關(guān)電路，中間為接地層，頂層底層之間通過金屬化通孔連接。通過開關(guān)的切換，可以任意選通探測板上的探頭，使探頭上的信號通過接收機被檢測到，這樣，輪流切換每個開關(guān)，就能對電路板上各個位置的電磁輻射強度進行探測及定位；所述前置低噪聲放大器用于對微弱的射頻信號進行放大；所述開關(guān)控制電路用于對天線陣列開關(guān)進行控制，對待測物進行掃描，分時接收各個方位的電磁輻射信號；所述穩(wěn)
3壓電源用于提供微波開關(guān)電路及控制電路所需的直流穩(wěn)壓電源；所述頻譜分析儀用于對系統(tǒng)接收到的微波信號進行頻譜分析，得出信號的頻率信息及幅度信息。頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置及掃描過程均由計算機控制，以保證掃描與天線控制同步，得到正確的電磁輻射空間分布。控制計算機用于總體控制電磁輻射掃描系統(tǒng)的運行，包括天線開關(guān)切換，頻譜分析儀參數(shù)設(shè)置及掃描，掃描數(shù)據(jù)獲取，人機界面交互，數(shù)據(jù)處理，電磁輻射數(shù)據(jù)顯示工作。天線開關(guān)的控制通過控制計算機內(nèi)的IO擴展卡實現(xiàn)，與頻譜分析儀的通訊連接通過GPIB擴展卡實現(xiàn)。所述電磁輻射掃描儀通過以下步驟實現(xiàn)掃描定位首先控制計算機初始化GPIB卡及IO卡，搜索GPIB總線上的頻譜儀設(shè)備，再根據(jù)不同的掃描頻段，選用適當?shù)膾呙杼炀€，當掃描頻段為IOOMHz以下時選用低頻天線， IOOMHz以上選用高頻天線。由于低頻時天線的耦合系數(shù)小，靈敏度低，因此為提高低頻時的靈敏度必須減小分辨率帶寬，這樣由計算機根據(jù)所需的包括掃描頻段、靈敏度的參數(shù)要求，通過控制總線控制掃描天線；同時通過GPIB接口控制頻譜分析儀，對不同頻點進行掃描，并將掃描得到的數(shù)據(jù)通過GPIB傳回計算機；最后，由計算機根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進行擬合，繪制出電磁輻射頻譜圖及空間輻射云圖。本發(fā)明帶來以下有益效果針對以上問題，本發(fā)明具有獨特的頻譜、空間掃描功能，能對選定區(qū)域進行一個頻率范圍的掃描，測量被測物每個空間位置上整個頻率段的輻射情況，從而得到被測物完整的電磁場信息。通過電磁掃描測試軟件控制掃描天線所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合處理，繪制出電磁輻射頻譜圖及空間輻射云圖，為電磁輻射測量領(lǐng)域提供一種能夠快速、實時進行二維電磁輻射掃描定位的方法及設(shè)備。


圖1系統(tǒng)的組成框2磁場探頭陣3電子開關(guān)切換組成框4電磁兼容測試軟件結(jié)構(gòu)框5數(shù)據(jù)流走向示意圖
圖6 二維電磁輻射掃描云7整個掃描頻段的頻譜8人機界面的操作流程
具體實施例方式電磁輻射掃描儀主要由掃描天線、前置低噪聲放大器、開關(guān)控制電路、穩(wěn)壓電源、 頻譜分析儀、控制計算機及相關(guān)軟件組成。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。其中掃描天線是由一系列的磁場探頭組成的陣列，每個探頭都有獨立的控制開關(guān)，印制板頂層是天線探頭， 底層是開關(guān)電路，中間為接地層，頂層底層之間通過金屬化通孔連接。通過開關(guān)的切換，可以任意選通探測板上的探頭，使探頭上的信號通過接收機被檢測到，這樣，輪流切換每個開關(guān)，就能對電路板上各個位置的電磁輻射強度進行探測及定位。磁場探頭陣圖如圖2所示， 電子開關(guān)切換組成框圖如圖3所示。前置低噪聲放大器負責(zé)對微弱的射頻信號進行放大。開關(guān)控制電路負責(zé)對天線陣列開關(guān)進行控制，對待測物進行掃描，分時接收各個方位的電磁輻射信號。穩(wěn)壓電源負責(zé)提供微波開關(guān)電路及控制電路所需的直流穩(wěn)壓電源。頻譜分析儀負責(zé)對系統(tǒng)接收到的微波信號進行頻譜分析，得出信號的頻率信息及幅度信息。頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置及掃描過程均由計算機上的掃描軟件控制，以保證掃描與天線控制同步，得到正確的電磁輻射空間分布。 控制計算機負責(zé)總體控制電磁輻射掃描系統(tǒng)的運行，包括天線開關(guān)切換，頻譜分析儀參數(shù)設(shè)置及掃描，掃描數(shù)據(jù)獲取，人機界面交互，數(shù)據(jù)處理，電磁輻射數(shù)據(jù)顯示等工作。天線開關(guān)的控制通過控制計算機內(nèi)的IO擴展卡實現(xiàn)，與頻譜分析儀的通訊連接通過GPIB擴展卡實現(xiàn)。軟件部分主要包括電磁兼容測試軟件，GPIB控制軟件，總線控制軟件，編制生成可執(zhí)行文件后安裝在計算機上操作運行。電磁兼容測試軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。整個系統(tǒng)測試軟件的工作原理是首先由軟件初始化GPIB卡及IO卡，搜索GPIB總線上的頻譜儀設(shè)備，再根據(jù)不同的掃描頻段，選用適當?shù)膾呙杼炀€，當掃描頻段為IOOMHz以下時選用低頻天線，IOOMHz以上選用高頻天線。由于低頻時天線的耦合系數(shù)小，靈敏度低，因此為提高低頻時的靈敏度必須減小分辨率帶寬，這樣由計算機根據(jù)所需的掃描頻段、靈敏度等參數(shù)要求，通過控制總線控制掃描天線；同時通過GPIB接口控制頻譜分析儀，對不同頻點進行掃描，并將掃描得到的數(shù)據(jù)通過GPIB傳回計算機；最后，由計算機根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進行擬合，繪制出電磁輻射頻譜圖及空間輻射云圖。首先在Matlab軟件中設(shè)置編譯器，配置 deploymenttool窗口，對編寫的信號處理函數(shù)進行編譯，編譯完成后在〔#環(huán)境下添加引用及調(diào)用函數(shù)的相關(guān)代碼就完成了數(shù)據(jù)插值處理。數(shù)據(jù)流的走向如圖5所示。便攜式計算機負責(zé)將所需掃描的頻帶等參數(shù)傳輸至信號處理機中，并將處理好的數(shù)據(jù)實時顯示出來。處理后的數(shù)據(jù)分為一維輻射強度分布圖與二維輻射強度分布圖兩種 一維輻射強度分布圖不考慮輻射的空間位置，只取同一頻點上輻射強度的最大值，它代表了待測電路中輻射強度的頻率分布信息；二維輻射強度分布圖顯示輻射強度與其空間位置的信息。為了更加直觀有效的實現(xiàn)電磁輻射分布及場強等信息，我們采用二維云圖式的顯示方式。黑色代表輻射強度較強的區(qū)域，白色代表較弱的區(qū)域，這樣用顏色的不同分別代表該處輻射強度的不同，能更加清楚的顯示強度的變化。本發(fā)明對選定區(qū)域一個頻率范圍內(nèi)進行空間掃描，針對每一個探頭可以得到一組數(shù)據(jù)。由于掃描器的柵格不能做到無限緊密，所以得到的數(shù)據(jù)跳躍性比較大。針對數(shù)據(jù)量有限，顯示結(jié)果不平滑的缺陷，我們采取插值的數(shù)據(jù)處理方式來平滑強度的變化。發(fā)明中，我們將掃描得到的原始數(shù)據(jù)讀入MATLAB軟件，進行三階或更高階次的插值計算，然后將插值得到的數(shù)據(jù)傳送給原C#主程序進行顯示。經(jīng)過插值所得到的數(shù)據(jù)跳躍性已經(jīng)很小，得到的空間掃描云圖更加平滑。此外，鑒于外界電磁環(huán)境比較復(fù)雜，為了更清晰的顯示主要輻射源，我們在軟件發(fā)明部分增加了對比度和飽和度滑動條，用戶可以通過對這兩個選項的自由調(diào)節(jié)，使影響電路板的主要輻射源突顯出來，而其他次要輻射干擾源被濾掉，這樣所得到的掃描云圖的效果更好，更能真實的反映電路板的實際情況，有利于精確定位電磁輻射源的位置。通過采用插值平滑的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、頻譜與空間同時掃描功能，該系統(tǒng)具有連續(xù)掃描、動態(tài)顯示的技術(shù)效果，具體表現(xiàn)在以下幾個方面(1)可實現(xiàn)電磁輻射動態(tài)分布掃描。通過對一定帶寬內(nèi)的信號進行連續(xù)掃描和峰值保持功能，能捕捉到瞬態(tài)的電磁干擾信號，實時顯示電磁輻射的動態(tài)分布，為現(xiàn)場調(diào)試及瞬態(tài)電磁輻射測量提供了極大方便。(2)強大的后臺分析和處理能力。由于本產(chǎn)品特有的頻譜、空間掃描功能，得到的數(shù)據(jù)是被測物的完整的EM信息， 因此可在測量結(jié)束后對測量結(jié)果進行細致的全面分析。如合成頻譜功能和合成空間功能， 無需再次測量，可任意組合空間位置查看合成頻譜圖，或者任意組合頻率點查看空間分布圖。(3)提高了測量的精確性和可重復(fù)性。本發(fā)明采用了快速掃描技術(shù)及其先進的幅度保持掃描技術(shù)和同步掃描技術(shù)，使該系統(tǒng)能有效捕捉瞬態(tài)事件，同時采用能提升頻譜分析儀測量精度的技術(shù)，提高了測量的精確性和可重復(fù)性。(4)極大提高了掃描速度。機械掃描系統(tǒng)僅能測量有限的幾個頻率點的數(shù)據(jù)，當頻率點增加時，速度會變得非常慢，而采用電子開關(guān)切換技術(shù)，較機械掃描速度有極大提高；加之專用數(shù)字化接收機， 使得電磁輻射掃描速度有了極大提高。同時優(yōu)化掃描算法進一步加快了掃描速度。(5)安裝、操作和維護方便。操作者無需了解寬帶接收機和數(shù)字信號處理機的原理和操作，所有的操作都可在終端計算機的中文界面中完成，且本產(chǎn)品所有裝置均為電子裝置，安裝簡易方便，因此可維護性和可靠性得到了有效的保障。便攜式電磁輻射掃描定位儀自動化測試軟件負責(zé)接收各種參數(shù)設(shè)置，如掃描開始頻率、截止頻率、分辨率帶寬、系統(tǒng)增益(參考電平)等；陣列天線控制模塊根據(jù)掃描要求， 按照一定順序通過調(diào)用數(shù)字IO控制卡的驅(qū)動程序，向陣列天線發(fā)出控制信號，完成陣列天線的掃描；頻譜分析儀控制模塊根據(jù)掃描的起止頻率，通過GPIB控制卡控制頻譜分析儀進行頻率掃描；圖像處理模塊同樣通過GPIB控制卡從頻譜分析儀中獲取頻譜掃描信息，再結(jié)合陣列天線的掃描控制，形成二維電磁輻射掃描云圖(圖6)和整個掃描頻段的頻譜圖(圖 7)。由于低頻段天線只有16X 16個單元，因此空間分辨率較低，顯示效果也較差，不能很好地表示電磁輻射的空間分布。所以采用插值的方法對原圖像進行處理，將原始數(shù)據(jù)讀入MATLAB軟件，進行三次或更高階次的插值計算，處理后的數(shù)據(jù)再傳回原主程序顯示。 經(jīng)過插值處理后所得到的數(shù)據(jù)跳躍性已經(jīng)很小，得到的空間掃描云圖更加平滑。本軟件還可以標注頻譜值的峰值，并調(diào)出相應(yīng)的二維掃描云圖，也可通過保存、打開按鈕對掃描數(shù)據(jù)進行保存，以備再次用到該頻段數(shù)據(jù)時節(jié)約掃描時間，便于結(jié)果分析與處理。便攜式電磁輻射掃描定位儀是一種電磁輻射掃描設(shè)備，其主要功能是測量待測設(shè)備的電磁輻射頻率、強度及二維空間分布信息。本成果基于二維電磁輻射掃描陣列天線技
6術(shù)及電子開關(guān)技術(shù)，采用高密度平板式陣列天線、二維微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及快速掃描算法，解決了傳統(tǒng)機械式電磁輻射掃描儀體積大、掃描速度慢、使用方法繁瑣等問題，使電磁輻射掃描儀能快速、實時、有效地進行電磁輻射的二維測量。人機界面的操作流程圖如圖8所示。具體工作流程如下(1)點擊刷新按鈕，GPIB部分顯示為掃描到的頻譜分析儀的型號；(2)點擊復(fù)位按鈕，由系統(tǒng)內(nèi)部計算機對各個部分進行復(fù)位和初始化；(3)設(shè)置掃描的起止頻率、分辨率帶寬、參考電平，完成后點擊設(shè)置按鈕，所設(shè)置的各項參數(shù)被更新，頻譜分析儀完成各項內(nèi)容的設(shè)置；(4)進行若干次單次掃描，檢測軟件和儀器之間工作是否正常。如工作正常，則得到一次掃描數(shù)據(jù)，單次掃描圖中出現(xiàn)一根譜線，和頻譜儀上顯示結(jié)果一樣；(5)進行二次掃描，界面底部的進度條開始滑動，等待掃描結(jié)果；(6)掃描結(jié)束，彈出三維立體掃描圖和二維掃描云圖；其中掃描圖中的黑色代表輻射強度較強的區(qū)域，白色代表較弱的區(qū)域，這樣用顏色的不同分別代表該處輻射強度的不同，能更加清楚的顯示強度的變化。此時可以通過調(diào)節(jié)對比度和飽和度滑動條對二維掃描云圖進行調(diào)節(jié)，濾除干擾電磁輻射，得到更加清晰的掃描結(jié)果；(7)手動掃描主要用于單點調(diào)試，通過設(shè)置掃描陣列天線上的16X16個探頭中的任意一個的位置，查看單次掃描結(jié)果是否正確，掃描結(jié)果在單次掃描圖中顯示；(8)頻譜圖中顯示最大輻射強度時的頻譜圖，并標注相應(yīng)的強度和所對應(yīng)的頻率。
權(quán)利要求
1.一種電磁輻射掃描定位方法，其特征在于采用掃描天線、前置低噪聲放大器、開關(guān)控制電路、穩(wěn)壓電源、頻譜分析儀、控制計算機組成電磁輻射掃描儀；其中掃描天線是由若干磁場探頭組成的陣列，每個探頭都有獨立的控制開關(guān)，探測板的印制板頂層是磁場探頭陣列，底層是開關(guān)電路，中間為接地層，頂層底層之間通過金屬化通孔連接；通過開關(guān)的切換，可以任意選通探測板上的探頭，使探頭上的信號通過接收機被檢測到，這樣，輪流切換每個開關(guān)，就能對電路板上各個位置的電磁輻射強度進行探測及定位；所述前置低噪聲放大器用于對微弱的射頻信號進行放大；所述開關(guān)控制電路用于對天線陣列開關(guān)進行控制，對待測物進行掃描，分時接收各個方位的電磁輻射信號；所述穩(wěn)壓電源用于提供微波開關(guān)電路及控制電路所需的直流穩(wěn)壓電源；所述頻譜分析儀用于對系統(tǒng)接收到的微波信號進行頻譜分析，得出信號的頻率信息及幅度信息；頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置及掃描過程均由計算機控制，以保證掃描與天線控制同步，得到正確的電磁輻射空間分布；控制計算機用于總體控制電磁輻射掃描系統(tǒng)的運行，包括天線開關(guān)切換，頻譜分析儀參數(shù)設(shè)置及掃描，掃描數(shù)據(jù)獲取，人機界面交互，數(shù)據(jù)處理，電磁輻射數(shù)據(jù)顯示工作；天線開關(guān)的控制通過控制計算機內(nèi)的IO擴展卡實現(xiàn)，與頻譜分析儀的通訊連接通過GPIB擴展卡實現(xiàn)。
2.一種電磁輻射掃描定位方法，其特征在于所述電磁輻射掃描儀通過以下步驟實現(xiàn)掃描定位首先控制計算機初始化GPIB卡及IO卡，搜索GPIB總線上的頻譜儀設(shè)備，再根據(jù)不同的掃描頻段，選用適當?shù)膾呙杼炀€，當掃描頻段為IOOMHz以下時選用低頻天線，IOOMHz以上選用高頻天線；由于低頻時天線的耦合系數(shù)小，靈敏度低，因此為提高低頻時的靈敏度必須減小分辨率帶寬，這樣由計算機根據(jù)所需的包括掃描頻段、靈敏度的參數(shù)要求，通過控制總線控制掃描天線；同時通過GPIB接口控制頻譜分析儀，對不同頻點進行掃描，并將掃描得到的數(shù)據(jù)通過GPIB傳回計算機；最后，由計算機根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進行擬合，繪制出電磁輻射頻譜圖及空間輻射云圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及電磁輻射掃描定位技術(shù)領(lǐng)域。所要解決的技術(shù)問題是提供一種電磁輻射掃描定位方法，取代機械掃描技術(shù)，能快速掃描探測待測電路各個位置的電磁輻射強度，定位輻射源，實現(xiàn)連續(xù)掃描，動態(tài)顯示。本發(fā)明采用陣列式電磁輻射探測探頭及電子開關(guān)技術(shù)，具有獨特的頻譜、空間掃描功能，能對選定區(qū)域進行一個頻率范圍的掃描，測量被測物每個空間位置上整個頻率段的輻射情況，從而得到被測物完整的電磁場信息。通過電磁掃描測試軟件控制掃描天線所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合處理，繪制出電磁輻射頻譜圖及空間輻射云圖，為電磁輻射測量領(lǐng)域提供一種能夠快速、實時進行二維電磁輻射掃描定位的方法及設(shè)備。
文檔編號G01R23/16GK102565546SQ20101059898
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者周順滿, 蔣繼鳳, 韓非 申請人:上海無線電設(shè)備研究所