本發(fā)明屬于寬帶電磁探測領(lǐng)域中的信號采集系統(tǒng)部分，主要涉及一種寬帶電磁成像面的信號采集技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化系統(tǒng)越來越復雜，同一平臺上裝載的電子設(shè)備越來越多，對電磁兼容的要求也越來越高；另一方面，電磁環(huán)境日益復雜，電子電器設(shè)備和系統(tǒng)面臨越來多的電磁干擾，其性能降低、功能喪失的概率顯著增加。因此，對系統(tǒng)電磁兼容性的研究與電磁輻射的排查顯得尤為重要。

在電磁兼容領(lǐng)域，現(xiàn)階段對被試品電磁輻射主要的排查手段，是由接收天線、探頭或功率計等接收設(shè)備連接頻譜儀、接收機等設(shè)備組成。這種輻射排查設(shè)備在測試時通常需要對測試物品進行逐點人工掃描測試，效率很低，對人員經(jīng)驗的依賴性很強；此外，傳統(tǒng)的電磁輻射測量設(shè)備體積較大，無法適用于范圍較小的電磁測量。為了克服上述缺點，利用拋物反射面對電磁輻射進行探測，可以實現(xiàn)快速、無干擾的電磁探測。電磁信號經(jīng)拋物反射面反射后，在其像面上形成縮小電磁圖像，基于光路切換的寬帶電磁成像面信號采集系統(tǒng)就是實現(xiàn)在像面上電磁信號的快速檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光路切換的寬帶電磁成像面信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對電磁信號快速有效的檢測。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種基于光路切換的寬帶電磁成像面信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對1.2×0.6m²寬帶電磁成像面上的電磁信號的快速準確采集，系統(tǒng)掃描時間在20s以內(nèi)，電磁信號采集量為16*80。本發(fā)明的技術(shù)方案主要是通過對兩個一切八光開關(guān)的快速切換，實現(xiàn)對16路電場探頭電磁信號采集。

本發(fā)明包括：上位機、stm32f4控制板、雙adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、光電信號轉(zhuǎn)換模塊、兩個一切八光開關(guān)及步進電機掃描模塊；

上位機：發(fā)送命令及接收數(shù)據(jù)，給控制板發(fā)送測試命令，觸發(fā)系統(tǒng)進行電磁信號采集；完成信號采集，讀取所采集到成像面信號數(shù)據(jù)并保存；

stm32f4控制板：控制各部件有序工作，包括控制步進電機在成像面上進行掃描、雙adc的同步采樣，兩個一切八光開關(guān)的順序切換；

adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：以設(shè)定的頻率完成對電信號的ad采樣；

光電信號轉(zhuǎn)換模塊：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由于成像面電場的存在，電場探頭將光調(diào)制，調(diào)制后的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號；

兩個一切八光開關(guān)：使光路在兩套8個電場探頭之間高速切換，從而測量得到各個電場探頭通道的信號值；

步進電機掃描模塊：運載16個電場探頭在電磁成像面上來回掃描，測量像面上的電磁信號；

上位機發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，使系統(tǒng)開始工作，步進電機運載16個電場探頭在電磁成像上進行掃描，每個探頭在像面上，每隔一段距離采集一次電磁信號，16個探頭由兩個一切八光開關(guān)連接，在電磁信號采集過程中，兩個一切八光開關(guān)同時順序切換，則雙光路在16個探頭之間順序切換，兩路激光經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)換模塊后，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號再由雙adc進行電信號的采集，最后將采集到的數(shù)據(jù)傳回到上位機并保存，實現(xiàn)對電磁成像上電磁信號的采集，總共采集16*80個點的數(shù)據(jù)。

所述控制板采用stm32f4控制板，使其具有雙adc高速同步采樣、一切八光開關(guān)控制、步進電機控制、數(shù)據(jù)傳輸功能。

所述adc中，設(shè)定的頻率為1mhz。

所述每個探頭在1.2m長的像面上，每隔1.5cm采集一次電磁信號。

所述光電信號轉(zhuǎn)換模塊處理信號頻率為0.5ghz～6ghz，由光電探測箱、濾波器、峰值檢波器組成。

所述步進電機掃描模塊實現(xiàn)在1.2×0.6m²寬帶電磁成像面上等1.5cm間距采集電磁信號，在20s內(nèi)采集16*80個點的數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)過程為：

步驟1，設(shè)計系統(tǒng)控制電路，利用核心的嵌入式芯片stm32f407zgt6，使其具有雙adc高速同步采樣、一切八光開關(guān)控制、步進電機掃描模塊控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?/p>

步驟2，搭建后端信號采集模塊，用2個一切八光開關(guān)分別連接到8個電場探頭，光開關(guān)另一端連接到光電信號轉(zhuǎn)換模塊，其主要由光電探測箱、濾波器、峰值檢波器組成；光電信號轉(zhuǎn)換模塊的功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后由雙adc進行高速ad采樣；

步驟3，搭建步進電機掃描模塊，系統(tǒng)控制電路給步進電機驅(qū)動器提供脈沖和方向信號，再由驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使其運載16個電場探頭在電磁成像面來回掃描，等間距采集電磁信號；

步驟4，嵌入式程序設(shè)計，使得各個硬件部分協(xié)同工作。在1.2米長的電磁成像上，每隔1.5cm，兩個一切八光開關(guān)高速切換，同時進行ad采樣，測量16個電場探頭所探測到電場數(shù)據(jù)；

步驟5，編寫上位機程序，使其能給系統(tǒng)發(fā)送開始測試的命令，并且能夠接收與保存測量數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于：

(1)采用步進電機控制模式，實現(xiàn)在1.2×0.6m²寬帶電磁成像面上等間距的電磁信號采集，通過定時器頻率可調(diào)節(jié)的pwm波輸出，與計數(shù)器精確的計數(shù)功能，使得該本發(fā)明具有快速測量、探測點處定位精度高的優(yōu)點；

(2)設(shè)計了基于光路切換的寬帶電磁信號采集模式。利用兩個一切八光開關(guān)，分別連接到16個電場探頭，而光開關(guān)的另一端僅需要兩套光電信號轉(zhuǎn)換模塊，大大減少了所需光電信號轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)量，節(jié)約成本，同時使得系統(tǒng)更加小巧，易于集成；

附圖說明

圖1是本發(fā)明所設(shè)計的寬帶電磁信號采集系統(tǒng)的實施場景圖；

圖2是本發(fā)明設(shè)計的電腦遠程控制界面；

圖3是利用stm32f4zgt6芯片所設(shè)計的硬件控制電路；

圖4是光電信號轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是利用控制電路實現(xiàn)兩個光開關(guān)順序切換的電路示意圖；

圖6是本發(fā)明中嵌入式程序設(shè)計的流程圖；

圖7是利用本發(fā)明測試菱形天線的電磁輻射經(jīng)拋物反射面的電磁分布。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于光路切換的電磁成像面信號采集系統(tǒng)由上位機、stm32f4控制板、雙adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、光電信號轉(zhuǎn)換模塊、兩個一切八光開關(guān)、以及步進電機掃描模塊等組成。各個部分主要的功能如下：

1)上位機：發(fā)送命令及接收數(shù)據(jù)。給stm32f4控制板發(fā)送測試命令，觸發(fā)系統(tǒng)進行電磁信號采集；完成信號采集，讀取所采集到成像面信號數(shù)據(jù)并保存；

2)stm32f4控制板：自動控制的核心，控制各分設(shè)備有序工作。主要包括控制步進電機在成像面上進行掃描、雙adc的同步采樣，兩個一切八光開關(guān)的順序切換；

3)adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：以1mhz的頻率完成對電信號的ad采樣；

4)光電信號轉(zhuǎn)換模塊：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。由于成像面電場的存在，電場探頭將光調(diào)制，調(diào)制后的光經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號；

5)兩個一切八光開關(guān)：使光路在8個電場探頭之間高速切換，從而測量得到各個電場探頭通道的信號值；

6)步進電機掃描模塊：運載16個電場探頭在電磁成像面上來回掃描，測量像面上的電磁信號。

本發(fā)明由以上各分設(shè)備構(gòu)成，通過系統(tǒng)的集成與有效的控制，實現(xiàn)寬帶電磁成像面上電磁信號的采集。下面對各分設(shè)備作具體詳盡的描述。

(1)上位機

如圖2所示，為系統(tǒng)所使用的上位機。點擊開始測量，整個系統(tǒng)開始工作，同時將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在窗口，具備數(shù)據(jù)保存與清除功能。

(2)stm32f4控制板

由核心芯片stm32f407zgt6，以及外圍電路構(gòu)成，主要有電源電路、通信串口、jtag程序下載電路等部分構(gòu)成。如圖3所示，晶振、電容電阻等外圍電路組成stm32f407zgt6芯片的最小系統(tǒng)。jtag口用于下載程序，io口用于步進電機控制以及雙adc模數(shù)轉(zhuǎn)換，串口1用于電腦與stm32f4控制板件命令及數(shù)據(jù)傳輸，串口2用于控制一切八光開關(guān)進行切換。

(3)雙adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

圖1可知，光信號經(jīng)兩個光電信號轉(zhuǎn)換模塊后，光信號將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，此時需要兩個adc進行采樣，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。雙adc使用stm32f4內(nèi)部自帶的adc，該adc是12位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在實際使用過程中，將adc的采樣頻率設(shè)置1mhz的高速采樣，這樣設(shè)置的好處是：一是保證在電磁成像面上各采樣位置點的精確，二是進行高速多次采樣，其多次采樣的平均有利于減小采樣誤差。

(4)光電信號轉(zhuǎn)換模塊

光電信號轉(zhuǎn)換模塊主要由光電探測箱、濾波器和峰值檢波器構(gòu)成，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。如圖4所示，光電探測箱有兩個接口，一是光輸入輸出口，連接到電場探頭，二是電輸出口，連接到濾波器。光電信號轉(zhuǎn)換模塊的工作過程為：光電探測箱內(nèi)部光源發(fā)出激光到電場探頭，激光通過電場探頭時，會被電場調(diào)制，調(diào)制后的激光返回到光電探測箱，被探測箱內(nèi)部的光電模塊轉(zhuǎn)換為對應頻率的電信號，輸出電信號到濾波器，濾波器濾掉了電信號中的噪聲，再由峰值檢波器檢測電信號的峰值，最終經(jīng)峰值檢波器出來信號將是直流信號，對直流信號進行ad采樣完成對電磁信號采集。

(5)兩個一切八光開關(guān)

電磁成像面上，16個電場探頭在步進電機的控制下進行來回掃描。由于光電信號轉(zhuǎn)換模塊非常昂貴，采用光路切換的控制方式可以大大減少所需要的光電信號轉(zhuǎn)換模塊以及adc的數(shù)量。

光路切換裝置采用兩個一切八光開關(guān)來實現(xiàn)，每個光開關(guān)有8路光纖接口，分別連接到8個電場探頭，通過光開關(guān)的順序切換，就分別連通了各個電場探頭的光路，從而實現(xiàn)16路探頭在電磁成像面上對電磁分布的探測。

一切八光開關(guān)可由stm32f4控制板來進行控制，stm32f4控制板通過串口2發(fā)送16進制的0x01～0x08，使得光開關(guān)在8個通道之間順序切換。由于兩個光開關(guān)需要同時控制，需要在stm32f4控制板后端增加一個rs232一分二電路，將串口2的控制信號分成兩路，分別控制兩個光開關(guān)同時切換，具體實現(xiàn)方式如圖5所示。

(6)步進電機掃描模塊

電磁成像面的大小為1.2×0.6m²，16個探頭每隔4cm均勻排布，步進電機需要運載16個探頭在1.2m長的像面上進行電磁信號的采集。步進電機驅(qū)動器由兩路信號控制，分別是dir方向信號，控制轉(zhuǎn)動方向；pulse脈沖信號，控制轉(zhuǎn)動速度。這兩路信號都由stm32f4控制板提供，以控制步進電機轉(zhuǎn)動，從而帶動電場探頭在像面上進行掃描。

stm32f407zgt6芯片是控制系統(tǒng)的mcu，控制各個分設(shè)備相互協(xié)調(diào)完成工作，而程序設(shè)計則是整個系統(tǒng)的核心部分，如圖6所示，程序設(shè)計主要包括雙adc同步采樣、兩個光開關(guān)順序切換、步進電機掃描三個部分。上位機通過給stm32f4控制板發(fā)送測試命令，觸發(fā)整個系統(tǒng)開始工作。在電磁成像面上，每個電場探頭在1.2m長的平面上間隔1.5cm進行一次信號采集，總共采樣80個點。在每個位置點，光信號經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)1000次的1mhz的高速ad采樣，并取平均值，以減小測量誤差。最終采集到16*80個數(shù)據(jù)點，從而實現(xiàn)對電磁成像面上電磁信號的探測。

下面結(jié)合試驗對本系統(tǒng)的測試性能作進一步的說明。

實驗系統(tǒng)采用直徑1.5米，焦距1.1米的偏饋拋物反射面。在距離反射面水平距離5米處，在一定的高度放置一個菱形天線。用信號源給菱形天線發(fā)射信號，發(fā)射的信號為頻率3ghz，功率為16dbm。

此時，拋物反射面的像面上會形成菱形天線電磁輻射圖像，利用所設(shè)計的系統(tǒng)在該電磁成像面上進行信號的采集，主要的步驟如下：

(1)上位機給系統(tǒng)發(fā)送開始測試指令，stm32f4控制板控制步進電機轉(zhuǎn)動，運載電場探頭在電磁成像面進行掃描；

(2)在1.2米長的成像面上，每隔1.5cm觸發(fā)光開關(guān)進行順序切換，同時雙adc進行高速數(shù)據(jù)采集及處理；

(3)總共采集16*80個點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳回上位機并保存。

這一過程的完成時間在20s以內(nèi)，最終在電磁成像面上得到16*80個。通過對電磁成像面上采集的信號數(shù)據(jù)進行繪圖，可以探測到該像面上的電磁分布。如圖7所示，系統(tǒng)在電磁成像面上進行信號采集，在拋物反射面的像面上，探測到了菱形天線在電磁成像面上的電磁分布。

提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。