一種基於光路切換的寬帶電磁成像面信號採集系統的製作方法

2023-07-02 01:06:51

本發明屬於寬帶電磁探測領域中的信號採集系統部分，主要涉及一種寬帶電磁成像面的信號採集技術。

背景技術：

隨著科學技術的不斷發展，信息化系統越來越複雜，同一平臺上裝載的電子設備越來越多，對電磁兼容的要求也越來越高；另一方面，電磁環境日益複雜，電子電器設備和系統面臨越來多的電磁幹擾，其性能降低、功能喪失的概率顯著增加。因此，對系統電磁兼容性的研究與電磁輻射的排查顯得尤為重要。

在電磁兼容領域，現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備連接頻譜儀、接收機等設備組成。這種輻射排查設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，對人員經驗的依賴性很強；此外，傳統的電磁輻射測量設備體積較大，無法適用於範圍較小的電磁測量。為了克服上述缺點，利用拋物反射面對電磁輻射進行探測，可以實現快速、無幹擾的電磁探測。電磁信號經拋物反射面反射後，在其像面上形成縮小電磁圖像，基於光路切換的寬帶電磁成像面信號採集系統就是實現在像面上電磁信號的快速檢測。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基於光路切換的寬帶電磁成像面信號採集系統，實現對電磁信號快速有效的檢測。

本發明技術解決方案：一種基於光路切換的寬帶電磁成像面信號採集系統，實現對1.2×0.6m2寬帶電磁成像面上的電磁信號的快速準確採集，系統掃描時間在20s以內，電磁信號採集量為16*80。本發明的技術方案主要是通過對兩個一切八光開關的快速切換，實現對16路電場探頭電磁信號採集。

本發明包括：上位機、stm32f4控制板、雙adc模數轉換模塊、光電信號轉換模塊、兩個一切八光開關及步進電機掃描模塊；

上位機：發送命令及接收數據，給控制板發送測試命令，觸發系統進行電磁信號採集；完成信號採集，讀取所採集到成像面信號數據並保存；

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的同步採樣，兩個一切八光開關的順序切換；

adc模數轉換模塊：以設定的頻率完成對電信號的ad採樣；

光電信號轉換模塊：將光信號轉換為電信號，由於成像面電場的存在，電場探頭將光調製，調製後的光經光電轉換模塊轉換為電信號；

兩個一切八光開關：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；

上位機發送數據採集命令，使系統開始工作，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，每隔一段距離採集一次電磁信號，16個探頭由兩個一切八光開關連接，在電磁信號採集過程中，兩個一切八光開關同時順序切換，則雙光路在16個探頭之間順序切換，兩路雷射經光電信號轉換模塊後，將光信號轉換為電信號，電信號再由雙adc進行電信號的採集，最後將採集到的數據傳回到上位機並保存，實現對電磁成像上電磁信號的採集，總共採集16*80個點的數據。

所述控制板採用stm32f4控制板，使其具有雙adc高速同步採樣、一切八光開關控制、步進電機控制、數據傳輸功能。

所述adc中，設定的頻率為1mhz。

所述每個探頭在1.2m長的像面上，每隔1.5cm採集一次電磁信號。

所述光電信號轉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在1.2×0.6m2寬帶電磁成像面上等1.5cm間距採集電磁信號，在20s內採集16*80個點的數據。

實現過程為：

步驟1，設計系統控制電路，利用核心的嵌入式晶片stm32f407zgt6，使其具有雙adc高速同步採樣、一切八光開關控制、步進電機掃描模塊控制、數據傳輸等功能；

步驟2，搭建後端信號採集模塊，用2個一切八光開關分別連接到8個電場探頭，光開關另一端連接到光電信號轉換模塊，其主要由光電探測箱、濾波器、峰值檢波器組成；光電信號轉換模塊的功能是將光信號轉換為電信號，最後由雙adc進行高速ad採樣；

步驟3，搭建步進電機掃描模塊，系統控制電路給步進電機驅動器提供脈衝和方向信號，再由驅動器驅動電機轉動，使其運載16個電場探頭在電磁成像面來回掃描，等間距採集電磁信號；

步驟4，嵌入式程序設計，使得各個硬體部分協同工作。在1.2米長的電磁成像上，每隔1.5cm，兩個一切八光開關高速切換，同時進行ad採樣，測量16個電場探頭所探測到電場數據；

步驟5，編寫上位機程序，使其能給系統發送開始測試的命令，並且能夠接收與保存測量數據。

本發明的優點與積極效果在於：

(1)採用步進電機控制模式，實現在1.2×0.6m2寬帶電磁成像面上等間距的電磁信號採集，通過定時器頻率可調節的pwm波輸出，與計數器精確的計數功能，使得該本發明具有快速測量、探測點處定位精度高的優點；

(2)設計了基於光路切換的寬帶電磁信號採集模式。利用兩個一切八光開關，分別連接到16個電場探頭，而光開關的另一端僅需要兩套光電信號轉換模塊，大大減少了所需光電信號轉換模塊的數量，節約成本，同時使得系統更加小巧，易於集成；

附圖說明

圖1是本發明所設計的寬帶電磁信號採集系統的實施場景圖；

圖2是本發明設計的電腦遠程控制界面；

圖3是利用stm32f4zgt6晶片所設計的硬體控制電路；

圖4是光電信號轉換模塊結構示意圖；

圖5是利用控制電路實現兩個光開關順序切換的電路示意圖；

圖6是本發明中嵌入式程序設計的流程圖；

圖7是利用本發明測試菱形天線的電磁輻射經拋物反射面的電磁分布。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發明的一種基於光路切換的電磁成像面信號採集系統由上位機、stm32f4控制板、雙adc模數轉換模塊、光電信號轉換模塊、兩個一切八光開關、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：發送命令及接收數據。給stm32f4控制板發送測試命令，觸發系統進行電磁信號採集；完成信號採集，讀取所採集到成像面信號數據並保存；

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

3)adc模數轉換模塊：以1mhz的頻率完成對電信號的ad採樣；

4)光電信號轉換模塊：將光信號轉換為電信號。由於成像面電場的存在，電場探頭將光調製，調製後的光經光電信號轉換模塊轉換為電信號；

5)兩個一切八光開關：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。

本發明由以上各分設備構成，通過系統的集成與有效的控制，實現寬帶電磁成像面上電磁信號的採集。下面對各分設備作具體詳盡的描述。

(1)上位機

如圖2所示，為系統所使用的上位機。點擊開始測量，整個系統開始工作，同時將採集到的數據實時顯示在窗口，具備數據保存與清除功能。

(2)stm32f4控制板

由核心晶片stm32f407zgt6，以及外圍電路構成，主要有電源電路、通信串口、jtag程序下載電路等部分構成。如圖3所示，晶振、電容電阻等外圍電路組成stm32f407zgt6晶片的最小系統。jtag口用於下載程序，io口用於步進電機控制以及雙adc模數轉換，串口1用於電腦與stm32f4控制板件命令及數據傳輸，串口2用於控制一切八光開關進行切換。

(3)雙adc模數轉換模塊

圖1可知，光信號經兩個光電信號轉換模塊後，光信號將轉變為電信號，此時需要兩個adc進行採樣，進行模數轉換。雙adc使用stm32f4內部自帶的adc，該adc是12位逐次逼近型的模數轉換器。在實際使用過程中，將adc的採樣頻率設置1mhz的高速採樣，這樣設置的好處是：一是保證在電磁成像面上各採樣位置點的精確，二是進行高速多次採樣，其多次採樣的平均有利於減小採樣誤差。

(4)光電信號轉換模塊

光電信號轉換模塊主要由光電探測箱、濾波器和峰值檢波器構成，其作用是將光信號轉換成電信號。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。光電信號轉換模塊的工作過程為：光電探測箱內部光源發出雷射到電場探頭，雷射通過電場探頭時，會被電場調製，調製後的雷射返回到光電探測箱，被探測箱內部的光電模塊轉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，最終經峰值檢波器出來信號將是直流信號，對直流信號進行ad採樣完成對電磁信號採集。

(5)兩個一切八光開關

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。由於光電信號轉換模塊非常昂貴，採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換模塊以及adc的數量。

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

一切八光開關可由stm32f4控制板來進行控制，stm32f4控制板通過串口2發送16進位的0x01～0x08，使得光開關在8個通道之間順序切換。由於兩個光開關需要同時控制，需要在stm32f4控制板後端增加一個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同時切換，具體實現方式如圖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採集。步進電機驅動器由兩路信號控制，分別是dir方向信號，控制轉動方向；pulse脈衝信號，控制轉動速度。這兩路信號都由stm32f4控制板提供，以控制步進電機轉動，從而帶動電場探頭在像面上進行掃描。

stm32f407zgt6晶片是控制系統的mcu，控制各個分設備相互協調完成工作，而程序設計則是整個系統的核心部分，如圖6所示，程序設計主要包括雙adc同步採樣、兩個光開關順序切換、步進電機掃描三個部分。上位機通過給stm32f4控制板發送測試命令，觸發整個系統開始工作。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進行一次信號採集，總共採樣80個點。在每個位置點，光信號經光電信號轉換模塊轉換成電信號，電信號經1000次的1mhz的高速ad採樣，並取平均值，以減小測量誤差。最終採集到16*80個數據點，從而實現對電磁成像面上電磁信號的探測。

下面結合試驗對本系統的測試性能作進一步的說明。

實驗系統採用直徑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射信號，發射的信號為頻率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，利用所設計的系統在該電磁成像面上進行信號的採集，主要的步驟如下：

(1)上位機給系統發送開始測試指令，stm32f4控制板控制步進電機轉動，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觸發光開關進行順序切換，同時雙adc進行高速數據採集及處理；

(3)總共採集16*80個點的數據，並將數據傳回上位機並保存。

這一過程的完成時間在20s以內，最終在電磁成像面上得到16*80個。通過對電磁成像面上採集的信號數據進行繪圖，可以探測到該像面上的電磁分布。如圖7所示，系統在電磁成像面上進行信號採集，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明的目的，而並非要限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附權利要求限定。不脫離本發明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發明的範圍之內。