基于壓縮感知的虛擬暗室測(cè)試方法

章耀文， 陳少昌

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

基于壓縮感知的虛擬暗室測(cè)試方法

章耀文， 陳少昌

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430000)

摘要:為了在現(xiàn)場(chǎng)電磁發(fā)射測(cè)試中有效濾除背景噪聲，針對(duì)存在相關(guān)信號(hào)的環(huán)境中多重信號(hào)分類(MUSIC)算法失效的問(wèn)題，提出基于壓縮感知(CS)的虛擬暗室測(cè)試方法。通過(guò)CS理論獲得受試設(shè)備的輻射信號(hào)和環(huán)境中其他干擾信號(hào)的來(lái)波方向，并采取最小方差無(wú)畸變波束形成算法進(jìn)行波束形成，從而對(duì)干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效抑制。該方法不僅適用于存在相干信號(hào)的情況下，而且不受陣列結(jié)構(gòu)限制，應(yīng)用更加靈活。通過(guò)仿真驗(yàn)證:方法在保證受試設(shè)備特性不失真的情況下能夠有效抑制干擾噪聲。

關(guān)鍵詞：虛擬暗室； 壓縮感知； 波束形成

0引言

對(duì)于大型系統(tǒng)或已固定設(shè)備的電磁干擾(electromagneticinterference，EMI)問(wèn)題，因?yàn)槠帘问胰萘坑邢藁蛟O(shè)備已經(jīng)固定，EMI測(cè)試無(wú)法在屏蔽室內(nèi)完成，需要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)進(jìn)行EMI測(cè)試。但是，普通環(huán)境中的背景噪聲會(huì)超出電磁兼容(electromagneticcompatibility，EMC)的極限值，并且被測(cè)設(shè)備(equipmentundertest，EUT)產(chǎn)生的電磁信號(hào)可能會(huì)被環(huán)境中的背景噪聲所調(diào)制。所以，想在普通環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試就必須設(shè)法消除背景噪聲的影響。針對(duì)以上難題，MarinoJr和MichaelA于2002年提出虛擬暗室測(cè)試?yán)碚?，并?005年申請(qǐng)和獲得了虛擬暗室的專利[1]。該理論自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)，使用雙通道分布測(cè)試克服單通道測(cè)試帶來(lái)的時(shí)間差問(wèn)題。基于虛擬暗室理論設(shè)計(jì)的CASSPER系統(tǒng)被美國(guó)軍方采購(gòu)和使用。FrenchA和BraunS等人還提出了基于時(shí)域自適應(yīng)噪聲抵消的電磁輻射發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[2]。但這些基于自適應(yīng)噪聲抵消的虛擬暗室技術(shù)要求測(cè)試環(huán)境中不能有與EUT同頻的信號(hào)分量以及參考通道中不能存在EUT信號(hào)等。DmochowskiJP提出基于波束形成的干擾抵消技術(shù)[3]，不需要參考通道并且具有很好的干擾抑制效果。盧中昊和林銘團(tuán)等人提出了基于陣列信號(hào)的虛擬暗室技術(shù)[4]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明方法的可行性。但文中采用的算法只能用于獨(dú)立信號(hào)并且受到陣列結(jié)構(gòu)限制，使得應(yīng)用條件受到限制。

當(dāng)EUT放置在室內(nèi)環(huán)境，如艙室環(huán)境中，EUT信號(hào)和背景電磁噪聲在空間中不斷地發(fā)生反射、散射。由于空間相對(duì)狹小，反射后的強(qiáng)度并沒(méi)有減弱多少，會(huì)產(chǎn)生相干信號(hào)。同時(shí)，由于實(shí)際的測(cè)量環(huán)境中，陣列的排布方式往往是受實(shí)際尺寸限制的，而絕大多數(shù)實(shí)際條件不能夠滿足均勻陣布陣要求[5,6]。針對(duì)以上情況，本文根據(jù)空域?yàn)V波原理，引入壓縮感知(compressivesensing,CS)理論和波束成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境干擾的濾除，既可以有效處理相干信號(hào)，并且可以使用于任意陣列。

1基本原理

如圖1所示，在EUT周圍設(shè)置天線陣列，每個(gè)天線單元均可以接收到由EUT輻射信號(hào)和背景干擾信號(hào)所組成的混合信號(hào)，這個(gè)混合過(guò)程與各輻射源到天線的電磁傳播路徑有關(guān)，利用基于CS理論的空間譜估計(jì)技術(shù)獲取各個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向(directionofarrival，DOA)。根據(jù)信號(hào)的空間譜估計(jì)結(jié)果對(duì)各陣列接收信號(hào)做最優(yōu)加權(quán)，在保證EUT輻射信號(hào)不失真的前提下，使陣列波束在干擾信號(hào)的來(lái)向形成“零陷”，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的空域?yàn)V波，進(jìn)而來(lái)準(zhǔn)確反映出EUT的真實(shí)輻射信號(hào)特性。

圖1　基于空域?yàn)V波的電磁輻射發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試體系Fig 1　Emission field of electromagnetic radiation testing system based on spatial filtering

2基于CS的DOA估計(jì)

CS[7]理論表明:當(dāng)信號(hào)具有稀疏性或可壓縮性時(shí)，通過(guò)采集少量的信號(hào)投影值就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確或近似重構(gòu)[8]。

(1)

式中S僅含有K個(gè)(K?N)個(gè)非零值，此時(shí)稱信號(hào)X是可壓縮的。利用M×N(M?N)維觀測(cè)矩陣Φ對(duì)可壓縮信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，其表達(dá)式為

Y=ΦX=ΦΨZ=ΘS

(2)

式中Φ∈RM×N為測(cè)量矩陣，Ψ∈RN×N為信號(hào)的稀疏表示基矩陣。S∈RN×1為稀疏表示系數(shù)，y∈RM×1為測(cè)量向量，Θ∈RM×N為由測(cè)量矩陣和稀疏表示基矩陣構(gòu)成的字典，也稱之為信息算子。由CS理論可知，如果Θ滿足有限等距性(restricted isometry property，RIP)等稀疏重構(gòu)條件，則可以求解以下L0范數(shù)為題和極高的概率精準(zhǔn)重構(gòu)系數(shù)信號(hào)S。

假設(shè)有K個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)入射到有M個(gè)的任意平面天線的陣列上，第k個(gè)信號(hào)的入射角度為θk。入射信號(hào)的波長(zhǎng)為λ。t時(shí)刻陣列接收的快拍數(shù)據(jù)矢量可以表示為

X(t)=A(θ)S(t)+N(t),t∈{1,2,…,T}

(3)

式中X=[x(1),…,x(T)]T,N=[n(1),…,n(T)]T，A為M×K維的陣列導(dǎo)向矢量矩陣，表達(dá)式為

A=[a(θ1)a(θ2) …a(θK)]

(4)

a(θi)=[e-jωτ1i,e-jωτ2i,…,e-jωτMi]T

(5)

式中ω為入射信號(hào)的中心頻率，τli為第i個(gè)信號(hào)在第l個(gè)陣列位置相對(duì)參考陣元的延時(shí)(波程差)，且ωτli=2π(dxlcosθl+dylsinθi)/λ，(dxl,dyl)為第l個(gè)陣元的位置坐標(biāo)。

輻射信號(hào)的潛在方位按照等角度空間劃分方法，分成均勻的網(wǎng)格,抽樣網(wǎng)格數(shù)量為n，設(shè)第i個(gè)潛在信號(hào)信號(hào)的入射角度為θi，且θi∈[-π,π]，則網(wǎng)格索引為{θ1,θ2,…,θn}，假定每個(gè)方位都對(duì)應(yīng)潛在的信號(hào)si(i=1,2,…,p)，構(gòu)造出一個(gè)n×1維的信號(hào)S=[s1,s2,…,sn]，顯然S中只有k個(gè)位置有非零的元素，其余n-k的位置均為零，由于潛在信源個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際信源個(gè)數(shù)，因此，信號(hào)S是稀疏的[9]。

針對(duì)公式的求解可以采用MOMP算法、MORMP算法、MFOCUSS算法和RMFOCUSS算法等，文獻(xiàn)[10]對(duì)上述集中算法做了分析比較,在同等條件下RMFOCUSS算法比較其他算法恢復(fù)成功率高且誤差小。

本文采用RMFOUSS算法實(shí)現(xiàn)稀疏信號(hào)的恢復(fù)和重構(gòu)[11]，其算法如下

Wk+1=diag(ck[i]1-p/2)

(6)

其中

(7)

(8)

其中

(9)

其中,p的選取與信號(hào)稀疏度有關(guān),p越小表示信號(hào)越稀疏，λ為反映噪聲功率大小的變量，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)λ可以除去部分噪聲。當(dāng)噪聲服從標(biāo)準(zhǔn)正太分布時(shí)，則有λ=σ2，其中，σ2為噪聲的方差。

通過(guò)RMFOCUSS算法可以求出譜估計(jì)公式為

P(θi)=‖S(i,:)‖2,i=1,2,…,L

(10)

3陣列波束控制與零點(diǎn)形成

適應(yīng)波束成形在某種最優(yōu)準(zhǔn)則下通過(guò)自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)權(quán)集尋優(yōu)，它能適應(yīng)各種環(huán)境的變換，實(shí)時(shí)地將權(quán)集調(diào)整到最佳位置附近。

波束形成算法是在一定準(zhǔn)則下綜合各輸入信息來(lái)計(jì)算最優(yōu)權(quán)值的數(shù)學(xué)方法。如表1，這些準(zhǔn)則主要包括最小均誤差(MMSE)準(zhǔn)則、最大信噪比(MSNR)準(zhǔn)則和線性約束最小方差(LCMV)準(zhǔn)則等[12]。

在電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中,由于需要提取EUT輻射信號(hào)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),所以,必須在抑制噪聲干擾的情況下保持期望信號(hào)不失真。上述LCMV準(zhǔn)則在滿足線性約束條件wHα(θ)=1時(shí),可以保證提取的EUT輻射信號(hào)不失真，這種方法也就是最小方法無(wú)畸變響應(yīng)(MVDR)波束形成器。

為了有效抑制干擾，在獲得空間信號(hào)DOA后，采用MVDR準(zhǔn)則確定各陣元的最佳加權(quán)系數(shù)，對(duì)陣列方向圖進(jìn)行綜合，使陣列主波束指向被測(cè)信號(hào)，并在干擾來(lái)向形成零點(diǎn)，盡可能保證被測(cè)信號(hào)不失真，最大化抑制干擾信號(hào)功率。MVDR在期望信號(hào)來(lái)向上增益為1。代價(jià)函數(shù)為J(w)=wHRw,約束條件為wHa(θ)=1。a(θ)為期望信號(hào)的方向相量。令

(11)

求式(11)的梯度并令其為零，得到

(12)

解得其權(quán)重向量為w=λR-1a(θ)

(13)

將式(13)帶入約束條件中求得

(14)

將式(14)帶入式(13)中可以求出最優(yōu)權(quán)重向量為

(15)

4仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)接收陣列為8陣元的均勻線陣，間距為200 m。同時(shí)設(shè)空中有3個(gè)不同的信號(hào)，數(shù)學(xué)形式如下

(16)

信號(hào)的來(lái)向分別為40°，20°，-20°，信噪比為10 dB。

4.1EUT和干擾信號(hào)來(lái)向仿真

通過(guò)經(jīng)典MUSIC和CS算法對(duì)EUT輻射信號(hào)的DOA進(jìn)行Matlab仿真得到實(shí)驗(yàn)結(jié)如圖2。

圖2　MUSIC和CS的DOA估計(jì)結(jié)果Fig 2　DOA estimation results of MUSIC and CS

由圖2可知：MUSIC在存在相干信號(hào)的情況下對(duì)EUT輻射信號(hào)和干擾信號(hào)的測(cè)向結(jié)果出現(xiàn)偏差，而CS-DOA算法可以準(zhǔn)確獲得EUT輻射信號(hào)和干擾信號(hào)的來(lái)向。同時(shí)CS-DOA估計(jì)算法對(duì)陣列結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制，可以運(yùn)用于非均勻限制情況，更加貼近實(shí)際應(yīng)用。

4.2波束成形仿真

采用MVDR準(zhǔn)則通過(guò)Matlab進(jìn)行波束形成仿真得到結(jié)果如圖3。

圖3　MVDR波束形成結(jié)果Fig 3　Result of MVDR beamforming

如圖3所示，陣列空間譜估計(jì)的主波束指向被測(cè)信號(hào)，不僅準(zhǔn)確獲取EUT輻射信號(hào)和干擾信號(hào)的DOA，而且在干擾來(lái)向處形成兩個(gè)極深的“零陷”。

從圖4、圖5和圖6是輸入輸出頻譜對(duì)比，在保證期望信號(hào)失真的情況下，在300 Hz有效抑制噪聲100 dB，在400 MHz的頻譜峰值處與EUT原輻射信號(hào)抑制，該頻率點(diǎn)的相干信號(hào)噪聲基本被抑制，同時(shí)對(duì)其他頻率的高斯噪聲有0～25 dB的有效抑制。

圖4　EUT輻射信號(hào)的頻譜Fig 4　Spectrum of EUT radiated signal

圖5　陣列信號(hào)輸入的頻譜Fig 5　Spectrum of array signal input

圖6　陣列信號(hào)輸出的頻譜Fig 6　Spectrum of array signal output

5結(jié)論

本文提出一種基于CS的虛擬暗室技術(shù)用于解決現(xiàn)場(chǎng)電磁發(fā)射測(cè)量中相關(guān)信號(hào)干擾問(wèn)題。該方法將CS理論、MVDR自適應(yīng)波束形成技術(shù)引入到現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容測(cè)試領(lǐng)域。通過(guò)仿真驗(yàn)證,該方法能夠有效抑制現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試環(huán)境中的干擾信號(hào)，恢復(fù)出的EUT信號(hào)具有較好的保真度。該方法不僅可以應(yīng)用在環(huán)境中存在相干信號(hào)的情況下，亦不受陣列結(jié)構(gòu)限制，測(cè)試陣列可以根據(jù)測(cè)量場(chǎng)地的實(shí)際環(huán)境調(diào)整，在實(shí)際應(yīng)用中更加靈活。

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VirtualdarkchambertestmethodbasedonCS

ZHANGYao-wen，CHENShao-chang

(SchoolofElectronicEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430000,China)

Abstract:In order to filtering out background noise effectively in on-site electromagnetic emission test,virtual dark chamber test method based on compressive sensing(CS)is proposed to solve the problem of failure of algorithm for multiple signal classification(MUSIC)when correlation signals exist in environment.Using theory based on CS to achieve directions of arrival(DOA) of radiation signal of equipment under test(EUT)and other interference signal in environment,and using minimum variance distortionless response(MVDR)bream-forming algorithm for beamforming,so as to effectively suppress interference signal.This method can not only be applied in the presence of coherent signals,but also has more flexible applications without restrictions in array structure. Simulation results prove that the method can suppress interference noise effectively without distortion of character of EUT.

Key words:virtual dark chamber; compressive sensing(CS); beamforming

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0059—04

收稿日期：2015—07—08

中圖分類號(hào)：TM 931

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0059—04

作者簡(jiǎn)介:

章耀文(1992-)，男，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨?/p>