干擾源辨識(shí)技術(shù)在電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用研究

李京印

（北京航空航天大學(xué)，北京，100083）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的不斷研發(fā)與應(yīng)用帶動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展，向電磁設(shè)備提出了更高的要求，如今，電磁設(shè)備的設(shè)計(jì)與功能更加完善，同樣，電磁系統(tǒng)也變得相當(dāng)復(fù)雜。為控制設(shè)備的體積，需要將各種儀器和部件安裝在一個(gè)很小的空間中，由于距離太近，很容易產(chǎn)生電磁兼容性問題。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是檢測(cè)電磁兼容性的重要方法，干擾源辨識(shí)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)確性，為電磁兼容性能檢測(cè)和改進(jìn)。因此，對(duì)電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的干擾源辨識(shí)技術(shù)的分析與研究是推動(dòng)電磁設(shè)備發(fā)展的必要環(huán)節(jié)[1]。

1 電磁兼容測(cè)試概述

1.1 電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的區(qū)別

不同于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是指設(shè)備或系統(tǒng)因無法在標(biāo)準(zhǔn)的暗室中完成而在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的電磁兼容測(cè)試。二者在測(cè)試環(huán)境、測(cè)試設(shè)備、測(cè)試目的等方面有著較大區(qū)別，電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通常是在系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，而沒有在標(biāo)準(zhǔn)的暗室或者半電波暗室中完成，那么測(cè)試時(shí)接受檢測(cè)的設(shè)備就相應(yīng)不同，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的對(duì)象是單個(gè)設(shè)備或者分系統(tǒng)，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以對(duì)單個(gè)設(shè)備、成組設(shè)備甚至整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試必須通過LISN供電，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以采用電網(wǎng)供電、交流供電以及蓄電池供電多種供電方式；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試在測(cè)試項(xiàng)目上需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的靈活性就較強(qiáng)，主要根據(jù)客戶的定制需求進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)試；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果只能用于單個(gè)設(shè)備或分系統(tǒng)的產(chǎn)品鑒定與選擇上，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)或結(jié)果可反映出系統(tǒng)的電磁兼容性能，同時(shí)為任務(wù)系統(tǒng)的故障診斷和性能評(píng)估提供參考依據(jù)。

1.2 電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作用

電磁兼容測(cè)試在產(chǎn)品的研發(fā)與使用階段中大概包括預(yù)兼容測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在產(chǎn)品研發(fā)的初始過程中，采用預(yù)兼容測(cè)試，多次進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試和評(píng)定，以便針對(duì)測(cè)試結(jié)果及時(shí)地調(diào)整設(shè)計(jì)，提升電磁兼容性能。產(chǎn)品研發(fā)完成以后，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)定型，采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，對(duì)產(chǎn)品電磁兼容性能進(jìn)行認(rèn)證。在產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的使用階段也要進(jìn)行電磁兼容性評(píng)估，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試產(chǎn)品在上裝狀態(tài)下的電磁兼容性。對(duì)于大型的設(shè)備或系統(tǒng)的故障檢測(cè)和電磁兼容性評(píng)定，使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的檢測(cè)方式是較為合適的。不僅如此，在現(xiàn)實(shí)的使用中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試幾乎可以用來檢測(cè)產(chǎn)品研發(fā)與制造的各個(gè)階段中的電磁兼容性，其是電磁兼容測(cè)試中不可或缺的一種檢測(cè)方式，而且，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試具有較高的靈活，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化檢測(cè)，針對(duì)一些客戶定制的產(chǎn)品，具有較高的應(yīng)用性。電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，是對(duì)電子設(shè)備電磁兼容性能的最終評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)和結(jié)果，也是生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的有力反饋，可為電子設(shè)備的電磁兼容問題提供建議，以更好地提升電子產(chǎn)品電磁兼容性能[2]。

2 干擾源辨識(shí)技術(shù)在電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用

2.1 小波消噪技術(shù)

在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，環(huán)境中存在很多干擾，小波消噪技術(shù)常被用來消除噪聲，以提升干擾源的辨識(shí)精確性。利用頻譜儀來收集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)數(shù)據(jù)，其中包含有用的信號(hào)、電子設(shè)備內(nèi)部噪聲以及來自外界環(huán)境的噪聲。小波消噪技術(shù)利用噪聲與信號(hào)的小波系數(shù)尺度性質(zhì)不同這一特點(diǎn)，將含噪信號(hào)進(jìn)行特征提取處理和取舍，經(jīng)低通濾波將噪聲去除，之后與原本的各信號(hào)特征重新構(gòu)成信號(hào)，從而達(dá)到去除信號(hào)中噪聲的目的，確保電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得數(shù)據(jù)與結(jié)果的準(zhǔn)確性。小波消噪技術(shù)在電磁兼容性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用流程，如圖1所示。

圖1 小波消噪技術(shù)的應(yīng)用過程

2.2 包絡(luò)和延拓處理技術(shù)

電子設(shè)備種類很多，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的環(huán)境也不確定，因此，在進(jìn)行電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，很有可能會(huì)得到不盡相同的輻射特性曲線，經(jīng)小波消噪技術(shù)去噪之后的測(cè)試曲線，在曲線峰值兩側(cè)一定區(qū)間內(nèi)信號(hào)的分布仍有些復(fù)雜，對(duì)干擾源辨識(shí)造成影響。因此，進(jìn)行包絡(luò)處理使得電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的曲線更加順滑、流暢，以減輕干擾源辨識(shí)難度。以上兩種技術(shù)應(yīng)用以后會(huì)出現(xiàn)底部噪聲大于原始噪聲的現(xiàn)象，此時(shí)，需要對(duì)經(jīng)包絡(luò)處理后的電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行延拓處理，將噪聲處理成干擾源辨識(shí)所需大小[3]。

2.3 峰值特征提取

在測(cè)試數(shù)據(jù)中，峰值信號(hào)的頻率、幅值是判定干擾、去除干擾源的重要依據(jù)。主要通過測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)左右兩側(cè)的單調(diào)性來判定峰值的存在。只有當(dāng)電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)的左側(cè)為單調(diào)遞增，同時(shí)右側(cè)為單調(diào)遞減的情況下才是峰值點(diǎn)，其他情況不是峰值點(diǎn)。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，用于收集信號(hào)的頻譜儀底部噪聲信號(hào)較多，如果不去除，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試準(zhǔn)確性，無法完成提取干擾信號(hào)峰值的任務(wù)，因此，再進(jìn)行峰值提取流程時(shí)，需要加上去除頻譜儀底部噪聲的檢測(cè)步驟，通過一定范圍內(nèi)的最小值來確定噪聲閾值，峰值提取流程圖如圖2所示，只有大于噪聲閾值的信號(hào)才能進(jìn)行接下來的峰值提取，小于噪聲閾值的信號(hào)被舍棄掉，這樣可有效提升辨識(shí)干擾源的精確性。

圖2 峰值提取流程圖

2.4 相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)

在電子設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，不同干擾源之間存在一定聯(lián)系，將某種關(guān)系和表現(xiàn)進(jìn)行定量的描述就是相關(guān)系數(shù)的作用，相關(guān)系數(shù)是相關(guān)程度的量值，通過對(duì)數(shù)值的分析，就能判定出兩個(gè)變量之間有沒有相互關(guān)聯(lián)的影響。電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得二維數(shù)據(jù)，通常是干擾源辨識(shí)技術(shù)中用以表示相似程度的結(jié)果。對(duì)原始相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，就能夠判斷出測(cè)試曲線整個(gè)頻段的相似程度。上文提到，峰值信號(hào)是干擾源辨識(shí)技術(shù)所需的重要數(shù)據(jù)，因此，峰值信號(hào)的相似度也是電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的重要數(shù)據(jù)，為提升干擾源辨識(shí)技術(shù)的應(yīng)用性，需要以峰值相關(guān)系數(shù)作為另一依據(jù)，以提升干擾源辨識(shí)能力，找到最精確的干擾源，為電磁兼容性問題解決提供數(shù)據(jù)支持和實(shí)踐指導(dǎo)[4]。

3 電磁兼容整改措施

3.1 確定電磁兼容的調(diào)整方向

在調(diào)整電磁兼容性能方面主要通過減弱干擾源和減小耦合量等方式，以改進(jìn)電子設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性能。對(duì)設(shè)備之間可能產(chǎn)生的電磁干擾來源和控制方式進(jìn)行分析，減少干擾源的產(chǎn)生或者降低二者之間的影響，以提升電磁兼容性。另外，線間耦合也是造成干擾的重要因素，需要在耦合路徑上進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)低頻耦合，可增大電路間距，追加高導(dǎo)電性屏障罩等，針對(duì)高頻耦合，盡量縮短接地線、防止輸入輸出線間耦合等，在調(diào)整過程中，可進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以便及時(shí)進(jìn)行有效的改進(jìn)，保證電磁設(shè)備高效運(yùn)行的同時(shí)具備較好的電磁兼容性。

3.2 選擇合理的整改方法

電磁兼容整改的前提是電磁設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理、完整，需要全面了解設(shè)備內(nèi)部的組成、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行情況，對(duì)產(chǎn)品的基礎(chǔ)零部件、儀器有較高的掌握，確保電磁設(shè)備的運(yùn)行符合相關(guān)規(guī)范與國家標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行電磁兼容性的改進(jìn)，降低干擾的產(chǎn)生和影響力，通常電磁兼容性影響因素包含電機(jī)設(shè)備、電氣設(shè)備、整流器等各設(shè)備運(yùn)行造成的彼此之間的干擾，設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、空間等也都非常重要。整體設(shè)備系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以辨別彼此之間的電磁干擾，可采用逐一斷電的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，檢查出各項(xiàng)設(shè)備的功率干擾情況，就可有針對(duì)性地進(jìn)行相應(yīng)的措施減小或去除電磁干擾問題[5]。

3.3 選擇金屬外殼

很多人錯(cuò)誤地認(rèn)為，塑料材料相比于金屬材料可避免一些電磁兼容問題，其實(shí)不然，例如，鑄鋁材質(zhì)的金屬外殼相比與塑料就能夠更好屏蔽外界環(huán)境中的電磁波以防其對(duì)電磁設(shè)備的正常運(yùn)行造成較大干擾。針對(duì)電場(chǎng)屏蔽，選材的時(shí)候，盡量選擇高導(dǎo)電性能的材料，并進(jìn)行良好接地。磁屏蔽時(shí)，可選用鐵磁性材料，磁屏蔽體要遠(yuǎn)離帶磁性的元件，避免短路。在實(shí)際的改進(jìn)過程中，通常將金屬外殼直接連接到過濾電容上，也可以起到和軟鋁外殼相同的防護(hù)效果。

4 結(jié)語

電磁兼容性是電磁設(shè)備檢測(cè)中不可忽略的環(huán)節(jié)，其關(guān)乎到設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量和運(yùn)行效率，對(duì)于大型、復(fù)雜的電磁設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是較為合適的電磁兼容性檢測(cè)方式，通過對(duì)小波消噪技術(shù)、包絡(luò)和延拓處理技術(shù)、峰值特征提取、以及相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)等技術(shù)的應(yīng)用，可提升干擾源辨識(shí)精確度，其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果可作為電磁兼容整改的參考依據(jù)，通過對(duì)干擾源的控制，可促進(jìn)電磁設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。