【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数字信号处理与采集领域，具体涉及一种针对电磁环境监测的实时数字频谱仪。
技术介绍
1、宇宙中遥远天体发出的射电信号非常微弱，具有极高灵敏度的fast已经将毫央斯基的弱辐射源纳入自己的观测目标，这不仅要求射电望远镜极其灵敏，也对台址的电磁环境要求极其严格，因此需要对台址的电磁环境进行精心测量。由于无线通信设备的广泛使用，现在电磁干扰更具突发性。传统的超外差频谱仪由于回扫过程中不会捕获数据，在捕捉突发信号、窄脉冲（如雷达信号）时，可能会错过很多信号。
2、要想克服上述不足，需要实时数字频谱仪。数字频谱仪的主要处理步骤包括：adc采样、抗混叠滤波、加窗、fft、频谱展示。为了无缝捕获短时突发信号，实时数字频谱仪需要在进行fft之前进行数据的重叠，以抵消窗函数边缘对信号的压低，一些实时性较高的实时数字频谱仪可以达到超过90%的重叠率。
3、借助于数字余晖技术，实时数字频谱仪将快速变化的频谱压缩以更方便人眼的观察；利用频率模板触发(frequency mask trigger, fmt)，实时数字频谱仪能够捕捉到感兴趣的特定事件。然而，由于瞬态信号的长度较短，其能量有限，当fft长度较长时，瞬态信号会淹没在噪声里；而当fft长度较低时，频谱分辨率又会降低。通用的提高信噪比的方法是对频谱做累加，但是对于瞬态信号这样时间占用度低的信号，并不适合做积分。
4、为了满足专业领域内对频谱监测的需求，当前商业实时数字频谱分析仪的设计更加注重从视觉角度快速识别瞬态信号。这类信号通常具有极短的时间占用度，
5、在射电天文和电磁环境监测等领域，研究人员往往需要更高水平的频谱分辨率来准确区分紧密相邻的信号，并最小化潜在干扰对相邻信道的影响。更高的分辨率意味着可以更精细地解析频谱结构，这对于识别复杂背景下的信号至关重要。此外，对于长期监测应用，频谱统计信息也同样重要。在进行射频干扰缓解时，时间占用度低的信号适合在时域消除，时间占用度高的信号适合在频谱消除，时间占用度分析为此提供了依据。
6、现有的数字实时频谱仪在探测瞬态信号时，无法兼顾高频谱分辨率和高信噪比。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，能够在高频谱分辨率下监测到瞬态信号，同时得到具有高频谱分辨率的时间占用度，从而能够为频谱监测提供更丰富的统计信息。本申请针对国际最新电磁环境监测技术发展需求，实现了基于fpga和gpu平台的实时数字频谱仪设计，其特色在于：
2、1）针对传统实时频谱仪高fft点数下信噪比太低的问题(对瞬态信号做积分无意义)，本专利技术使用分位数信息来对频谱进行平滑。图1（a）~图1（h）是对chime望远镜接收到的一段信号做的分析(设定时长t=33ms，带宽=500mhz，已变频到基带)，fft点数为16k，可以看到分位数对噪声具有很好的平滑作用，99%分位数的信噪比已经明显提高。
3、2）提供时间占用度η的计算。支持动态时间占用度和总观测时间的时间占用度的分析，为频谱管理和射频干扰缓解提供了宝贵的参考信息。注意不同分位数的噪声功率是不同的，因此在计算η时，需要为不同的分位数q设置不同的基线和不同的阈值。
4、3）支持450mhz的实时分析带宽，使用14bit 的数据动态范围满足更多观测需求。
5、4）支持对每次信号采集时长的设定，设定时长的范围是20ms~300ms。
6、本申请的技术方案为：
7、一种针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，包括
8、adc采样模块1，用于对将目标区域的电磁波变频到基带后的射频信号进行采样，并将采样信号传输给抗混叠滤波模块2；
9、抗混叠滤波模块2，用于对收到的采样信号进行抗混叠滤波后发送给加窗模块3；
10、加窗模块3，用于对抗混叠滤波模块2输出的数据进行一维卷积，获得设定重叠率的数据并将其发送给fft模块4；
11、fft模块4，用于对加窗模块3输出的数据进行计算，得到多段频谱并分别发送给转置模块6和频谱叠加模块5；
12、频谱叠加模块5，用于对收到的频谱进行累加，得到设定时长内的频谱的均值并发送给数据传输模块9；
13、转置模块6，用于对收到的频谱进行转置，使得待排序数据在显存上连续，将转置后的频谱发送给排序模块7；
14、排序模块7，用于对转置后的频谱进行分段基数排序，将排序后的频谱发送给时间占用度计算模块8，将每个频率的峰值、所选分位数q、中值发送给数据传输模块9；
15、时间占用度计算模块8，用于对排序后的频谱进行处理，得到该设定时长内频谱的时间占用度；将与上一次计算的总观测时间内频谱的时间占用度加权平均得到更新后的，然后将和发送给数据传输模块9并保留更新后的；总观测时间内频谱的时间占用度的初始值为多个设定时长历史频谱的时间占用度的平均值；
16、数据传输模块9：将从频谱叠加模块5、排序模块7、时间占用度计算模块8得到的频谱统计数据传输到主机端的共享内存里，供数据存储模块10和频谱展示模块11使用；
17、数据存储模块10，用于将所述共享内存里的频谱统计数据存为fits格式；
18、频谱展示模块11，用于读取所述共享内存里的数据，对该目标区域的电磁波频谱进行实时展示；
19、基线和阈值计算模块12，用于为不同分位数q计算不同的基线和阈值并发送给时间占用度计算模块8。
20、进一步的，基线和阈值计算模块12为不同分位数q计算不同的基线和阈值的方法为：在设置好fft的点数后，采集一段时长的信号并将其划分为n段数据，每段数据长为设定时长；对每段数据分别计算频谱幅度的分位数q，对于每一分位数q，计算其在该n段数据里的均值μq和标准差σq；然后从均值μq提取当前分位数q对应的均值基线，对标准差σq提取基线得到当前分位数q对应的标准差基线。
21、进一步的，所选分位数q为90%分位数，阈值=。
22、进一步的，所述时间占用度的计算方法为：获取一段时间内的n幅频谱，对于频谱中的每个频点，如果该n幅频谱中有nr幅频谱在该频点超过了设定的阈值，则该频点的时间占用度。
23、进一步的，所述fft模块4得到的多段频谱的存储方式为：将每一条频谱存储为一行，总行数是设定时长的总频谱条数；将同一频点存储为一列，同一列中的频点频率相同但时间不同。
24、进一步的，每一行的长度为fft点数/2。
25、进一步的，所述设定时长为20ms~300ms。
26、进一步的，所述fft模块4利用cufft库函数计算加窗模块3输出的数据，得到多段频谱。
27、进本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，基线和阈值计算模块（12）为不同分位数Q计算不同的基线和阈值的方法为：在设置好FFT的点数后，采集一段时长的信号并将其划分为N段数据，每段数据长为设定时长；对每段数据分别计算频谱幅度的分位数Q，对于每一分位数Q，计算其在该N段数据里的均值μQ和标准差σQ；然后从均值μQ提取当前分位数Q对应的均值基线，对标准差σQ提取基线得到当前分位数Q对应的标准差基线。
3.根据权利要求2所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所选分位数Q为90%分位数，阈值=。
4.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述时间占用度的计算方法为：获取一段时间内的N幅频谱，对于频谱中的每个频点，如果该N幅频谱中有Nr幅频谱在该频点超过了设定的阈值，则该频点的时间占用度。
5.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述FFT模块（4）得到的多段频谱的存储方式为：将每一条
6.根据权利要求5所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，每一行的长度为FFT点数/2。
7.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述设定时长为20ms~300ms。
8.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述FFT模块（4）利用CUFFT库函数计算加窗模块（3）输出的数据，得到多段频谱。
9.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述数据存储模块（10）利用cfitsio库函数将所述共享内存里的频谱统计数据存为fits格式，数据格式为float32。
10.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述频谱展示模块（11）利用PyQt绘制的界面读取所述共享内存里的数据，对频谱进行实时展示。
...【技术特征摘要】
1.一种针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，基线和阈值计算模块（12）为不同分位数q计算不同的基线和阈值的方法为：在设置好fft的点数后，采集一段时长的信号并将其划分为n段数据，每段数据长为设定时长；对每段数据分别计算频谱幅度的分位数q，对于每一分位数q，计算其在该n段数据里的均值μq和标准差σq；然后从均值μq提取当前分位数q对应的均值基线，对标准差σq提取基线得到当前分位数q对应的标准差基线。
3.根据权利要求2所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所选分位数q为90%分位数，阈值=。
4.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述时间占用度的计算方法为：获取一段时间内的n幅频谱，对于频谱中的每个频点，如果该n幅频谱中有nr幅频谱在该频点超过了设定的阈值，则该频点的时间占用度。
5.根据权利要求1所述的针对电磁环境监测的实时数字频谱仪，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨杭，李建斌，刘东亮，郭元旗，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：
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