基于电磁时间反演的脉冲电磁辐射源定位关键技术研究

Recently, there has been a growing interest in the time-reversal technique and its application in the location of a pulsed electromagnetic radiation source, which may hopefully offer a new location method different from the traditional magnetic direction finding method and time-of-arrival method. Aiming at two key problems, namely, the disturbance caused by multipath transmission of pulsed electromagnetic radiation source and the simultaneous location of multiple pulsed electromagnetic radiation sources, this project will focus on applying the time-reversal technique in the location of pulsed electromagnetic radiation sources in free space and develop as well as improve the new location model and algorithm by combining the theoretical derivation, simulated analyses and experimental verification together, which should facilitate the application of the electromagnetic time-reversal technique in location. First, the multiple electromagnetic norm characteristics and the criterion of its application in the spatial location focus will be studied, then with the method of eigenvalue decomposition iterations and subspace decomposition, several location models of the multiple pulsed electromagnetic radiation source will be set up and tested experimentally. A sub-nanosecond electromagnetic pulse radiation system based on an impulse radiating antenna will also be developed for the validation of the proposed location model. The project will verify and improve the location performance of the theoretical model by analyzing the dependency between the parameters (number of antennas, polarization states, etc.) and the location accuracy. The research results of this project will have potential application value in the lightning monitoring, partial discharge diagnosis, radiation source detection for large pulsed power equipment, and intentional electromagnetic interference (IEMI) location.

近年来，时间反演技术及其在脉冲电磁辐射源定位中的应用得到越来越多关注，有望提供一种区别于传统的磁场测量定向和时差测量定距之外的定位新方法。本项目围绕电磁时间反演及其在空间脉冲电磁辐射源的定位应用，针对脉冲电磁辐射源多径传播引入的干扰和多个脉冲电磁辐射源的同时定位两个关键问题，通过理论推导、仿真分析和试验验证相结合，提出和完善定位新模型和新算法，促进电磁时间反演技术的定位应用。重点研究多个电磁范数特征量及其应用于空间定位聚焦的判据；采用特征值分解迭代和子空间分解的方法，建立多个脉冲电磁辐射源的定位模型并进行试验验证；研制基于脉冲辐射天线的亚纳秒电磁脉冲辐射系统，开展理论模型的定位性能验证，研究天线数量、极化状态等参量与定位精度的依赖关系，优化和完善理论模型。项目理论研究成果在雷电监测、局部放电诊断、大型脉冲功率装置辐射源排查和有意电磁干扰（IEMI）定位等领域具有潜在的应用价值。

脉冲电磁辐射源的探测和定位技术研究在雷电定位、室内定位、局部放电监测和有意电磁干扰（Intentional Electromagnetic Interference，IEMI）辐射源定位及传输线故障定位等领域具有重要的应用价值。辐射源定位领域中，传统的无源定位方法在面临多径干扰、混合信号中的多源定位以及某些辐射源带来的强方向性辐射特性等问题时，由于提取准确时间差、角度差等有用信息的难度增大，容易出现误判导致定位失败。同时，传输线及其网络中的故障定位方法存在波形奇异点难以提取、直达信号与折反射信号辨识困难等问题导致行波到达时间难以判断。电磁时间反演(Electromagnetic Time Reversal, EMTR)作为一种基于信号全波形测量及反演计算的信号处理新方法，在目标成像、雷电定位、传输线故障定位等多个领域得到了快速发展。已有研究成果表明该方法在复杂环境中具有较强的抗噪性、高分辨性等独特优势，可实现时间和空间的双重聚焦，有望提供一种区别于传统方法之外更为精准的新型电磁辐射源和传导源的定位方法。因此本项目围绕电磁时间反演方法及其在空间脉冲电磁辐射源、传输线故障定位的应用中开展了研究。在空间电磁辐射源定位方面，首先针对自由空间中辐射方向性较强的辐射源的定位问题，建立了基于能量判据的时间反演定位模型；针对多径干扰下的辐射源定位，提出了基于相关性判据的时间反演算法，在此基础上，提出了针对多个辐射源的相关性定位算法，提高了混合信号中多源的定位精度。在传输线故障定位方面，本项目将范数理论用于 EMTR 故障定位的判据分析，研究了2-范数（能量）和∞-范数（峰值）判据，并进行了对比分析。针对复杂多分支传输线网络，研究了基于频域传递函数相关性的故障定位方法，研究表明该方法可消除传输线网络中损耗和分支点导致的定位误差，可以有效处理传输线网络中分叉点数目较多的定位难题,，并且开展了基于真实 10kV 架空配电线路的故障模拟试验，验证了 EMTR 方法在真实线路中应用的有效性。