（电磁场与微波技术专业论文）受电磁干扰的人脸图像检测与识别方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕七学位论文 摘要 人脸检测与识别的研究因其在身份验证、罪犯识别、视频会议、智能 监控等很多方面的广阔应用前景而成为当前图像处理与模式识别领域的一 个重要研究课题。本文主要研究受电磁干扰的人脸图像检测与识别方法。 本文介绍了人脸检测与识别技术研究的背景和现状，对目前常用的一 些人脸检测与识别算法进行了总结，指出了受电磁干扰的人脸图像检测与 识别的特殊性。 首先阐述了电磁干扰理论，介绍了电磁干扰来源，电磁干扰危害和电 磁干扰形成的必备条件，并分析了电磁干扰源的种类和特性，详细研究了 辐射干扰和传导干扰的分析方法。 其次分析了电磁干扰图像的产生，并建立了电磁干扰图像的噪声模型， 研究了小波的理论。分析了小波的特点、性质，在此基础上研究了小波变 换在电磁干扰图像去嗓中的应用，并进行了实验分析。 在去噪后的图像基础上进行人脸检测，提出了基于小波和模板的人脸 检测算法，首先对图像进行小波变换，取其低频子图系数后设置闽值，生 成若干个二值化的候选区域，对模板进行旋转伸缩变换，再与原图候选区 域进行匹配。该方法能在复杂背景下快速的检测入脸，并且不受人脸旋转 角度的影响。 在人脸识别部分，本文在原有的特征脸方法基础上进行了改进，针对 特征脸方法只能识别标准正面人脸的局限性，设计了前端处理模块，利用 o r l 人脸库和自建人脸库进行仿真实验，实验结果表明，本识别系统误识 率低，具有实用性。 关键词：人脸检测；人脸识别：电磁干扰；小波变换：模板匹配；特征脸 哈尔滨r 群人学硕十学付论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di ni d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n , c r i m i n a li d e n t i t y , v i d e om e e t i n g ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n ds oo n ，f a c ed e t e c t i o n a n df a c er e c o g n i t i o nh a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c hp r o b l e mi ni m a g et r e a t m e n t a n dp a t t e mm c o g n i t i o n i nt h et h e s i s ，t h em e t h o d so ff a c ed e t e c t i o na n d r e c o g n i t i o nf r o mi m a g e si n c l u d i n gt h ee l e e t r o m a g n e t i ei n t e r f e r e n c ea r em a i n l y r e s e a r c h e d t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sb a c k g r o u n da n dp r e s e n ts t a t u so ff a c ed e t e c t i o n a n df a c er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , s u m m a r i z e st h em e t h o d so ff a c ed e t e c t i o na n d f a c er e c o g n i t i o n ，a n dp o i n to u tt h ep a r t i c u l a r i t yo ff a c ed e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o n i nt h ee n v i r o n m e n to fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e f i r s t l y , t h et h e o r ya n dt h e s o u r c eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei s a n a l y z e d ，t h e k i n da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei s e x p o u n d e d ，t h em e t h o d so fr a d i a t ei n t e r f e r e n c ea n dc o n d u c ti n t e r f e r e n c e i s r e s e a r c h e d s e c o n d l y , t h es o u r c eo fi m a g en o i s e ，w h i c hi si n t e r f e r e db yt h ee l e c t r o = m a g n e t i c ，i sa n a l y z e d ，a n dt h em o d e lo f n o i s ei se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h eb a s i c t h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o r m 趣r e s e a r c h e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e t t r a n s f o r mi sa n a l y z e d i ti sr e s e a r c h e do nw a v e l e t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d so f i m a g ed e n o s i n gi ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h er e s u l t sa r ea n a l y z e dt h r o u g h e x p e r i m e n t t h ef a c ed e t e c t i o ni si np r o g r e s sb a s e do nt h ei m a g ew h i c hh a sb e e n d e n o i s e d am e t h o df o rf a c ed e t e c t i o nw a sp r o p o s e du s i n gb o t hw a v e l e t t r a n s f o r ma n dt e m p l a t em a t c h i n g f i r s tu s ew a v e l e tt r a n s f o r m ，t h e ns e tr e g i o n v a l u ea f t e rg e t t i n gl o w - f r e q u e n tc o e f f i c i e n t ，t h e nc o m ei n t ob e i n gs o m ei n q u i r e 哈尔滨r 程大学硕七学付论文 r e g i o ni n t w ov a l u e t h e nc i r c u m g y r a t et r a n s f o r ma n df l e xt r a n s f o r mf o r t e m p l a t e ，l a s t l yt e m p l a t ea n di n q u i r er e g i o na r em a t c h e d t h i sm e t h o dh a sh i 曲 s p e e di nc o m p l e xb a c k g r o u n d ，a n dn oi n f l u e n c ew h e nf a c ec i r c u m g y m t e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t ei t se f f e c t i v e n e s s t h ee i g e n f a c em e t h o dh a sb e e ni m p r o v e di nt h er e c o g n i t i o np r o c e s s d u e t ot h el o c a l i z a t i o nt h a to n l yr e c o g n i z cs t a n d a r da n do b v e r s ef a c e su s i n g e i g e n f a c e s a n t e r i o rd i s p o s em o d u l ew a sd e s i g n e d t h ef a c er e c o g n i t i o n e x p e r i m e mw i t ht h eo i uf a c ed a t a b a s e ss h o w st h a ta l g o r i t h mi sf a s ta n dt h e r e c o g n i t i o ni n a c c u r a c yo fs y s t e mi sl o wa n dg o o de f f e c t k e yw o r d s ：f a c ed e t e c t i o n ；f a c er e c o g n i t i o n ；e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；t e m p l a t em a t c h i n g ；e i g e n f a c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： i s 期：训刀年1 月阳日 哈尔滨i 军大学硕十学t 7 ：论文 薯嗣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 盲i i i 葺酋i i i i i i i i 1 1 1 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 人脸检测与识别涉及图像处理、模式识别、生理学、心里学、认知科 学等许多领域，与基于其它生物特征的身份鉴别方法以及计算机人机感知 交互领域都有密切联系，而且随着安全系统的迫切需求，它的研究变得越 来越迫切。 目前美国、英国等许多国家有大量的研究组从事人脸检测和识别的研 究，这些研究受到军方、警方及大公司的高度重视和资助，美国军方每年 还专门组织人脸识别比赛以促进这一领域的发展。在国内，也有许多学校 和单位从事人脸检测与人脸识别相关的研究。近几年来，国内外的文献中 所涉及的人脸检测算法已经有很多种，许多重要的国际会议和期刊也都涉 及到人脸检测研究论题。 但早期的人脸检测与识别仅仅局限在无噪声的正面人脸图像检测与识 别，而在现实的图像采集过程中，图像常受到成像设备与外部电磁干扰等 影响，近年来还发现一些恐怖分子和违法犯罪分子使用电磁工具对安检采 集系统和通信设施进行电磁干扰，导致采集电路的电子元件引起噪声【l 】，图 像输入、采集的噪声是个十分关键的问题，若输入伴有较大的噪声，必然 影响处理全过程及输出结果。此时普通的人脸检测方法误检率很高，因此 有必要研究受电磁干扰的人脸图像检测与识别。 1 2 人脸检测与识别概述 人脸识别( f a c er e c o g n i t i o n ) 是指对于输入的人脸图像或者视频，首先判 断其中是否存在人脸，如果存在人脸，则进一步给出每个人脸的位置、大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 小和各个主要面部器官的位置等信息，并依据这些信息，提取每个人脸中 所蕴含的身份特征，并将其与已知人脸库中的人脸进行对比，从而识别每 个人脸的身份。 最初人脸研究主要集中在人脸识别领域，而且早期的人脸识别算法都 是在认为已经得到了一个正面人脸或者人脸很容易获得的前提下进行的1 2 j 。 但是随着人脸应用范围的不断扩大和开发实际系统需求的不断提高，这种 假设下的研究不再能满足需求3 4 l 。人脸检测开始作为独立的研究内容发展 起来。 人脸检；濒q ( f a c ed e t e c t i o n ) 是指对于任意一幅给定的图像，采用一定的策 略对其进行搜索以确定其中是否含有入脸，如果是刚返回人脸的位置、大 小和姿态。入脸检测研究具有重要的学术价值。 目前，国内外的文献中所涉及的人脸检测算法已经有很多种，许多重 要的国际会议和期刊也都涉及到人脸检测问题。人脸检测开始广泛应用到 全新人机界面、基于内容的检索、数字视频处理、视觉监测等许多领域。 1 3 人脸检测与识别的研究现状 1 3 1 人脸检测的研究现状 人脸检测作为人脸识别的关键的第一步，具有一定的难度和复杂性。 早期主要是在特定的环境下获得人脸( 其应用背景主要是人脸鉴别) ，这使 得人脸的检测相对比较容易，并未受到重视。近几年随着电子商务等应用 的发展，人脸识别成为最有潜力的生物身份验证手段，这种应用背景要求 自动人脸识别系统能够对一般环境图像具有一定的适应能力，由此所面临 的一系列问题使得人脸检测受到研究者的重视，目前，国外对人脸检测问 题的研究很多，比较著名的有m i t 、c m u 等；国内的清华大学1 5 母l 、北京工 业大学1 0 1 、中科院计算所【1 1 1 等都有人员从事人脸检测相关的研究。随着人 脸检测研究的深入，国际上发表的有关论文数量也大幅度增长，如i e e e 的 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 f g ( i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na u t o m a t i cf a c ea n dg e s t u r e r e c o g n i t i o n ) 、i c i p ( i n t e m m i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g ep r o c e s s i n g ) 、c v p r ( c o n f e f e n c eo n c o m p u t e r v i s i o na n d p a t t e m r e c o g n i t i o n ) 等重要的国际会议 上每年都有大量关于人脸检测的论文，占有关人脸研究论文的近1 3 之多。 下面概要地的总结一下现有的几种重要的人脸检测方法。 1 3 1 1 基于知识的人脸检测 基于知识的方法一般指将研究者对人脸的了解表达为计算机可理解的 规则，并用这些规则对待检人脸进行提取并验证【1 2 j 。这些规则的表述主要 是关于人脸特征以及人脸特征之间的简单关系。例如，通常图像中的人脸 总是对称分布，两只眼睛一个鼻子以及一张嘴，并且它们的位置关系相对 固定。般地，首先从输入图像中抽取面部特征，然后对所获得的候选人 脸运用这些规则提取候选人脸，最后通常需要一个验证过程来减少误检率。 1 3 1 2 基于外观的人脸检测方法 这种方法遵循一种统一的模式，即首先通过学习，在大量训练样本集 的基础上建立一个能对人脸和非人脸样本进行正确识别的分类器，然后对 被检测图像进行全局扫描，用分类器检测扫描到的图像窗口是否包含人脸。 若有，则给出人脸所在的位置。 采用这种检测模式的理论依据是：人脸具有统一的结构模式( 都是由 眉毛，眼睛，鼻子和嘴唇等人脸器官构成) ，如果把所有的图像集看作一 个高维线性空间，那么整个人脸图像集仅对应于其中的某个子空间。于是 可以通过检验待测图像窗口是否落在这个子空间中来判断其是否为人脸。 采用这种方法进行人脸检测的例子有s u n g 和p o g g i o 【1 3 】提出的基于样本学习 的人脸检测方法，r o w l y 1 4 , 1 5 , 1 6 等实现的基于神经网络的方法，p a u lv i o l a 和 m i c h a e lj o n e s 提出的基于a d a b o o s t 的人脸检测算法等等。 1 3 1 3 基于特征的人脸检测方法 基于特征的人脸检测方法【ls l 将人脸视为显著器官的组合，通过不同的 方法，检测出不同的人脸面部特征的位置，然后根据它们之间的空间几何 哈尔滨t 程人学硕士学仲论文 关系来定位人脸：或者根据人脸所固有的不变的特性，如轮廓规则、肤色、 纹理规则等，通过检测是否满足这些规则来检测、定位人脸。这一类方法 主要有基于肤色的人脸检测【1 9 】( 包括多个彩色空间) 、基于局部特征的人脸 检测f 2 们、基于多个特征综合的检测方法等。 1 3 1 4 基于模板的人脸检测方法 所谓基于模板( t e m p l a t e - b a s e d ) 的方法，是指从构造人脸或菜个面部 器官的模板( 模型) 出发，通过各种模板搜索与匹配算法，结合对于模板 参数的调整，达到检测和定位的目的。模板匹配方法通常是基于特征的方 法的进一步确认。 早期的基于模板匹配 2 1 l 的方法是这样做的：首先建立一个标准的人脸 模板，由包含局部人脸特征的予模板构成，然后对一幅输入图像进行全局 搜索，对应不同尺度大小的图像窗口，计算与标准人脸模板中不同部分的4 相关系数，通过预先设置的阈值来判断该图像窗口中是否包含人脸。这种 简单模板匹配的方法易于实现，但是也存在着缺点：图像噪声对检测结果 影响很大，因此需要对输入图像作适当的预处理，丽且模板的大小是人为 设定的，因此不能动态检测眼睛等器官的位置。 1 3 2 人脸识别的研究现状 人脸识别技术研究开始于上世纪六十年代，但由于受技术条件的限制， 发展缓慢，因而在最初的二三十年里关于这个课题只有少量的论文出现。 八十年代开始，随着计算机技术及图像处理和模式识别技术的发展，人脸 识别技术受到很大重视并得到了进一步的发展。 进入九十年代以后，由于备方面对人脸识别系统的迫切需求，人脸识 别的研究交得热门起来。近年来，关于人脸识别的研究获得了很多机构的 重视和资助，国际上发表有关论文的数量也大幅增长。 目前国外在人脸识别方面的研究己经从实验室迈向实用产品了。比如 丹麦飞机场的安全检查系统中就已经启用了电子眼：美国在“9 1 l ”恐怖袭击 4 哈尔滨r 程丈学硕十学位论文 以后，在这方面也是给予了前所未有的重视。不仅是机场，很多主要的公 共场所都有这样的“电子眼”系统。 国内这方面的研究这几年也是硕果累累。其中代表性的成果有中科院 计算所的“面像检测与识别核心技术”。该课题研究始于1 9 9 4 年。目前己经 在人脸检测、面部特征提取、人脸识别与确认等核心技术方面达到了国际 领先水平。 但是我们也应该看到，不论是国际上的还是国内的研究成果与真正的 实用还距离甚远，特别是从系统和识别策略优化与组合方面的研究还只是 起步阶段。人脸识别技术走向应用还需要我们长期艰苦的努力。 这里主要介绍几种常用的人脸识别方法。 1 3 2 1 基于特征脸的方法 对人脸识别技术影响最大的是特征脸技术。t l l r k 和p e n t l a n d 提出特征脸 的方法 2 2 1 ，它根据一组人脸训练图像构造主元子空间，由于主元具有脸的 形状，也称为特征脸。识别时将测试图像投影到主元子空间上，得到一组 投影系数，和各个已知人的人脸图像进行比较进行识别。 特征脸技术主要是利用样本集合整体散射来评估转换算子，但是考虑 到整体散射包含了样本集合中类间散射和类内散射，应该尽量降低类内散 射，增大类间散射，即不同类样本尽可能远，同类样本尽可能近。所以 b e l h u m e u r 2 3 】提出了特征脸的改进方法f i s h e f f a e e 方法。 特征脸方法简单，识别速度快，但由于它本质上依赖于训练集和测试 集图像的灰度相关性，而且要求测试图像与训练集比较像，所以它有着很 大的局限性。 1 3 2 2 基于几何特征的人脸识别方法 这类识别方法将人脸用一个几何特征矢量表示，用模式识别中的层次 聚类的思想设计分类器达到识别目的，这就要求选取的几何特征矢量具有 一定的独特性，能够反映不同人脸之间的差别，同时又具有一定的弹性， 以消除时间跨度、光照等的影响。几何特征矢量是以人脸器官的形状和几 哈尔滨丁程大学硕十学付论文 何关系为基础的特征矢量，其分量通常包括人脸指定两点间的欧氏距离、 曲率、角度等。常采用的几何特征有人脸的五官如眼睛、鼻子、嘴巴等的 局部形状特征，脸型特征以及五官在脸上分布的几何特征。提取特征时往 往要用到人脸结构的一些先验知识。在这种基于几何特征的识别中，识别 总归为特征矢量之自j 的匹配，基于欧氏距离的判决是最常用的识别方法。 1 3 2 3 基于神经网络的人脸识别方法 神经网络由于固有的并行信息处理方式以及分布式的编码存储方式， 故可用于模式识别，并且不受目标形变的影响【2 4 1 。神经网络在人脸识别中 的应用很广，它有其特殊的适合于人脸识别的优势，该方法把模型的统计特 征隐含于神经网络的结构和参数中。对于人脸这类复杂的、难以显示描述 的模型，基于神经网络的方法具有独特的优势。 1 4 受电磁干扰的人脸图像检测的特殊性 早期的人脸检测与识别仅仅局限在无噪声的j 下面人脸图像检测与识 别，而在现实的图像采集过程中，图像常受到成像设备与外部电磁干扰等 影响，近年来还发现一些恐怖分子和违法犯罪分子使用电磁工具对安检采 集系统和通信设施进行电磁干扰，导致采集电路的电子元件引起噪声，图 像输入、采集的噪声是个十分关键的问题，若输入伴有较大的噪声，必然 影响处理全过程及输出结果。因此受电磁干扰的人脸图像检测处理要比普 通的人脸图像处理复杂得多。 本文研究的人脸图像其特殊性在于待处理的图像由于电磁干扰产生了 图像噪声，针对此噪声图像进行处理与研究。 1 5 本论文的主要内容 本文主要研究受电磁干扰的人脸图像检测与识别方法。针对受电磁干 扰的人脸图像，首先采用小波变换去除噪声，在此基础上，提出了基于小 6 哈尔滨t 释丈学硕士学位论文 波和模板匹配的人脸检测方法，并在检测的结果上实现了基于特征脸的人 脸识别系统。 本文的具体章节安排如下： 第一章介绍了课题研究内容，人脸检测与识别的研究现状，以及一些 常用的人脸检测与识别方法，在此基础上指出了受电磁干扰的人脸图像检 测与普通的人脸图像检测的不同，并说明了本文的研究方向。 第二章阐述了电磁干扰理论，介绍了电磁干扰来源，电磁干扰危害和 电磁干扰形成的必备条件，并分析了电磁干扰源的种类和特性，详细研究 了辐射干扰和传导干扰的分析方法。 第三章首先分析了电磁干扰图像的产生，并建立了电磁干扰图像的噪 声模型，其次研究了小波的理论，分析了小波的特点、性质，并对小波基 的选择进行了分析，在此基础上研究了小波变换在电磁干扰图像去噪中的 应用，并进行了实验分析。 第四章提出了一种基于小波变换和模板匹配的人脸检测方法，采用小 波变换取低频子图系数的方法，能够很好地把复杂背景与人脸区域区分开， 为了降低直接模板匹配带来的误差，按照候选人脸区域的旋转角和图像大 小对标准模板进行了调整，使得匹配效果更好。最后通过大量实验证明了 方法的有效性。 第五章在原有的特征脸方法基础上进行了改进，针对特征脸方法只能 识别标准正面人脸的局限性，设计了前端处理模块，首先对待识别图像中 人脸进行旋转，然后剪切出入脸图像，进行尺寸调整，经过此处理后再进 行特征脸识别，并通过实验证明了误识率比原特征脸方法有所降低。 在论文的最后，给出了全文的总结，并指出了本文的不足之处和今后 的研究方向。 哈尔滨1 _ 1 辈人学硕十学付论文 第2 章电磁干扰基础 2 1 电磁干扰概述 在开放式的电子电气产品的周围一定会存在着电场和磁场，这是电子 电气产品本身所固有的电磁辐射特性决定的。电场是由电路中要保持电流 流动的电位差产生的；磁场是由电路中流动着的电流产生的。电场和磁场 能存在于任何的物质中，如果发射的电磁场的强度足够强，一种电子产品 可能会对另一种电子产品产生干扰，这种现象就称为电磁干扰( e m i ) ，有 时也称为“电磁噪声”【2 纠。 电磁干扰产生于干扰源，它是一种来自外部的、并有损于有用信号的 电磁现象。由电磁干扰源发出的电磁能，经某种传播途径传输至敏感设备， 敏感设备又对此表现出某种形式的“响应”，并产生干扰的“效果”，这个作用 过程及其结果，称为电磁于扰效应。在人们的生活中，电磁干扰效应普遍 存在，形式各异。 电磁干扰本身所造成的危害是无法估量的，轻则使电子设备或系统的 工作性能等级下降，重则使人们的生命财产受到严重的威胁。例如，在民 用方面，家用电脑所产生的电磁干扰能使电视接收机的屏幕图像模糊不清， 影响视觉效果；在铁路运输方面，铁路上的电子控制设备受到电磁干扰的 影响可能会导致道岔异位，造成车毁人亡重大事故：在航空方面，电子设 备所产生的电磁干扰会使飞机或飞行器失去控制，甚至坠落，造成生命财 产的损失。 2 2 电磁干扰形成的必备条件 当一个电磁干扰问题出现时，必须同时具备三个条件 2 6 , 2 7 】： 8 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 ( 1 ) 电磁干扰源。 ( 2 ) 电磁干扰敏感体，并且当电磁干扰强度超过允许的界限时能量源会 使该敏感体的工作发生紊乱。 ( 3 ) 电磁干扰传播途径。 只有所有这三个条件都存在时电磁干扰才会产生。如果三个条件中的 一个不存在的话，电磁干扰就不会存在。 电磁干扰源指的是能产生电磁干扰( 电磁噪声) 的源体，电磁干扰源 一般都具有一定的频率特性，其干扰特性可在频域内通过测试来获得，电 磁干扰源所呈现的干扰特性可能有一定的规律，也可能没有规律，这完全 取决于干扰源本身的性质；电磁干扰敏感体是指能对电磁干扰源产生的电 磁干扰响应，并使其工作性能或功能下降的受体，一般情况下，敏感体也 具有一定的频率特性，即在敏感的带宽内才能对电磁干扰产生响应；电磁。 干扰传播途径是连接电磁干扰源与电磁干扰敏感体之间的传输媒介，起着 传输电磁干扰能量的作用，电磁干扰途径主要有两种形式，一种是通过空 图2 1 电磁干扰源、干扰途径、干扰敏感体三者之间的关系 间途径传播，另一种是通过导电体( 或导线) 途径传播。不管是电磁干扰 源还是电磁敏感体，它们都有各自的频率特性，当两者的频率特性相近或 干扰源产生的干扰能量足够强，同时又有畅通的干扰途径时，人们所看到 的干扰现象就会出现。图2 1 给出了电磁干扰源、电磁干扰途径和电磁干扰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 敏感体三者之间的关系。 电子电路中的电磁干扰( 通常称为噪声) 的能量往往比电路中的有用 信号的能量弱很多。一般情况下，只有当电磁干扰源与电磁干扰敏感体之 间的距离较近时，才会出现干扰的现象。这种情况往往会出现在同一设备 中的两个子装置之间。而且干扰敏感体仅对干扰源有响应。因此为了避免 出现不必要的干扰现象，每个装置不仅要尽量减少或抑制干扰源，同时还 要提高装置本身的抗电磁干扰的能力。根据互易原理，在减少或抑制干扰 源的同时，也意味着提高了装置本身的抗干扰能力。 2 3 常见的电磁干扰源及特性 电磁干扰源可以分为自然的和人为的两大类。所谓自然的是指自然界 所固有的与人的活动无关的电磁干扰现象。所谓人为的是指由于人类的工 业和社会的活动所产生的电磁干扰。 2 3 1 自然界存在的电磁干扰源 大气放电是人们最为熟悉的自然界电磁干扰源。大气放电主要以雷电 形式出现，世界各地都可以观察到雷电现象。雷电放电本身，可以产生电 噪声，可以产生雷击破坏作用。此外，雷云下的电信线或电力线上还会由 于雷电放电所造成的空间电位分布的变化而产生强烈的电压或电流扰动， 并且以波动的形式沿线传播到很远。这种幅度很高的浪涌电压也会形成强 烈的电磁干扰。其频谱可以包含由低频起到甚高频的全部频率。有许多资 料介绍雷电波的特性，包括幅度，波形，雷击过程，雷电道波阻抗，雷电 道宽度，雷电日等。 太阳系也常常发生强烈的电磁现象，太阳及太阳系的行星都会发出辐 射产生强烈的电磁干扰。例如，太阳黑子爆发，同辉等都会产生严重的电 磁干扰，严重的太阳黑子爆发会造成电力系统的全面停电、造成地球上的 无线通信阻断。 1 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 地球磁场也会由于各种原因而产生大幅度的波动，这种波动会在电力 系统和通信系统中引发电磁干扰。 2 3 2 人为的电磁干扰源 人为的电磁干扰源主要存在于工业、交通和商业环境中。近些年来， 由于计算机和移动电话的普及，在公共环境中，也渐渐增多了人为电磁干 扰源，并且越来越严重。 主要有两种情况产生人为的电磁干扰。首先，各种电气、电子设备工 作时，设备的电路中有交变电流流动，这样，设备工作时，交变电流还通 过辐射或传导的方式向空间和周围设备辐射或传导电磁能，并因而对这些 设备造成电磁干扰。其次，由于用电设备的用电量在不断地变化，这些变 化造成了电路中电流的瞬态过程，瞬态过程有很宽的频谱，所产生的电磁 波向周围空间辐射，同时还会通过电源电路、接地电路或其他途径向外传 播。当然，电力设备、转换设备发生技术故障也会引发磁瞬态过程。各种 人为的电磁干扰源可以分为以下几种类型。 ( 1 ) 连续干扰源 在完成电气、电子设备自身功能时，会伴随着产生连续发生的电磁干 扰。这些设备就是产生连续电磁干扰的来源，例如，电力传输线、无线电 台、微波加热设备、变压器等。这些干扰源的特点是产生比较有规律的高 频振荡，这种高频振荡所造成的干扰就是工作谐波或近似于谐波干扰，其 频谱为窄带并且分布在基本振荡频率附近。这种干扰很接近固定的干扰， 很容易确定干扰源，而且干扰源特性可以预测。 在这一类干扰源中也有具有很宽频带的周期性干扰，不能认为连续性 干扰源产生的干扰一定是窄带干扰。例如，视频接收机扫描振荡器产生的 干扰就是具有很宽频带的周期性干扰源。 ( 2 ) 脉冲干扰源 脉冲干扰源产生单脉冲或脉冲串形式的电磁干扰，脉冲的波形、宽度 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 和重复频率都是随机的，其干扰特性由脉冲的波形和重复频率决定。这种 干扰的频谱是相当宽的，要采用统计的方法来评价脉冲干扰源的影响。 ( 3 ) 间接干扰源 这类干扰与使用的电气、电子设备无关，通常与机械运动有关。例如， 移动的车、船和飞机等系统的壳体与空气中的尘粒、烟尘、雪片等摩擦起 电。此时，感应电荷的分布与表面弯曲半径和外形有关，例如飞机机翼的 端部或螺旋桨叶片上的感应电荷比机身的要高5 8 倍。这种感应电荷可以 使感应电位高到可以发生电晕放电的程度，电晕放电可以造成宽频带干扰， 产生的干扰强度取决于运动速度，大约与速度的立方成正比。又例如，闭 合导线在磁场中运动也会形成感应的交变电流并造成干扰。此外，还有压 电效应等原因引起的间接电磁干扰。这类电磁干扰通常不影响其它设备， 而只影响产生干扰源的设备中的电气、电子设备。 ( 4 ) 接触干扰源 在许多系统中都有大量的螺钉、螺栓，还有焊接或不完全接触的金属 结构元件。这些元件或金属连接的接触面之间的阻抗具有复阻抗特性，阻 抗的数值取决于构成元件的材料、外形、表面的状态、接触压力大小和环 境因素( 温度、湿度等) 。在低频段接触阻抗主要由分量来决定，或者说主 要由接触电阻来决定。在高频段接触阻抗主要由容抗来决定。在静止状态 下，接触阻抗不变化则不会成为产生电磁干扰的原因。当系统运动时，或 系统发生振动、颠簸撞击时，接触阻抗成为可变的，此时这类结构元件在 有电流和电压作用时由于接触阻抗变化而产生再生电磁辐射，产生电磁干 扰。这种电磁干扰称为接触干扰。有时，接触元件上面流过电流或加有电 压；有时，外界强辐射场在接触元件上产生很大的感应电流，则由于接触 阻抗的作用会产生二次辐射。这种接触干扰的辐射频谱与原辐射的频谱相 同，但是由于接触阻抗在不断的变化，上述的电流辐射场还要受接触阻抗 变化的频率、振幅和相位的调制产生附加频率分量。在系统停止运动时这 种接触干扰便消逝，这种干扰既有连续分量，又有离散分量，大多数情况 哈尔滨工程大学硕十学位论文 下具有准脉冲的性质，通常要达到数兆赫兹的频带。 2 4 电磁干扰作用途径及分析方法 电气、电子设备的工作是否受干扰源的影响，主要决定于三个要素。 第一是干扰源的强度和特性，第二是电磁干扰作用途径的类型和性质，第 三是设备本身对电磁干扰的敏感度，以及是否采取了必要的防护措施。 按照电磁干扰的原理，电磁干扰的作用途径主要可以分为两大类，即 辐射干扰和传导干扰。辐射干扰是指干扰源比较远，干扰源发出的干扰以 电磁波的形式被接收。传导干扰是指干扰源距离比较近，干扰源经过耦合 电容、耦合电感和公共阻抗的途径进入被干扰设备。 2 4 1 辐射干扰 2 4 1 1 电磁波的空间特性 任何干扰源的本质都是产生电磁波，不同的只是产生的电磁波随时间 和空间变化的规律不同。电磁波的时间特性可以用频谱特性来描述。这是 因为任意波形的电磁波都可以用傅立叶变换分解成为无穷多个正弦波叠加 的形式，当然各个正弦波的幅度不同，因而构成了自己的独特的频谱。另 一方面，电磁波具有很强的空间特性。电磁波从干扰源辐射出来的时候就 具有自己的特定的“形状”，或者说具有自己独特的姿态。例如，鞭形天线、 传输长线、空缝辐射、表面波、波导等都有自己特色的方向图。形成这种 特性，一方面是由于辐射器件的形状及空间特性不同，另一方面也由于外 界环境条件不同。例如，是否有大地影响，是否存在金属壳体，空间的导 电和导磁特性等。当干扰源很远时，我们可以采用辐射干扰的模型，在被 干扰设备上只感受到电磁波的影响。在干扰源的距离很近时j 干扰源被干 扰设备就要处于同一个由分布电参数，如电容、电感、电阻连接起来的电 路中，采用解电路的方法就可以分析干扰强度的大小。 通常约定当干扰源到被干扰物的距离远大于波长时，即r _ , 2 7 r 时， 1 3 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 就认为被干扰设备是处于远区的电磁场中。有时候确定远近场分界时，还 要考虑辐射电磁波器件的尺寸。例如，在移动机站的情形，远区场的分界 应定在r 2 d 2 2 的范围，其中a 为所考虑的电磁波波长，d 为天线最大 线度。在远区场中，电磁波十分规整，电场和磁场在强度上有固定的比例 关系 乙= 鲁 ( 2 一1 ) 1 7 式( 2 一1 ) 中，z ，为媒质的波阻抗，在空气中z ，= 3 7 7 q 。所以，只需测量其 中一个场或计算其中一个场就可以了。此处，这个电磁波可以看成平面波， 起电场、磁场和传播方向三者相互垂直。能量密度可以用坡印廷向量来决 定 s = 二e 日( 2 2 ) 4 7 r 实际中的电磁脉冲包含有许许多多频率，具有不同的波长，就要根据 研究的问题选择被干扰设备最敏感的，或者干扰最严重的，或者选择频率 最高的作为代表频率计算出干扰效应。例如，1 0 m h z 的电磁干扰的远区界 限约为5 m 左右，3 0 m h z 的电磁干扰在3 m 左右就可看成远区场，1 0 0 m h z 的干扰的远区界限为o 5 m 左右。输电线由于是大功率的干扰源，起产生的 电磁干扰可以达到数百米的距离，而波段为3 2 - - 4 6 m h z 的点火系统的干扰 o - i p a 达到数百米，而大功率高频设备，如2 7 m h z 的干扰可以达到数千米的 距离。 而当干扰源与被干扰物间距离很小时，通常的标准时当， 2 d 2 a 时，被干扰设备处于远区场；， 2 d 2 1 2 时，被 干扰设备处于近区场，；t 2 ，r ， i 时 可求得辐射场强： 岛“，警焐归 ，) 叫1 矿芸“ 忆。 一* ，警e 一归 ( 2 - 岛 e ，= e = h ，= h 口= 0 ( 2 - 5 ) 辐射功率为： h 州( 丢) 2 c 哪6 ， 式( 2 3 ) n ( 2 6 ) 中，五为波长，l 为偶极予电流振幅值， 度，k = m 万 小电流环的辐射场为： q = 雾压触啪 f 为偶极振子的长 ( 2 - 7 ) 峨= 等s i n 国曲( 2 - 8 ) e ，= 易= h ，= h = 0 ( 2 9 ) 辐射功率为： 。 蚓s 州( 嘉) 2 c 式( 2 - 1 0 ) 中，s 为小电流环面积。 平面上的缝隙辐射场为( 见图2 2 ) ： e ：q ：ju s i n op 一步 ( 2 一1 1 ) ， 卟干j 等e 讪( 2 - 1 2 ) e ，= e 9 = h ，= h = 0 ( 2 1 3 ) 功率密度为： p ：坐( v 0 ( 2 - 1 4 ) 9 0 3 2 式( 2 - 1 4 ) 中，u = e ，d ，e ，为缝隙内电场的切向分量，为振幅值。 图2 2 平面上的缝隙辐射问题 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 1 3 辐射干扰对被干扰设备的影响 辐射场要经过空间传播才能到达被干扰设备。但是，因为有许多情况 使这个传播过程呈现极为复杂的局面，因而这个传播过程或耦合数值不可 能准确地计算，因此常常依靠实验测定。为了能定量描述，常常使用半经 验的公式进行估算。 ( 1 ) 当干扰源为设备壳体时： 纠o l g 等一厶( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 被影响的设备也有壳体时： 、最_ 1 0 l g 器一厶( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 中，只为天线接收功率，忍为壳体的接收功率，g 。 为接收设备天线在干扰源方向的增益，墨为朝向干扰源的接收壳体或其它 等效的表面面积，s 为干扰源向被干扰设备方向辐射的等效面积，厶为辐 射源的屏蔽衰减，厶为被干扰设备部件的屏蔽衰减，为干扰源到被影响设 备的距离。 ( 3 ) 当干扰源为电缆时( 要求电缆长度大于或等于0 5 倍的波长) 被干扰设备为天线时： p o = 1 0 1 9 l g b 。3 7 一乇 ( 2 一1 7 ) 被干扰设备为壳体时： 只= 1 0 1 9 丽s o l c , 一岛( 2 - 1 8 ) 被干扰设备为电缆时： 只= l o l g 毒吐j l c , ( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 中，只为被干扰电缆接收的干扰功率，l 。j ，厶i 分别为干扰 哈尔滨下程大学硕士学位论文 源电缆的屏蔽衰减和被干扰电缆的屏蔽衰减。 ( 4 ) 当干扰源为裸导体时 被干扰设备为天线时： 纠o l g 警 ( 2 - 2 0 ) 被干扰设备壳体时： p b = l o l g 警( 2 - 2 1 ) 被干扰设备为电缆时： p c = 1 0 l g 等一k 一_ ( 2 - 2 2 ) 式( 2 2 0 ) 到( 2 2 2 ) 中，l t , 为被干扰导线由于扭绞而产生的屏蔽衰减。形 为干扰导体的导线之间的距离。 2 4 2 传导干扰 在近区的感应场区，也就是在r 0 ，厂( f ) 琶2 ( 足) 。参数a 的变 化不仅改变连续小波的频谱结构，而且也改变其窗口的大小和形状。随着h 的减小，。( r ) 频谱就向高频方向移动r 而妒。 ( r ) 的宽度则越来越窄。这就 满足了信号频率高，相应的窗口小，因而在时间( 或空间) 域上的分辨率也高 的要求。 而函数厂p ) 可以由它的连续小波变换重构。其重构公式为： 胁古强帅御矿( 等) 姗 ( 3 _ l o ) 这就表明了任何平方可积的函数都可以由小波函数的线性组合表示。 哈尔滨- t = 程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i t i i 3 3 2 离散小波变换 在实际运用中，尤其是在计算机上实现时，连续小波必须加以离散化。 在连续小波中，若对a 取离散值。a = a 。，为倍频程( o c t a v e ) 次数，进一 步取b 为罐的倍数，b = 砜。( 歹z ，扩展步长，l 是固定值) ，为方 便起见，设a 0 l ，则所对应的离散小波函数妒，j ( r ) 可写为： 朋= a o - j s 2 妒( 生生岛= a o - s 1 2 妒( a o - s t - k b 。) ( 3 - 1 1 ) 而离散小波变换系数则可表示为： c m = f ，( f ) o ) 出= ( ，( ，) ，矿，( f ) ) ( 3 1 2 ) 其重构公式为： o ) = c c ， 似p ) ( 3 1 3 ) 式( 3 - 1 3 ) 中，c 是个与信号无关的常数。 在实际应用中，常设= 2 ，b o = l 则每个采样网格所对应的尺度为2 。而 平移为2 y k ，由此得到的小波称为二进小波( d y a d i cw a v e l e t ) 。 二进小波对信号的分析具有变焦距的作用。假定有一放大倍数2 ，它 对应为观测到信号的某部分内容。如果想迸一步观看信号更小的细节，就 需要增加放大倍数即减小，值；反之，若想了解信号更粗的内容，则可以减 小放大倍数，郎加大，值