强电磁环境

2024-08-28

强电磁环境（精选七篇）

强电磁环境篇1

在对高功率微波(High Power Microwave,HPM)及其相关技术研究的过程中,随着HPM源功率的进一步提高,系统产生的微波、高压放电、X射线、电子束强引导磁场等构成复杂的强电磁环境,对于现场控制系统等工作设备的准确性、可靠性甚至安全性都构成了威胁[1,2,3]。窄带HPM系统是指产生微波脉冲输出功率为0.1 GW~100 GW、频率为0.3 GHz~300 GHz、百分比带宽小于5%的微波系统;强电磁环境指峰值电场强度超过了100 V/m,对自由空间的平面波而言,即功率密度超过了26.5 W/m2。开展窄带HPM源强电磁环境中控制系统电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility,EMC)分析研究和设计,为解决有关电子设备在恶劣环境下的可靠性问题奠定基础,对于提高工作效率、确保科研生产顺利进行具有重要意义。

1 窄带HPM强电磁环境对控制系统的电磁干扰分析

1.1 电磁干扰对控制系统的性能影响

HPM源控制系统主要用于实现接收运行参数设置和工作指令,完成现场HPM源及其相关设备的工作时序控制,同时返回指控系统各组成部分状态信息。HPM系统运行过程中,仪器设备曾经出现不同程度的故障现象。分析窄带HPM源工作场景和过程,结合控制设备的放置和线缆敷设情况,从理论上确认可能产生影响的干扰源如下:

(1)充电电源达到预定充电值时,高压开关快速导通(数微秒内)过程可产生强电磁脉冲。

(2)电子束源真空二极管输出电子束,轰击在靶上或收集极上产生X射线。

(3)加速器工作时接地线瞬时电位抬高。

1.2 电磁干扰测试和分析

电磁干扰形成具备三个基本要素:干扰源、耦合途径及敏感设备。首先分析导致控制系统性能异常的电磁干扰源,找到主要干扰因素,然后按照传播途径对强电磁脉冲传导耦合和空间耦合进行理论分析和实验测试[4]。

测试中采用Le Croy 640 Zi数字示波器进行实时采集和频域分析。如图1,窄带HPM强电磁环境瞬变脉冲群干扰强度采用测量线间干扰信号的方法。选用HBVY非双绞两芯线(电话专用线)作为干扰接收体,铺设在干扰源电缆附近,两芯线间连接2 kΩ电阻(该值接近大多数监控设备输入等效电阻),通过示波器捕捉电阻感应的最大干扰信号[5]。

测量中采用高阻探头串联同轴固定衰减器从2 kΩ电阻接入数字示波器,同时将控制系统产生的开关触发信号作为测量时基。在HPM源输出电压425 k V、输出电流4.07 k A,即输出功率1.73 GW时,传导干扰测量波形见图2。

窄带HPM强电磁环境对控制系统等电子仪器设备性能的空间干扰影响范围随辐射天线角度成反比递减。实际测量过程中,首先采用双脊喇叭接收天线,通过25 m电缆(3 GHz,衰减12.525 d B)接到检波器(测量频率范围1 GHz~18 GHz,测量功率范围-6 d Bm~15 d Bm),再送至示波器进行观测;测试波形显示空间辐射的干扰波形频率多集中在1 GHz以内,1 GHz以上的信号在实验条件下未观测到(HPM源全系统联试时,对天线背面进行了金属屏蔽,降低源辐射天线对控制设备的影响)。因此,采用宽带接收天线(频率范围DC~1 GHz,等效电缆长度0.017 m)进一步观测空间辐射波形,如图3。

观察并分析以上测试结果可得:窄带HPM系统工作时,在其不同测量位置均可测得传导干扰和空间干扰波形,其中以开关处波形幅值最大,频域波形中幅值最大处多集中在30 MHz以内,即由于开关导通瞬间电路中通过的大电流影响所致;当接收干扰的线缆和发出干扰的线缆距离越近,并行距离越长,前者接收干扰的强度越大,设备工作性能越容易受到影响,与前述干扰源理论分析一致。

综上所述,窄带HPM系统中大功率电力电子器件的频繁开关操作等将产生很陡的瞬态脉冲;高功率微波经天线辐射,其旁瓣、后瓣以及反射微波均可经近场耦合和远场辐射形成高频传导和辐射干扰,对电网设备及附近的控制系统等电子单元造成电磁环境污染,导致功能性故障或永久损坏。

2 窄带HPM强电磁环境中控制系统的EMC设计

窄带HPM源与控制系统集成在设备舱内,运行现场产生的微波、高频电磁脉冲和磁场等将以前述论及的传导和空间耦合形式,经过供电、接地、互连以及空间辐射等对控制系统形成电磁干扰。控制系统的EMC设计主要从屏蔽、滤波和接地[6]三方面进行考虑。

2.1 控制系统的电磁屏蔽

为防止干扰源以空间耦合形式对控制系统形成干扰,根据控制设备功能实现、结构组成和线缆敷设等特点,将其放置在电磁屏蔽机柜内。对于大多数电子产品的屏蔽材料,其屏蔽效能达到30 d B以上,方认为是有效屏蔽[7]。机柜技术指标要求为:在10 MHz~10 GHz内屏蔽效能不小于40 d B。

如图4,当电磁波E垂直穿过金属屏蔽柜体时,其屏蔽效能与柜体结构、屏蔽材料的电导率、磁导率、电磁场频率、干扰源性质和距干扰源距离等有关。

金属屏蔽柜体的屏蔽效果取决于电磁波在屏蔽体内的吸收损耗(A)、反射损耗(R)和多次反射修正项(C)。屏蔽效能SE可表示为:

其中A与屏蔽层的厚度和传播常数有关,R、C与传输系数、反射系数和波阻抗等有关。

吸收损耗A可用相对电导率gr和相对磁导率μr近似表示为:

式中:K1是系数,当l以m为单位时,K1为131.4;f是电磁波频率。

反射损耗R与波阻抗、反射系数和材料等有关,可由下式求出:

式中t为屏蔽柜体的传输系数。

当屏蔽柜体吸收损耗比较小时(A≤10 d B),屏蔽柜体内第二个表面反射的能量较大。因此,屏蔽柜体的屏蔽效果还要将多次反射的能量考虑在内,即增加一个多次反射修正项C。该修正项C与屏蔽体的吸收损耗A和波阻抗等因素有关。

经计算和分析确定,控制系统的屏蔽机柜采用镀锌钢板焊接或组装成全密闭箱体,经过镀锌与喷塑等防腐蚀处理;屏蔽门采用屏蔽簧片、冷轧钢板焊接组成门扇;柜体和转接板之间填充双芯屏蔽丝网,其余缝隙部位采用屏蔽丝网;柜体内外通信信号以光缆形式通过专用光纤波导管引入;屏蔽通风窗做成截止波导形式,波导窗由多个小波导组成波导束,小波导截面形状为六角形,其插入衰减与屏蔽机柜指标一致。

屏蔽机柜依据《GJB 5185-2003小屏蔽机柜屏蔽效能测试方法》进行测试,在要求的10 MHz~10 GHz频率范围内屏蔽效能均不小于40 d B。

2.2 控制系统的滤波和接地

控制系统的传导干扰途径主要有:监控信号传输线缆、与上级指控系统的通信连接线缆、控制系统的电源线等。为此,在信号传输与指控通信连接的导线选择上应尽可能地使用光纤。控制系统采用全光纤数据接口的数字化信息传输网络:

(1)时序触发信号及数字开关量等经过光电转换处理,通过光纤连接。

(2)HPM源辅助运行装置与控制系统的数据通信采用RS485等标准串行总线通信方式,约定通信协议,统一数据接口标准,采用光纤传输介质。

(3)与指控系统的连接网络采用光纤以太网,完成本地控制系统内外指令数据的交换。

切断经信号传输及通信连接线缆形成的干扰途径后,窄带HPM源控制系统的滤波主要是考虑防止从电源线引入的电磁干扰。为此,设备舱内的控制系统首先采用单相隔离变压器(3 k VA/AC 220 V)提供屏蔽机柜的电源输入,减少主电网电压波动和HPM源线路串扰对测控单元的影响;同时,如图5所示,屏蔽机柜采用电源滤波器进一步抑制经过电源线缆引入内部控制系统的干扰噪声,其泄漏电流为m A量级,压降小于1 V,在14 k Hz~40 GHz频率范围内,插入损耗达到100 d B。

屏蔽是抑制干扰的重要方法,正确良好的接地可以帮助控制系统消除干扰、稳定运行。窄带HPM源控制系统中包含有多种电子线路和各种电器元部件,分为信号地线和机壳地线等,因此地线分组敷设。其中,信号地线采用“悬浮地”,与控制单元的机箱壳体分开;机箱壳体与屏蔽机柜柜体搭接,后者采用铜排线接地(屏蔽地的电阻不超过1Ω),与大地相连形成电气通路,为屏蔽柜体上的电荷提供一条低阻抗的泄放通路。为了将控制系统屏蔽机柜的“地”与HPM源的高压地分隔开,机柜底座采用槽钢通过预留安装孔,经环氧绝缘板(10 mm厚,采用玻璃纤维与环氧树脂层压,绝缘强度为18 k V/mm)与方舱固定,整体通过绝缘板与方舱隔断,达到绝缘。

3 结论

本文根据窄带HPM源强电磁环境的特性,首先完成对导致控制系统性能异常的干扰源分析,找到主要干扰因素,然后按照传播途径对强电磁脉冲传导耦合和空间耦合进行理论分析和实验测试,提出控制系统的EMC设计。控制设备采用屏蔽机柜安装,在要求的10MHz~10 GHz频率范围内屏蔽效能均不小于40 d B;控制系统采用全光纤数据接口的数字化信息传输网络,切断经信号传输及通信连接线缆形成的干扰途径;采用隔离变压器和电源滤波器等抑制经过电源线缆引入内部控制系统的干扰噪声;控制系统地线分组敷设。结果验证控制系统采取的措施对抑制窄带HPM强电磁环境下的电磁干扰是有效可行的,其设计满足HPM源工作要求。同时,窄带HPM源控制系统的EMC分析和设计也为强电磁环境下有关电子设备的可靠性问题奠定了基础。

参考文献

[1]刘尚合.武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J].装备指挥技术学院学报,2005,16(1):1-6.

[2]WYATT K,JOST R J.Electromagnetic compatibility pocket guide:key EMC facts,equations,and data[M].Raleigh,U.S.A.:Tech Publishing,Inc,2013.

[3]LABOURE E,REVOL B.Electromagnetic compatibility in power electronics[M].London,U.K.:ISTE Ltd&Hoboken,U.S.A:John Wiley&Sons,Inc,2014.

[4]王定华,赵家升.电磁兼容原理与设计[M].成都:电子科技大学出版社,1995.

[5]邹哲强,庄捷,屈世甲.一种测量工业环境感应传导干扰的方法[J].工矿自动化,2012(6):28-32.

[6]王新新,马蕾,蔡新景,等.抗强电磁干扰的高电压同步控制系统[J].高电压技术,2010,36(3):632-636.

大地电磁强噪声分离方法探究篇2

关键词：大地电磁,强噪声,matlab

大地电磁测深法自20世纪50年代提出以来, 以野外施工简便、垂向分辨能力和水平分辨能力大、探测深度高等优点, 在探测地壳深部结构方面得到广泛应用, 已逐渐成为地下水勘探、地震预报、油气普查、矿产资源勘查等领域不可或缺的重要方法之一[1]。然而, 随着人类社会的发展, 各种复杂的环境噪声及人文噪声对大地电磁信号的有效采集带来严峻挑战, 导致在这些强噪声干扰源地区开展大地电磁测深面临巨大困难。因此, 对大地电磁强噪声干扰的类型及特点进行分析, 以及研究合适的强噪声干扰压制方法, 对改善大地电磁测深数据质量及获得无偏的阻抗估计具有非常重要的意义[2]。

1 大地电磁强噪声干扰类型及特点

大地电磁强噪声干扰可分为工频噪声干扰、地质噪声干扰和其他外界、观测系统不稳定造成的噪声干扰[3]。

工频噪声干扰基本上产生于测点周围的人工电磁系统与环境特征, 即由观测点附近不稳定的非平面波的电磁场噪声, 比如无线电台、高压输电线、工业游散电流等造成。特别是在人口稠密的工业发达区, 这种干扰普遍存在, 影响非常严重。地质噪声指的是近地表电性不均匀体的一种干扰, 该类噪声影响全频域资料的数据, 严重时会造成静态效应, 并对大地电磁数据的解释带来很大困难, 同时也会给采集大地电磁原始资料造成不必要的影响。

对部分实测大地电磁资料进行观测可知, 在高频 (>1 Hz) 和低频 (<1 Hz) 段均会受到强噪声干扰, 特别是低频段的噪声干扰尤为严重。这些噪声的能量往往是正常信号的几十倍甚至几个数量级, 通常会造成视电阻率曲线部分频段整体上升, 幅度接近或超过45°, 视电阻率值由几十欧姆米快速上升至几万、几十万欧姆米甚至更高数值, 而在超低频段视电阻率曲线往往迅速下降, 这些现象一般表现为典型的近源效应。

研究大地电磁数据的时间序列可以发现, 噪声干扰形状各异、种类繁多, 无法将其细致区分, 现仅能从大致波形的特征进行归类, 比如脉冲噪声干扰、工频噪声干扰、三角波噪声干扰、方波噪声干扰、阶跃噪声干扰、似充放电衰减模式的三角波噪声干扰等类型。这些噪声干扰类型其幅值突跳明显, 一般会导致电道或磁道数据的曲线整体偏移严重、信噪比严重降低。

对上述噪声干扰的类型进行分析可知, 短周期噪声一般只干扰高频数据, 而长周期噪声则干扰范围极广, 噪声波形的幅度往往会影响到中、高频段的数据, 其宽度会影响到低频段的数据, 但一般是以中、低频段的干扰最为强烈, 这些强噪声干扰极大地降低了野外大地电磁观测数据的质量。

2 数学形态滤波

数学形态学是20世纪60年代兴起的基于随机集合论建立起来的一种非线性数学分析方法。膨胀和腐蚀是数学形态学最基本的操作, 在实际应用中更多的往往是它们的组合运算, 比如开运算 (先腐蚀后膨胀) 和闭运算 (先膨胀后腐蚀) 。结构元素则相当于滤波器的窗口根据目标信号中的形状特征来选择不同的结构元素类型, 常见的结构元素类型有直线型、圆盘型、三角形、抛物线型以及其他多边形组合。一般而言, 一种结构元素对某一类噪声干扰具有较好的滤波效果。而且, 结构元素的组合形式越复杂, 对噪声干扰的分离效果就越好, 同时, 算法消耗的时间也就越多。采用结构元素、开运算和闭运算就可以组合成形态滤波器, Maragos采用同一类型及大小的结构元素, 将开运算和闭运算已不同的顺序进行了级联组合, 构建了经典的形态开-闭和形态闭-开滤波器, 分别用来滤除目标信号中的正、负脉冲噪声干扰。不同的形态学算法的组合将产生不同的效果, 数学形态滤波的优势就在于, 不需要考虑噪声的类型, 只要选择与目标信号相匹配的结构元素, 设计出合适的滤波器, 就能较好地还原出目标信号的原始特征, 且运算速度很快[4]。对实际测量的电磁场时间序列进行分析可知, 由于大地电磁信号是无源的, 因此我们无法确定哪些是纯净的大地电磁信号, 但从采集的大地电磁时间域波形上却可以基本认定哪些不是有效的大地电磁信号。只要能设计出合适的形态滤波器, 将这些确定不符合大地电磁场特征的异常信号提取出来, 并从原始信号中进行剔除, 就可以分离出基本纯净的大地电磁信号, 然后进行阻抗估算, 即可求出该测点的视电阻率值和相位值。

3 计算机仿真与分析

为了进一步验证形态滤波在大地电磁强噪声干扰中的去噪效果, 我们选取实测信号中有典型干扰的信号在Matlab环境下进行了仿真实验。图1所示为一段实测电道数据采用9点直线型结构元素进行数学形态滤波的仿真效果图。

从图1可知, 实测大地电磁电道数据中包含有大尺度的方波噪声干扰, 这些方波噪声干扰的幅值最大达到10000, 而有用的大地电磁信号幅值非常微弱, 即强噪声干扰的能量幅值远大于正常大地电磁有用信号。含强噪声干扰的实测大地电磁信号通过设计的形态滤波器进行形态滤波处理, 从仿真效果图可知, 上述含大尺度的方波噪声干扰几乎被完全滤除, 正常的大地电磁有用信号得到了很好地体现。因此, 实验结果表明, 选取合适的结构元素构建数学形态滤波器, 可以有效地滤除实测大地电磁信号中含大尺度、能量幅值高的强噪声干扰, 从而有效改善大地电磁数据的质量, 提升数据资料的品质。在包含有类似噪声干扰的地区开展大地电磁测深工作, 该方法具有非常广阔的应用价值。

4 结语

本文介绍了大地电磁强噪声干扰类型的特征及数学形态滤波在该领域中的去噪方法, 进行了仿真实验, 仿真结果表明:该方法对包含有大尺度且具有典型形态特征的强噪声干扰具有一定的噪声抑制能力。由于野外大地电磁测深工作面临的噪声源干扰众多, 导致大地电磁强噪声干扰的类型复杂多样, 在强噪声干扰背景下, 研究如何提取出含微弱的大地电磁有用信号仍有许多工作有待完善。

参考文献

[1]刘国栋, 陈乐寿.大地电磁测深法研究[M].北京:地震出版社, 1984.

[2]张全胜, 王家映.大地电磁测深资料的去噪方法[J].石油地球物理勘探, 2004, 39 (11) :17-23.

[3]苏朱刘, 胡文宝, 张翔.电磁资料中的物理去噪法[J].工程地球物理学报, 2004, 1 (2) :110-115.

防强电磁干扰计算机控制电缆的研制篇3

随着现代化制造业的不断发展,采用计算机程序控制生产、检测等设备得到了广泛的应用。计算机控制电缆是设备与计算机程序控制之间的纽带,承担着设备反馈信号及计算机控制信号的传输。普通的计算机控制电缆仅采用良导体作为屏蔽材料,虽然对高频信号的抗干扰作用明显,但对于某些低频、强电磁场干扰,已不能胜任正常信号传输和高抗干扰的要求,经常会产生部分信号失真,严重时导致设备误动作而产生重大事故。由此,设计一种结构合理、在强电磁场和高低频率都具有优良屏蔽效果(防干扰能力)的计算机控制电缆已成为众多行业的急需。

1 设计要求

在某工程的冶炼车间内,因采用变频大功率加热技术,需要使用防强电磁干扰计算机控制电缆,故我们对其进行了研制。该防强电磁干扰计算机控制电缆不仅要具有普通计算机控制电缆对高频信号的抗干扰能力,更需要在强电磁场、低频信号时的抗干扰能力,其具体的设计要求如表1所示。从表中可见,相对于一般屏蔽型计算机控制电缆要求的屏蔽抑制系数R0(≤0.01),本电缆的主要设计难点是需满足用户要求的R0(≤0.005)。防电磁干扰的技术参数R0=Uk/U0,测量时平行放置试样长度为20m的高压导线和被测电缆,高压导线施放暂态电压值U0=1 200V,通过测定被测电缆的任一线芯对地耦合暂态电压值Uk,即可得到电缆的屏蔽抑制系数R0[1,2]。

2 屏蔽原理

该防强电磁干扰计算机控制电缆的设计关键是电缆屏蔽层。电缆屏蔽层的主要作用一方面是阻拦外界电磁波对电缆内部信号的干扰,另一方面是防止电缆内部信号之间的相互干扰和电缆信号对外界产生的干扰。静电和静磁屏蔽主要在直流或低频时有效。静电屏蔽采用良导体,常用材料为铜或铝,在低频强电场中,当金属套屏蔽层厚度大于电磁场在最高频率的透入深度时,有效电阻Rp越小、电感Lp越大,屏蔽效果越好。在5MHz时电磁波穿透铝层的厚度为38μm,当频率大于5 MHz时,26μm厚的铝膜就能起到有效的防护作用。静磁屏蔽采用良磁性体,常用材料为铁等,屏蔽层厚度越大,屏蔽效果越好。当频率小于500Hz时铁的屏蔽效果较好,但铁屏蔽层的损耗较大,不适合单层独用,可通过与良导体复合加以改善,例如采用钢与铜(或铝)复合,则屏蔽效果更好。当频率范围在500 Hz~5 MHz时,电磁场的作用较为复杂,此时只有电磁复合材料才能取得较好的屏蔽效果[3,4]。因此,该防强电磁干扰计算机控制电缆中采用了电磁复合屏蔽层结构,以满足电缆在强电磁场、高低频率下都具有优良屏蔽效果的要求。不同材料在不同频率时屏蔽效果是不同的,屏蔽系数S的计算公式为:

式中E为电场强度,Es为屏蔽后的电场强度,H为磁场强度,Hs为屏蔽后的磁场强度。

3 结构设计及材料选择

由于计算机控制电缆一般传输高频信号,因此该防强电磁干扰计算机控制电缆选用铜丝作为导体材料。常用的绝缘材料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯等,其中聚烯烃具有介电常数小、耐低温性好、性能稳定等优点,故我们选用了聚乙烯或交联聚乙烯作为该电缆的绝缘材料。

通常防强电磁干扰计算机控制电缆可采用2~4根绝缘单线组成一个信号传输单元,由于电缆中使用的线组(即绞合单元)数量较多,因而对每个线组进行了屏蔽。线组屏蔽层不仅可防止自身电缆高频信号泄漏,又可防止线组之间信号的干扰。线组的屏蔽材料可选择铜丝、铜带、铝箔、金属镀层或者导电涂层复合带等。屏蔽方式可根据屏蔽要求,采用铜丝编织(或铜带或铝箔)单一屏蔽方式,也可采用铜(铝)箔与编织屏蔽相结合的组合屏蔽方式(如图1所示)。如线组屏蔽层仅采用铜(铝)箔屏蔽时,需在铜(铝)箔内侧纵拖一根引流线;如线组屏蔽中采用了铝箔,为防止铜与铝接触产生电化学反应腐蚀铝层,引流线和编织线应采用镀锡铜丝。为了保证电缆的防强电磁干扰性能,当线组屏蔽层采用铜(铝)箔外加编织层结构时,编织密度应不小于60%;当线组屏蔽层单独采用编织结构时,编织密度应不小于80%。在该防强电磁干扰计算机控制电缆中我们采用了两根绝缘单线绞合组成线组,并对每个线组进行了屏蔽。根据用户对电缆的电磁兼容性要求,线组屏蔽层采用了铜箔+铜丝编织的组合屏蔽方式,铜箔、铜丝均为高导电性的屏蔽材料,这样可获得更好的屏蔽效果。

为了使该防强电磁干扰计算机控制电缆整体对高频信号有更好的屏蔽效果,我们在对各线组进行分屏蔽、成缆、绕包的基础上,对缆芯进行总屏蔽,总屏蔽材料采用了铜丝编织(或铜带)。即使这样,该电缆对强电磁场及低频信号仍不能达到满意的屏蔽效果,根据相关屏蔽原理,我们在铜丝编织总屏蔽外又增加了良磁屏蔽层。该电缆的磁屏蔽层采用了铁丝编织结构,其屏蔽效果好、成本低、工艺简单。最终该电缆缆芯的总屏蔽结构为:内层镀锡铜丝编织+外层镀锌铁丝编织组成复合屏蔽结构,且每层的编织密度均大于80%。该复合屏蔽结构既可防止电化学反应,又可防止强电磁场及低频信号干扰,并且电缆具有较好的整体柔软性,便于敷设施工。

虽然护套材料的选择更为广泛,可采用PVC、PE、低烟低卤阻燃护套等,根据使用环境和阻燃要求等条件,该防强电磁干扰计算机控制电缆选用了90℃阻燃型PVC护套材料。通过以上结构设计和材料组合,该种防强电磁干扰计算机控制电缆的总体结构如图2所示。

4 制造工艺

在整个防强电磁干扰计算机控制电缆制造工艺中,绝缘工序是一个非常重要的环节,导体的几何形状、挤出绝缘的厚度、同心度等指标,将直接影响电缆的对地电容不平衡性,而对地电容不平衡性直接决定了电缆的抗干扰能力。因此,在绝缘工序中应重点注意:a.铜导体在拉丝时宜选用聚晶模具以保证导体表面光滑、圆整、无毛刺。b.采用高速挤出机,控制好生产线速度,挤出机螺杆转速,放线、收线张力的控制,保证绝缘挤出时均匀。c.利用外径测偏仪更好地控制绝缘单线的绝缘厚度及同心度,保证绝缘表面圆整、光滑、厚度均匀、不偏心;同时用电火花在线检测仪在线检测,防止绝缘线芯存在缺陷,及时去除有缺陷的绝缘单线。

在分屏蔽线组生产时,不同芯数的绞合单元,采用不同的绞合方式(对绞、星绞等);不同绞合单元采用了不同的绞合节距,以减少线对间相互干扰的概率;绝缘单线经绞合后可先绕包1~2层塑料薄膜,然后再绕包或纵包铜箔或铝箔(金属面朝内侧),在铜箔或铝箔内侧纵拖一根或多根铜丝作引流线,采用铝箔时应采用镀锡铜丝。引流线与铜(铝)箔的金属面接触,保证铜箔或铝箔层的电气连续性;采用铜丝编织进行分屏蔽时,应选择适当的编织绽数、节距、单丝直径。

在成缆工序中,应确保各分屏蔽线组的张力一致,并防止损伤屏蔽层,特别注意铜(铝)箔的金属层不应出现破损、脱落等不良现象。在成缆同时进行绕包,不仅可起到对缆芯的固定作用,也可防止缆芯发生机械性刮伤。

在总屏蔽编织工序中,应根据缆芯直径选择适当的编织绽数、节距、单丝直径;由于缆芯外第一层采用镀锡铜丝编织,第二层采用镀锌铁丝编织,在编织第二层弹性较大的铁丝时,应严格控制张力,确保编织层紧密包覆在内层结构上。

在护套挤包工序中,应确保护套紧密包覆在缆芯上;合理设置挤出模具和挤出温度等工艺参数,使护套表面光滑,无气孔、焦料等缺陷;同时进行火花在线检测,确保成品护套无缺陷。

5 性能测试

我们对所研制的4×2×1.5规格的防强电磁干扰计算机控制电缆进行了一系列的性能测试。该电缆采用铜导体、交联聚乙烯绝缘、铜箔+铜丝编织分屏蔽,分屏蔽成缆后绕包聚酯薄膜和涂覆玻璃丝带,总屏蔽内层为镀锡铜丝编织,外层为镀锌铁丝编织,挤包阻燃聚氯乙烯护套。该电缆的性能测试结果如表2所示,从测试结果可知,该防强电磁干扰计算机控制电缆的结构设计、材料选择、生产工艺是可行的,满足了用户的需求。

6 结束语

随着冶金、石油、石化、发电等行业的不断发展,自动控制设备中计算机控制电缆的应用也越来越广泛,特别是防强电磁干扰的信号电缆,由于其传输信号能力强,在强电磁场环境条件下,从低频到高频都具有很强的抗干扰能力,正被更多的工矿企业运用到实际的生产中。本文针对强电磁场和高低频率的电磁环境,通过对电磁干扰的屏蔽原理的分析,探讨防强电磁干扰计算机控制电缆结构设计和材料选择。相关性能测试结果表明,复合屏蔽层结构适用于强电磁场环境中工作的计算机控制电缆,可确保电缆信号传输不失真、稳定。

在防强电磁干扰计算机控制电缆设计时,应根据不同的实际使用的电磁环境、气候环境、敷设施工条件,对电缆结构进行优化设计,以达到性能稳定、经济性好、便于使用的要求。例如,当敷设施工对电缆柔软性要求不高时,可将电缆缆芯总屏蔽结构改为铜带+钢带复合屏蔽;当电缆用于有阻燃要求的环境中时,可采用具有阻燃性的填充、绕包层和护套材料;当电缆用于有防鼠、防蚁要求的环境中时,可采用具有防鼠、防蚁性能的护套材料。目前,本公司已根据客户不同的要求,对防强电磁干扰计算机控制电缆进行了不同的结构优化设计,这些电缆已在多个工程进行了应用,取得了明显的效果。

参考文献

[1]郑玉东.通信电缆[M].北京:机械工业出版社,1982:179-180.

[2]王子纯.高速铁路数字信号电缆对地电容不平衡的影响因素分析及控制[J].电线电缆,2011(3):6-7.

[3]王川川,朱长青.电磁场对屏蔽电缆耦合的研究现状及发展趋势[J].电线电缆,2011(3):1-4.

强电磁环境篇4

关键词：脉冲电磁场,波动方程,衰减因子

工程电磁场理论认为,高频谐变电磁场穿透良导体屏蔽壳层衰减极快,存在明显的趋肤效应,穿透能力极弱[1,2,3]。但对于理想脉冲电磁场穿透屏蔽壳层的能力,缺乏必要的研究和深入的理解。文中将对两者进行比较分析,以提高对脉冲电磁场穿透能力的认识,为屏蔽防护技术提供设计理论参考。

1 谐变平面电磁波的穿透幅度衰减因子

对于在良导体屏蔽板中传播的谐变平面电磁场,其穿透厚度为L的导体板的波动磁场为[2]

Hs(z,t)=H1e-αzcos(ωt-βz) (1)

其中, $α = β = \sqrt{\frac{ω μ σ}{2}}$ 。

由于趋肤效应,波由z=0穿透壁板后到达z=L的幅度衰减因子为

$η_{0} = \frac{| Η_{s} (L, t) |}{| Η_{s} (0, t) |} = e^{- α L} (2)$

2 理想脉冲平面电磁波的穿透衰减因子

设入射的理想脉冲平面电磁波的周期为l,上升沿时间为t0,脉冲时间宽度为Δt,幅值为F0,其波形如图1所示。其傅里叶级数展开[4]表达式为

$Η (t) = F_{0} \frac{Δ t}{l} + \frac{4 F_{0}}{π} \sum_{n = 1}^{\infty} \frac{1}{n} \sin \frac{n π Δ t}{2 l} \cos \frac{n π}{2} \cos \frac{n π t}{l} (3)$

对于脉冲电磁波,一个周期里仅有一个脉冲,所以l=2t0+Δt。对于在良导体中传播的理想脉冲平面电磁场,其穿透厚度为L的导体壁的波动磁场为

$\begin{array}{l} Η_{z} (z, t) = F_{0} \frac{Δ t}{l} + \frac{4 F_{0}}{π} \sum_{n = 1}^{\infty} \frac{1}{n} \sin \frac{n π Δ t}{2 l} \cos \frac{n π}{2} e^{- α_{n} z} \\ \cos (ω_{n} t - β_{n} z) (4) \end{array}$

其中, $α_{n} = \sqrt{\frac{ω_{n}^{2} μ ε}{2}} (\sqrt{1 + (\frac{σ}{ω_{n} ε})^{2}} - 1)^{1 / 2}$ ; $β_{n} = \sqrt{\frac{ω_{n}^{2} μ ε}{2}} (\sqrt{1 + (\frac{σ}{ω_{n} ε})^{2}} + 1)^{1 / 2}$ ; $ω_{n} = \frac{n π}{l}$ 。

当t=ts时,电磁波入射进导体壁前(z=-0)的最大脉冲幅值为 $| Η_{0} (t_{s}) | = F_{0}$ 。

当t=tp时,电磁波穿透导体壁后(z=L)最大脉冲幅值为

$\begin{array}{l} | Η (L, t_{p}) | = | \frac{F_{0} Δ t}{l} [1 + \frac{4 l}{π Δ t} \sum_{n = 1}^{\infty} \frac{1}{n} \sin \frac{n π Δ t}{2 l} \\ \cos \frac{n π}{2} e^{- α_{n} L} \cos (ω_{n} t_{p} - β_{n} L)] | (5) \end{array}$

由于趋肤效应,电磁脉冲幅度衰减因子为

$\begin{array}{l} η_{p} = \frac{| Η_{z} (L, t_{p}) |}{| Η_{0} (t_{s}) |} = | \frac{Δ t}{l} [1 + \frac{4 l}{π Δ t} \sum_{n = 1}^{\infty} \frac{1}{n} \sin \frac{n π Δ t}{2 l} \\ \cos \frac{n π}{2} e^{- α_{n} L} \cos (ω_{n} t_{p} - β_{n} L)] | (6) \end{array}$

3 衰减因子与时间变化率的分析

3.1 理想脉冲电磁波的频带

从频率成分分析,脉冲电磁波的频率成分很多,频带很宽。由式(4)可得,理想脉冲电磁波的频带 $f_{1} = \frac{ω_{1}}{2 π} = \frac{1}{2 (2 t_{0} + Δ t)} ‚ f_{n} = \frac{ω_{n}}{2 π} = \frac{n}{2 (2 t_{0} + Δ t)}$ 。

为了与单脉冲激励的作用效果等效,应保证导体壁内不同时存在两个激励脉冲的传播,即前一个脉冲最低阶频率已经通过导体壁后,后一个脉冲最高阶频率才开始进入导体壁。

良导体媒介内电磁脉冲的相速 $v_{p_{n}} = \frac{ω_{n}}{β_{n}} = \sqrt{\frac{2 ω_{n}}{μ σ}}$ ,前一个脉冲最低阶频率对应电磁波的相速为

$v_{p 1} = \frac{ω_{1}}{β} = \sqrt{\frac{2 ω_{1}}{μ σ}} = \sqrt{\frac{2 π}{μ σ l}} (7)$

设电磁波最低阶频率成分通过厚度为L的导体壁的时间为ΔT,则有

L=vp1ΔT (8)

由式(7)和式(8)可得

$Δ Τ = L / v_{p_{1}} = \frac{L \sqrt{μ σ l}}{\sqrt{2 π}} (9)$

由于导体壁内不同时存在两个激励脉冲的传播,则有ΔT≤2[l-(t0+Δt)]。又l=2t0+Δt,求解可得等效的脉冲间隔时间应满足

$t_{0} \geq \frac{μ σ L^{2} + L \sqrt{μ^{2} σ^{2} L^{2} + 8 π μ σ Δ t}}{8 π} (10)$

3.2 衰减因子分析

针对不同板厚、不同材料(铜和铝)的屏蔽层,当两种激励的幅度衰减因子相同时,计算简谐电磁波的等效频率值。

计算过程中,铜的电导率σ=5.813×107 S/m,介电常数ε=8.854×10-12 F/m,磁导率μ=4π×10-7 H/m。铝的电导率σ=3.54×107 S/m,介电常数ε=8.854×10-12 F/m,磁导率μ=4π×10-7 H/m。脉冲电磁波的频率成分取1000项。

(1)不同导体壁厚的脉冲电磁波衰减因子。

对于铜和铝,当良导体壁厚为0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm和2.0 mm时,脉冲电磁波穿透良导体的幅度衰减因子,如表1所示。

(2)不同脉冲宽度的脉冲电磁波衰减因子。

当导体壁厚度L=0.5 mm时,电磁波脉冲宽度为50 ns,100 ns,50 μs和5 ms时脉冲电磁波衰减因子,如表2所示。

(3)不同导体壁厚度的简谐电磁波等效频率值。

强电磁脉冲的脉冲时间为50 ns,计算中取脉冲宽度Δt=50 ns。当导体壁厚L为0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm和2.0 mm时简谐电磁波的等效频率值如表3和表4所示。

(4)不同脉冲宽度的简谐电磁波等效频率值。

当导体壁厚度L=0.5 mm时,电磁波脉冲宽度为50 ns,100 ns,50μs和5 ms时简谐电磁波的等效频率值,如表5和表6所示。

由表1～表6可知,理想脉冲电磁波的频率成分复杂,频带分布范围较宽,能量分布于每个频率成分。各种频率成分在良导体中的穿透能力不同,但其简谐电磁波等效频率值很低,所以理想脉冲电磁波对良导体的穿透能力很强,通过增加导体壁厚度很难将其屏蔽在导体外。

3.3 时间变化率分析

根据法拉第电磁感应定律,磁场对电路的磁耦合干扰的强弱与磁场对时间的变化率密切相关,磁场的时间变化率为 $δ_{t} = \frac{\partial Η (L, t_{q})}{\partial t}$ ,其中tq为穿透导体壁后时间变化率δt幅值最大时对应的时间。

以下计算实例中进行归一化处理,取H1=F0=1。

当导体壁厚度L=0.5 mm时,电磁波脉冲宽度为50 ns,50 μs和5 ms时时间变化率如表7和表8所示。

由表7和表8可知,当脉冲宽度相同时,理想脉冲电磁波的时间变化率大于简谐电磁波的时间变化率,且脉冲宽度越大,理想脉冲电磁波的时间变化率越大,磁场对电路的磁耦合干扰越强。

4 结束语

理想脉冲电磁波的频率成分很复杂,频带分布范围很宽,其电磁能量分布于每个频率成分,各种频率成分在良导体中的穿透能力不同。脉冲电磁波对良导体的穿透能力很强,即使脉冲宽度很窄,由于其简谐电磁波的等效频率值很低,穿透良导体壁板后其场强幅值衰减得并不多。因此,有必要进一步研究完整腔体对理想化强电磁脉冲的屏蔽能力。

参考文献

[1]毕德显.电磁场理论[M].北京:电子工业出版社,1985.

[2]王家礼,朱满座,路宏敏.电磁场与电磁波[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[3]许福永,赵克玉.电磁场与电磁波[M].北京:科学出版社,2005.

复杂电磁环境分析篇5

在当今信息化的时代，大家可以想象，没有了电话和广播通信，没有了电脑，没有了网络，我们还能做什么?由此可见电磁作战的威力巨大。一方面，从重视地理环境到重视电磁环境的转变有助于确立新的战场环境意识和观念，达到能够对战场电磁资源合理、高效、综合利用，从而管理并保护电磁资源。另一方面，研究复杂电磁环境有利于推进机械化向信息化转变，提高武器装备的适应能力，发展综合一体化的电子装备，研究发展抗干扰能力强的电子信息装备，针对未来战场电磁态势进行战场建设，从而有助于解决部队在作战、训练和建设中面临的现实问题等。

二、复杂电磁环境的基本概念、特性和构成

（一）复杂电磁环境的基本概念

复杂电磁环境是指在一定的空域、时域、频域上，电磁信号纵横交叉、连续交错、密集重叠，功率分布参差不齐，对相应的电磁活动产生重大影响的电磁环境。通俗地说，在特定地域集中了大量的无线电装备，在特定时间同时或集中使用，各无线电装备工作频段又非常集中，导致该范围内无线电装备的正常使用及效能发挥受到较大影响，这样的电磁环境就是复杂电磁环境。

（二）复杂电磁环境特性

1. 特殊性：无法直接感受，只能依靠接收和探测设备。

2. 重要性：对战争有决定性影响。

3. 复杂性：空域上纵横交错，时域上持续不断，频域上密集重叠。

其中，复杂电磁环境本身的错综复杂性、无形和难以直接感知是其最基本特性。但作为物质实体，可通过科学语言和技术手段对其进行描述。

（三）复杂电磁环境的构成

各种电磁辐射源在特定的战场空间内产生的电磁辐射形成复杂电磁环境。根据战场电磁环境的概念，把复杂电磁环境进行划分，可为指战员用于指挥决策和作战行动提供帮助。

人为电磁辐射和自然电磁辐射反映复杂电磁环境的形成条件，是控制电磁环境的内因;辐射传播因素反映电磁传播属性的变化，是控制电磁环境的外因。对于无意电磁辐射，要降低电磁泄漏等无意辐射，不能干扰其它设备和系统的工作，同时要保证自身的正常工作，这对于设备自身的战场安全非常重要。由人工操控条件下各种电子或其它电气设备向空间发射电磁能量的电磁辐射，是战场电磁环境的主要形成条件，包括有意电磁辐射和无意电磁辐射。为特定的电磁活动目的而人工有意向空中特定区域形成的电磁辐射，一般都通过发射天线向外辐射，是战场电磁环境的关键构成要素。在现代信息化战争中，有意电磁辐射已经成为一种作战模式，对战场态势产生巨大的影响。

三、采取有效的应对措施

从分析电磁环境构成入手，采取有效的技术手段来实现战场电磁兼容性。采取对应的技术手段，消除或减小战场上的电磁干扰危害，减少不希望有的电磁发射;针对敏感设备的技术措施，削弱不希望的响应，等等。

同时，为确保电气、电子设备和系统电磁兼容的实施，有关国际机构、政府和军事部门，以及其他相关组织应该制定一系列对电磁兼容设计的指导性文件，以便为提高系统性能提供重要保证。

摘要：在当今信息化的时代, 复杂电磁环境越来越成为决定战场建设的关键因素。本文从分析复杂电磁环境的概念、特性和构成入手, 提出应对措施。

关键词：复杂电磁环境,战场建设,措施

参考文献

[1]王汝群等.战场电磁环境.解放军出版社.

[2]李高升等.战场电磁环境 (PPT) .国防科技大学, 2008.

强电磁环境篇6

当今时代, 电子信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用, 开辟了与以往陆、海、空、天并列的第五维空间———电磁空间。在五维一体化的战场上, 敌对双方的电子对抗武器和大功率雷达通信设备所共同产生的多类型、高能量、宽频谱、高密度的复杂电磁环境对处于其中的电子设备具有很大的破坏力[1]。与此同时, 高集成电子电路在医疗领域的广泛应用使得现代医疗设备的高灵敏度、小型化和智能化得以实现, 但也不可避免地带来了医疗设备抗电磁干扰能力的下降。特别是对于检测人体生物电生理信号的医疗设备, 电磁干扰不仅可以影响其检测结果的准确性, 严重时甚至会由此产生强电击, 从而危及患者的生命。据美国食品药品监督管理局 (food and drug administration, FDA) 统计, 在1973—1993年间, 收到疑为医疗设备因电磁干扰而引发的事故超过100例, 其中, 被FDA认定的事故有电台FM发射的电磁波干扰监护仪最终导致患者因没能及时检测出心律不齐而死亡、移动电话使心脏起搏器运行异常等。在1995—2000年间, 日本在抢救患者时, 因有人使用移动电话发射电磁辐射而使输液泵突然发生误动作或直接停止工作的事故就有3起[2,3]。

复杂的战场电磁环境可以直接影响武器装备战斗效能的发挥和战场生存能力, 但是卫生装备在复杂的电磁环境下能否正常运行且发挥其预期的诊断和治疗作用, 目前尚无确切定论。国外有不少针对手机、射频磁卡等对医疗设备电磁干扰的研究, 但是像在战场这种复杂电磁环境下卫生装备的电磁兼容性研究鲜有报道[4,5]。国内主要是在理论分析上, 少数的试验研究也仅仅是做了单个设备的单项试验[6,7,8]。因此, 开展卫生装备在战场复杂电磁环境下的电磁兼容性研究具有重要的现实意义。

1 战时卫生装备电磁兼容性问题

1.1 电磁兼容性的定义

国内外许多国标、军标以及民标中关于电磁兼容性的定义都包含以下内容:电磁兼容性 (electromagnetic compatibility, EMC) 是设备或系统在共同的电磁环境中能够一起正常发挥各自功能的共存能力, 即设备既不会因为所处电磁环境中其他设备发射的电磁辐射而使其功能降级, 也不会因为自己发射的电磁辐射而降低其他设备的功能。电磁兼容性包括电路模块、设备以及系统3个级别间的相互兼容, 分为电磁干扰和电磁敏感度2个方面。电磁干扰 (elec tromagnetic interference, EMI) 是指由其他电子设备发射的电磁辐射通过某种传播途径到达敏感设备并引起该设备性能的降低。电磁敏感度 (electromagnetic susceptibility, EMS) 是指电子设备对其所在环境中的电磁干扰具有的抗干扰能力[9,10]。

国家军用标准《军队卫生装备基本术语》中对卫生装备电磁兼容的定义为:卫生装备在共同的电磁环境中能一起完成各自功能的共存状态。也就是装备在所处的电磁环境中能够正常执行规定的功能, 同时又不影响其他装备正常执行其功能[11]。

1.2 战场复杂电磁环境的构成分析

未来陆、海、空、天、电五维一体的战场中, 作战双方将大量使用电子武器装备, 不仅数量庞大、体制复杂、种类多样, 而且功率大、频谱宽。在激烈的电子对抗条件下产生的多类型、宽频谱、高密度且辐射总量越来越多的电磁辐射信号形成了一个新的且极其重要的战争要素———复杂电磁环境。一般认为战场复杂电磁环境主要由背景电磁辐射、军用电磁辐射和辐射传播因素3个部分组成 (如图1所示) 。

其中, 背景电磁辐射是指不论战时还是平时都具有的电磁辐射, 主要包括自然环境和民用通信等带来的电磁辐射。军用电磁辐射是战场特有的电磁辐射, 主要指作战双方为了争夺电磁权而有意或无意发射的电磁辐射, 这是战场复杂电磁环境的最主要构成。辐射传播因素主要是通过影响各种传播媒介的性质来对电磁波发生作用, 从而改变电磁环境的形态特征[12,13]。

1.3 复杂电磁环境对卫生装备的影响

复杂电磁环境会对卫生装备造成干扰, 使其检测结果偏差、运行失控、陷入瘫痪死机, 甚至对直接接触装备的患者或医护人员造成强烈的电击伤害。例如:交变的电磁场可能通过电极线产生感应电流, 淹没人体生物电信号, 从而影响心电、脑电等检测结果;强大的电磁脉冲信号能通过孔缝进入到设备内部, 击穿内部的电路元器件, 从而对卫生装备造成不可恢复的损毁;较强的磁场干扰可能使显像管图像变形失真、X线球管和加速器射线发生偏移等。这些电磁干扰都可能影响卫生装备在战场上发挥其应有的功能, 使伤病员失去及时有效的救治机会[14]。

2 卫生装备电磁兼容性试验方法

2.1 试验环境及设备

本次电磁兼容性试验选取的场地为军械工程学院静电与电磁防护研究所全军武器装备重点实验室, 该实验室具备GJB 151A—1997所要求的完善的试验设施。试验中用到的关键设备有半电波暗室、吉赫兹横电磁波 (Gigahertz transverse electro magnetic, GTEM) 室、屏蔽室、频谱仪、发射天线、接收天线、信号发生器、功率放大器、电流注入探头、辅助计算机、线路阻抗稳定网络 (line impedance stabilizing network, LISN) 等。

2.2 参照标准

本试验主要以电磁兼容国家军用标准GJB151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB 152A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》为参考, 选取了陆军装备所要求的4项通用测试, 即电场辐射发射、电磁辐射敏感度、电源线传导发射、电缆束注入传导敏感度。

2.3 受试设备

根据我军医疗机构常规配置的卫生装备情况, 选取了几类较为常见的卫生装备, 包括心电图机、多参数监护仪、除颤仪、B超机、麻醉机、呼吸机、高频电刀、超短波治疗仪、40 m A X线机等。

2.4 试验步骤

(1) 根据GJB 152A—1997中相关项目规定的方法, 在半电波暗室、GTEM室或电磁屏蔽室内配置相应的试验设备, 并进行校准试验。 (2) 将受试设备放置在试验台上, 并通电预热, 使其达到稳定的工作状态。部分设备如心电图机、多参数监护仪等的信号采集端口需连接到生理参数模拟发生器上, 并将模拟发生器放置于屏蔽盒内。 (3) 按照要求设置相应的电场强度、扫描时间、扫描频率等参数。 (4) 从规定频率范围的最低点到最高点开始扫频, 注意要根据不同的频率范围选择相对应的天线。 (5) 更换受试设备, 重复上述试验步骤。

3 试验结果

3.1 电场辐射发射试验

试验过程中不同频段使用不同的接收天线, 即2~30 MHz使用有源拉杆天线, 30 MHz~1 GHz使用对数周期天线, 1~18 GHz使用喇叭天线。对30 MHz以上的频率, 天线应取水平极化和垂直极化2个方向。根据使用天线的不同, 将试验结果分为2~30 MHz、30 MHz~1 GHz、1~18 GHz 3段显示。电场辐射发射试验结果见表1。

其中, 2~30 MHz频段间有高频电刀和超短波治疗仪2台设备辐射超标, 30 MHz~1 GHz频段间只有1台多参数监护仪合格, 1 GHz以上频段有1台便携式B超机辐射超标。可见, 电场辐射发射试验的20台设备中只有1台多参数监护仪在整个频段内都符合要求, 其余辐射发射超标主要集中在30 MHz~1 GHz频段之间。

图2是其中一台卫生装备的具体测试结果, 直线是GJB 151A—1997规定的极限值, 曲线是受试设备辐射发射的测试值。

3.2 电场辐射敏感度试验

在幅度为50 V/m、频率为30 MHz~2.5 GHz的电场辐射敏感度试验中, 15台受试设备只有2台B超机不受该强度的电磁干扰, 合格率为13%。其他设备受电磁干扰出现异常的频率都是在1 GHz以下, 且当干扰信号停止后, 所有设备都能自动或经过手动调控恢复到正常运行状态。也就是说, 50 V/m强度的电磁干扰只是影响了卫生装备的正常运行, 并没有对卫生装备的内部硬件造成击穿、烧毁等不可恢复的损坏。

图3是某型号B超机正常运行和受不同程度电磁干扰的运行情况, 随着频率和场强幅度的变化, 受干扰的严重程度有所不同。图3 (a) 显示了在没有电磁干扰时B超机可以很清楚地分辨体模内不同深度的影像。图3 (b) 显示了在受到频率为32 MHz、幅度为2.8 V/m的电磁干扰后, 屏幕出现了很明显的条纹, 从而影响了诊断, 且越深部位影响越严重。图3 (c) 显示了在频率为56 MHz、幅度为15 V/m的电磁干扰下, 出现了更为严重的异常现象, 即整个屏幕出现失真。

图4显示了某型号心电图机在正常运行时受到频率为80 MHz、幅度为50 V/m的电磁干扰时出现了严重异常, 但是当电磁干扰信号停止后又自动恢复到了正常状态。

3.3 电源线传导发射试验

根据国军标要求, 接受试验的4台不同类型的卫生装备电源线传导发射测试值都在规定的极限值以下。图5为其中一台卫生装备的具体测试结果, 直线是GJB 151A—1997规定的极限值, 曲线是受试设备电源线传导发射的测试值。

3.4 电缆束注入传导敏感度试验

在对受试设备的电源线注入传导敏感度试验中, 所有受试设备都能正常运行。但是对设备的信号线, 如心电图机的某一根电极线注入干扰信号时, 心电图机会出现明显的异常情况, 且干扰主要出现在1 MHz以下的频段。当干扰信号频率超过1 MHz时, 干扰现象逐渐消失。由此可见, 卫生装备的电源线对注入干扰的抗干扰能力很强, 而信号传输线对低频段的注入干扰较为敏感。图6是某型号心电图机的电极信号线在受到注入干扰时出现的异常情况。

4 结语

在以GJB 151A—1997和GJB 152A—1997为标准的电磁兼容性试验中, 电源线传导发射都满足要求, 说明该类卫生装备正常运行时不会通过电源网络对周围的其他电气设备造成电磁干扰。在电缆束注入传导敏感度试验中, 所有设备对电源线注入干扰电流都不受影响, 但是对信号电缆注入干扰电流则能引起很大的干扰, 说明该类卫生装备的电源线对传导耦合的抗干扰能力较强, 而信号线对传导耦合的干扰则很敏感, 所以, 应注意保护信号电缆不受传导耦合干扰的影响。在电场辐射发射试验中, 几乎所有受试设备在30 MHz~1 GHz之间的电场辐射发射都超过了规定的极限值, 而其他频段的电场辐射发射基本都满足要求。所以, 要特别注意限制在30 MHz~1 GHz之间的电场辐射发射。在电场辐射发射敏感度试验中, 主要问题都出现在干扰信号频率小于1 GHz时, 因此, 在进行电磁兼容改进或者电磁屏蔽防护处理时, 要高度重视该频段的防护处理。

无线电磁环境监测综述篇7

电磁环境(Electromagnetic Environment,简称EME)是由存在给定场所所有电磁现象的总和,它包括自然的和人为的,有源的(直射波)和无源的(反射波),静态和动态,它是由不同频率(F)的电场(E)和磁场(H)组成[1]。变化的电磁与磁场交替在空间传播,当频率大于100k Hz时,电磁波离开导体通过空间传播,这种在空间中传播的电磁能量即为电磁辐射。随着科学技术的发展和社会进步,人们在生产和生活中使用的电器及电子设备的数量越来越多,致使我们面临的电磁环境越来越恶劣,对人们的生产和生活造成严重的危害,主要有四个方面,对无线电信号和通讯系统的干扰、对武器装备的危害、泄露国家机密、对人体的危害。电磁环境的好坏直接影响到无线电设备的工作效率,恶劣的电磁环境往往容易对无线电设备造成噪音干扰,使无线电设备信息中断。如今,随着科技的发展,无线电事业也不断取得新成就,这主要表现在无线电通讯技术上的日新月异和无线电台数量的急剧增多等方面。然而由于电台数量的增多,使得卫星轨道和电台频率的资源变得紧张,电磁干扰增加,电磁环境受到污染也随之日益恶化。电磁环境污染有两种表现形式,其一是两种无线电业务之间的干扰,即电磁干扰。还有一种就是因电磁波的应用使一些频段出现大量的背景噪音,严重者将会影响到整个频段的电磁环境。造成电磁环境污染的电磁污染源有些是天然的,有些是人为的。比如,火山喷发、雷电现象产生的电磁辐射就是自然的。人为的电磁污染源包括人制造的一切电子设备和电器。按其频段的差异这些电磁辐射又可分为射频辐射和工频辐射而射频辐射是目前主要的污染电磁环境的因素。

2 电磁环境监测设备

电磁环境的监测通常需要专用的设备[2]来完成。电磁环境的监测设备的要求不同于通信接收机,通信接收机是用于再现一个信号,在接收这种信号中灵敏度和速度起着重要的作用。电磁环境监测设备是用来测试电磁噪声和无线电信号的电平和频率等指标,所测量的可能是干扰源,也可能是无线电信号。因此,对它的要求是测量精度。

2.1监测接收机

由于在电磁环境测量中,经常出现具有不同带宽特性的信号,所以对监测接收机的互调特性也有严格的要求。为适应各种调制形式信号的测量,除可接收正弦波信号外,更常用于接收脉冲干扰信号[2]。因此,监测接收机应具有平均值检波、峰值检波和准峰值检波功能,依据不同的测量对象,选择检波方式。实际测量的信号基本可以分为三类:连续波、脉冲波和随机噪声。连续波干扰(如:载波、电源谐波和本振)是窄带干扰,在无调制的情况下用峰值、有效值或平均值检波器均可以检测出来,且测量的幅度相同。对于脉冲干扰信号,峰值检波器可以很好地反映脉冲的最大值,但反映不出脉冲重复频率的变化。这时,使用准峰值检波器最为合适,其加权系数随脉冲信号重复频率的变化而改变,重复频率低的脉冲信号引起的干扰小,反之加权系数大。而用平均值、有效值检波器测量脉冲信号,其读数也与脉冲重复的频率有关。随机干扰的来源有热噪声、雷达目标反射以及自然噪声等,这时,主要分析平稳随机过程干扰信号的测量,通常使用有效值和平均值检波器来测量。利用检波器的特性,通过比较信号在不同检波方式下的响应,就可以判别所测未知信号的类型,确定干扰信号的性质。例如,用峰值检波器来测量某一干扰信号,改为平均值或有效值检波时幅度不变,则该信号是窄带信号。若幅度发生变化,则该信号可能是宽带信号(即频谱超过接收机分辩带宽的信号,如脉冲信号)。

2.2 监测天线

各省(区、市)监测站拥有最多的是覆盖30MHz~3000MHz频段的监测设备,同时该频段也是关注程度最高的频段[2]。在此频段进行监测时,要求有覆盖30MHz~3000MHz频段的监测天线,监测天线应具有水平和垂直两种极化方式,无方向性,以便更为详尽地监测电磁环境。使用定向天线时,要有尽可能低的方向性,在360°不同方向的增益变化不大于6d B。监测天线的高度以能够消除地表面反射波的影响为基本要求,一般监测天线高度距地表面(或房顶面)不低于6米。

3 电磁环境检测及工作原理

在无线电事业迅速发展的今天,影响电磁环境形成的电磁源十分广泛。它可以是自然界的雷电噪音,也可以是我们所使用的各种电子设备和电器发出的干扰噪音。因此在我们肉眼看不到的空间范围内,电磁波用它所特有的方式在广阔的大地上形成了一个复杂的网络系统。这个网络跨过了山川、河流,遍布到乡村、城市的各个角落。这使得我们在使用电子设备和电器时进行电磁环境的检测变得十分必要。同时电磁环境监测是重要的。电磁环境监测是电磁环境构建体系的重要组成部分。实行电磁环境监测有助于为电磁环境的调节提供准确的数字和依据,有助于电磁环境的检测和评估。电磁环境监测体系是由电磁环境的监测仪及用户终端共同组成。它的工作原理是:在实际的工作中,由电磁环境的监测仪进行电磁环境检测,迅速测量出短波的波段频谱,然后结合干扰电的平时测量值以及信道的占有率进行一些必要的计算和登记,如干扰的重心段的计算,安静频率的记载,最终把监测结果存入到电磁环境的数据库。这样,用户端对电磁环境的检测仪可以实现遥控操作。并通过此种方式,用户端可以修改检测仪的监测参数,获得监测结果,同时还可以随时查询数据库中的一些历史数据。在无线电的测量方法上,要注意对监测频段的扫描速率以及对测量的精确性的把握。比如:用HR-12监测与测向设备对电磁环境进行测量。首先,要启动新信号的搜索功能,设置相对应的设备参数以及统计参数,包括选择灵敏度、步进等参数。然后,再根据所要求精度要求和噪声温度设定统计的次数,记录全过程监测的数据作为分析的基本原始数据。最后,分析处理原始数据得出我们所需要的信息。

4 检测方法

4.1外环境监测

城市电磁辐射环境监测和典型电磁辐射环境监测均属外环境电磁辐射监测[3]。前者是在城市范围内按区域划分许多监测点,逐点测量其电磁辐射振幅与频率特性,以便了解该区域的电磁辐射电平和频谱分布,为建立城市电磁背景噪声数据库和拟合城市电波传播校型提供原始数据。后者是针对特定发生源(如大型无线电和微波台站发射天线),测量其辐射衰减特性,为评价和预测强功率发生源对周围环境影响提供依据。

4.2内环境监测

内环境监测是在大功率电子设备或发射天线附近作业区内进行,属于近场区强电磁辐射环境监测。强电磁辐射测量,主要是拾取环境中某点的电磁辐射功率密度,并在给定频段内应对各频率分量同时予以响应。因此,必须采用宽频带的专用检测仪器。目前常用的有宽带各向同性场强计和宽带非定向辐射检测仪两种,前者用于射频电磁辐射监测,后者用于微波电磁辐射监测。

4.3测量记录

测量数据的可重复性和可比性,是保证监测质量的重要标志。必须对测量条件、测量状态以及原始测量数据进行完整记录。测量记录的主要内容包括测量地点、日期、时间、使用仪器、测试人员及全部原始测量数据。为便于进行分析,可将有关监测情况列表汇总。

5 数据处理

5.1电磁辐射电平取值

环境电磁辐射监测,应根据不同监测目的对辐射电平进行取值。在内环境电磁辐射监测时,对气体或液体引燃的电磁辐射监测,应取场强或功率密度的峰值;对引爆和影响人体健康的电磁辐射监测,应取场强或功率密度的平均值。在外环境电磁辐射监测时,一般取场强或功率密度的准峰值。对辐射波峰值、准峰值和平均值的响应,主要反映在监测仪器的检波器上,具体表现于充、放电时间常数。对峰值检波,要求充电快(时间常数小)、放电慢(时间常数大);对准峰值检波,因既要反映辐射波的幅度又要反映其时间分布,其充电时间_常数比峰值检波大而放电时间比之小;对平均值检波,由于是取辐射波包迹在一段时间的平均,其充、放电时间常数由中放带宽确定。

5.2不超过某概率的电磁辐射电平

在电磁环境中,存有大量随机过程辐射信号,其辐射电平是一随机变量,一般用振幅概率分布(A.P.D)来表征其辐射。处理电磁环境测量数据时,对这类随机过程辐射信号应采用不超过某概率的电平值,例如80%不超过概率电平值或中值(50%不超过值),作为统计阂值。一般来说,为获得不超过某概率的电平值,应根据测量数据求出该辐射的振辐概率分布,由此得出与某概率相应的辐射电平。也可采用分区间逐步逼近法在计算机上进行。

5.3剔除异常数据

在所采集的大量数据中,可能混入一些异常数据,若不剔除,将会歪曲测量结果。另外,对一了些误差较大但尚能客观反映随机波动的离散性数据,如主观地误认为是异常数据予以剔除,也会影响测量结果的正确性。因此,需采用数理统计方法来剔除异常数据。给定某一置信概率或置信度,并确定一个置信限,对超过该限值的误差,认为不属于随机误差,应予以剔除。

5.4数据拟合

为了从测量数据中求出辐射波传播特性,需对数据进行拟合。众所周知,大部分电波传播均符合以下规律:

式中,k为常数,n为自变量幂数(任意整数或分数),上式可改写为

显然,lgd为自变量,lg E为变量,上式为一元线性方程。因此,将测量数据略加处理,就可用线性回归方法对测量数据进行拟合。

电磁环境的监测、控制和预测,是解决电磁环境兼容性的三个重要环节。其中,监测是基础。因此,必须大力开展电磁环境辐射监测技术的研究。目前,有很多电气、电子和电力设备辐射出的电磁波,具有十分复杂的统计性质,需要加强对典型发生源的监测。从高质量监测数据中,抽出其本质,建立数学模型,在城市电磁环境监测基础上,逐步建立、健全城市背景噪声数据库,以便能动地对电磁环境进行协调和预测。

6 结束语

本文对电磁环境监测及其技术进行了探索,首先描述了环境监测设备,接着阐述了电磁环境监测的工作原理,并探索了电磁环境监测的方法,最后给出了电磁监测的数据处理算法。

摘要：随着科技的发展,无线电事业迅速发展起来,这给人们的生活带来了极大的方便,同时也使人们处于极大的复杂的电磁环境之中,电磁环境严重地影响到了人们的生活。在此背景之下,通过对电磁环境监测及其技术的初步探索,增强人们的相关知识。

关键词：电磁环境,检测技术,电磁环境监测,电磁辐射,综述

参考文献

[1]王琨.电磁环境监测及其技术探析[J].科技资讯,2011(15):156-156.

[2]夏跃兵.无线电磁环境监测与分析[J].中国无线电,2006(6):47-52.

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