便攜式監(jiān)護(hù)儀的電磁輻射抗擾度試驗(yàn)研究

【作 者】袁軍，肖冬萍，簡鑫

1 第三軍醫(yī)大學(xué) 大坪醫(yī)院，重慶，400042

2 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044

3 重慶大學(xué)通信工程學(xué)院2406實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)系統(tǒng)與各種軍事設(shè)備日趨電子化、信息化，各國對“第5維戰(zhàn)場”——電磁空間的角逐日漸激烈，戰(zhàn)場電磁環(huán)境也隨之變得愈來愈復(fù)雜[1]。特別是近年來，電磁脈沖武器的研發(fā)和運(yùn)用呈加速趨勢，對野戰(zhàn)裝備電子系統(tǒng)構(gòu)成巨大威脅[2-3]。當(dāng)前，對作戰(zhàn)飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈等重大武器系統(tǒng)的電磁防護(hù)研究備受關(guān)注，取得了長足進(jìn)步。但是，作為衛(wèi)勤保障的急救醫(yī)療設(shè)備的電磁防護(hù)卻嚴(yán)重滯后。軍隊(duì)野戰(zhàn)配置的急救醫(yī)療設(shè)備與民用基本相同，在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中存在極大的安全隱患，對野戰(zhàn)急救醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行電磁加固勢在必行[4-5]。

監(jiān)護(hù)儀可實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測病人的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要生命體征參數(shù)，為醫(yī)學(xué)臨床診斷提供重要參考，是戰(zhàn)時(shí)救護(hù)、醫(yī)院急救和重癥病人監(jiān)護(hù)必不可少的裝備[6]。由于人體生理信號極為微弱，測量時(shí)極易混入干擾信號而影響診斷。通常情況下，商用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的EMC滿足IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)和EN60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)，但是否能在戰(zhàn)場復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境中正常工作，還未見相關(guān)研究報(bào)道。

本研究以某款目前軍隊(duì)醫(yī)院所使用的便攜式監(jiān)護(hù)儀為對象，分別進(jìn)行了混響室射頻輻射試驗(yàn)和超寬帶（UWB）電磁脈沖輻射試驗(yàn)，測試其抗干擾能力，為采取特別的抗電磁干擾措施提供依據(jù)。

1 混響室射頻輻射試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及環(huán)境

測試系統(tǒng)由機(jī)械攪拌式混響室、信號發(fā)生器、功率放大器、定向耦合器、功率計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)、控制電機(jī)、發(fā)射天線、場強(qiáng)計(jì)和相應(yīng)的控制軟件等組成。

混響室是近年來發(fā)展起來的一種新的電磁兼容性測試平臺[7-8]，提供一種統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性和隨機(jī)極化的電磁環(huán)境。本試驗(yàn)所用混響室的幾何尺寸為10 m×8 m×4.3 m，最大可用測試空間為6.5 m×5.0 m×2.2 m，內(nèi)置垂直和水平2個(gè)機(jī)械攪拌器，采用反射板的V型切口，有利于改善低頻特性。它主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平[9]。

本試驗(yàn)按照IEC61000 - 4 - 21 標(biāo)準(zhǔn)[9]規(guī)定的混響室測試方法，對某款軍用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行電磁輻射抗擾度測試。測試系統(tǒng)幾何布局如圖1所示。

圖 1 混響室實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.1 Layout sketch of experiment in Reverberation chamber

1.2 試驗(yàn)方法

以心電模擬儀作為監(jiān)護(hù)儀的輸入信號，調(diào)試為正常工作狀態(tài)后置于測試臺上，直接接受電磁輻射。利用場強(qiáng)計(jì)測量監(jiān)護(hù)儀周邊的電場強(qiáng)度，在混響室內(nèi)安置攝像機(jī)，對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀顯示屏實(shí)時(shí)錄像，并傳至室外顯示。

試驗(yàn)分兩部分：一是通過軟件控制發(fā)射信號頻率逐步增大（即稱為掃頻），以監(jiān)護(hù)儀波形畸變、數(shù)據(jù)顯示紊亂、警報(bào)提示和死機(jī)等特征為判斷依據(jù)，標(biāo)定受試設(shè)備的電磁敏感頻點(diǎn)；二是設(shè)定敏感頻點(diǎn)，根據(jù)IEC61000-4-21標(biāo)準(zhǔn)，采用步進(jìn)模式測定多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀工作出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)的臨界場強(qiáng)值。試驗(yàn)用混響室起始頻率為80MHz，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，3倍起始頻率以下，步進(jìn)位置為50個(gè)；3倍起始頻率至6倍起始頻率之間，步進(jìn)位置為18個(gè)；6倍起始頻率以上，步進(jìn)位置為12個(gè)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 掃頻試驗(yàn)結(jié)果

受混響室最低可用頻率和功率放大器工作范圍限制，掃頻范圍為80 MHZ～1 GHz。軟件控制信號發(fā)生器的頻率逐步提高，觀察多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)波形畸變、數(shù)據(jù)顯示紊亂、警報(bào)提示和死機(jī)等任一異常現(xiàn)象時(shí)，記錄該頻率為受試設(shè)備的敏感頻點(diǎn)。通過掃頻得到監(jiān)護(hù)儀的敏感頻點(diǎn)為：160 MHz、390 MHz、460 MHz、550 MHz、600 MHz、730 MHz、800 MHz、900MHz、1000 MHz。

1.3.2 步進(jìn)模式試驗(yàn)結(jié)果

將信號源設(shè)定為某一敏感頻點(diǎn)，軟件控制信號源電平逐漸增加（即增大入射場強(qiáng)），直到監(jiān)護(hù)儀工作狀態(tài)首次出現(xiàn)異常，記錄此時(shí)的電場強(qiáng)度及具體異?，F(xiàn)象；然后，改變步進(jìn)位置繼續(xù)測試；將所有規(guī)定步進(jìn)位置所得場強(qiáng)取均值后得到在該頻點(diǎn)下監(jiān)護(hù)儀的敏感臨界場強(qiáng)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 步進(jìn)模式試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Statistical result of experiments under step mode

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于80～390 MHz范圍內(nèi)的電磁干擾，監(jiān)護(hù)儀的敏感臨界場強(qiáng)隨頻率的增大而減?。粚τ?90～900 MHz范圍內(nèi)的電磁干擾，監(jiān)護(hù)儀的臨界場強(qiáng)大致隨頻率的增大而增大。監(jiān)護(hù)儀對頻率為390 MHz左右的電磁干擾最為敏感，其臨界場強(qiáng)最低，在防電磁干擾加固時(shí)需特別重視。

試驗(yàn)中，監(jiān)護(hù)儀受電磁干擾后異常工作狀態(tài)多集中表現(xiàn)為基線漂移、波形畸變、波形消失和心動周期延長等，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 步進(jìn)模式下監(jiān)護(hù)儀故障類型和出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical results of fault sort and frequency of monitor under step mode

2 UWB電磁脈沖輻射試驗(yàn)

2.1 UWB參數(shù)

超寬帶（U W B）電磁脈沖的峰值功率大于100MW、上升前沿為10-8或10-12S量級、相對帶寬超過25%，其頻譜可以從幾十MHz伸展到幾GHz乃至幾十圖3～圖6為監(jiān)護(hù)儀心電正常顯示和幾種典型故障顯示的對比。GHz，對電子設(shè)備具有較強(qiáng)的干擾和破壞效應(yīng)[11-12]。

圖3 正常心電波形Fig.3 Normal ECG waveform

圖4 心電波形基線漂移Fig.4 ECG waveform baseline drift

圖5 心電波形畸變Fig.5 ECG waveform distortion

圖6 心電波形消失Fig.6 ECG waveform disappearance

圖7 心動周期延長Fig.7 cardiac cycle prolongation

本試驗(yàn)采用的UWB試驗(yàn)參數(shù)滿足國際電工委員會的標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)見表2～4：

表2 UWB脈沖參數(shù)Tab.2 Parameters of UWB pulse

表3 脈沖波形參數(shù)Tab.3 Parameters of pulse waveform

表4 天線參數(shù)Tab.4 Parameters of antenna

2.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果

選擇一空曠場地安放UWB發(fā)射源，其天線軸線對準(zhǔn)監(jiān)護(hù)儀，將監(jiān)護(hù)儀直接暴露于脈沖輻射之中，與脈沖源的距離分別取10m、7.5m和5m。適當(dāng)選擇脈沖強(qiáng)度，確保監(jiān)護(hù)儀不至于不可逆轉(zhuǎn)性損壞。調(diào)整脈沖進(jìn)行單次觸發(fā)，每個(gè)位置各進(jìn)行5次重復(fù)測試，觀察并記錄監(jiān)護(hù)儀工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 UWB輻射試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of UWB radiation experiments

試驗(yàn)表明，UWB脈沖對監(jiān)護(hù)儀具有顯著的干擾效應(yīng)，被測設(shè)備與脈沖源的距離越近、輻射場強(qiáng)度越大，干擾越大。

3 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)結(jié)果，可以得出結(jié)論：

1）相比于射頻連續(xù)波，電磁脈沖對監(jiān)護(hù)儀的干擾更嚴(yán)重，需重點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。

2）所選用的監(jiān)護(hù)儀對射頻電磁輻射具有一定的抗干擾能力，異常狀態(tài)多表現(xiàn)為測量波形基線漂移、畸變。

3) 監(jiān)護(hù)儀對于不同頻率的電磁干擾具有不同的電磁敏感性，所選用的監(jiān)護(hù)儀對390 MHz左右的電磁干擾最為敏感，其臨界場強(qiáng)最低。

致謝：

本實(shí)驗(yàn)得到石家莊軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所魏明副教授等的支持與配合，在此表示衷心感謝。

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