高速動(dòng)車組弓網(wǎng)離線放電電磁干擾對(duì)L波段雷達(dá)的影響分析

單 秦,孫 源

(1.中國電子科學(xué)研究院,北京 100041；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州 450001)

工程與應(yīng)用

高速動(dòng)車組弓網(wǎng)離線放電電磁干擾對(duì)L波段雷達(dá)的影響分析

單 秦1,孫 源2

(1.中國電子科學(xué)研究院,北京 100041；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州 450001)

隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展,高速鐵路電磁干擾對(duì)沿線電子設(shè)備的影響愈來愈引起人們的關(guān)注。目前國內(nèi)相關(guān)高校及科研院所對(duì)于該電磁干擾的來源和機(jī)理已做了較為深入的研究,得出了一些很有價(jià)值的理論成果,但其對(duì)雷達(dá)的影響程度,尚沒有明確的結(jié)論。研究通過前期的大量測試數(shù)據(jù)對(duì)列車弓網(wǎng)離線引起的電磁干擾、電磁干擾強(qiáng)度與車速的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)學(xué)建模,現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)定量分析了此噪聲對(duì)L波段雷達(dá)的影響。通過計(jì)算得到了在平原地區(qū)條件下(干擾源與受擾雷達(dá)之間的電磁波傳播路徑上無遮擋物,僅存在地面反射),干擾強(qiáng)度與雷達(dá)和鐵道間距、列車速度之間的關(guān)系,得出了雷達(dá)的有效防護(hù)距離。

高速鐵路；電磁干擾；雷達(dá)距離損失率；有效防護(hù)距離

0 引 言

近年來我國高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，給交通運(yùn)輸帶來了極大的便利，也促進(jìn)了沿線城市及地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但高速鐵路屬于強(qiáng)電系統(tǒng)，其在運(yùn)行過程中也會(huì)帶來電磁污染和噪聲干擾等問題，對(duì)沿線的電子設(shè)備造成一定的影響，特別是沿線的對(duì)空情報(bào)雷達(dá)，其雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度高，微弱的電磁干擾也可能對(duì)雷達(dá)造成較大的影響。而且，隨著電氣和電子設(shè)備本身功率容量和密度的不斷增大，電網(wǎng)及其周圍的電磁環(huán)境遭受的污染也日益嚴(yán)重[1-2]。對(duì)動(dòng)車組電磁騷擾的多次現(xiàn)場測試表明，受電弓與接觸線脫離產(chǎn)生放電電弧的電磁干擾是引起沿線電子設(shè)備干擾的主要原因。

國外對(duì)于電氣化鐵路電磁干擾噪聲的來源和強(qiáng)度已有研究，并給出了一些測量數(shù)據(jù)，但由于其線路及列車均與國內(nèi)有很大差別，并不具備參考價(jià)值。從2007年開始，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)高校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)于該電磁干擾的來源和機(jī)理做了較為深入的研究，得出了一些很有價(jià)值的理論成果，并給出了一些測量數(shù)據(jù)。但是，高速鐵路電磁干擾噪聲對(duì)雷達(dá)的影響問題，賀峰等學(xué)者雖然對(duì)電氣化鐵路電磁干擾對(duì)情報(bào)雷達(dá)的影響進(jìn)行了分析，但其并沒有探討干擾產(chǎn)生的機(jī)理，而且測試數(shù)據(jù)過于陳舊，不適用于目前高速鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀[3]。從目前的研究情況來看，由于鐵路系統(tǒng)的特殊性，國內(nèi)外還沒有提出一個(gè)比較可行的通用研究模型。

研究基于大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)工作提出了高速鐵路弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電磁干擾的統(tǒng)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上探討了高速鐵路電磁干擾對(duì)L波段雷達(dá)的影響及防護(hù)對(duì)策。

1 干擾來源及干擾統(tǒng)計(jì)模型

高速動(dòng)車組產(chǎn)生的無線電干擾主要是脈沖型電磁干擾，來源紛雜，如牽引電機(jī)、機(jī)車二次電源、變頻設(shè)備及弓網(wǎng)系統(tǒng)的噪聲等，這些干擾隨著運(yùn)行工況的改變會(huì)發(fā)生很大變化。射頻及微波段的干擾多數(shù)來自于弓網(wǎng)系統(tǒng)，主要有兩種:接觸電阻變化產(chǎn)生的微小起伏噪聲和受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線間出現(xiàn)離線現(xiàn)象引起的脈沖干擾。從實(shí)際測試結(jié)果看得知，前者常被后者所掩蓋[4-6]。

根據(jù)作者之前的研究成果，弓網(wǎng)離線干擾具備如下特點(diǎn):

·弓網(wǎng)離線的發(fā)生是隨機(jī)事件，離線概率與車速、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力、硬點(diǎn)和接觸線動(dòng)態(tài)抬升量等多種因素有關(guān)[6]。

·干擾脈沖幅度服從高斯分布[6]，如圖1所示。

·干擾脈沖的上升時(shí)間很短，頻譜很寬[5-6]，在所分析頻段可近似認(rèn)為是白噪聲，如圖2、圖3所示。

因此，接收機(jī)峰值檢波器輸出電壓服從高斯分布，其概率密度和功率譜密度函數(shù)分別為:

圖1 干擾脈沖幅度統(tǒng)計(jì)特性

圖2 干擾脈沖時(shí)域波形

圖3 干擾脈沖頻域特性

式中:μ為期望；σ2為方差；Bn為干擾噪聲帶寬。

根據(jù)作者之前的研究成果[5-6]，放電電壓和功率都隨著速度的增加而增加，在顯著性水平為0.05時(shí)，它們之間呈現(xiàn)指數(shù)變化的規(guī)律，具體的函數(shù)關(guān)系為:

式中:v為列車運(yùn)行速度，a、b為與測試距離有關(guān)的參數(shù)。

因此，考慮離線放電產(chǎn)生的輻射以球面波方式傳播，同時(shí)，在電磁波傳播路徑上無遮擋物，其在雷達(dá)處瞬時(shí)功率譜面密度為:

式中:D為弓網(wǎng)離線放電點(diǎn)與雷達(dá)的距離（考慮到最大值的情況，取D為雷達(dá)與鐵軌的垂直距離）。

雷達(dá)接收機(jī)接收到的瞬時(shí)噪聲功率為:

式中:A1為雷達(dá)天線有效接收面積；B1為雷達(dá)在其工作頻點(diǎn)的帶寬；L1為雷達(dá)天線及信號(hào)傳輸損耗；G1為雷達(dá)天線增益；λ為雷達(dá)工作波長。

如果考慮地面對(duì)電磁波傳播特性的影響，如圖4所示，根據(jù)實(shí)際情況，收、發(fā)天線高度比其間距小得多，則入射角接近90?，反射系數(shù)絕對(duì)值接近于1，相位角也近于180?，可以得到，接收點(diǎn)的總場強(qiáng)振幅為[1]:

其中，E0為直射波在接收天線處產(chǎn)生的場強(qiáng)，λ為雷達(dá)工作波長，D為弓網(wǎng)離線放電點(diǎn)與雷達(dá)的距離，ht為干擾源的高度，hr為雷達(dá)接收天線的高度。

根據(jù)上式，可知雷達(dá)接收機(jī)接收到的瞬時(shí)噪聲功率為:

圖4 理想平坦地面反射對(duì)電磁干擾傳播特性的影響

由GB 13618—1992《對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站電磁環(huán)境防護(hù)要求》干擾防護(hù)準(zhǔn)則[7]，在容許有5%的探測距離損失時(shí)

式中:Pn為接收機(jī)輸入端等效噪聲功率；k為波爾茲曼常數(shù)；T0為室溫的絕對(duì)溫度；F0為雷達(dá)接收機(jī)的噪聲系數(shù)。

這時(shí)雷達(dá)與電氣化鐵路的垂直距離D0稱為雷達(dá)的有效防護(hù)距離。由GB 13618—1992，雷達(dá)距離損失率Y為

Y=5%時(shí)的D值即為雷達(dá)的有效防護(hù)距離D0，上式中，Ps-min為雷達(dá)接收機(jī)最小可檢測信號(hào)功率；P′s-min為在有外來有害白噪聲干擾時(shí)的最小可檢測信號(hào)功率。

至此，只要事先知道噪聲功率σ2和雷達(dá)接收機(jī)的相關(guān)參數(shù)，即可得到雷達(dá)的距離損失率Y和雷達(dá)的有效防護(hù)距離D0。

2 測試及計(jì)算分析

2.1 σ2值計(jì)算

利用場強(qiáng)儀實(shí)測干擾數(shù)據(jù)來估計(jì)噪聲功率σ2。測試分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試兩部分。靜態(tài)測試，列車靜止，人工升降受電弓，受電弓在將要離開和將要接觸接觸網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧放電，測量此時(shí)的干擾數(shù)據(jù)；動(dòng)態(tài)測試，列車正常運(yùn)行，在鐵路沿線測量列車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù)，因列車經(jīng)過測試點(diǎn)時(shí)不一定會(huì)產(chǎn)生電弧，因此，考慮極端情況，此數(shù)據(jù)取多次測量數(shù)據(jù)的最大值。靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試距離統(tǒng)一選取R=100 m。

式中:B2為場強(qiáng)儀的帶寬；L2為場強(qiáng)儀高頻衰減；G2為場強(qiáng)儀測量天線的增益。

因此，可知噪聲功率σ2為

2.2 計(jì)算分析

計(jì)算過程中參數(shù)選取如下:B1=0.6 MHz，L2= 2 dB，G1=5 dB，k=1.38×10-23J/K，T0=290 K，F(xiàn)0=1.5 dB，B2=1 MHz，L2=0 dB，G2=24 dB，Bn= 10 GHz，f1=1.2 GHz，f2=1.3G Hz，f3=1.4 GHz，車速取300 km/h。

根據(jù)以上的參數(shù)，計(jì)算得到σ2的結(jié)果如表1所示。

表1 噪聲功率的計(jì)算值

根據(jù)以上計(jì)算得到的σ2值，即可得出Y=5%時(shí)的雷達(dá)的有效防護(hù)距離D0，如表2所示。

表2 GB 13618—1992防護(hù)距離與計(jì)算防護(hù)距離比較

2.3 結(jié)果分析

由表2可知，無論哪一個(gè)頻率點(diǎn)，根據(jù)理論模型計(jì)算得到的有效防護(hù)距離都小于根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的有效防護(hù)距離，但兩者都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國標(biāo)規(guī)定防護(hù)距離。另外，這兩個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于情報(bào)雷達(dá)站與高速鐵路之間的實(shí)際間距，但在計(jì)算過程中，取距離D為雷達(dá)與鐵軌的垂直距離，同時(shí)，在電磁波傳播路徑上無遮擋物，僅存在地面反射，得出的計(jì)算結(jié)果為最大值的情況，因此，所得出的防護(hù)距離具備一定的參考價(jià)值，但是否有必要對(duì)雷達(dá)采取防護(hù)措施，還需要進(jìn)一步豐富測試數(shù)據(jù)，得出在不同地形地貌條件下的結(jié)論。

3 結(jié) 語

筆者的研究成果，從高速鐵路弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理入手，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測試數(shù)據(jù)得出干擾的時(shí)域及頻域特性，由干擾特性推導(dǎo)出干擾的統(tǒng)計(jì)模型，但在計(jì)算過程中也簡化了一些其他因素，因此理論計(jì)算值和實(shí)測值有一定的誤差，此外，在理論計(jì)算中考慮了地面反射的影響，實(shí)測過程中未考慮地形地貌對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，綜合考慮以上這些簡化和誤差，對(duì)減小高速動(dòng)車組弓網(wǎng)離線放電電磁干擾對(duì)L波段雷達(dá)的影響概率給出如下建議:

從電磁兼容的基本原理來看，減小電磁干擾對(duì)敏感設(shè)備的影響應(yīng)從干擾源、傳播途徑及敏感設(shè)備三個(gè)方面考慮，因此要減少高速鐵路電磁干擾對(duì)L波段雷達(dá)的影響，可從高速列車、干擾傳播及雷達(dá)三個(gè)方面著手，具體措施如下:

（1）改善高速列車受電弓質(zhì)量以及地面接觸網(wǎng)質(zhì)量，減小因受弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電磁干擾，減小干擾源產(chǎn)生電磁干擾的概率。

（2）考慮在鐵路沿線離雷達(dá)站較近的路段加裝電磁屏障；在雷達(dá)站也進(jìn)行必要的電磁防護(hù)，阻斷電磁干擾的傳播途徑。

（3）對(duì)雷達(dá)天線進(jìn)行改造，在不影響雷達(dá)性能的前提下，盡量壓低旁瓣電平；另一方面，通過長期的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)干擾特性有深入了解后，可采取對(duì)消等方式，消除進(jìn)去雷達(dá)系統(tǒng)的干擾。

（4）對(duì)于規(guī)劃建設(shè)的雷達(dá)站，要充分考慮電磁干擾的影響，合理選址，研究結(jié)果可知，在平原地區(qū)（干擾源與受擾雷達(dá)之間的電磁波傳播路徑上無遮擋物），如根據(jù)理論計(jì)算值，L波段雷達(dá)站距離高速鐵路應(yīng)不小于22公里；如根據(jù)實(shí)際測試計(jì)算值，L波段雷達(dá)站距離高速鐵路應(yīng)不小于36公里。

[1]PAUL CR，聞?dòng)臣t.電磁兼容導(dǎo)論[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[2]吳燕.高速受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能及主動(dòng)控制策略的研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2011.

[3]賀峰，彭世蕤.電氣化鐵路電磁干擾對(duì)情報(bào)雷達(dá)的影響分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005，（11）:12-15.

[4]S.QIN and W.YINGHONG.“Research on the BER of the GSM-R Communications Provided by the EM Transient Interferences in High-Powered Catenary System Environment，”in Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2010 International Conference on，Sydney，NSW，2010，757-760.

[5]單秦，聞?dòng)臣t，蔡伯根.弓網(wǎng)系統(tǒng)的無線電干擾特性研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（9）:20-24.

[6]單秦.高速動(dòng)車組電磁兼容性關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

[7]GB 13618-1992.對(duì)空情報(bào)雷達(dá)站電磁環(huán)境防護(hù)要求，1992.

[8]高斌，唐曉斌.復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)研究初探[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，3（4）:346-350.

單 秦(1982—),男,河北省唐山人,博士,工程師,主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)、空基信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)電磁兼容測試方法研究等；

E-mail：shanqin1982@163.com

孫 源(1994—),男,河南省鄭州人,主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)仿真,雷達(dá)系統(tǒng)仿真,電磁兼容設(shè)計(jì)等。

Research on the Influence of Electromagnetic Interference（EM I）of High Speed Railway（HSR）on L-Band Air Surveillance Radar

SHAN Qin1，SUN Yuan2
（1.China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China；2.College of Communication engineering Zhengzhou university，Zhengzhou 450001 China）

With the rapid developmentof HSR，much attention is paid to the influence of its EMIon theelectronic equipment along the railway line.Up to now，there are deep researches on the source and the mechanism of the EMIby some universities and academes，and a lotof valuable theoretical results are obtained，however，there is no conclusion about the extentof the influence on radar.In this paper，a statistic analysis is done and amathematicalmodel is built for EMI caused by pantograph-offline discharge and the relationship between EMI intensity and Electric Multiple Unit（EMU）speed based on a large number of test data.The EMIon air surveillance radar is analyzed quantitatively.The

interference intensity of radar is obtained by calculation ofthe distance between the radar and the railway，and the speed of the EMU.Meanwhile，the effective radar protected distance is put forward on the condition of LOS.

HSR；EMI；radar range loss ratio；effective protection distance

TN97

A

1673-5692（2015）02-219-04

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.020

2015-02-20

2015-03-25