無線電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)綜述

宋章瑜

摘要：隨著科技的發(fā)展，無線電事業(yè)迅速發(fā)展起來，這給人們的生活帶來了極大的方便，同時(shí)也使人們處于極大的復(fù)雜的電磁環(huán)境之中，電磁環(huán)境嚴(yán)重地影響到了人們的生活。在此背景之下，通過對(duì)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)及其技術(shù)的初步探索，增強(qiáng)人們的相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：電磁環(huán)境；檢測(cè)技術(shù)；電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)；電磁輻射；綜述

中圖分類號(hào)：TB97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）33-0154-03

Overview of Wireless Electromagnetic Environment Monitoring

SONG Zhang-yu

（Fuyang Radio Monitoring Station of Anhui Province， Fuyang 236000， China）

Abstract：With the development of science and technology， the rapid development of the radio industry， which has brought great convenience to people's life， but also makes people in a large complex electromagnetic environment， electromagnetic environment has seriously affected people's lives. Under this background， this paper attempts to enhance people's knowledge of the electromagnetic environment monitoring and its technology.

Key words： electromagnetic environment； detection technology； electromagnetic environment monitoring； electromagnetic radiation； overview.

1 概述

電磁環(huán)境 （Electromagnetic Environment，簡(jiǎn)稱EME）是由存在給定場(chǎng)所所有電磁現(xiàn)象的總和，它包括自然的和人為的，有源的（直射波）和無源的（反射波），靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，它是由不同頻率（F）的電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（H）組成[1]。變化的電磁與磁場(chǎng)交替在空間傳播，當(dāng)頻率大于100kHz時(shí)，電磁波離開導(dǎo)體通過空間傳播，這種在空間中傳播的電磁能量即為電磁輻射。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中使用的電器及電子設(shè)備的數(shù)量越來越多，致使我們面臨的電磁環(huán)境越來越惡劣，對(duì)人們的生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重的危害， 主要有四個(gè)方面， 對(duì)無線電信號(hào)和通訊系統(tǒng)的干擾、對(duì)武器裝備的危害、泄露國(guó)家機(jī)密、對(duì)人體的危害。電磁環(huán)境的好壞直接影響到無線電設(shè)備的工作效率，惡劣的電磁環(huán)境往往容易對(duì)無線電設(shè)備造成噪音干擾，使無線電設(shè)備信息中斷。如今，隨著科技的發(fā)展，無線電事業(yè)也不斷取得新成就，這主要表現(xiàn)在無線電通訊技術(shù)上的日新月異和無線電臺(tái)數(shù)量的急劇增多等方面。然而由于電臺(tái)數(shù)量的增多，使得衛(wèi)星軌道和電臺(tái)頻率的資源變得緊張，電磁干擾增加，電磁環(huán)境受到污染也隨之日益惡化。電磁環(huán)境污染有兩種表現(xiàn)形式，其一是兩種無線電業(yè)務(wù)之間的干擾，即電磁干擾。還有一種就是因電磁波的應(yīng)用使一些頻段出現(xiàn)大量的背景噪音，嚴(yán)重者將會(huì)影響到整個(gè)頻段的電磁環(huán)境。造成電磁環(huán)境污染的電磁污染源有些是天然的，有些是人為的。比如，火山噴發(fā)、雷電現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁輻射就是自然的。人為的電磁污染源包括人制造的一切電子設(shè)備和電器。按其頻段的差異這些電磁輻射又可分為射頻輻射和工頻輻射而射頻輻射是目前主要的污染電磁環(huán)境的因素。

2 電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備

電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)通常需要專用的設(shè)備[2]來完成。電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求不同于通信接收機(jī)，通信接收機(jī)是用于再現(xiàn)一個(gè)信號(hào)，在接收這種信號(hào)中靈敏度和速度起著重要的作用。電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備是用來測(cè)試電磁噪聲和無線電信號(hào)的電平和頻率等指標(biāo)，所測(cè)量的可能是干擾源，也可能是無線電信號(hào)。因此，對(duì)它的要求是測(cè)量精度。

2.1監(jiān)測(cè)接收機(jī)

由于在電磁環(huán)境測(cè)量中，經(jīng)常出現(xiàn)具有不同帶寬特性的信號(hào)，所以對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的互調(diào)特性也有嚴(yán)格的要求。為適應(yīng)各種調(diào)制形式信號(hào)的測(cè)量，除可接收正弦波信號(hào)外，更常用于接收脈沖干擾信號(hào)[2]。因此，監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)具有平均值檢波、峰值檢波和準(zhǔn)峰值檢波功能，依據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象，選擇檢波方式。實(shí)際測(cè)量的信號(hào)基本可以分為三類：連續(xù)波、脈沖波和隨機(jī)噪聲。連續(xù)波干擾（如：載波、電源諧波和本振）是窄帶干擾，在無調(diào)制的情況下用峰值、有效值或平均值檢波器均可以檢測(cè)出來，且測(cè)量的幅度相同。對(duì)于脈沖干擾信號(hào)，峰值檢波器可以很好地反映脈沖的最大值，但反映不出脈沖重復(fù)頻率的變化。這時(shí)，使用準(zhǔn)峰值檢波器最為合適，其加權(quán)系數(shù)隨脈沖信號(hào)重復(fù)頻率的變化而改變，重復(fù)頻率低的脈沖信號(hào)引起的干擾小，反之加權(quán)系數(shù)大。而用平均值、有效值檢波器測(cè)量脈沖信號(hào)，其讀數(shù)也與脈沖重復(fù)的頻率有關(guān)。隨機(jī)干擾的來源有熱噪聲、雷達(dá)目標(biāo)反射以及自然噪聲等，這時(shí)，主要分析平穩(wěn)隨機(jī)過程干擾信號(hào)的測(cè)量，通常使用有效值和平均值檢波器來測(cè)量。利用檢波器的特性，通過比較信號(hào)在不同檢波方式下的響應(yīng)，就可以判別所測(cè)未知信號(hào)的類型，確定干擾信號(hào)的性質(zhì)。例如，用峰值檢波器來測(cè)量某一干擾信號(hào)，改為平均值或有效值檢波時(shí)幅度不變，則該信號(hào)是窄帶信號(hào)。若幅度發(fā)生變化，則該信號(hào)可能是寬帶信號(hào)（即頻譜超過接收機(jī)分辯帶寬的信號(hào)，如脈沖信號(hào)）。

2.2 監(jiān)測(cè)天線

各?。▍^(qū)、市）監(jiān)測(cè)站擁有最多的是覆蓋30MHz～3000MHz頻段的監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)該頻段也是關(guān)注程度最高的頻段[2]。在此頻段進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，要求有覆蓋30MHz～3000MHz頻段的監(jiān)測(cè)天線，監(jiān)測(cè)天線應(yīng)具有水平和垂直兩種極化方式，無方向性，以便更為詳盡地監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境。使用定向天線時(shí)，要有盡可能低的方向性，在360°不同方向的增益變化不大于6dB。監(jiān)測(cè)天線的高度以能夠消除地表面反射波的影響為基本要求，一般監(jiān)測(cè)天線高度距地表面（或房頂面）不低于6米。

3 電磁環(huán)境檢測(cè)及工作原理

在無線電事業(yè)迅速發(fā)展的今天，影響電磁環(huán)境形成的電磁源十分廣泛。它可以是自然界的雷電噪音，也可以是我們所使用的各種電子設(shè)備和電器發(fā)出的干擾噪音。因此在我們?nèi)庋劭床坏降目臻g范圍內(nèi)，電磁波用它所特有的方式在廣闊的大地上形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)跨過了山川、河流，遍布到鄉(xiāng)村、城市的各個(gè)角落。這使得我們?cè)谑褂秒娮釉O(shè)備和電器時(shí)進(jìn)行電磁環(huán)境的檢測(cè)變得十分必要。同時(shí)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)是重要的。電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)是電磁環(huán)境構(gòu)建體系的重要組成部分。實(shí)行電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)有助于為電磁環(huán)境的調(diào)節(jié)提供準(zhǔn)確的數(shù)字和依據(jù)，有助于電磁環(huán)境的檢測(cè)和評(píng)估。電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)體系是由電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)儀及用戶終端共同組成。它的工作原理是：在實(shí)際的工作中，由電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行電磁環(huán)境檢測(cè)，迅速測(cè)量出短波的波段頻譜，然后結(jié)合干擾電的平時(shí)測(cè)量值以及信道的占有率進(jìn)行一些必要的計(jì)算和登記，如干擾的重心段的計(jì)算，安靜頻率的記載，最終把監(jiān)測(cè)結(jié)果存入到電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣，用戶端對(duì)電磁環(huán)境的檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)遙控操作。并通過此種方式，用戶端可以修改檢測(cè)儀的監(jiān)測(cè)參數(shù)，獲得監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)還可以隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的一些歷史數(shù)據(jù)。在無線電的測(cè)量方法上，要注意對(duì)監(jiān)測(cè)頻段的掃描速率以及對(duì)測(cè)量的精確性的把握。比如：用HR-12監(jiān)測(cè)與測(cè)向設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。首先，要啟動(dòng)新信號(hào)的搜索功能，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的設(shè)備參數(shù)以及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，包括選擇靈敏度、步進(jìn)等參數(shù)。然后，再根據(jù)所要求精度要求和噪聲溫度設(shè)定統(tǒng)計(jì)的次數(shù)，記錄全過程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)作為分析的基本原始數(shù)據(jù)。最后，分析處理原始數(shù)據(jù)得出我們所需要的信息。

4 檢測(cè)方法

4.1外環(huán)境監(jiān)測(cè)

城市電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)和典型電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)均屬外環(huán)境電磁輻射監(jiān)測(cè)[3]。前者是在城市范圍內(nèi)按區(qū)域劃分許多監(jiān)測(cè)點(diǎn)，逐點(diǎn)測(cè)量其電磁輻射振幅與頻率特性，以便了解該區(qū)域的電磁輻射電平和頻譜分布，為建立城市電磁背景噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)和擬合城市電波傳播校型提供原始數(shù)據(jù)。后者是針對(duì)特定發(fā)生源（如大型無線電和微波臺(tái)站發(fā)射天線），測(cè)量其輻射衰減特性，為評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)強(qiáng)功率發(fā)生源對(duì)周圍環(huán)境影響提供依據(jù)。

4.2內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)

內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)是在大功率電子設(shè)備或發(fā)射天線附近作業(yè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，屬于近場(chǎng)區(qū)強(qiáng)電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)。強(qiáng)電磁輻射測(cè)量，主要是拾取環(huán)境中某點(diǎn)的電磁輻射功率密度，并在給定頻段內(nèi)應(yīng)對(duì)各頻率分量同時(shí)予以響應(yīng)。因此，必須采用寬頻帶的專用檢測(cè)儀器。目前常用的有寬帶各向同性場(chǎng)強(qiáng)計(jì)和寬帶非定向輻射檢測(cè)儀兩種，前者用于射頻電磁輻射監(jiān)測(cè)，后者用于微波電磁輻射監(jiān)測(cè)。

4.3測(cè)量記錄

測(cè)量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和可比性，是保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量的重要標(biāo)志。必須對(duì)測(cè)量條件、測(cè)量狀態(tài)以及原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行完整記錄。測(cè)量記錄的主要內(nèi)容包括測(cè)量地點(diǎn)、日期、時(shí)間、使用儀器、測(cè)試人員及全部原始測(cè)量數(shù)據(jù)。為便于進(jìn)行分析，可將有關(guān)監(jiān)測(cè)情況列表匯總。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1電磁輻射電平取值

環(huán)境電磁輻射監(jiān)測(cè)，應(yīng)根據(jù)不同監(jiān)測(cè)目的對(duì)輻射電平進(jìn)行取值。在內(nèi)環(huán)境電磁輻射監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)氣體或液體引燃的電磁輻射監(jiān)測(cè)，應(yīng)取場(chǎng)強(qiáng)或功率密度的峰值；對(duì)引爆和影響人體健康的電磁輻射監(jiān)測(cè)，應(yīng)取場(chǎng)強(qiáng)或功率密度的平均值。在外環(huán)境電磁輻射監(jiān)測(cè)時(shí)，一般取場(chǎng)強(qiáng)或功率密度的準(zhǔn)峰值。對(duì)輻射波峰值、準(zhǔn)峰值和平均值的響應(yīng)，主要反映在監(jiān)測(cè)儀器的檢波器上，具體表現(xiàn)于充、放電時(shí)間常數(shù)。對(duì)峰值檢波，要求充電快（時(shí)間常數(shù)小）、放電慢（時(shí)間常數(shù)大）；對(duì)準(zhǔn)峰值檢波，因既要反映輻射波的幅度又要反映其時(shí)間分布，其充電時(shí)間_常數(shù)比峰值檢波大而放電時(shí)間比之??；對(duì)平均值檢波，由于是取輻射波包跡在一段時(shí)間的平均，其充、放電時(shí)間常數(shù)由中放帶寬確定。

5.2不超過某概率的電磁輻射電平

在電磁環(huán)境中，存有大量隨機(jī)過程輻射信號(hào)，其輻射電平是一隨機(jī)變量，一般用振幅概率分布（A.P.D）來表征其輻射。 處理電磁環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)這類隨機(jī)過程輻射信號(hào)應(yīng)采用不超過某概率的電平值，例如80%不超過概率電平值或中值（50%不超過值），作為統(tǒng)計(jì)閡值。一般來說，為獲得不超過某概率的電平值，應(yīng)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)求出該輻射的振輻概率分布，由此得出與某概率相應(yīng)的輻射電平。也可采用分區(qū)間逐步逼近法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

5.3剔除異常數(shù)據(jù)

在所采集的大量數(shù)據(jù)中，可能混入一些異常數(shù)據(jù)，若不剔除，將會(huì)歪曲測(cè)量結(jié)果。另外，對(duì)一了些誤差較大但尚能客觀反映隨機(jī)波動(dòng)的離散性數(shù)據(jù)，如主觀地誤認(rèn)為是異常數(shù)據(jù)予以剔除，也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的正確性。因此，需采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來剔除異常數(shù)據(jù)。給定某一置信概率或置信度，并確定一個(gè)置信限，對(duì)超過該限值的誤差，認(rèn)為不屬于隨機(jī)誤差，應(yīng)予以剔除。

5.4數(shù)據(jù)擬合

為了從測(cè)量數(shù)據(jù)中求出輻射波傳播特性，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。眾所周知，大部分電波傳播均符合以下規(guī)律：

E=k/dn （1）

式中，k為常數(shù)，n為自變量?jī)鐢?shù)（任意整數(shù)或分?jǐn)?shù)），上式可改寫為

20lgE=k-20nlgd （2）

顯然， lgd為自變量，lgE為變量，上式為一元線性方程。因此，將測(cè)量數(shù)據(jù)略加處理，就可用線性回歸方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)、控制和預(yù)測(cè)，是解決電磁環(huán)境兼容性的三個(gè)重要環(huán)節(jié)。其中，監(jiān)測(cè)是基礎(chǔ)。因此，必須大力開展電磁環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。目前，有很多電氣、電子和電力設(shè)備輻射出的電磁波，具有十分復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，需要加強(qiáng)對(duì)典型發(fā)生源的監(jiān)測(cè)。從高質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，抽出其本質(zhì)，建立數(shù)學(xué)模型，在城市電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，逐步建立、健全城市背景噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)，以便能動(dòng)地對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行協(xié)調(diào)和預(yù)測(cè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)及其技術(shù)進(jìn)行了探索，首先描述了環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，接著闡述了電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作原理，并探索了電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法，最后給出了電磁監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理算法。

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