廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

陳原 江蘇省廣播電視總臺(tái)廣播發(fā)射中心

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廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

陳原 江蘇省廣播電視總臺(tái)廣播發(fā)射中心

【摘 要】本文介紹了廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)背景、工作原理，簡(jiǎn)述了該系統(tǒng)的主要功能和創(chuàng)新點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】天饋監(jiān)測(cè) 紅外熱成像 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 天調(diào)網(wǎng)絡(luò) 監(jiān)測(cè)客戶端

一、概述

江蘇省廣播電視總臺(tái)廣播發(fā)射中心占地近千畝，六套中波的發(fā)射天線和調(diào)配室分布其中天線分布圖如圖1所示，距離發(fā)射機(jī)房近則200多米，遠(yuǎn)達(dá)600多米。

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)是廣播發(fā)射系統(tǒng)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，一旦設(shè)備發(fā)生故障，會(huì)引發(fā)較長(zhǎng)時(shí)間的停播。

由于天調(diào)網(wǎng)絡(luò)工作于高電壓、大電流的高頻場(chǎng)強(qiáng)的環(huán)境，給網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)帶來(lái)了困難。國(guó)內(nèi)的中波發(fā)射臺(tái)對(duì)天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控僅限于天調(diào)室壞境的監(jiān)測(cè)，通過(guò)光纜將攝像頭的監(jiān)控畫(huà)面（安防）和溫濕度探頭檢測(cè)的數(shù)據(jù)回傳到控制機(jī)房。這種監(jiān)測(cè)方式并不能反映天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際工作狀態(tài)。對(duì)安全播出的保障力度不夠。

為了確保安全播出，我們研發(fā)了天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)天調(diào)網(wǎng)絡(luò)電壓電流、入射反射功率、載波強(qiáng)度、載波頻率、駐波比、調(diào)幅度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)顯示天線調(diào)配室的溫度、濕度；通過(guò)紅外熱成像溫度檢測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)配房所有網(wǎng)絡(luò)器件溫度。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至控制室。值班人員在控制室就能通過(guò)監(jiān)測(cè)客戶端監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖1　天線分布圖

二、系統(tǒng)架構(gòu)

廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。主要由網(wǎng)絡(luò)采集調(diào)理器、溫濕度傳感器、監(jiān)測(cè)采集控制器、紅外熱成像溫度檢測(cè)儀和監(jiān)測(cè)主機(jī)組成。網(wǎng)絡(luò)采集調(diào)理器將高電壓的網(wǎng)絡(luò)電壓信號(hào)分壓，將電流電壓信號(hào)檢波成可測(cè)量的直流電壓信號(hào)。每個(gè)天饋網(wǎng)絡(luò)采用一套網(wǎng)絡(luò)采集調(diào)理器和高頻交換開(kāi)關(guān)控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)采集控制器解調(diào)出網(wǎng)絡(luò)電壓電流信號(hào)和載波幅度信號(hào)打包傳送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行本地監(jiān)測(cè)、信號(hào)分析和遠(yuǎn)程發(fā)布。紅外熱成像溫度檢測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)配房所有網(wǎng)絡(luò)器件溫度，能夠采集顯示調(diào)配室監(jiān)測(cè)畫(huà)面各點(diǎn)溫度值并提供顏色報(bào)警和語(yǔ)音報(bào)警功能。值班人員只需在控制室就能通過(guò)監(jiān)測(cè)客戶端監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用

1網(wǎng)絡(luò)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

1.1概述

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡(luò)電流電壓采集系統(tǒng)，它由網(wǎng)絡(luò)電流電壓取樣板（圖3）和檢波板（圖4）組成，取樣板用于網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比檢測(cè)以及網(wǎng)絡(luò)入射和反射功率測(cè)量這二個(gè)部分的射頻電壓電流采樣電路。射頻輸出采樣板的中央有二個(gè)用于射頻電流采樣的磁環(huán)線圈，射頻輸出采樣板安裝在網(wǎng)絡(luò)柜中的50歐姆點(diǎn)位置上，射頻輸出導(dǎo)體從二個(gè)磁環(huán)線圈的中央穿過(guò)。射頻輸出取樣板將采樣到的射頻電壓和電流信號(hào)送到輸出到檢波板。

1.2工作原理

射頻功率表定向耦合器，用于測(cè)量發(fā)射機(jī)的射頻入射功率和由負(fù)載不匹配性而產(chǎn)生的反射功率，需要兩組射頻電流和電壓的取樣信號(hào)。

圖2　天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

功率表電流取樣，位于電路板上面的磁環(huán)繞組T1是定向耦合器的電流取樣元件。電阻R1、R2、R3、R4并聯(lián)及R5、R6、R7、R8并聯(lián)后接在磁環(huán)繞組兩端，二組電阻再串聯(lián)接成中點(diǎn)接地形式。這樣既能將電流取樣轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷喝?，同時(shí)又能在繞組兩端獲得相位差成180°的電流取樣信號(hào)，正/反向電流采樣信號(hào)從J1-1和J1-2輸出。

圖3　取樣板原理圖

在檢波板電壓取樣信號(hào)和電流取樣同相端的電流取樣信號(hào)接到二極管D2的兩端，在電壓取樣端上接有幅度調(diào)整器C15、C19、C23。在天線系統(tǒng)調(diào)試正確情況下，取樣點(diǎn)阻抗應(yīng)是50+j0歐姆，此時(shí)用幅度調(diào)整器使二極管的兩端電壓相同。因?yàn)殡妷号c電流同相，達(dá)到平衡狀態(tài)，所以無(wú)電流流過(guò)二極管，耦合器輸出端無(wú)直流電壓輸出，反射功率測(cè)量為零。若天線系統(tǒng)發(fā)生故障，產(chǎn)生反射功率，取樣電壓和取樣電流的幅度和相位就會(huì)發(fā)生變化。耦合器的平衡被破壞，有電流流過(guò)二極管，在耦合器的輸出端就有直流信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)射頻阻流圈L4，隔離電阻R16 經(jīng)J3采集器。R12是耦合器的負(fù)載電阻，C27、C31用于濾去射頻和調(diào)制的音頻成份。

圖4　檢波板原理圖

入射功率檢測(cè)的工作原理與反射功率檢測(cè)是完全相同的，其區(qū)別在于接到二極管D1正極端的電流取樣信號(hào)與電壓取樣信號(hào)有180度的相位差。因此有電流流過(guò)二極管，電流的大小決定于取樣點(diǎn)輸出的射頻功率。入射功率耦合器輸出端的直流電壓通過(guò)J3送到采集器。上述電流、電壓和功率信號(hào)由采集器通過(guò)光纖送到控制室。

圖5　天調(diào)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

1.3功能實(shí)現(xiàn)

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)如圖5所示。

對(duì)系統(tǒng)中所有頻率進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)電壓電流、入射反射功率、載波強(qiáng)度、載波頻率、駐波比、調(diào)幅度等指標(biāo)監(jiān)測(cè)。

能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)顯示天線調(diào)配室的溫度、濕度。

2紅外熱成像溫度檢測(cè)系統(tǒng)

2.1概述

由于天調(diào)網(wǎng)絡(luò)是帶高頻電運(yùn)行設(shè)備，為保證其安全運(yùn)行和避免天調(diào)網(wǎng)絡(luò)周圍電磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)測(cè)溫的干擾，溫度傳感器等常規(guī)測(cè)溫方式無(wú)法應(yīng)用在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)測(cè)中，需要尋求一種非接觸式的精確測(cè)溫方式。

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外測(cè)溫技術(shù)越來(lái)越成熟。紅外測(cè)溫技術(shù)是利用紅外探測(cè)技術(shù)獲取設(shè)備的紅外輻射狀態(tài)的熱信息，然后轉(zhuǎn)換成溫度進(jìn)行顯示的技術(shù)。它是一種非接觸式精確測(cè)溫方式，與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）它的測(cè)量不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，不影響溫度場(chǎng)分布，從而具有較高的準(zhǔn)確度；

（2）測(cè)溫范圍寬，在理論上無(wú)測(cè)量上下限；

（3）紅外測(cè)溫與用普通接觸式測(cè)溫不同之處在于，它不需要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡就能讀出被測(cè)物體的溫度，所以測(cè)溫的響應(yīng)速度非常快，可實(shí)時(shí)觀測(cè)，適于快速與動(dòng)態(tài)測(cè)量；

（4）紅外測(cè)溫的測(cè)量過(guò)程中，測(cè)溫儀可以不接觸被測(cè)物體，所以可以對(duì)高電壓和大電流的設(shè)備、遠(yuǎn)距離難于接近的物體等測(cè)溫對(duì)象進(jìn)行溫度測(cè)量。

紅外熱像儀正是這種既可以精確測(cè)溫又可以顯示紅外熱圖像的儀器。紅外熱像儀以遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)方式獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，在現(xiàn)場(chǎng)大面積掃描溫度分布場(chǎng)和對(duì)局部缺陷定點(diǎn)測(cè)溫，分辨率高、形象直觀、不受電磁干擾，可以在不停電、不取樣、不解體的狀況下進(jìn)行故障的診斷分析，所以說(shuō)紅外熱像技術(shù)是中波天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)行之有效的技術(shù)手段。

圖6　紅外圖像形成示意圖

2.2紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種成像測(cè)溫裝置，它的基本功能有兩個(gè)：

（1）測(cè)溫：每個(gè)單元接收紅外輻射，將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將每個(gè)單元的電信號(hào)的大小用灰度等級(jí)的形式表示；

（2）生成“熱像”：將灰度等級(jí)重組生成圖像數(shù)據(jù)格式，并將其顯示到顯示器上，即為“熱像"。因?yàn)榧t外輻射的大小與溫度高低相關(guān)，因此溫度與灰度具有一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，紅外熱像儀在生成“熱像”的同時(shí)也計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，用于后期處理。從顯示器顯示的“熱像”中也能定性地看出溫度高低。紅外熱像儀中紅外圖像的生成過(guò)程如圖6所示。

（3）天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)如圖7、圖8所示。

圖7　天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

3設(shè)備選型

圖8　天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖

（1）電壓取樣板和檢波板采用上海明珠生產(chǎn)的高于同功率發(fā)射機(jī)上所使用的取樣板和檢波板，并進(jìn)行相應(yīng)改造。

（2）紅外熱像儀采用型號(hào)：FLIR A15 f=19mm（9Hz）。它有如下特點(diǎn)：

性價(jià)比高： FLIR A15紅外熱像儀的性價(jià)比很高，是自動(dòng)化或機(jī)器視覺(jué)環(huán)境中采集熱圖像的理想工具。

圖像質(zhì)量FLIR A15可生成像素為160 x 128的清晰紅外圖像。

測(cè)溫范圍廣：FLIR A15紅外熱像儀能夠顯示-40℃ ～+550°C的溫度。

熱靈敏度高，小于50mK，能夠捕捉最細(xì)微的圖像細(xì)節(jié)和溫差信息。

4系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

4.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)采用了Microsoft VisualStudio 2010+SQLServer 2005協(xié)作開(kāi)發(fā)模式，TCP 通訊協(xié)議保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。Visual Studio 2010是Microsoft推出的一款全新的跨平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，該開(kāi)發(fā)環(huán)境具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）提供了豐富的工具、框架和組件，方便開(kāi)發(fā)者快速構(gòu)建出各種應(yīng)用程序。

（2）對(duì)主流的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)如：Access、SQL Server、Oracle等具有良好的兼容性，利用ADO.NET技術(shù)能夠快速實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的交互。

（3）提供了強(qiáng)大的性能、負(fù)載和功能測(cè)試功能，可以幫助用戶開(kāi)發(fā)出高性能和高安全的軟件系統(tǒng)。

4.2運(yùn)行環(huán)境

服務(wù)器：windows server2003，SQLServer2005（為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性）

客戶端：windows7，SQLServer2005（采用windows7 界面設(shè)計(jì)風(fēng)格，保證美觀性

4.3數(shù)據(jù)庫(kù)功能

將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)自動(dòng)存儲(chǔ)并提供數(shù)據(jù)查詢功能，導(dǎo)出自動(dòng)生成Word或Excel格式。 提供系統(tǒng)日志功能，將系統(tǒng)的報(bào)警記錄和動(dòng)作記錄錄入數(shù)據(jù)庫(kù)并提供查詢統(tǒng)計(jì)接口，導(dǎo)出自動(dòng)生成 Word、Excel格式。系統(tǒng)日志分操作日志和故障日志，自動(dòng)記錄各項(xiàng)操作，故障信息等重要信息。記錄下的日志數(shù)據(jù)可保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，至少可保存兩年時(shí)間，以供隨時(shí)在監(jiān)控界面屏上顯示、查詢或者打印。

5防雷設(shè)計(jì)

5.1概述

由于中波網(wǎng)絡(luò)調(diào)配房，屬于高溫高壓，高電磁干擾，易受雷擊的工作環(huán)境，因此我們系統(tǒng)所涉及的設(shè)備，均有防雷，防高溫，防電磁干擾設(shè)計(jì)。

大部分中波天線不能接地，因此特別容易被雷擊，并且雷擊能量也不容易泄放。因此防雷擊設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。雷擊后產(chǎn)生的高溫，容易引起自燃，因此材料選擇也非常關(guān)鍵。同時(shí)由于調(diào)配房處于野外無(wú)人值守狀態(tài)，無(wú)空調(diào)設(shè)備，因此夏日房間內(nèi)溫度可以高達(dá)50℃，因此所有設(shè)備具有高溫運(yùn)行能力。

5.2防雷設(shè)計(jì)

我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用以下措施：

（1）所有涉及防雷的零部件，均采用大冗余設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)冗余比常規(guī)設(shè)計(jì)增大一倍，高壓保護(hù)間距也增大一倍。

（2）采用耐高溫材料，如采用聚四氟乙烯材料基板，耐高溫性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的環(huán)氧材料基板，且阻燃性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧材料。固定材料均采用耐高溫的金屬材料或聚四氟乙烯材料，防止雷擊后高溫及夏日高溫情況下的自燃。

（3）所有設(shè)備具有寬溫度范圍運(yùn)行能力。設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度保證超過(guò)-15～+55℃。

（4）接地措施，所有設(shè)備均良好接地，設(shè)備機(jī)柜良好接地。

（5）數(shù)據(jù)傳輸采用光纖技術(shù)，有效對(duì)抗強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境。

由于采用了以上措施，系統(tǒng)運(yùn)行一年多來(lái)，未出現(xiàn)雷擊故障事故，也未發(fā)生自燃，材料高溫熔化等情況的出現(xiàn)。

四、系統(tǒng)主要特點(diǎn)

系統(tǒng)嚴(yán)格按照系統(tǒng)構(gòu)建原則要求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完全符合當(dāng)初設(shè)想，充分結(jié)合了新技術(shù)和發(fā)射臺(tái)的實(shí)際。國(guó)內(nèi)外各個(gè)發(fā)射臺(tái)暫時(shí)還沒(méi)有此類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的前瞻性、先進(jìn)性和高可靠性。完全符合新時(shí)期廣播電視事業(yè)發(fā)展的要求。系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

（1）首創(chuàng)紅外熱成像溫度監(jiān)測(cè)：

（2）多項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)控；

通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)電壓電流監(jiān)測(cè)、入射反射功率監(jiān)測(cè)、載波強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、駐波比監(jiān)測(cè)，調(diào)制度監(jiān)測(cè)以及載波強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解發(fā)射機(jī)、匹配網(wǎng)絡(luò)、天線三者的運(yùn)行狀態(tài)，填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控盲點(diǎn)。

（3）抗干擾能力強(qiáng)；

（4） 主備天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)切換功能；

（5） 防雷防強(qiáng)電磁干擾設(shè)計(jì)。

五、結(jié)論

廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2014年6月23日投入使用，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整完善，一直正常運(yùn)行至今。

在發(fā)射臺(tái)高場(chǎng)強(qiáng)的復(fù)雜電磁環(huán)境下，本系統(tǒng)能可靠、穩(wěn)定的工作，各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的啟用，豐富完善了全臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能，大大提高了廣播發(fā)射系統(tǒng)的安全性和可靠性，更好地滿足了“不間斷，高質(zhì)量，既經(jīng)濟(jì)，又安全”的要求。

本系統(tǒng)的投入使用，大大減輕了值機(jī)人員的負(fù)擔(dān)，為發(fā)射臺(tái)的安全播出提供了可靠的技術(shù)支撐，為兄弟臺(tái)保障安全播出，進(jìn)行天饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)提供了借鑒案例。