針對高海拔環(huán)境的無人值守式信號接收系統(tǒng)設計

羅冰 徐建敏

【摘要】? ? 惡劣的高海拔環(huán)境對信號接收系統(tǒng)安裝、使用、維保帶來了很大的挑戰(zhàn)，本文針對高海拔環(huán)境下的無人值守式信號接收系統(tǒng)的設計需求，從高海拔環(huán)境適應性、高可靠性、故障智能檢測計、數(shù)據(jù)安全傳輸、環(huán)境安全等方面進行了分析及設計，提高了系統(tǒng)在高海拔環(huán)境下的適應能力，實現(xiàn)了信號24小時不間斷的穩(wěn)定接收。

【關鍵詞】? ? 高海拔環(huán)境? ? 無人值守? ? 信號接收系統(tǒng)

引言：

惡劣的高海拔環(huán)境導致信號接收系統(tǒng)安裝、維保困難，這種缺氧環(huán)境不適合派遣人員長期值守工作，另外人員后勤保障得不到保證。故一種適用于高海拔環(huán)境但同時能完成24小時不間斷的無人值守式信號自動接收的系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景及優(yōu)勢。

一、高海拔無人值守式系統(tǒng)設計要求

高海拔地區(qū)環(huán)境復雜多樣，各地差異明顯，主要有氣壓低、風力大、日溫差大、紫外線強等特點，同時雷暴等極端天氣常發(fā)生。

1.1低氣壓對系統(tǒng)的影響

信號接收系統(tǒng)的設備中有大量的電子部件構成，電子部件在工作時會產(chǎn)生熱量，由于高原環(huán)境氣壓低，空氣的導熱能力也隨之降低[1]，對于依靠空氣對流為散熱主要方式的設備及器件，長時間工作后容易導致熱量堆積無法有效散熱，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，嚴重時導致設備及器件損壞。

低氣壓對電子部件的絕緣性也有影響，隨著氣壓的降低，絕緣材料內(nèi)部的放電更容易發(fā)生，低壓環(huán)境容易導致絕緣材料更易擊穿及老化，導致電路短路，設備異常工作[2]。

接收機的集成電路中使用了大量的濾波器件，不合適的濾波器件在低氣壓環(huán)境中易打火，甚至燒毀相應的部件。

1.2日溫差對系統(tǒng)的影響

高海拔氣候日溫差大，在部分濕度大的地區(qū)，隨著溫度的變化，容易導致電子部件表面出現(xiàn)水汽凝結(jié)的凝露現(xiàn)象，導致電子部件短路甚至燒毀。同時凝露現(xiàn)象使得電子部件的絕緣性變差，易導致漏電甚至出現(xiàn)擊穿等嚴重導致設備故障的現(xiàn)象[3]。

1.3雷擊對系統(tǒng)的影響

高海拔地區(qū)雷暴天氣頻發(fā)，雖然雷電流比其它地區(qū)小，但其能量依然很大[4]。信號接收系統(tǒng)為了達到更遠的接收距離，往往設置在山頂?shù)瓤諘鐓^(qū)域，同時因系統(tǒng)有大量的天線，更容易遭受直擊雷。

雷電發(fā)生時，對周圍電磁場產(chǎn)生變化，電磁場變化容易導致電子部件內(nèi)產(chǎn)生高強度的浪涌，從而破壞設備。這類感應雷特別容易從供電線路，通信線路進入。

二、無人值守式信號接收系統(tǒng)總體設計

信號接收系統(tǒng)總體設計需要綜合考慮高原特殊氣候和地理環(huán)境等因素，采取了針對高原環(huán)境適應性設計、防雷設計、高可靠性設計、故障智能檢測設計、數(shù)據(jù)安全遠傳設計、環(huán)境安全設計等，滿足信號接收系統(tǒng)在高海拔環(huán)境下的安全穩(wěn)定工作。

2.1系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)主要由信號接收天線、接收機、網(wǎng)絡交換機、安全設備、光端機、安防設備、環(huán)控設備、供電設備等組成，接收天線安裝在透波罩內(nèi)，單機放置在機房內(nèi)，示意圖如下圖1所示。

2.2針對高海拔環(huán)境適應性設計

針對低氣壓環(huán)境，系統(tǒng)電子部件采用耐低氣壓元器件及絕緣材料，對半密閉式設備采用大風道增加散熱面積。對于小型組件如限幅放大組件等采用激光封焊工藝形成全密閉空間。

針對日溫差大的環(huán)境，設備印制板涂抹“三防漆”同時預留由排水透氣孔，對于濕度特別大的區(qū)域，機房內(nèi)可設置除濕機降低周圍環(huán)境中的濕度，當空氣濕度低于65%時，大多數(shù)金屬的腐蝕變得很慢[3]。

針對雷暴環(huán)境，系統(tǒng)采用避雷網(wǎng)、多支避雷針方式，場地受限區(qū)域也可以采用獨立避雷針或避雷網(wǎng)，同時接地裝置和設備之間不小于3m，可有效保護系統(tǒng)免招直擊雷破壞，同時天線輸出口安裝防雷器，網(wǎng)絡安裝以太網(wǎng)防雷器，避雷地和電源地、工作地分? 同時供電系統(tǒng)從總電源配電柜開始進行四級防雷防護并進行寬壓設計，如下圖2所示。

2.3高可靠性設計

滿足無人值守高可靠性的要求，系統(tǒng)核心設備控制采用串口及網(wǎng)絡雙控制冗余設計，當主用的網(wǎng)絡接口異常后自動切成串口。設備采用28/24VDC雙電源模塊設計，當其中某個模塊故障后，自動切成另一個電壓供電，無需掉電即可完成切換。

功能進行冗余設計提升可靠性，接收機采用多模塊并串聯(lián)冗余設計，將功性能一致的模塊進行并聯(lián)，并與其它模塊串聯(lián)[5]，當某模塊故障后，并聯(lián)模塊將替代其工作，該設計在降低系統(tǒng)規(guī)模及成本的同時大幅提高了任務可靠性，設計示意圖如下圖3所示。

2.4故障智能檢測設計

系統(tǒng)任務設備采用模塊化設計，每個模塊可對自身狀態(tài)（如電壓、電流、溫度等信息）進行監(jiān)視并上報。因安裝空間受限，部分異型部件，通過供電設備監(jiān)視其電壓電流情況并上報。

系統(tǒng)配套設備如供電設備中太陽能、風力系統(tǒng)可實時上自檢及運行狀態(tài)等信息，油機系統(tǒng)可實時上報轉(zhuǎn)速、油量等信息，所有供電手段產(chǎn)生的電能匯入場地下部的電池坑中，電池坑中的管理系統(tǒng)可實時上報電量數(shù)據(jù)，電池健康程度，當某一供電手段故障時，自動啟用其它供電手段。

所有數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸至計算機中的軟件進行管理，運維運控數(shù)據(jù)回傳后通過后端可視化界面可實現(xiàn)故障自動報警提示，自動統(tǒng)計設備故障率，自動形成故障日志。

2.5數(shù)據(jù)安全遠傳設計

系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)通過安全設備進行加密處理后，由光端機將多路數(shù)據(jù)進行同步壓縮編碼后通過光纖或微波散射傳送到應用處理中心進行處理，滿足高海拔環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

考慮高海拔環(huán)境下導致數(shù)據(jù)回傳的不可控性，系統(tǒng)設計在往后端推送數(shù)據(jù)的同時利用大容量存儲服務器將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存盤管理，若回傳鏈路恢復正常后自動將未及時回傳的數(shù)據(jù)進行再次回傳，保證數(shù)據(jù)不丟失。

2.6環(huán)境安全設計

系統(tǒng)通過計算機環(huán)境安全管理軟件統(tǒng)一管理場地周圍的安防攝像頭（AI智能識別）、紅外對射裝置、機房門禁系統(tǒng)以及溫濕度傳感器、煙霧傳感器、氣象傳感器、雷電預警傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，環(huán)境安全監(jiān)視系統(tǒng)示意圖如圖4所示

環(huán)境安全監(jiān)視系統(tǒng)由各類傳感器、通信傳輸設備、環(huán)境安全管理軟件組成，各類傳感器獲取相應的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過通信傳輸設備將數(shù)據(jù)回傳至后端，管理軟件對各類數(shù)據(jù)進行匯總分析及顯示、存儲管理等，同時提供相應告警提醒。

三、結(jié)束語

本文從針對高海拔環(huán)境下無人值守系統(tǒng)特殊要求出發(fā)，從高海拔環(huán)境適應性、高可靠性、故障智能檢測計、數(shù)據(jù)安全傳輸、環(huán)境安全等方面進行設計，提高了無人值守系統(tǒng)在高海拔環(huán)境下的可靠性及安全性，根據(jù)這些針對性的設計，使得某型信號接收系統(tǒng)在該惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠工作，達到了設計預期效果，該研究對后續(xù)類似系統(tǒng)的設計具有一定的參考意義。

參? 考? 文? 獻

[1]趙斌、郭贊洪等.淺談低氣壓對裝備及元器件的影響[J].重慶，裝備環(huán)境工程.2016

[2]田志海，葛景謗，程錫圭.低氣壓聚合物絕緣材料內(nèi)部局部放電量特性研究[J]，絕緣材料通訊[J]，1992（2）：1-4

[3]韋生文.雷達電子設備的呼吸凝露作用及預防[J]. 2010，（8）6

[4]姚敬海 趙煜、張恩壽等.高原地區(qū)風機偏航系統(tǒng)防雷技術研究[J]. 2019， （09）：40-41

[5]孫國強.無人值守雷達系統(tǒng)設計[J]. 兵器裝備工程學報，2018（1）：34-36，70