某型號微波探測器的噪擾報警分析

陽江核電有限公司 廣東 陽江 529500

1 引言

某大型核設施目前所采用的微波探測設備數(shù)量占全部探測設備數(shù)量的10%左右，而其噪擾報警次數(shù)占全部探測設備噪擾報警總量的35%左右，對實物保護系統(tǒng)的運行產生不利影響。本文通過對現(xiàn)場實際環(huán)境下該型號微波探測器(以下簡稱探測器)可能的噪擾因素進行研究分析，嘗試找出影響設備噪擾報警的主要因素。

2 某型號微波探測設備產品情況及工作原理

2.1 設備組成及工作原理 探測器為某公司80年代開發(fā)生產的模擬量微波探測設備，包含一個發(fā)射器和一個接收器。在正常工作情況下，接收器和發(fā)射器間會形成一個兩端小中間大的梭形的立體空間探測場，如圖1所示。

圖1 某型號探測器保護區(qū)域示意圖

2.1.1 發(fā)射器 發(fā)射器主要由射頻組件和發(fā)射器電路板組成，射頻組件包含一個產生X波段(10.525GHz±25MHz)的微波能量的砷化鎵場效應管震蕩器以及一個拋物面天線系統(tǒng)。發(fā)射器電路板包含穩(wěn)壓器以及調制器電路，以驅動微波震蕩器。在發(fā)射器電路板上有三位撥碼開關可選4個調制頻率的頻道(A、B、C、D)。在發(fā)射器電路板上有一個RF指示燈，加上10.5～14V的直流電壓，從而引發(fā)接收器上的LOCK指示燈點亮。發(fā)射器的工作原理如圖2所示，當射頻調制器選擇某一音頻信號模式，并通過射頻振蕩器產生該模式下的音頻信號并通過天線發(fā)射出去。

2.1.2 接收器 接收器主要由射頻組件和接收器電路板組成。射頻組件包含一個拋物面天線(與發(fā)射器的天線相同)以及一個肖特基二極管檢波器，檢波器將發(fā)射器發(fā)射的解調過微波轉換為電頻信號以供解調器電路板處理。接收器的工作原理如圖3所示，當天線接收到信號，通過檢波器處理為易識別的音頻波并通過放大器(AGC)進行增益放大，使得前置放大器的輸出量維持在一個穩(wěn)定的水平，再進行檢波器(PLL)進行調頻過濾，進入誤差比對環(huán)節(jié)識別信號變化情況，把變化轉換為交流電壓信號再輸出進行手動信號增益(靈敏度調節(jié))，與報警閥值進行比對，輸出觸發(fā)繼電器動作的電平，繼電器動作輸出開關量信號。

圖2 發(fā)射器工作原理圖

圖3 接收器工作原理圖

2.2 探測器運行環(huán)境 某大型核設施地處廣東沿海，全年高溫時間較長，降水充沛。探測器布置在雙層圍欄內的中間區(qū)域，圍欄采用拉緊的鐵絲網圍欄，外側圍欄高度為1.5m，內側圍欄高度為2.5m，內側高圍欄側面上固定有垂直疊放的兩層刺絲圈，內側高圍欄頂部安裝固定一層刺絲圈。雙層圍欄間距6m，兩側圍欄地面為水泥基礎和水泥蓋板，水泥蓋板之間鋪設均勻碎石，圍欄內安裝有立桿攝像機，用于復核探測器報警。

3 設備噪擾因素分析

3.1 設備安裝環(huán)境與安裝調校分析 設備安裝環(huán)境和調校分析主要以對標設備技術手冊并找出差異，如表1所示。根據表1分析，設備可能因第1和第2點差異會受到刮風和降雨等因素的影響；而第3點差異，設備探頭及立柱未造成探測設備的直接遮擋，滿足設備技術手冊要求。

3.2 設備運行測試標準分析 《核設施周界入侵報警系統(tǒng)》(HAD501/03)規(guī)定，探測器需定期測試。測試使用的工具為長方體金屬箱體，箱體尺寸為30cm(長)×30cm(寬)×20cm(高)，垂直于微波探測面的尺寸為30cm(長)×20cm(高)，雷達截面積為0.060m2。根據與美國桑迪亞國家實驗室利用10.525GHz頻率的微波測探測器進行的試驗數(shù)據對比，設備測試工具與試驗結果基本一致(略高0.005m2)。

3.3 設備產品自身因素分析 為了驗證探測器自身的探測特點，根據現(xiàn)場探測器布置情況劃分A、B、C、D4個理論區(qū)域，如圖4所示。為了驗證4個區(qū)域的劃分，在風速為1～2級且天氣晴朗的環(huán)境下，選擇一組正常運行的探測器，并以人員正常行走的方式對探測器區(qū)間進行測試，測試數(shù)據如表2所示。

表1 某型號微波探測器實際安裝與調校情況與設備技術手冊對照表

根據測試數(shù)據發(fā)現(xiàn)，探測防區(qū)之間進行理論分區(qū)基本成立。A區(qū)測試報警率為100%；B區(qū)測試報警概率不是100%，而是有大概率情況下會報警；C區(qū)測試不會報警，但會對設備造成較大的干擾；而D區(qū)測試不會報警，但依然會對設備造成干擾，但該類干擾對設備影響較小。A區(qū)和B區(qū)之和可以滿足《核設施周界入侵報警系統(tǒng)》(HAD501/03)對探測概率的要求，即滿足探測概率下限在95%置信水平下不不低于90%；然而C區(qū)和D區(qū)域是不需要的探測區(qū)間，C區(qū)和D區(qū)內存在的干擾因素將會對設備造成干擾，并在環(huán)境條件不利的情況下可能對設備造成疊加干擾。

由于微波探測器的有效波形為梭形立體形狀，靠近微波設備端的波形變小，為了彌補單組設備產生的盲區(qū)，采用了交叉布置的方式。為了發(fā)現(xiàn)多組探測器的運行特點，選取了兩組不相鄰的探測器進行測試，如圖5所示。將X和Z組探測器設置同頻率進行測試，測試結果如表3所示。

圖4 單組微波探測器探測區(qū)間劃分示意圖

圖5 間隔兩組微波探測器布置示意圖

表3 兩組間隔的微波探測器的測試數(shù)據

通過對單組設備和間隔兩組設備的測試分析得出，微波探測器的信號溢出了所需要的探測防區(qū)，而且溢出區(qū)域內產生的干擾因素依然會對設備正常探測功能造成干擾影響，且干擾強度與干擾因素距離探測防區(qū)軸心的距離有關，距離越近干擾越大。

3.4 天氣環(huán)境因素影響分析 自2019年1月1日至2020年9月30日，記錄了各種天氣情況下現(xiàn)場運行的57組微波探測設備的噪擾報警數(shù)據。通過對數(shù)據進行整理，得出不同天氣情況下設備報警數(shù)據的關系情況。其中，無降雨且風速小于4級情況下的噪擾報警數(shù)據見表4。根據表5分析得出，設備在無降雨的天氣情況下，持續(xù)風速在4級以下，設備噪擾報警數(shù)量較少，設備噪擾報警情況與風速無明顯相關性。

將持續(xù)風速在5～6級下的設備噪擾報警數(shù)據進行整理，并將風速與持續(xù)時間的乘積作為風量，如表5所示。

將風速小于3級、不同降雨量下的噪擾報警數(shù)據進行整理，如表7所示。表6表明，持續(xù)風速小于3級、降雨量較小時(降雨量小于約1mm/天)，噪擾報警處于正常水平。降雨量大于1mm/天時，其與報警次數(shù)成明顯正相關。而且降雨量對噪擾報警的影響遠高于風量，當有較大風雨疊加時，將會產生更多的噪擾報警。

4 分析總結

綜合以上分析，探測器噪擾報警是受設備運行環(huán)境、天氣條件和探測器自身原因等單一因素或相互作用影響而產生的。其中設備運行環(huán)境因素是噪擾報警的基礎因素，而環(huán)境條件的疊加作用可能會產生較大影響。影響探測器噪擾報警主要因素的綜合影響評價表7所示:

表7 不同降雨量下的噪擾報警數(shù)據