一種參數(shù)動態(tài)可調(diào)的電磁環(huán)境智能監(jiān)測及評估系統(tǒng)

臧 濤，劉 鋼，張大維，閻毓杰

（1.海軍裝備部，湖北 武漢 430205；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064；3.渤海造船廠集團有限公司，遼寧 葫蘆島 125004）

0 引 言

隨著科技和信號處理技術(shù)的發(fā)展，各種電子電氣設(shè)備使用信號的強弱差距越來越大。隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及計算機的廣泛應(yīng)用，各個設(shè)備信號間的相互干擾問題頻繁出現(xiàn)，使得大型平臺的電磁環(huán)境效應(yīng)問題更加突出，大大影響了平臺技戰(zhàn)術(shù)指標的發(fā)揮和任務(wù)的開展。

為保證大型平臺的電磁兼容性，需要開展全生命周期的電磁環(huán)境監(jiān)測，實時掌握電磁環(huán)境狀態(tài)，以便后續(xù)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。目前常用的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計基本還停留在傳感器間獨立工作，單個傳感器的數(shù)據(jù)獨立分析的狀態(tài)。當(dāng)平臺某位置的電磁環(huán)境發(fā)生異常時，因傳輸距離和結(jié)構(gòu)屏蔽等因素的影響，可能會淹沒在背景環(huán)境中不能被有效識別，導(dǎo)致其他區(qū)域的電磁場傳感器不能監(jiān)測到目標信號，從而不能實現(xiàn)對平臺整體電磁環(huán)境的智能監(jiān)測和分析。

當(dāng)大型平臺某一區(qū)域電磁環(huán)境發(fā)生異常變化時，該區(qū)域電磁場監(jiān)測單元能夠?qū)惓Ｐ畔l(fā)送到平臺其他區(qū)域的監(jiān)測傳感器，自動調(diào)整其他監(jiān)測傳感器的監(jiān)測參數(shù)，統(tǒng)一規(guī)劃大型平臺不同位置的電磁場監(jiān)測單元，實現(xiàn)對不同大型裝備平臺不同區(qū)域電磁環(huán)境的智能監(jiān)測，大大提升電磁環(huán)境的監(jiān)測效能，更好地實現(xiàn)監(jiān)測效果。

1 電磁環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容

按照《電磁干擾和電磁兼容兼容術(shù)語》（GJB 72A—2002）規(guī)定，電磁環(huán)境是存在某場所所有電磁現(xiàn)象的綜合[1]。對大型平臺而言，電磁環(huán)境可以分為電網(wǎng)電磁環(huán)境和空間電磁環(huán)境2 類。

1.1 電網(wǎng)電磁環(huán)境

電網(wǎng)電磁環(huán)境是一個綜合概念，主要包含可能會引起共電網(wǎng)敏感設(shè)備工作異常的電網(wǎng)電壓特性，例如電網(wǎng)電力品質(zhì)、電源電纜傳導(dǎo)發(fā)射（25 Hz ～50 MHz）以及電壓瞬變尖峰等。

根據(jù)此定義，電網(wǎng)電磁環(huán)境包含的內(nèi)容可以細化為電壓有效值、電壓頻率、電壓總波形畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）、3 ～11 次電壓諧波、直流電網(wǎng)紋波系數(shù)、電源電纜低頻段（25 Hz ～10 kHz）傳導(dǎo)發(fā)射、電源電纜高頻段（10 kHz ～50 MHz）傳導(dǎo)發(fā)射以及電壓瞬變尖峰。電壓有效值、電壓頻率以及電壓瞬變尖峰對設(shè)備工作的影響比較明顯，這里不再闡述，主要對電網(wǎng)電磁環(huán)境包含的其他內(nèi)容進行論述。

1.1.1 THD 和電壓諧波

THD 是電壓波形中不包括基波在內(nèi)的所有各次諧波有效值平方和的平方根與該波形基波有效值之比，因此THD 是由諧波共同決定的，總的諧波特性決定了THD 的特性[1]。諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，又稱為高次諧波。電力系統(tǒng)中，非線性負荷是造成波形畸變的源頭[2-5]。

諧波源即系統(tǒng)中具有非線性特性、并且可以產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備。船舶電力系統(tǒng)中的發(fā)電、供配電以及用電部分分別向船用電網(wǎng)貢獻不同程度的諧波分量，從以往的測試數(shù)據(jù)看，發(fā)電和用電部分是諧波產(chǎn)生的關(guān)鍵。

過高的電網(wǎng)諧波會產(chǎn)生多方面危害。電力和電子設(shè)備主要是針對基波頻率設(shè)計，諧波電流經(jīng)過這些設(shè)備時會使得電路產(chǎn)生不同的響應(yīng)，例如可能會引起旋轉(zhuǎn)電機的附加損耗、變壓器的過熱、電容器呈現(xiàn)低阻等，這些現(xiàn)象在諧波分量較小時引起的問題雖然不顯著，但會減少設(shè)備的壽命，降低設(shè)備工作的可靠性。如果諧波分量過大時，可能會引起更為嚴重的后果。

1.1.2 電源電纜低頻及高頻傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)干擾指沿著導(dǎo)體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，由于傳導(dǎo)干擾覆蓋的頻段較寬，其干擾傳輸路徑不會像諧波干擾僅局限在電源線進行傳輸[6]。通常電源線傳導(dǎo)干擾的傳輸途徑包括電網(wǎng)的電源線、公共地阻抗耦合以及電纜間近場耦合等。由于傳輸途徑的多樣性，其對敏感設(shè)備的干擾形式也多種多樣。一旦出現(xiàn)干擾需要及時排查解決，對傳導(dǎo)干擾進行有效控制。

目前國內(nèi)外普遍通過相關(guān)電磁兼容標準控制設(shè)備電源線傳導(dǎo)干擾的幅值。設(shè)備電磁兼容測試時的電源線傳導(dǎo)發(fā)射的測試目的則是為了考核設(shè)備工作時產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾是否滿足相關(guān)標準要求。船舶總體電網(wǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測中的傳導(dǎo)發(fā)射是為了測試船舶總體電網(wǎng)在被測點處的傳導(dǎo)發(fā)射水平是否滿足標準或設(shè)計要求。

1.2 空間電磁環(huán)境

空間電磁環(huán)境指平臺工作時所處的空間電場和空間磁場環(huán)境，具體包括穩(wěn)態(tài)的空間電場、瞬態(tài)空間電場、穩(wěn)態(tài)磁場以及瞬態(tài)磁場等。

1.3 電磁環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容

參照《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（GJB 151B—2013）規(guī)定，根據(jù)平臺用戶特點，電磁環(huán)境監(jiān)測的對象包括但不限于如下內(nèi)容。

1.3.1 電網(wǎng)電磁環(huán)境

電網(wǎng)上的電壓有效值（工作頻率）、電流有效值（工作頻率）、電網(wǎng)電壓總諧波失真、直流電壓紋波系數(shù)、電壓低頻及設(shè)備傳導(dǎo)發(fā)射（時域和頻域）、電流傳導(dǎo)發(fā)射（時域和頻域）以及電壓瞬變尖峰（時域）等。

1.3.2 空間電場電磁環(huán)境

一般對10 kHz ～40 GHz 頻段的空間電場的頻域和時域信號進行監(jiān)測。

1.3.3 空間磁場電磁環(huán)境

一般對25 Hz ～100 kHz 頻段的空間磁場的頻域和時域信號進行監(jiān)測。

2 電磁智能監(jiān)測系統(tǒng)實施說明

2.1 智能監(jiān)測系統(tǒng)組成

電磁環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)包括對空間電場和空間磁場進行監(jiān)測的電磁場監(jiān)測單元和對電網(wǎng)電磁環(huán)境進行監(jiān)測的電網(wǎng)監(jiān)測單元，這些傳感器均接入一個供計算分析用的主機。不同平臺可根據(jù)實際情況選擇合適的傳感器使用。系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 電磁環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)組成

電磁場監(jiān)測單元或電網(wǎng)監(jiān)測單元如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測單元

監(jiān)測單元中的電磁場傳感器可以采用電磁兼容測試用的磁環(huán)天線和近場探頭，或者自行設(shè)計的其他傳感器。預(yù)處理模塊可以根據(jù)所選傳感器設(shè)計阻抗匹配的電路，一般包括前置放大器、衰減器及AD 采樣電路。處理器模塊可以采用基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）電路。通信模塊可以采用有線或者無線的以太網(wǎng)電路，主機可以采用通用計算機。電磁環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)包括N個電磁場傳感器和電網(wǎng)傳感器，傳感器可以通過有線或無線的形式接入主機。在傳感器的處理器模塊計算能力滿足的情況下，也可以取消主機，由某個或某幾個傳感器實現(xiàn)主機功能。

2.2 監(jiān)測參數(shù)智能調(diào)整的工作方式說明

N個監(jiān)測單元分別安裝在被測平臺的不同區(qū)域，傳感器模塊可以實時獲取安裝位置的電磁場狀態(tài)，包括幅度-頻率譜和相位-頻率譜。電磁場傳感器的信號輸出到預(yù)處理模塊，預(yù)處理模塊對該信號進行放大或衰減，并進行AD 采樣，生成數(shù)字信號，并將其輸出到處理器模塊。處理器模塊對該數(shù)字信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）計算，得到幅度-頻率譜和相位-頻率譜的數(shù)據(jù)信息，將幅度-頻率譜和相位-頻率譜數(shù)據(jù)發(fā)送到通信模塊，并由通信模塊發(fā)送到主機進行存儲和分析。主機對每個監(jiān)測單元發(fā)送的幅度-頻率譜和相位-頻率譜數(shù)據(jù)進行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)有顯著變化時（例如幅度變化超過6 dB 或相位變化超過30°），則主機將該幅度-頻率譜和相位-頻率譜監(jiān)測的關(guān)鍵信息（包括中心頻率、帶寬、分辨率帶寬以及參考電平）提取后發(fā)送到其他監(jiān)測單元，從而使所有的監(jiān)測單元的監(jiān)測對象均集中在該異常信號，實現(xiàn)對異常電磁環(huán)境的智能化集中監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測單元網(wǎng)絡(luò)接入的工作說明

基于電磁環(huán)境監(jiān)測單元的網(wǎng)絡(luò)拓撲自動規(guī)劃理論方法和傳感器節(jié)點自適應(yīng)聚簇算法，構(gòu)建智能組網(wǎng)通信協(xié)議模型，包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層，設(shè)計監(jiān)測單元自組網(wǎng)的動態(tài)修復(fù)和網(wǎng)絡(luò)抗毀策略以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和協(xié)議流的全程動態(tài)加密方法，解決監(jiān)測單元自適應(yīng)組網(wǎng)的問題。研究無線電頻譜資源感知檢測方法和動態(tài)接入策略，構(gòu)建傳輸帶寬的接入資源分配優(yōu)化模型和頻譜的接入資源分配優(yōu)化模型，設(shè)計頻譜分配與頻譜共享算法，解決監(jiān)測單元的網(wǎng)絡(luò)資源分配問題。

為實現(xiàn)上述目標，采用蛙跳式尋徑方式與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）尋徑方式相結(jié)合的方法，使得任何一個監(jiān)測單元節(jié)點均可成為邏輯控制中心。其路由能力除具備IP 尋徑能力外，還具備自主網(wǎng)特有的蛙跳式尋徑能力，使整個自主網(wǎng)具有更強的自我擴展和動態(tài)修復(fù)能力，自主實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流和協(xié)議流的全程動態(tài)加密。監(jiān)測單元節(jié)點由中心接入節(jié)點統(tǒng)一授權(quán)分配路由和IP地址，監(jiān)測單元按照路由規(guī)劃，遵循蛙跳尋址和IP 尋址相結(jié)合的原則，與中心接入節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，從而自發(fā)形成一個區(qū)域性的集中監(jiān)測自組織網(wǎng)絡(luò)。

對于有無線接入點的情況，監(jiān)測單元采用固定IP 尋徑方式，借助無線接入點與其他監(jiān)測單元建立通信鏈路，實現(xiàn)自主規(guī)劃路由入網(wǎng)；在個別無線接入節(jié)點暫時失效時，監(jiān)測單元采取蛙跳尋徑方式，通過智能路由算法規(guī)劃通信路徑，并與無線接入節(jié)點建立通信鏈路，從而實現(xiàn)自發(fā)規(guī)劃路由入網(wǎng)。

通過設(shè)計網(wǎng)絡(luò)部署、功率控制、活動調(diào)度以及聚簇管理等基礎(chǔ)組網(wǎng)協(xié)議，采用數(shù)據(jù)融合、人工智能的方法研究網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化、降低能耗優(yōu)化、節(jié)點活動管理以及輔助路由協(xié)議等相關(guān)算法，從而構(gòu)建一整套智能組網(wǎng)協(xié)議體系。

3 結(jié) 論

電磁環(huán)境中各項參數(shù)的長期監(jiān)測對保障平臺的正常工作有重要意義。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，基于分布式網(wǎng)絡(luò)的測試技術(shù)迅猛發(fā)展，并在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了將此測試技術(shù)應(yīng)用于大型平臺的長時間在線監(jiān)測，文章分析了對大型平臺電磁環(huán)境產(chǎn)生影響的關(guān)鍵要素，明確了其監(jiān)測要點，并提出了智能監(jiān)測系統(tǒng)的組成和實施方式以及組網(wǎng)策略。基于本文的研究內(nèi)容，可對大型平臺電磁環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供指導(dǎo)。