某型號(hào)微波探測(cè)器的噪擾報(bào)警分析

陽(yáng)江核電有限公司 廣東 陽(yáng)江 529500

1 引言

某大型核設(shè)施目前所采用的微波探測(cè)設(shè)備數(shù)量占全部探測(cè)設(shè)備數(shù)量的10%左右，而其噪擾報(bào)警次數(shù)占全部探測(cè)設(shè)備噪擾報(bào)警總量的35%左右，對(duì)實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境下該型號(hào)微波探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱探測(cè)器)可能的噪擾因素進(jìn)行研究分析，嘗試找出影響設(shè)備噪擾報(bào)警的主要因素。

2 某型號(hào)微波探測(cè)設(shè)備產(chǎn)品情況及工作原理

2.1 設(shè)備組成及工作原理 探測(cè)器為某公司80年代開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的模擬量微波探測(cè)設(shè)備，包含一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器。在正常工作情況下，接收器和發(fā)射器間會(huì)形成一個(gè)兩端小中間大的梭形的立體空間探測(cè)場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 某型號(hào)探測(cè)器保護(hù)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(gè)產(chǎn)生X波段(10.525GHz±25MHz)的微波能量的砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管震蕩器以及一個(gè)拋物面天線系統(tǒng)。發(fā)射器電路板包含穩(wěn)壓器以及調(diào)制器電路，以驅(qū)動(dòng)微波震蕩器。在發(fā)射器電路板上有三位撥碼開(kāi)關(guān)可選4個(gè)調(diào)制頻率的頻道(A、B、C、D)。在發(fā)射器電路板上有一個(gè)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(diǎn)亮。發(fā)射器的工作原理如圖2所示，當(dāng)射頻調(diào)制器選擇某一音頻信號(hào)模式，并通過(guò)射頻振蕩器產(chǎn)生該模式下的音頻信號(hào)并通過(guò)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(gè)拋物面天線(與發(fā)射器的天線相同)以及一個(gè)肖特基二極管檢波器，檢波器將發(fā)射器發(fā)射的解調(diào)過(guò)微波轉(zhuǎn)換為電頻信號(hào)以供解調(diào)器電路板處理。接收器的工作原理如圖3所示，當(dāng)天線接收到信號(hào)，通過(guò)檢波器處理為易識(shí)別的音頻波并通過(guò)放大器(AGC)進(jìn)行增益放大，使得前置放大器的輸出量維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，再進(jìn)行檢波器(PLL)進(jìn)行調(diào)頻過(guò)濾，進(jìn)入誤差比對(duì)環(huán)節(jié)識(shí)別信號(hào)變化情況，把變化轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)再輸出進(jìn)行手動(dòng)信號(hào)增益(靈敏度調(diào)節(jié))，與報(bào)警閥值進(jìn)行比對(duì)，輸出觸發(fā)繼電器動(dòng)作的電平，繼電器動(dòng)作輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

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(cè)器運(yùn)行環(huán)境 某大型核設(shè)施地處廣東沿海，全年高溫時(shí)間較長(zhǎng)，降水充沛。探測(cè)器布置在雙層圍欄內(nèi)的中間區(qū)域，圍欄采用拉緊的鐵絲網(wǎng)圍欄，外側(cè)圍欄高度為1.5m，內(nèi)側(cè)圍欄高度為2.5m，內(nèi)側(cè)高圍欄側(cè)面上固定有垂直疊放的兩層刺絲圈，內(nèi)側(cè)高圍欄頂部安裝固定一層刺絲圈。雙層圍欄間距6m，兩側(cè)圍欄地面為水泥基礎(chǔ)和水泥蓋板，水泥蓋板之間鋪設(shè)均勻碎石，圍欄內(nèi)安裝有立桿攝像機(jī)，用于復(fù)核探測(cè)器報(bào)警。

3 設(shè)備噪擾因素分析

3.1 設(shè)備安裝環(huán)境與安裝調(diào)校分析 設(shè)備安裝環(huán)境和調(diào)校分析主要以對(duì)標(biāo)設(shè)備技術(shù)手冊(cè)并找出差異，如表1所示。根據(jù)表1分析，設(shè)備可能因第1和第2點(diǎn)差異會(huì)受到刮風(fēng)和降雨等因素的影響；而第3點(diǎn)差異，設(shè)備探頭及立柱未造成探測(cè)設(shè)備的直接遮擋，滿足設(shè)備技術(shù)手冊(cè)要求。

3.2 設(shè)備運(yùn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分析 《核設(shè)施周界入侵報(bào)警系統(tǒng)》(HAD501/03)規(guī)定，探測(cè)器需定期測(cè)試。測(cè)試使用的工具為長(zhǎng)方體金屬箱體，箱體尺寸為30cm(長(zhǎng))×30cm(寬)×20cm(高)，垂直于微波探測(cè)面的尺寸為30cm(長(zhǎng))×20cm(高)，雷達(dá)截面積為0.060m2。根據(jù)與美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用10.525GHz頻率的微波測(cè)探測(cè)器進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，設(shè)備測(cè)試工具與試驗(yàn)結(jié)果基本一致(略高0.005m2)。

3.3 設(shè)備產(chǎn)品自身因素分析 為了驗(yàn)證探測(cè)器自身的探測(cè)特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器布置情況劃分A、B、C、D4個(gè)理論區(qū)域，如圖4所示。為了驗(yàn)證4個(gè)區(qū)域的劃分，在風(fēng)速為1～2級(jí)且天氣晴朗的環(huán)境下，選擇一組正常運(yùn)行的探測(cè)器，并以人員正常行走的方式對(duì)探測(cè)器區(qū)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 某型號(hào)微波探測(cè)器實(shí)際安裝與調(diào)校情況與設(shè)備技術(shù)手冊(cè)對(duì)照表

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)防區(qū)之間進(jìn)行理論分區(qū)基本成立。A區(qū)測(cè)試報(bào)警率為100%；B區(qū)測(cè)試報(bào)警概率不是100%，而是有大概率情況下會(huì)報(bào)警；C區(qū)測(cè)試不會(huì)報(bào)警，但會(huì)對(duì)設(shè)備造成較大的干擾；而D區(qū)測(cè)試不會(huì)報(bào)警，但依然會(huì)對(duì)設(shè)備造成干擾，但該類干擾對(duì)設(shè)備影響較小。A區(qū)和B區(qū)之和可以滿足《核設(shè)施周界入侵報(bào)警系統(tǒng)》(HAD501/03)對(duì)探測(cè)概率的要求，即滿足探測(cè)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(cè)區(qū)間，C區(qū)和D區(qū)內(nèi)存在的干擾因素將會(huì)對(duì)設(shè)備造成干擾，并在環(huán)境條件不利的情況下可能對(duì)設(shè)備造成疊加干擾。

由于微波探測(cè)器的有效波形為梭形立體形狀，靠近微波設(shè)備端的波形變小，為了彌補(bǔ)單組設(shè)備產(chǎn)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(cè)器的運(yùn)行特點(diǎn)，選取了兩組不相鄰的探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。將X和Z組探測(cè)器設(shè)置同頻率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖4 單組微波探測(cè)器探測(cè)區(qū)間劃分示意圖

圖5 間隔兩組微波探測(cè)器布置示意圖

表3 兩組間隔的微波探測(cè)器的測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)單組設(shè)備和間隔兩組設(shè)備的測(cè)試分析得出，微波探測(cè)器的信號(hào)溢出了所需要的探測(cè)防區(qū)，而且溢出區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的干擾因素依然會(huì)對(duì)設(shè)備正常探測(cè)功能造成干擾影響，且干擾強(qiáng)度與干擾因素距離探測(cè)防區(qū)軸心的距離有關(guān)，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(chǎng)運(yùn)行的57組微波探測(cè)設(shè)備的噪擾報(bào)警數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出不同天氣情況下設(shè)備報(bào)警數(shù)據(jù)的關(guān)系情況。其中，無(wú)降雨且風(fēng)速小于4級(jí)情況下的噪擾報(bào)警數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。根據(jù)表5分析得出，設(shè)備在無(wú)降雨的天氣情況下，持續(xù)風(fēng)速在4級(jí)以下，設(shè)備噪擾報(bào)警數(shù)量較少，設(shè)備噪擾報(bào)警情況與風(fēng)速無(wú)明顯相關(guān)性。

將持續(xù)風(fēng)速在5～6級(jí)下的設(shè)備噪擾報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并將風(fēng)速與持續(xù)時(shí)間的乘積作為風(fēng)量，如表5所示。

將風(fēng)速小于3級(jí)、不同降雨量下的噪擾報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表7所示。表6表明，持續(xù)風(fēng)速小于3級(jí)、降雨量較小時(shí)(降雨量小于約1mm/天)，噪擾報(bào)警處于正常水平。降雨量大于1mm/天時(shí)，其與報(bào)警次數(shù)成明顯正相關(guān)。而且降雨量對(duì)噪擾報(bào)警的影響遠(yuǎn)高于風(fēng)量，當(dāng)有較大風(fēng)雨疊加時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生更多的噪擾報(bào)警。

4 分析總結(jié)

綜合以上分析，探測(cè)器噪擾報(bào)警是受設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、天氣條件和探測(cè)器自身原因等單一因素或相互作用影響而產(chǎn)生的。其中設(shè)備運(yùn)行環(huán)境因素是噪擾報(bào)警的基礎(chǔ)因素，而環(huán)境條件的疊加作用可能會(huì)產(chǎn)生較大影響。影響探測(cè)器噪擾報(bào)警主要因素的綜合影響評(píng)價(jià)表7所示:

表7 不同降雨量下的噪擾報(bào)警數(shù)據(jù)