一種參數動態可調的電磁環境智能監測及評估系統

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的發展，各種電子電氣設備使用信號的強弱差距越來越大。隨著電力電子技術、數字技術及計算機的廣泛應用，各個設備信號間的相互干擾問題頻繁出現，使得大型平臺的電磁環境效應問題更加突出，大大影響了平臺技戰術指標的發揮和任務的開展。

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境監測，實時掌握電磁環境狀態，以便后續指導產品設計。目前常用的電磁環境監測系統的設計基本還停留在傳感器間獨立工作，單個傳感器的數據獨立分析的狀態。當平臺某位置的電磁環境發生異常時，因傳輸距離和結構屏蔽等因素的影響，可能會淹沒在背景環境中不能被有效識別，導致其他區域的電磁場傳感器不能監測到目標信號，從而不能實現對平臺整體電磁環境的智能監測和分析。

當大型平臺某一區域電磁環境發生異常變化時，該區域電磁場監測單元能夠將異常信息發送到平臺其他區域的監測傳感器，自動調整其他監測傳感器的監測參數，統一規劃大型平臺不同位置的電磁場監測單元，實現對不同大型裝備平臺不同區域電磁環境的智能監測，大大提升電磁環境的監測效能，更好地實現監測效果。

1 電磁環境監測內容

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

1.1 電網電磁環境

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

根據此定義，電網電磁環境包含的內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、直流電網紋波系數、電源電纜低頻段（25 Hz ～10 kHz）傳導發射、電源電纜高頻段（10 kHz ～50 MHz）傳導發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備工作的影響比較明顯，這里不再闡述，主要對電網電磁環境包含的其他內容進行論述。

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倍，又稱為高次諧波。電力系統中，非線性負荷是造成波形畸變的源頭[2-5]。

諧波源即系統中具有非線性特性、并且可以產生諧波的電氣設備。船舶電力系統中的發電、供配電以及用電部分分別向船用電網貢獻不同程度的諧波分量，從以往的測試數據看，發電和用電部分是諧波產生的關鍵。

過高的電網諧波會產生多方面危害。電力和電子設備主要是針對基波頻率設計，諧波電流經過這些設備時會使得電路產生不同的響應，例如可能會引起旋轉電機的附加損耗、變壓器的過熱、電容器呈現低阻等，這些現象在諧波分量較小時引起的問題雖然不顯著，但會減少設備的壽命，降低設備工作的可靠性。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發射

傳導干擾指沿著導體傳輸的電磁干擾，由于傳導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]。通常電源線傳導干擾的傳輸途徑包括電網的電源線、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，其對敏感設備的干擾形式也多種多樣。一旦出現干擾需要及時排查解決，對傳導干擾進行有效控制。

目前國內外普遍通過相關電磁兼容標準控制設備電源線傳導干擾的幅值。設備電磁兼容測試時的電源線傳導發射的測試目的則是為了考核設備工作時產生的傳導干擾是否滿足相關標準要求。船舶總體電網電磁環境監測中的傳導發射是為了測試船舶總體電網在被測點處的傳導發射水平是否滿足標準或設計要求。

1.2 空間電磁環境

空間電磁環境指平臺工作時所處的空間電場和空間磁場環境，具體包括穩態的空間電場、瞬態空間電場、穩態磁場以及瞬態磁場等。

1.3 電磁環境監測內容

參照《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》（GJB 151B—2013）規定，根據平臺用戶特點，電磁環境監測的對象包括但不限于如下內容。

1.3.1 電網電磁環境

電網上的電壓有效值（工作頻率）、電流有效值（工作頻率）、電網電壓總諧波失真、直流電壓紋波系數、電壓低頻及設備傳導發射（時域和頻域）、電流傳導發射（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測。

1.3.3 空間磁場電磁環境

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測。

2 電磁智能監測系統實施說明

2.1 智能監測系統組成

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

圖1 電磁環境智能監測系統組成

電磁場監測單元或電網監測單元如圖2 所示。

圖2 監測單元

監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天線和近場探頭，或者自行設計的其他傳感器。預處理模塊可以根據所選傳感器設計阻抗匹配的電路，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場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）電路。通信模塊可以采用有線或者無線的以太網電路，主機可以采用通用計算機。電磁環境智能監測系統包括N個電磁場傳感器和電網傳感器，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主機功能。

2.2 監測參數智能調整的工作方式說明

N個監測單元分別安裝在被測平臺的不同區域，傳感器模塊可以實時獲取安裝位置的電磁場狀態，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處理模塊，預處理模塊對該信號進行放大或衰減，并進行AD 采樣，生成數字信號，并將其輸出到處理器模塊。處理器模塊對該數字信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）計算，得到幅度-頻率譜和相位-頻率譜的數據信息，將幅度-頻率譜和相位-頻率譜數據發送到通信模塊，并由通信模塊發送到主機進行存儲和分析。主機對每個監測單元發送的幅度-頻率譜和相位-頻率譜數據進行分析，當發現某一監測單元的數據有顯著變化時（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-頻率譜監測的關鍵信息（包括中心頻率、帶寬、分辨率帶寬以及參考電平）提取后發送到其他監測單元，從而使所有的監測單元的監測對象均集中在該異常信號，實現對異常電磁環境的智能化集中監測。

2.3 監測單元網絡接入的工作說明

基于電磁環境監測單元的網絡拓撲自動規劃理論方法和傳感器節點自適應聚簇算法，構建智能組網通信協議模型，包括物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層以及應用層，設計監測單元自組網的動態修復和網絡抗毀策略以及網絡數據流和協議流的全程動態加密方法，解決監測單元自適應組網的問題。研究無線電頻譜資源感知檢測方法和動態接入策略，構建傳輸帶寬的接入資源分配優化模型和頻譜的接入資源分配優化模型，設計頻譜分配與頻譜共享算法，解決監測單元的網絡資源分配問題。

為實現上述目標，采用蛙跳式尋徑方式與互聯網協議（Internet Protocol，IP）尋徑方式相結合的方法，使得任何一個監測單元節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，還具備自主網特有的蛙跳式尋徑能力，使整個自主網具有更強的自我擴展和動態修復能力，自主實現整個網絡數據流和協議流的全程動態加密。監測單元節點由中心接入節點統一授權分配路由和IP地址，監測單元按照路由規劃，遵循蛙跳尋址和IP 尋址相結合的原則，與中心接入節點建立網絡通信鏈路，從而自發形成一個區域性的集中監測自組織網絡。

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

通過設計網絡部署、功率控制、活動調度以及聚簇管理等基礎組網協議，采用數據融合、人工智能的方法研究網絡部署優化、降低能耗優化、節點活動管理以及輔助路由協議等相關算法，從而構建一整套智能組網協議體系。

3 結 論

電磁環境中各項參數的長期監測對保障平臺的正常工作有重要意義。隨著計算機技術的不斷進步，基于分布式網絡的測試技術迅猛發展，并在很多領域得到了廣泛應用。為了將此測試技術應用于大型平臺的長時間在線監測，文章分析了對大型平臺電磁環境產生影響的關鍵要素，明確了其監測要點，并提出了智能監測系統的組成和實施方式以及組網策略。基于本文的研究內容，可對大型平臺電磁環境智能監測系統的設計開發提供指導。