應(yīng)答器場(chǎng)一致性測(cè)試優(yōu)化

胡振華，王 通

（1.卡斯柯信號(hào)有限公司，上海；2.北京鐵路信號(hào)有限公司，北京）

應(yīng)答器作為列按系統(tǒng)中不供電的獨(dú)立點(diǎn)式地面設(shè)備，為避免臨線干擾、應(yīng)答器丟失或組內(nèi)干擾等故障，在設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格按制其電磁場(chǎng)范圍及強(qiáng)度的一致性。現(xiàn)有的應(yīng)答器場(chǎng)一致性約束主要參照國內(nèi)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《TB/T 3485-2017 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件》、《TB/T 3544-2018 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范》[1]。國際認(rèn)證參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)《SUBSET-085 V3.0.0》、《SUBSET-036 V3.1.0》[2-3]。各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于應(yīng)答器場(chǎng)一致性的約束方式基本一致，都是比較待測(cè)樣品和等效標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的場(chǎng)分布特性。

分布特性測(cè)試需要按制應(yīng)答器/參考環(huán)與測(cè)試天線組達(dá)到不同的相對(duì)位置，同時(shí)為保證單因子變量需要反復(fù)閉環(huán)調(diào)節(jié)測(cè)試天線功率。于坐標(biāo)遍歷和閉環(huán)按制調(diào)節(jié)的雙重要求下，場(chǎng)一致性的整體測(cè)試用時(shí)極長，分布特性測(cè)試在效率和精度的矛盾中只能按制相對(duì)坐標(biāo)位置的數(shù)量。但即便如此，仍然會(huì)因測(cè)試操作人員擺放待測(cè)產(chǎn)品位置誤差、吊裝平移電機(jī)行程誤差等因素致使待測(cè)應(yīng)答器在分布特性突變區(qū)間的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重偏移。

綜上，當(dāng)前應(yīng)答器產(chǎn)品的場(chǎng)一致分布特性存在難以兼顧精度和效率、部分誤差難以消除的問題。本文結(jié)合參考環(huán)分布特性建立了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器模型，并通過擬合插值補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)現(xiàn)有測(cè)試方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可在不降低測(cè)試精度前提下提高測(cè)試效率。

1 現(xiàn)有應(yīng)答器場(chǎng)一致分布特性測(cè)試方案

現(xiàn)有應(yīng)答器場(chǎng)一致分布特性包含上行鏈路磁場(chǎng)一致性和射頻能量磁場(chǎng)一致性測(cè)量兩部分。上行鏈路指應(yīng)答器向車載BTM（Balise Transformer Module）發(fā)送的信號(hào)，射頻能量指車載BTM向應(yīng)答器發(fā)送的信號(hào)，見圖1。

圖1 上行鏈路信號(hào)與射頻激勵(lì)信號(hào)

上行鏈路磁場(chǎng)一致性主要考量在接收輸入強(qiáng)度固定時(shí)待測(cè)應(yīng)答器向外輻射的電磁場(chǎng)是否與標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)接近，射頻能量磁場(chǎng)一致性主要考量在向外輻射強(qiáng)度固定時(shí)可以使待測(cè)應(yīng)答器啟動(dòng)的激勵(lì)場(chǎng)分布是否與標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)接近。

如圖2 所示為場(chǎng)分布一致性測(cè)試時(shí)的測(cè)試天線組和待測(cè)應(yīng)答器/參考環(huán)相對(duì)位置分布，相對(duì)位置按高度分為220 mm、340 mm 和460 mm 三層。其中，應(yīng)答器上行磁場(chǎng)一致性的主瓣區(qū)、旁瓣區(qū)和串?dāng)_區(qū)在220 mm 高度進(jìn)行區(qū)分。

圖2 上行鏈路磁場(chǎng)一致性測(cè)試點(diǎn)分布

2 上行鏈路場(chǎng)分布特性及影響

由于上行鏈路與射頻激勵(lì)磁場(chǎng)都受到瓣?duì)罘植继匦缘挠绊懀錅y(cè)試過程中精度和效率受限的原因也是一致的，因此，此處以上行鏈路場(chǎng)一致性的測(cè)試為例進(jìn)行說明。參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)《SUBSET-085 V3.0.0》中的描述，上行鏈路磁場(chǎng)分為主瓣/作用/接觸區(qū)、旁瓣區(qū)和串?dāng)_區(qū)，三個(gè)區(qū)域分布位置逐漸遠(yuǎn)離磁場(chǎng)中心，且磁感應(yīng)強(qiáng)度依次降低[4]，見圖3。

圖3 應(yīng)答器上行鏈磁場(chǎng)場(chǎng)分布特性

由于BTM天線也是類似的環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此其發(fā)射的下行激勵(lì)信號(hào)也有類似的瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)。受BTM 天線下行激勵(lì)信號(hào)瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)影響，能夠使應(yīng)答器剛好啟動(dòng)的射頻能量磁場(chǎng)分布也存在類似的瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)[5]。

由于中心區(qū)域的主瓣區(qū)和大片外圍區(qū)域的旁瓣區(qū)被接近零強(qiáng)度的環(huán)狀帶分隔，在實(shí)際列車沿X 軸正向行進(jìn)過程中，車載BTM天線接收到的感應(yīng)電壓包絡(luò)會(huì)形成多瓣的結(jié)構(gòu)。在信號(hào)識(shí)別的角度上，多瓣結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致單一應(yīng)答器被識(shí)別為多個(gè)應(yīng)答器[6]。

3 磁場(chǎng)一致性測(cè)試

3.1 上行鏈路場(chǎng)一致性測(cè)試

根據(jù)測(cè)試規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，該測(cè)試需要搭建如圖4所示的環(huán)境，利用相對(duì)位置固定的激勵(lì)天線Activation Antenna 啟動(dòng)待測(cè)應(yīng)答器Balise，并通過相對(duì)位置可按的測(cè)試天線Test Antenna 采集不同相對(duì)位置處的上行鏈路信號(hào)，最終通過比較各位置上待測(cè)應(yīng)答器和標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的上行鏈路信號(hào)強(qiáng)度是否差異過多確認(rèn)其場(chǎng)一致性[7]。

圖4 應(yīng)答器上行鏈路場(chǎng)一致性測(cè)試環(huán)境

在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試規(guī)范中包含如下共七個(gè)流程步驟。其中，流程步驟3-4-3 是基于功率采集監(jiān)測(cè)的閉環(huán)按制，見圖5。

3.2 現(xiàn)有測(cè)試方案的問題

在實(shí)際測(cè)試過程中，為確認(rèn)待測(cè)應(yīng)答器場(chǎng)分布的一致性，需要將其各相對(duì)位置時(shí)測(cè)試天線采集到的功率與標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)在相同位置采集到的功率進(jìn)行對(duì)比。但各標(biāo)準(zhǔn)中只有標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的制作規(guī)范，缺少其各電氣特性和場(chǎng)分布特性的驗(yàn)收規(guī)范，在標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)參數(shù)偏移或特性明顯變化時(shí)難以及時(shí)識(shí)別[8]。

另外，功率計(jì)類儀表采集功率時(shí)需要從固定底噪功率-70dB 開始對(duì)預(yù)估參考值多次進(jìn)行比較迭代，收斂迭代慢的特點(diǎn)在功率突變的區(qū)域會(huì)更加明顯。下式為采集功率收斂的估計(jì)模型。

其中，Tc為收斂迭代次數(shù)，nc為接近參考功率后的迭代次數(shù)，Pstep為參考功率迭代步長，Pr為實(shí)際功率，Pe為環(huán)境底噪功率。

如圖6 所示為上行鏈路信號(hào)功率及其收斂迭代次數(shù)。特點(diǎn)是主瓣區(qū)測(cè)試點(diǎn)數(shù)少，但功率高、突變快；旁瓣區(qū)點(diǎn)數(shù)多，功率較高、部分點(diǎn)突變快；串?dāng)_區(qū)點(diǎn)數(shù)多，功率小、突變慢。

圖6 上行鏈路各測(cè)試點(diǎn)功率及迭代次數(shù)

4 改進(jìn)測(cè)試方案及驗(yàn)證

4.1 標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的場(chǎng)分布模型及驗(yàn)證

應(yīng)答器天線受通信場(chǎng)景和標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)尺寸形狀限制，只能仿照參考環(huán)設(shè)計(jì)成環(huán)形結(jié)構(gòu)。通過對(duì)天線結(jié)構(gòu)的矢量分解，利用式(2)的畢奧·薩伐爾定理計(jì)算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況[8]。

經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的場(chǎng)分布情況與該理論計(jì)算模型基本一致[9]。如圖7 所示，mesh 網(wǎng)格圖為標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的場(chǎng)分布中采集的功率分布情況，黑點(diǎn)標(biāo)記為是實(shí)際測(cè)試得到的標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)場(chǎng)分布采集的功率值。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)上行鏈路磁場(chǎng)有限元模型和實(shí)測(cè)值

4.2 基于功率模型預(yù)計(jì)的收斂迭代及驗(yàn)證

通過磁場(chǎng)分布模型的估計(jì)功率，可以在距離實(shí)際功率較近的位置開始迭代。對(duì)應(yīng)的收斂次數(shù)估計(jì)公式如下。

其中，Ps為當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的特定區(qū)域估計(jì)功率。由于Ps特定區(qū)域估計(jì)功率遠(yuǎn)大于Pe環(huán)境底噪功率，總體的收斂迭代次數(shù)將明顯降低。

相對(duì)始于底噪-70dB 的收斂迭代方式，基于功率預(yù)計(jì)的方式既可以驗(yàn)證當(dāng)前參考環(huán)的是否滿足測(cè)試的要求，也可以減少功率采集的收斂迭代次數(shù)。如圖8所示為始于底噪的迭代次數(shù)和始于功率預(yù)計(jì)的迭代次數(shù)。

圖8 始于底噪和功率預(yù)計(jì)的迭代次數(shù)

5 結(jié)論

綜上所述，上行鏈路場(chǎng)需要測(cè)試的空間范圍大、部分區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度突變大，現(xiàn)有的測(cè)試方案中因功率采集的收斂迭代次數(shù)過多導(dǎo)致測(cè)試效率很低。另外，現(xiàn)有的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中缺少對(duì)參考環(huán)場(chǎng)分布特性的檢查。本文通過建立和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)的場(chǎng)分布特性模型，在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)和待測(cè)應(yīng)答器的場(chǎng)分布時(shí)通過模型功率預(yù)計(jì)的方式進(jìn)行收斂迭代，可以有效減少因參考環(huán)參數(shù)偏移產(chǎn)生的誤差，提高應(yīng)答器場(chǎng)一致性測(cè)試的效率。