高速动车组弓网离线放电电磁干扰对L波段雷达的影响分析

单 秦,孙 源

(1.中国电子科学研究院,北京 100041；2.郑州大学信息工程学院,郑州 450001)

工程与应用

高速动车组弓网离线放电电磁干扰对L波段雷达的影响分析

单 秦1,孙 源2

(1.中国电子科学研究院,北京 100041；2.郑州大学信息工程学院,郑州 450001)

随着我国高速铁路的迅速发展,高速铁路电磁干扰对沿线电子设备的影响愈来愈引起人们的关注。目前国内相关高校及科研院所对于该电磁干扰的来源和机理已做了较为深入的研究,得出了一些很有价值的理论成果,但其对雷达的影响程度,尚没有明确的结论。研究通过前期的大量测试数据对列车弓网离线引起的电磁干扰、电磁干扰强度与车速的关系进行统计分析及数学建模,现场测试数据定量分析了此噪声对L波段雷达的影响。通过计算得到了在平原地区条件下(干扰源与受扰雷达之间的电磁波传播路径上无遮挡物,仅存在地面反射),干扰强度与雷达和铁道间距、列车速度之间的关系,得出了雷达的有效防护距离。

高速铁路；电磁干扰；雷达距离损失率；有效防护距离

0 引 言

近年来我国高速铁路建设飞速发展，给交通运输带来了极大的便利，也促进了沿线城市及地区的经济发展。但高速铁路属于强电系统，其在运行过程中也会带来电磁污染和噪声干扰等问题，对沿线的电子设备造成一定的影响，特别是沿线的对空情报雷达，其雷达接收机的灵敏度高，微弱的电磁干扰也可能对雷达造成较大的影响。而且，随着电气和电子设备本身功率容量和密度的不断增大，电网及其周围的电磁环境遭受的污染也日益严重[1-2]。对动车组电磁骚扰的多次现场测试表明，受电弓与接触线脱离产生放电电弧的电磁干扰是引起沿线电子设备干扰的主要原因。

国外对于电气化铁路电磁干扰噪声的来源和强度已有研究，并给出了一些测量数据，但由于其线路及列车均与国内有很大差别，并不具备参考价值。从2007年开始，随着高速铁路的快速发展，国内相关高校及科研机构对于该电磁干扰的来源和机理做了较为深入的研究，得出了一些很有价值的理论成果，并给出了一些测量数据。但是，高速铁路电磁干扰噪声对雷达的影响问题，贺峰等学者虽然对电气化铁路电磁干扰对情报雷达的影响进行了分析，但其并没有探讨干扰产生的机理，而且测试数据过于陈旧，不适用于目前高速铁路的发展现状[3]。从目前的研究情况来看，由于铁路系统的特殊性，国内外还没有提出一个比较可行的通用研究模型。

研究基于大量的现场测试数据工作提出了高速铁路弓网离线产生的电磁干扰的统计模型，在此基础上探讨了高速铁路电磁干扰对L波段雷达的影响及防护对策。

1 干扰来源及干扰统计模型

高速动车组产生的无线电干扰主要是脉冲型电磁干扰，来源纷杂，如牵引电机、机车二次电源、变频设备及弓网系统的噪声等，这些干扰随着运行工况的改变会发生很大变化。射频及微波段的干扰多数来自于弓网系统，主要有两种:接触电阻变化产生的微小起伏噪声和受电弓和接触网导线间出现离线现象引起的脉冲干扰。从实际测试结果看得知，前者常被后者所掩盖[4-6]。

根据作者之前的研究成果，弓网离线干扰具备如下特点:

·弓网离线的发生是随机事件，离线概率与车速、弓网动态接触力、硬点和接触线动态抬升量等多种因素有关[6]。

·干扰脉冲幅度服从高斯分布[6]，如图1所示。

·干扰脉冲的上升时间很短，频谱很宽[5-6]，在所分析频段可近似认为是白噪声，如图2、图3所示。

因此，接收机峰值检波器输出电压服从高斯分布，其概率密度和功率谱密度函数分别为:

图1 干扰脉冲幅度统计特性

图2 干扰脉冲时域波形

图3 干扰脉冲频域特性

式中:μ为期望；σ2为方差；Bn为干扰噪声带宽。

根据作者之前的研究成果[5-6]，放电电压和功率都随着速度的增加而增加，在显著性水平为0.05时，它们之间呈现指数变化的规律，具体的函数关系为:

式中:v为列车运行速度，a、b为与测试距离有关的参数。

因此，考虑离线放电产生的辐射以球面波方式传播，同时，在电磁波传播路径上无遮挡物，其在雷达处瞬时功率谱面密度为:

式中:D为弓网离线放电点与雷达的距离（考虑到最大值的情况，取D为雷达与铁轨的垂直距离）。

雷达接收机接收到的瞬时噪声功率为:

式中:A1为雷达天线有效接收面积；B1为雷达在其工作频点的带宽；L1为雷达天线及信号传输损耗；G1为雷达天线增益；λ为雷达工作波长。

如果考虑地面对电磁波传播特性的影响，如图4所示，根据实际情况，收、发天线高度比其间距小得多，则入射角接近90◦，反射系数绝对值接近于1，相位角也近于180◦，可以得到，接收点的总场强振幅为[1]:

其中，E0为直射波在接收天线处产生的场强，λ为雷达工作波长，D为弓网离线放电点与雷达的距离，ht为干扰源的高度，hr为雷达接收天线的高度。

根据上式，可知雷达接收机接收到的瞬时噪声功率为:

图4 理想平坦地面反射对电磁干扰传播特性的影响

由GB 13618—1992《对空情报雷达站电磁环境防护要求》干扰防护准则[7]，在容许有5%的探测距离损失时

式中:Pn为接收机输入端等效噪声功率；k为波尔兹曼常数；T0为室温的绝对温度；F0为雷达接收机的噪声系数。

这时雷达与电气化铁路的垂直距离D0称为雷达的有效防护距离。由GB 13618—1992，雷达距离损失率Y为

Y=5%时的D值即为雷达的有效防护距离D0，上式中，Ps-min为雷达接收机最小可检测信号功率；P′s-min为在有外来有害白噪声干扰时的最小可检测信号功率。

至此，只要事先知道噪声功率σ2和雷达接收机的相关参数，即可得到雷达的距离损失率Y和雷达的有效防护距离D0。

2 测试及计算分析

2.1 σ2值计算

利用场强仪实测干扰数据来估计噪声功率σ2。测试分为静态测试和动态测试两部分。静态测试，列车静止，人工升降受电弓，受电弓在将要离开和将要接触接触网时会产生电弧放电，测量此时的干扰数据；动态测试，列车正常运行，在铁路沿线测量列车经过时产生的干扰数据，因列车经过测试点时不一定会产生电弧，因此，考虑极端情况，此数据取多次测量数据的最大值。静态测试和动态测试距离统一选取R=100 m。

式中:B2为场强仪的带宽；L2为场强仪高频衰减；G2为场强仪测量天线的增益。

因此，可知噪声功率σ2为

2.2 计算分析

计算过程中参数选取如下:B1=0.6 MHz，L2= 2 dB，G1=5 dB，k=1.38×10-23J/K，T0=290 K，F0=1.5 dB，B2=1 MHz，L2=0 dB，G2=24 dB，Bn= 10 GHz，f1=1.2 GHz，f2=1.3G Hz，f3=1.4 GHz，车速取300 km/h。

根据以上的参数，计算得到σ2的结果如表1所示。

表1 噪声功率的计算值

根据以上计算得到的σ2值，即可得出Y=5%时的雷达的有效防护距离D0，如表2所示。

表2 GB 13618—1992防护距离与计算防护距离比较

2.3 结果分析

由表2可知，无论哪一个频率点，根据理论模型计算得到的有效防护距离都小于根据实测数据计算得到的有效防护距离，但两者都远远大于国标规定防护距离。另外，这两个距离远远大于情报雷达站与高速铁路之间的实际间距，但在计算过程中，取距离D为雷达与铁轨的垂直距离，同时，在电磁波传播路径上无遮挡物，仅存在地面反射，得出的计算结果为最大值的情况，因此，所得出的防护距离具备一定的参考价值，但是否有必要对雷达采取防护措施，还需要进一步丰富测试数据，得出在不同地形地貌条件下的结论。

3 结 语

笔者的研究成果，从高速铁路弓网离线产生的电磁干扰的产生机理入手，根据现场实际测试数据得出干扰的时域及频域特性，由干扰特性推导出干扰的统计模型，但在计算过程中也简化了一些其他因素，因此理论计算值和实测值有一定的误差，此外，在理论计算中考虑了地面反射的影响，实测过程中未考虑地形地貌对计算结果的影响，综合考虑以上这些简化和误差，对减小高速动车组弓网离线放电电磁干扰对L波段雷达的影响概率给出如下建议:

从电磁兼容的基本原理来看，减小电磁干扰对敏感设备的影响应从干扰源、传播途径及敏感设备三个方面考虑，因此要减少高速铁路电磁干扰对L波段雷达的影响，可从高速列车、干扰传播及雷达三个方面着手，具体措施如下:

（1）改善高速列车受电弓质量以及地面接触网质量，减小因受弓网离线产生的电磁干扰，减小干扰源产生电磁干扰的概率。

（2）考虑在铁路沿线离雷达站较近的路段加装电磁屏障；在雷达站也进行必要的电磁防护，阻断电磁干扰的传播途径。

（3）对雷达天线进行改造，在不影响雷达性能的前提下，尽量压低旁瓣电平；另一方面，通过长期的统计分析，对干扰特性有深入了解后，可采取对消等方式，消除进去雷达系统的干扰。

（4）对于规划建设的雷达站，要充分考虑电磁干扰的影响，合理选址，研究结果可知，在平原地区（干扰源与受扰雷达之间的电磁波传播路径上无遮挡物），如根据理论计算值，L波段雷达站距离高速铁路应不小于22公里；如根据实际测试计算值，L波段雷达站距离高速铁路应不小于36公里。

[1]PAUL CR，闻映红.电磁兼容导论[M].北京:人民邮电出版社，2007.

[2]吴燕.高速受电弓-接触网动态性能及主动控制策略的研究[D].北京:北京交通大学，2011.

[3]贺峰，彭世蕤.电气化铁路电磁干扰对情报雷达的影响分析[J].现代雷达，2005，（11）:12-15.

[4]S.QIN and W.YINGHONG.“Research on the BER of the GSM-R Communications Provided by the EM Transient Interferences in High-Powered Catenary System Environment，”in Electromagnetics in Advanced Applications（ICEAA），2010 International Conference on，Sydney，NSW，2010，757-760.

[5]单秦，闻映红，蔡伯根.弓网系统的无线电干扰特性研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2011，39（9）:20-24.

[6]单秦.高速动车组电磁兼容性关键技术研究[D].北京交通大学，2013.

[7]GB 13618-1992.对空情报雷达站电磁环境防护要求，1992.

[8]高斌，唐晓斌.复杂电磁环境效应研究初探[J].中国电子科学研究院学报，2008，3（4）:346-350.

单 秦(1982—),男,河北省唐山人,博士,工程师,主要研究方向为系统级电磁兼容设计、空基信息系统总体设计、复杂系统电磁兼容测试方法研究等；

E-mail：shanqin1982@163.com

孙 源(1994—),男,河南省郑州人,主要研究方向为通信系统仿真,雷达系统仿真,电磁兼容设计等。

Research on the Influence of Electromagnetic Interference（EM I）of High Speed Railway（HSR）on L-Band Air Surveillance Radar

SHAN Qin1，SUN Yuan2
（1.China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China；2.College of Communication engineering Zhengzhou university，Zhengzhou 450001 China）

With the rapid developmentof HSR，much attention is paid to the influence of its EMIon theelectronic equipment along the railway line.Up to now，there are deep researches on the source and the mechanism of the EMIby some universities and academes，and a lotof valuable theoretical results are obtained，however，there is no conclusion about the extentof the influence on radar.In this paper，a statistic analysis is done and amathematicalmodel is built for EMI caused by pantograph-offline discharge and the relationship between EMI intensity and Electric Multiple Unit（EMU）speed based on a large number of test data.The EMIon air surveillance radar is analyzed quantitatively.The

interference intensity of radar is obtained by calculation ofthe distance between the radar and the railway，and the speed of the EMU.Meanwhile，the effective radar protected distance is put forward on the condition of LOS.

HSR；EMI；radar range loss ratio；effective protection distance

TN97

A

1673-5692（2015）02-219-04

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.020

2015-02-20

2015-03-25