针对高海拔环境的无人值守式信号接收系统设计

罗冰 徐建敏

【摘要】    恶劣的高海拔环境对信号接收系统安装、使用、维保带来了很大的挑战，本文针对高海拔环境下的无人值守式信号接收系统的设计需求，从高海拔环境适应性、高可靠性、故障智能检测计、数据安全传输、环境安全等方面进行了分析及设计，提高了系统在高海拔环境下的适应能力，实现了信号24小时不间断的稳定接收。

【关键词】    高海拔环境    无人值守    信号接收系统

引言：

恶劣的高海拔环境导致信号接收系统安装、维保困难，这种缺氧环境不适合派遣人员长期值守工作，另外人员后勤保障得不到保证。故一种适用于高海拔环境但同时能完成24小时不间断的无人值守式信号自动接收的系统具有很好的发展前景及优势。

一、高海拔无人值守式系统设计要求

高海拔地区环境复杂多样，各地差异明显，主要有气压低、风力大、日温差大、紫外线强等特点，同时雷暴等极端天气常发生。

1.1低气压对系统的影响

信号接收系统的设备中有大量的电子部件构成，电子部件在工作时会产生热量，由于高原环境气压低，空气的导热能力也随之降低[1]，对于依靠空气对流为散热主要方式的设备及器件，长时间工作后容易导致热量堆积无法有效散热，出现过热现象，严重时导致设备及器件损坏。

低气压对电子部件的绝缘性也有影响，随着气压的降低，绝缘材料内部的放电更容易发生，低压环境容易导致绝缘材料更易击穿及老化，导致电路短路，设备异常工作[2]。

接收机的集成电路中使用了大量的滤波器件，不合适的滤波器件在低气压环境中易打火，甚至烧毁相应的部件。

1.2日温差对系统的影响

高海拔气候日温差大，在部分湿度大的地区，随着温度的变化，容易导致电子部件表面出现水汽凝结的凝露现象，导致电子部件短路甚至烧毁。同时凝露现象使得电子部件的绝缘性变差，易导致漏电甚至出现击穿等严重导致设备故障的现象[3]。

1.3雷击对系统的影响

高海拔地区雷暴天气频发，虽然雷电流比其它地区小，但其能量依然很大[4]。信号接收系统为了达到更远的接收距离，往往设置在山顶等空旷区域，同时因系统有大量的天线，更容易遭受直击雷。

雷电发生时，对周围电磁场产生变化，电磁场变化容易导致电子部件内产生高强度的浪涌，从而破坏设备。这类感应雷特别容易从供电线路，通信线路进入。

二、无人值守式信号接收系统总体设计

信号接收系统总体设计需要综合考虑高原特殊气候和地理环境等因素，采取了针对高原环境适应性设计、防雷设计、高可靠性设计、故障智能检测设计、数据安全远传设计、环境安全设计等，满足信号接收系统在高海拔环境下的安全稳定工作。

2.1系统设计

整个系统主要由信号接收天线、接收机、网络交换机、安全设备、光端机、安防设备、环控设备、供电设备等组成，接收天线安装在透波罩内，单机放置在机房内，示意图如下图1所示。

2.2针对高海拔环境适应性设计

针对低气压环境，系统电子部件采用耐低气压元器件及绝缘材料，对半密闭式设备采用大风道增加散热面积。对于小型组件如限幅放大组件等采用激光封焊工艺形成全密闭空间。

针对日温差大的环境，设备印制板涂抹“三防漆”同时预留由排水透气孔，对于湿度特别大的区域，机房内可设置除湿机降低周围环境中的湿度，当空气湿度低于65%时，大多数金属的腐蚀变得很慢[3]。

针对雷暴环境，系统采用避雷网、多支避雷针方式，场地受限区域也可以采用独立避雷针或避雷网，同时接地装置和设备之间不小于3m，可有效保护系统免招直击雷破坏，同时天线输出口安装防雷器，网络安装以太网防雷器，避雷地和电源地、工作地分  同时供电系统从总电源配电柜开始进行四级防雷防护并进行宽压设计，如下图2所示。

2.3高可靠性设计

满足无人值守高可靠性的要求，系统核心设备控制采用串口及网络双控制冗余设计，当主用的网络接口异常后自动切成串口。设备采用28/24VDC双电源模块设计，当其中某个模块故障后，自动切成另一个电压供电，无需掉电即可完成切换。

功能进行冗余设计提升可靠性，接收机采用多模块并串联冗余设计，将功性能一致的模块进行并联，并与其它模块串联[5]，当某模块故障后，并联模块将替代其工作，该设计在降低系统规模及成本的同时大幅提高了任务可靠性，设计示意图如下图3所示。

2.4故障智能检测设计

系统任务设备采用模块化设计，每个模块可对自身状态（如电压、电流、温度等信息）进行监视并上报。因安装空间受限，部分异型部件，通过供电设备监视其电压电流情况并上报。

系统配套设备如供电设备中太阳能、风力系统可实时上自检及运行状态等信息，油机系统可实时上报转速、油量等信息，所有供电手段产生的电能汇入场地下部的电池坑中，电池坑中的管理系统可实时上报电量数据，电池健康程度，当某一供电手段故障时，自动启用其它供电手段。

所有数据通过网络传输至计算机中的软件进行管理，运维运控数据回传后通过后端可视化界面可实现故障自动报警提示，自动统计设备故障率，自动形成故障日志。

2.5数据安全远传设计

系统接收到的数据通过安全设备进行加密处理后，由光端机将多路数据进行同步压缩编码后通过光纤或微波散射传送到应用处理中心进行处理，满足高海拔环境下数据传输的安全，

考虑高海拔环境下导致数据回传的不可控性，系统设计在往后端推送数据的同时利用大容量存储服务器将数据进行统一存盘管理，若回传链路恢复正常后自动将未及时回传的数据进行再次回传，保证数据不丢失。

2.6环境安全设计

系统通过计算机环境安全管理软件统一管理场地周围的安防摄像头（AI智能识别）、红外对射装置、机房门禁系统以及温湿度传感器、烟雾传感器、气象传感器、雷电预警传感器采集的环境数据，环境安全监视系统示意图如图4所示

环境安全监视系统由各类传感器、通信传输设备、环境安全管理软件组成，各类传感器获取相应的环境数据，通过通信传输设备将数据回传至后端，管理软件对各类数据进行汇总分析及显示、存储管理等，同时提供相应告警提醒。

三、结束语

本文从针对高海拔环境下无人值守系统特殊要求出发，从高海拔环境适应性、高可靠性、故障智能检测计、数据安全传输、环境安全等方面进行设计，提高了无人值守系统在高海拔环境下的可靠性及安全性，根据这些针对性的设计，使得某型信号接收系统在该恶劣环境下稳定可靠工作，达到了设计预期效果，该研究对后续类似系统的设计具有一定的参考意义。

参  考  文  献

[1]趙斌、郭赞洪等.浅谈低气压对装备及元器件的影响[J].重庆，装备环境工程.2016

[2]田志海，葛景谤，程锡圭.低气压聚合物绝缘材料内部局部放电量特性研究[J]，绝缘材料通讯[J]，1992（2）：1-4

[3]韦生文.雷达电子设备的呼吸凝露作用及预防[J]. 2010，（8）6

[4]姚敬海 赵煜、张恩寿等.高原地区风机偏航系统防雷技术研究[J]. 2019， （09）：40-41

[5]孙国强.无人值守雷达系统设计[J]. 兵器装备工程学报，2018（1）：34-36，70