某型号微波探测器的噪扰报警分析

阳江核电有限公司 广东 阳江 529500

1 引言

某大型核设施目前所采用的微波探测设备数量占全部探测设备数量的10%左右，而其噪扰报警次数占全部探测设备噪扰报警总量的35%左右，对实物保护系统的运行产生不利影响。本文通过对现场实际环境下该型号微波探测器(以下简称探测器)可能的噪扰因素进行研究分析，尝试找出影响设备噪扰报警的主要因素。

2 某型号微波探测设备产品情况及工作原理

2.1 设备组成及工作原理 探测器为某公司80年代开发生产的模拟量微波探测设备，包含一个发射器和一个接收器。在正常工作情况下，接收器和发射器间会形成一个两端小中间大的梭形的立体空间探测场，如图1所示。

图1 某型号探测器保护区域示意图

2.1.1 发射器 发射器主要由射频组件和发射器电路板组成，射频组件包含一个产生X波段(10.525GHz±25MHz)的微波能量的砷化镓场效应管震荡器以及一个抛物面天线系统。发射器电路板包含稳压器以及调制器电路，以驱动微波震荡器。在发射器电路板上有三位拨码开关可选4个调制频率的频道(A、B、C、D)。在发射器电路板上有一个RF指示灯，加上10.5～14V的直流电压，从而引发接收器上的LOCK指示灯点亮。发射器的工作原理如图2所示，当射频调制器选择某一音频信号模式，并通过射频振荡器产生该模式下的音频信号并通过天线发射出去。

2.1.2 接收器 接收器主要由射频组件和接收器电路板组成。射频组件包含一个抛物面天线(与发射器的天线相同)以及一个肖特基二极管检波器，检波器将发射器发射的解调过微波转换为电频信号以供解调器电路板处理。接收器的工作原理如图3所示，当天线接收到信号，通过检波器处理为易识别的音频波并通过放大器(AGC)进行增益放大，使得前置放大器的输出量维持在一个稳定的水平，再进行检波器(PLL)进行调频过滤，进入误差比对环节识别信号变化情况，把变化转换为交流电压信号再输出进行手动信号增益(灵敏度调节)，与报警阀值进行比对，输出触发继电器动作的电平，继电器动作输出开关量信号。

图2 发射器工作原理图

图3 接收器工作原理图

2.2 探测器运行环境 某大型核设施地处广东沿海，全年高温时间较长，降水充沛。探测器布置在双层围栏内的中间区域，围栏采用拉紧的铁丝网围栏，外侧围栏高度为1.5m，内侧围栏高度为2.5m，内侧高围栏侧面上固定有垂直叠放的两层刺丝圈，内侧高围栏顶部安装固定一层刺丝圈。双层围栏间距6m，两侧围栏地面为水泥基础和水泥盖板，水泥盖板之间铺设均匀碎石，围栏内安装有立杆摄像机，用于复核探测器报警。

3 设备噪扰因素分析

3.1 设备安装环境与安装调校分析 设备安装环境和调校分析主要以对标设备技术手册并找出差异，如表1所示。根据表1分析，设备可能因第1和第2点差异会受到刮风和降雨等因素的影响；而第3点差异，设备探头及立柱未造成探测设备的直接遮挡，满足设备技术手册要求。

3.2 设备运行测试标准分析 《核设施周界入侵报警系统》(HAD501/03)规定，探测器需定期测试。测试使用的工具为长方体金属箱体，箱体尺寸为30cm(长)×30cm(宽)×20cm(高)，垂直于微波探测面的尺寸为30cm(长)×20cm(高)，雷达截面积为0.060m2。根据与美国桑迪亚国家实验室利用10.525GHz频率的微波测探测器进行的试验数据对比，设备测试工具与试验结果基本一致(略高0.005m2)。

3.3 设备产品自身因素分析 为了验证探测器自身的探测特点，根据现场探测器布置情况划分A、B、C、D4个理论区域，如图4所示。为了验证4个区域的划分，在风速为1～2级且天气晴朗的环境下，选择一组正常运行的探测器，并以人员正常行走的方式对探测器区间进行测试，测试数据如表2所示。

表1 某型号微波探测器实际安装与调校情况与设备技术手册对照表

根据测试数据发现，探测防区之间进行理论分区基本成立。A区测试报警率为100%；B区测试报警概率不是100%，而是有大概率情况下会报警；C区测试不会报警，但会对设备造成较大的干扰；而D区测试不会报警，但依然会对设备造成干扰，但该类干扰对设备影响较小。A区和B区之和可以满足《核设施周界入侵报警系统》(HAD501/03)对探测概率的要求，即满足探测概率下限在95%置信水平下不不低于90%；然而C区和D区域是不需要的探测区间，C区和D区内存在的干扰因素将会对设备造成干扰，并在环境条件不利的情况下可能对设备造成叠加干扰。

由于微波探测器的有效波形为梭形立体形状，靠近微波设备端的波形变小，为了弥补单组设备产生的盲区，采用了交叉布置的方式。为了发现多组探测器的运行特点，选取了两组不相邻的探测器进行测试，如图5所示。将X和Z组探测器设置同频率进行测试，测试结果如表3所示。

图4 单组微波探测器探测区间划分示意图

图5 间隔两组微波探测器布置示意图

表3 两组间隔的微波探测器的测试数据

通过对单组设备和间隔两组设备的测试分析得出，微波探测器的信号溢出了所需要的探测防区，而且溢出区域内产生的干扰因素依然会对设备正常探测功能造成干扰影响，且干扰强度与干扰因素距离探测防区轴心的距离有关，距离越近干扰越大。

3.4 天气环境因素影响分析 自2019年1月1日至2020年9月30日，记录了各种天气情况下现场运行的57组微波探测设备的噪扰报警数据。通过对数据进行整理，得出不同天气情况下设备报警数据的关系情况。其中，无降雨且风速小于4级情况下的噪扰报警数据见表4。根据表5分析得出，设备在无降雨的天气情况下，持续风速在4级以下，设备噪扰报警数量较少，设备噪扰报警情况与风速无明显相关性。

将持续风速在5～6级下的设备噪扰报警数据进行整理，并将风速与持续时间的乘积作为风量，如表5所示。

将风速小于3级、不同降雨量下的噪扰报警数据进行整理，如表7所示。表6表明，持续风速小于3级、降雨量较小时(降雨量小于约1mm/天)，噪扰报警处于正常水平。降雨量大于1mm/天时，其与报警次数成明显正相关。而且降雨量对噪扰报警的影响远高于风量，当有较大风雨叠加时，将会产生更多的噪扰报警。

4 分析总结

综合以上分析，探测器噪扰报警是受设备运行环境、天气条件和探测器自身原因等单一因素或相互作用影响而产生的。其中设备运行环境因素是噪扰报警的基础因素，而环境条件的叠加作用可能会产生较大影响。影响探测器噪扰报警主要因素的综合影响评价表7所示:

表7 不同降雨量下的噪扰报警数据