一种参数动态可调的电磁环境智能监测及评估系统

臧 涛，刘 钢，张大维，阎毓杰

（1.海军装备部，湖北 武汉 430205；2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064；3.渤海造船厂集团有限公司，辽宁 葫芦岛 125004）

0 引 言

随着科技和信号处理技术的发展，各种电子电气设备使用信号的强弱差距越来越大。随着电力电子技术、数字技术及计算机的广泛应用，各个设备信号间的相互干扰问题频繁出现，使得大型平台的电磁环境效应问题更加突出，大大影响了平台技战术指标的发挥和任务的开展。

为保证大型平台的电磁兼容性，需要开展全生命周期的电磁环境监测，实时掌握电磁环境状态，以便后续指导产品设计。目前常用的电磁环境监测系统的设计基本还停留在传感器间独立工作，单个传感器的数据独立分析的状态。当平台某位置的电磁环境发生异常时，因传输距离和结构屏蔽等因素的影响，可能会淹没在背景环境中不能被有效识别，导致其他区域的电磁场传感器不能监测到目标信号，从而不能实现对平台整体电磁环境的智能监测和分析。

当大型平台某一区域电磁环境发生异常变化时，该区域电磁场监测单元能够将异常信息发送到平台其他区域的监测传感器，自动调整其他监测传感器的监测参数，统一规划大型平台不同位置的电磁场监测单元，实现对不同大型装备平台不同区域电磁环境的智能监测，大大提升电磁环境的监测效能，更好地实现监测效果。

1 电磁环境监测内容

按照《电磁干扰和电磁兼容兼容术语》（GJB 72A—2002）规定，电磁环境是存在某场所所有电磁现象的综合[1]。对大型平台而言，电磁环境可以分为电网电磁环境和空间电磁环境2 类。

1.1 电网电磁环境

电网电磁环境是一个综合概念，主要包含可能会引起共电网敏感设备工作异常的电网电压特性，例如电网电力品质、电源电缆传导发射（25 Hz ～50 MHz）以及电压瞬变尖峰等。

根据此定义，电网电磁环境包含的内容可以细化为电压有效值、电压频率、电压总波形畸变率（Total Harmonics Distortion，THD）、3 ～11 次电压谐波、直流电网纹波系数、电源电缆低频段（25 Hz ～10 kHz）传导发射、电源电缆高频段（10 kHz ～50 MHz）传导发射以及电压瞬变尖峰。电压有效值、电压频率以及电压瞬变尖峰对设备工作的影响比较明显，这里不再阐述，主要对电网电磁环境包含的其他内容进行论述。

1.1.1 THD 和电压谐波

THD 是电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根与该波形基波有效值之比，因此THD 是由谐波共同决定的，总的谐波特性决定了THD 的特性[1]。谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，又称为高次谐波。电力系统中，非线性负荷是造成波形畸变的源头[2-5]。

谐波源即系统中具有非线性特性、并且可以产生谐波的电气设备。船舶电力系统中的发电、供配电以及用电部分分别向船用电网贡献不同程度的谐波分量，从以往的测试数据看，发电和用电部分是谐波产生的关键。

过高的电网谐波会产生多方面危害。电力和电子设备主要是针对基波频率设计，谐波电流经过这些设备时会使得电路产生不同的响应，例如可能会引起旋转电机的附加损耗、变压器的过热、电容器呈现低阻等，这些现象在谐波分量较小时引起的问题虽然不显著，但会减少设备的寿命，降低设备工作的可靠性。如果谐波分量过大时，可能会引起更为严重的后果。

1.1.2 电源电缆低频及高频传导发射

传导干扰指沿着导体传输的电磁干扰，由于传导干扰覆盖的频段较宽，其干扰传输路径不会像谐波干扰仅局限在电源线进行传输[6]。通常电源线传导干扰的传输途径包括电网的电源线、公共地阻抗耦合以及电缆间近场耦合等。由于传输途径的多样性，其对敏感设备的干扰形式也多种多样。一旦出现干扰需要及时排查解决，对传导干扰进行有效控制。

目前国内外普遍通过相关电磁兼容标准控制设备电源线传导干扰的幅值。设备电磁兼容测试时的电源线传导发射的测试目的则是为了考核设备工作时产生的传导干扰是否满足相关标准要求。船舶总体电网电磁环境监测中的传导发射是为了测试船舶总体电网在被测点处的传导发射水平是否满足标准或设计要求。

1.2 空间电磁环境

空间电磁环境指平台工作时所处的空间电场和空间磁场环境，具体包括稳态的空间电场、瞬态空间电场、稳态磁场以及瞬态磁场等。

1.3 电磁环境监测内容

参照《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB 151B—2013）规定，根据平台用户特点，电磁环境监测的对象包括但不限于如下内容。

1.3.1 电网电磁环境

电网上的电压有效值（工作频率）、电流有效值（工作频率）、电网电压总谐波失真、直流电压纹波系数、电压低频及设备传导发射（时域和频域）、电流传导发射（时域和频域）以及电压瞬变尖峰（时域）等。

1.3.2 空间电场电磁环境

一般对10 kHz ～40 GHz 频段的空间电场的频域和时域信号进行监测。

1.3.3 空间磁场电磁环境

一般对25 Hz ～100 kHz 频段的空间磁场的频域和时域信号进行监测。

2 电磁智能监测系统实施说明

2.1 智能监测系统组成

电磁环境智能监测系统包括对空间电场和空间磁场进行监测的电磁场监测单元和对电网电磁环境进行监测的电网监测单元，这些传感器均接入一个供计算分析用的主机。不同平台可根据实际情况选择合适的传感器使用。系统组成如图1 所示。

图1 电磁环境智能监测系统组成

电磁场监测单元或电网监测单元如图2 所示。

图2 监测单元

监测单元中的电磁场传感器可以采用电磁兼容测试用的磁环天线和近场探头，或者自行设计的其他传感器。预处理模块可以根据所选传感器设计阻抗匹配的电路，一般包括前置放大器、衰减器及AD 采样电路。处理器模块可以采用基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）电路。通信模块可以采用有线或者无线的以太网电路，主机可以采用通用计算机。电磁环境智能监测系统包括N个电磁场传感器和电网传感器，传感器可以通过有线或无线的形式接入主机。在传感器的处理器模块计算能力满足的情况下，也可以取消主机，由某个或某几个传感器实现主机功能。

2.2 监测参数智能调整的工作方式说明

N个监测单元分别安装在被测平台的不同区域，传感器模块可以实时获取安装位置的电磁场状态，包括幅度-频率谱和相位-频率谱。电磁场传感器的信号输出到预处理模块，预处理模块对该信号进行放大或衰减，并进行AD 采样，生成数字信号，并将其输出到处理器模块。处理器模块对该数字信号进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）计算，得到幅度-频率谱和相位-频率谱的数据信息，将幅度-频率谱和相位-频率谱数据发送到通信模块，并由通信模块发送到主机进行存储和分析。主机对每个监测单元发送的幅度-频率谱和相位-频率谱数据进行分析，当发现某一监测单元的数据有显著变化时（例如幅度变化超过6 dB 或相位变化超过30°），则主机将该幅度-频率谱和相位-频率谱监测的关键信息（包括中心频率、带宽、分辨率带宽以及参考电平）提取后发送到其他监测单元，从而使所有的监测单元的监测对象均集中在该异常信号，实现对异常电磁环境的智能化集中监测。

2.3 监测单元网络接入的工作说明

基于电磁环境监测单元的网络拓扑自动规划理论方法和传感器节点自适应聚簇算法，构建智能组网通信协议模型，包括物理层、链路层、网络层、传输层以及应用层，设计监测单元自组网的动态修复和网络抗毁策略以及网络数据流和协议流的全程动态加密方法，解决监测单元自适应组网的问题。研究无线电频谱资源感知检测方法和动态接入策略，构建传输带宽的接入资源分配优化模型和频谱的接入资源分配优化模型，设计频谱分配与频谱共享算法，解决监测单元的网络资源分配问题。

为实现上述目标，采用蛙跳式寻径方式与互联网协议（Internet Protocol，IP）寻径方式相结合的方法，使得任何一个监测单元节点均可成为逻辑控制中心。其路由能力除具备IP 寻径能力外，还具备自主网特有的蛙跳式寻径能力，使整个自主网具有更强的自我扩展和动态修复能力，自主实现整个网络数据流和协议流的全程动态加密。监测单元节点由中心接入节点统一授权分配路由和IP地址，监测单元按照路由规划，遵循蛙跳寻址和IP 寻址相结合的原则，与中心接入节点建立网络通信链路，从而自发形成一个区域性的集中监测自组织网络。

对于有无线接入点的情况，监测单元采用固定IP 寻径方式，借助无线接入点与其他监测单元建立通信链路，实现自主规划路由入网；在个别无线接入节点暂时失效时，监测单元采取蛙跳寻径方式，通过智能路由算法规划通信路径，并与无线接入节点建立通信链路，从而实现自发规划路由入网。

通过设计网络部署、功率控制、活动调度以及聚簇管理等基础组网协议，采用数据融合、人工智能的方法研究网络部署优化、降低能耗优化、节点活动管理以及辅助路由协议等相关算法，从而构建一整套智能组网协议体系。

3 结 论

电磁环境中各项参数的长期监测对保障平台的正常工作有重要意义。随着计算机技术的不断进步，基于分布式网络的测试技术迅猛发展，并在很多领域得到了广泛应用。为了将此测试技术应用于大型平台的长时间在线监测，文章分析了对大型平台电磁环境产生影响的关键要素，明确了其监测要点，并提出了智能监测系统的组成和实施方式以及组网策略。基于本文的研究内容，可对大型平台电磁环境智能监测系统的设计开发提供指导。