信号传播（精选5篇）
信号传播 篇1
1 概述
近年来, 随着国内经济的快速增长, 各地区也加大了城市建设发展力度, 大中型楼宇如雨后春笋般涌现。由于人们的生活和会议、工作等商务活动大量在室内进行, 因此对室内信号覆盖质量的要求越来越高。这就迫切要求各移动运营商提升自身网络的室内信号覆盖, 以提高品牌在用户中的影响力。
建设室内覆盖系统解决室内环境的覆盖问题是目前较为常用的室内覆盖解决方案, 但室内覆盖系统建设成本较高, 无法涵盖所有的大中型楼宇, 特别是高中层居民住宅楼房, 不仅数量众多, 而且业务量有限, 投资回报率相对较低, 同时部分业主对室内覆盖系统抗拒感较强, 因此在这些建筑物内大量建设室内覆盖系统解决室内覆盖问题并不现实, 大部分此类建筑物室内覆盖仍需由室外基站信号覆盖解决。
目前各移动运营商在日常运维工作中都对无线网络进行DT (Drive Test) 测试工作。DT测试能够了解室外基站信号对室外的覆盖状况, 但难以判断室外基站信号对建筑物室内部的覆盖情况。这就需要一种室外信号在室内环境的传播模型 (简称“室外-室内传播模型”) , 用以根据室外信号情况预测室内环境的覆盖效果, 从而指导的网络规划及优化工作。
现有的无线传播模型大多适用于室外覆盖预测, 部分模型虽然能反映室内传播规律, 但是只能用于信号源在室内的室内覆盖系统上, 无法反映室外信号对室内的覆盖能力和效果。因此, 本文创新性地提出室外-室内传播模型理论, 并通过典型建筑物的测试对该模型进行调校, 得到了部分环境下实用的“室外-室内传播模型”。这些模型可以通过室外信号预测室内环境的覆盖效果, 不仅能够提升规划设计的水平与效率, 而且能够协助运营商根据需求调整网络, 提高网络性能, 对运营商节省建网和优化成本均具有现实的指导意义。
2 传播模型推导
图1为“室外-室内传播模型”示意图, 图中S点为信号源, Rf点为室外信号参考点, R点为室内接收点。“室外-室内传播模型”用以反映无线电波从Rf点到R点之间的传播特性。可以看到, “室外-室内传播模型”的本质仍是一种无线电波的室内传播模型。本节首先介绍无线电波在自由空间的传播特性, 然后进一步推导出“室外-室内传播模型”。
2.1 自由空间传播特性
自由空间是指一种理想、均匀的、各向同性的介质空间, 当电磁波在该介质中传播时, 不发生反射、折射、散射和吸收现象, 只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。室内环境中无阻挡传播环境是一种近似的自由空间传播。
在自由空间中, 若发射点处以球面波辐射, 则接收处的功率为
式中, tP为发射点处的发射功率;Gt、Gr分别为发射天线和接收天线增益;为波长;d为发射天线和接收天线间的距离;
波长的表达式为:, 式中, c为电磁波速度, 即, f为载波频率, 单位为Hz。由式 (2.1-1) 可知, 接收功率与发射天线和接收天线增益的乘积成正比, 与距离的平方成反比。
自由空间的传播损耗PL为有效发射功率和接收功率之间的差值, 其定义为:
当Gt=Gr=1即天线具有单位增益时, 有:
将c与值代入后, 可得:
式中, d为传播距离, 单位为km, f为电波频率, 单位为MHz。
2.2 室外-室内传播模型推导
电波的自由空间传播特性是:接收功率与发射天线和接收天线增益的乘积成正比, 与距离的平方成反比, 与电波频率的平方成反比。因此, 影响电波自由空间传播特性的主要因素是传播距离d以及电波频率f。
在考虑室外-室内传播模型时, 除了考虑以上主要因素外, 还需要综合考虑影响室内信号覆盖效果的其它多个因素。
一般情况下, 影响室外信号对室内环境覆盖效果的因素主要有以下方面:
(1) 室内外的距离d
由于传播过程中电波能量的扩散以及室内环境的阻挡, 室内接收点与室外信号的距离将是影响接收信号强度的重要因素。
(2) 电波的工作频率f
不同频率的无线电波其绕射能力及穿透能力有所不同, 因此电波频率也是影响覆盖效果的重要因素。
(3) 室内环境的楼层数N
由于室外信号为地面信号, 可以预见随着楼层的改变, 不同楼层的室内覆盖效果将有所不同, 因此需要把楼层数考虑进来。
(4) 建筑物类型Tc
建筑物自身的类型同样会影响室外信号对室内环境的覆盖。建筑物类型是指:钢筋水泥框架结构还是砖混结构, 外墙材料是瓷砖、大理石还是玻璃幕墙等等。同样的室外信号, 钢筋水泥结构的楼房与砖混结构的楼房的室内覆盖效果差别很大。因此, 我们需要把建筑物类型因数考虑进来。根据需求的迫切性以及测试的可实施性, 我们重点选择钢筋水泥框架结构、瓷砖外墙的中高层住宅楼作为研究对象。
(5) 该建筑物所处环境类型Kc
建筑物所处环境类型也会影响室外信号对室内环境的覆盖, 若建筑物周围中高层建筑较多, 可以预见电波反射折射等现象较多, 对室外信号的室内覆盖效果影响较大。因此有必要将该因数考虑进来。根据一般情况下, 高、中层住宅楼周围建筑物的密集程度将其所处环境类型划分为:密集市区, 普通市区两种类型。
参考无线电波在自由空间的传播特性, 接收功率与距离的平方成反比, 与电波频率的平方成反比。对于室外-室内传播模型, 信号传播损耗和距离d的m次方成正比, 与f的n次方成正比, 与楼层N的p次方成反比, 与建筑物类型相关, 与建筑物所属环境类型相关。因此室内环境的接收功率为:
式中:Pout为室外信号强度, 单位为W;为室内接收信号强度, 单位为W;f为电波频率, 单位为MHz;K为常数;N为楼层数;为建筑物类型;为建筑物所属环境类型。
需要说明的是, 上述室内外信号强度关系虽然只是结合经验所得, 没有经过严格理论证明, 但从工程的角度而言, 如果能够在实践中验证该模型在误差许可范围内满足工程需求, 则可以证明其可靠性和准确性。
根据式2.2-1, 有
(dB) 进而整理为:
式中:K1为常数, 即截距;K2为斜率, 即距离系数;K3为频率系数;K4为楼层系数;K5为建筑物类型系数;为建筑物所属环境类型系数。
3 传播模型调校
为了得到使用的室外-室内传播模型, 同时验证其可靠性和准确性, 我们在深圳地区进行实地测试, 根据测试取得的数据, 对“室外-室内传播模型”进行调校分析。
本节首先阐述测试流程和方法, 然后根据测试数据对“室外-室内传播模型”进行调校并给出调校结果。
3.1 测试方法及流程
“室外-室内传播模型”的数据采集测试包括5部分工作, 如图2所示。
下面对各部分工作进行简要描述:
(1) 选择适合的目标测试楼房
根据传播模型调校需求, 选择符合建筑物所属环境类型定义以及建筑物类型定义的目标测试楼房。要求目标测试楼房在该地区具有典型性。
(2) 选择合适地点建立模拟基站
在目标测试楼房附近选择合适的地点建立模拟基站, 要求模拟基站符合实际基站典型技术条件要求。
(3) 对目标测试楼房室外周围信号进行测试
建立模拟基站后, 需要对目标测试楼房室外周围信号进行测试, 室外信号测试围绕建筑物外墙进行。图3给出了室外信号测试示意图。图中S点为信号源, R点为室内接收点, 建筑物外围灰色路线为测试路线, 其中靠近模拟基站测试路线颜色较深表示接收信号较强, 远离模拟基站的测试路线颜色较浅表示接收信号较弱。
(4) 对目标测试楼房室内各楼层信号进行测试
对室外信号测试结束后, 需要对楼房室内各楼层信号进行测试, 由于没有GPS定位, 需要首先获取建筑物设计结构图, 然后人工定位对建筑物各楼层的室内信号进行采集。
(5) 保存测试数据
数据采集后需要保存以备后续调校分析。
3.2 室外-室内传播模型调校
我们在深圳地区在不同的建筑物环境类型中分别选取了“高层住宅楼”及“中层住宅楼”进行测试。选择这些类型建筑物的原因是这2种建筑物在一般城市中占有相当高的比例, 同时安装室内分布系统的难度较大, 主要通过室外信号覆盖室内环境。测试电波频率为2 000MHz, 测试情况如表3。
通过对典型的10栋楼宇进行分析, 得到针对两种楼宇室外信号的室内传播模型, 下面对深圳地区不同类型楼宇的室内传播模型调校流程及调校结果进行说明。
图4为室外-室内传播模型调校流程图。流程关键点在于调校后误差均值为0, 同时方差最小。下面给出“高层住宅楼”及“中层住宅楼”两种类型的建筑物室外-室内传播模型调校结果, 如表4。
4 模型调校结果分析
本节首先根据室外-室内传播模型调校结果表, 对“高层住宅”及“中层住宅”的模型调校结果进行对比分析, 然后分别对各类建筑物的“室外-室内传播模型”调校结果进行分析。
(1) K1值是截距, 反映一定测试条件下的衰减常数值。可以看到高层住宅截距较大, 中层住宅截距较小, 说明在同等条件下, 高层住宅衰减最大。
(2) K2值是斜率, 反映随着室内外距离增大, 电波传播损耗的衰减速度。可以看到高层住宅衰减速度较快, 中层住宅衰减速度较慢。
(3) K3值是电波频率系数, 由于测试中一直用同一种频率, 因此未做调校, 两种建筑物类型的K3值全部为1。
(4) K4值是楼层系数, 反映随着楼层数的增加, 电波衰减值的降低速度, 即接收电平的增长速度。可以看出中层住宅接收电平增长速度较快, 高层住宅接收电平增长速度较慢。
(5) K5值是建筑物类型系数, Tc值为建筑物类型值, 由于此次测试目标楼房都是钢筋水泥结构楼房, 因此两种建筑物类型的K5值全部为1, Tc值调校结果均为1.6。
(6) Kc值反映建筑物所属环境类型。可以看到由于高层住宅位于密集市区, 其Kc值较大。中层住宅位于普通市区, 其Kc值较小。
下面分别对两种类型建筑物的室外-室内传播模型参数进行分析。
4.1 高层住宅模型
根据高层住宅的室外-室内传播模型参数, 我们可以得到高层住宅不同楼层距离室外不同距离的衰减图, 如图5所示。图中, 横轴为室内距离室外的距离, 单位为米, 纵轴为衰减值, 单位为dB, 图中不同颜色的曲线为不同楼层随距离变化的衰减值。可以看出随着楼层数增大, 离室外同等距离的损耗值降低。假设高层住宅的建筑面积为1 000m2, 则其长宽约为35m, 从图中可以看出, 在地面一层, 距离室外18m的接收点, 其损耗值为20dB, 这与一般情况下密集市区建筑物穿透损耗的经验值基本相吻合。这也从一定程度上验证了该模型的准确性。
4.2 中层住宅模型
根据中层住宅的室外-室内传播模型参数, 我们可以得到中层住宅不同楼层距离室外不同距离的衰减图, 如图6所示。图中, 横轴为室内距离室外的距离, 单位为米, 纵轴为衰减值, 单位为dB, 图中不同颜色的曲线为不同楼层随距离变化的衰减值。可以看出随着楼层数增大, 离室外同等距离的损耗值降低。假设中层住宅的建筑面积为700m2, 则其长宽约为25m, 从图中可以看出, 在地面一层, 距离室外13m的接收点, 其损耗值为15dB, 这与一般情况下普通市区建筑物穿透损耗的经验值基本相吻合。这也从一定程度上验证了该模型的准确性。
通过对“高层住宅”及“中层住宅”的模型调校结果进行分析, 可以分别得到两种类型建筑物各楼层的损耗值图表。根据损耗值图表, 可以得到各类型建筑物在不同楼层、距室外不同距离的损耗值, 从而根据室外信号强度, 可以判断出室内环境的覆盖情况。结合室内环境的覆盖情况, 运营商可以对现有网络进行优化并有针对性地展开下一步规划工作, 实现对各建筑物室内的良好覆盖, 提高网络性能。
5 结论及后续分析
本文中我们创新性地提出室外-室内传播模型, 并通过典型建筑物的测试对模型进行调校验证。通过对模型调校结果的分析表明, 室外-室内传播模型基本能够反映出室外信号在室内环境的传播特性, 能够清楚地通过室外基站信号的覆盖状况判断各建筑物室内的覆盖情况, 从而预测室内环境的覆盖效果, 指导下一步的网络优化及规划工作。
今后研究工作可以在以上工作的基础上进一步展开, 在测试中考虑更多因素的影响, 比如采用多种频率测试, 研究频率对室外-室内传播模型的影响, 同时也可以测试不同楼宇类型的影响, 研究玻璃幕墙和瓷砖外墙建筑对电波传播特性的差异影响等等, 进一步细化室内传播模型, 更精确地对室外信号在室内环境的传播特性进行预测, 从而协助运营商根据需求调整网络, 提高网络性能, 进一步指导网络的规划及优化工作。
摘要：文章创新性地提出室外信号覆盖室内环境的传播模型, 并通过实地测试进行了调校和验证, 证实了模型的有效性和准确性。通过该模型的建立, 能够有效地预测室外基站信号对建筑物室内环境的覆盖效果, 从而指导无线网络的规划及优化工作, 对规划设计单位提高规划水平与效率, 对运营商节省建网和优化成本均具有现实的指导意义。
关键词：室外信号,室内环境,传播模型
参考文献
[1]杨大成等编著.移动传播环境理论基础·分析方法和建模技术.机械工业出版社, 2003
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[4]杨大成等编著.cdma2000技术。北京邮电大学出版社, 2001
信号传播 篇2
摘要：广播电视的传播过程中会涉及信号管理、采集、传输、处理、强弱电驱动等流程，只有保证广播电视信号传播中的抗干扰能力，才能保证广播电视网络的正常运行。近年来，我国投入了大量的资金用以维持广播电视的运行，但是在具体的信号传播过程中仍然存在大量的问题。本文根据我国广播电视的传播现状以及笔者多年的工作经验，对广播电视信号传播中的抗干扰技术进行了研究，以便为同行提供借鉴。
关键词：广播电视;卫星信号传播;干扰因素;抗干扰技术
广播电视的信号传播会受到很多因素的干扰，所以想要完全去除这些干扰因素是比较困难的。除此之外，大多数广播电视信号都需要卫星传输，就导致很多的干扰无法得到很好的解决。因此，对广播电视信号传播过程中的干扰因素进行分析，并采取一定的手段以维护广播电视的正常运行，显得尤为必要。
一、广播电视信号传播中的干扰因素分析
我们把广播电视信号传播中的干扰因素具体分成以下几类：自然条件的干扰、故障设备的干扰、电磁干扰、邻星干扰以及人为干扰等。
(一)自然与人为的干扰
1.自然干扰。自然对电视广播信号的干扰中，最为突出的就是日凌和雨雪衰的干扰。一方面，对于日凌的干扰，我们一般很难以有行之有效的方式去避免，常见的都是卫星公司提前将日凌的时间通知到各地，然后采取一定的措施。通常我们可以采取改变地球站天线口径的大小，来增加接收信息的敏感程度，以达到缩短干扰时间的目的。另一方面，由雨雪衰引起的接收信号的恶化是一个长时间的渐变过程，所以对于雨雪衰来说，我们一般从上下行链路进行改善，一般可以对上行链路的雨衰损耗进行补偿，下行链路的雨衰备余量准备充足，最大限度降低雨雪衰带来的损失。2.人为干扰。在日常的`广播电视传播中，人为干扰主要包括人为失误、同极或反极化以及恶意等干扰类型。其中，人为失误是可以避免的，只要我们建立一个严格的关机制度以及故障处理预案，同时加强智能化的运作，就可以最大限度避免由人为失误造成的信号干扰。对于同极化干扰，我们常常使用卫星公司来对用户的超频范围以及超功率使用进行监视以及控制，尽可能减少信号干扰。对于反极化干扰，我们常常会在天星上行之前就要求用户进行极化的调整。最后，对于恶意干扰而言，我们可对卫星的转发器采取降低增益档的手段，还可以加大上行功率使非法信号得到压制。除此之外，我们还可以不断加强对抗干扰的新型卫星的研究，以最大限度从源头降低恶意干扰情况的发生。
(二)其他的干扰
1.故障设备的干扰。故障设备的干扰，主要有地面设备故障所引起的干扰和卫星故障所引起的干扰两种类型。由地面设备故障带来的干扰，可以通过卫星公司对干扰源进行排查以及确定，或者保证相应系统和传输过程的电磁屏蔽效果来降低干扰对广播电视传播造成的影响。对于卫星故障所引起的干扰，我们可以及时地进行备份设备的切换，如果情况较为严重，则可以进行转星和转发器的更换。2.电磁干扰。一般来说，电磁干扰主要有雷达信号以及微波中继信号的干扰。所以，我们解决电磁干扰时，可以通过电磁进行频率的协调或是进行电磁的屏蔽。3.邻近卫星的干扰。由于科技的日益发达，越来越多的卫星投入了使用。临近卫星的干扰，主要包括上行与下行两方面的干扰。如果是临近卫星的上行干扰，我们可以让卫星公司与运营商进行协调来解决;如果是下行，则要借助地球站来调整天线的指向或者降低相邻卫星的上行功率。
二、广播电视信号传播中抗干扰技术研究
(一)空间隔离抗干扰技术
空间隔离抗干扰技术相对来说包含的种类较多，其中，突出的就是上行通过固足赋形波束来接收，对于那些有可能产生干扰的地区不需要进行覆盖，而对于不会产生干扰的地区需要进行上行站地区的覆盖。
(二)信号压制抗干扰技术
信号压制技术主要涉及三个方面：高强度上行信号、低增益转发器、MCPC上行信号。首先，可以使用高强度的上行信号增强转发器输入的信干比，降低非法信号的干扰。其次，可以将转发器放置在增益档，采用转发器增益档的变化范围及其最小值来增强信号的抗干扰能力。最后，采用MCPC上行信号，这时候要注意尽量减少单路单载波信号的使用，以防止转发器长期处于输入补偿的状态，降低用户射频信号功率强度。同时，可采取多路单载波信号，尽可能地增强用户射频信号功率。
(三)隔离抗干扰技术
隔离抗干扰技术，主要包括频率隔离抗干扰技术和信号处理隔离抗干扰技术。其中，频率隔离技术，是指当上行信号受到干扰时转发器对信号传播频率进行改变来避免非法信号造成的干扰，或者通过地面上行站进行信号发射频率的改变，使得转发器可以对信号进行正确的接收与转发。信号处理隔离抗干扰技术是对传播信号进行加密或者对信号进行转发，用户需要对传播的信号进行相应的操作才能得到需要的广播电视信号。
三、结语
由于卫星信号的传播距离远、覆盖面积广、传播质量好，广播电视传播中大多采用卫星来进行中转的无线传播。但是，微型信号的传播中也存在很多的问题。比如容易因雨衰以及日凌等天气条件造成运输终止，因故障设备的干扰、电磁干扰、邻星干扰以及人为干扰造成运输质量较低，以及由卫星信道干扰造成广播信号传递受损。所以，确保广播电视卫星信号传输的安全性十分重要，为此，我国也通过信号压制抗干扰技术、隔离抗干扰技术以及空间隔离抗干扰技术进行相应的调整、整治。
参考文献：
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[4]武玉琴.我国“户户通”保障机制构建策略的研究[D].暨南大学，：35-36.
信号传播 篇3
GIS在制造和装配过程中,由于工艺等问题会使其内部留下一些小的缺陷,如固定突起、绝缘气隙、自由金属微粒等,这些微小的缺陷在GIS运行过程中会发生局部放电(以下简称局放),逐步发展成危险的放电通道,并最终造成绝缘击穿事故[1]。因此,对GIS进行局放检测,发现设备早期的绝缘缺陷是预防事故的发生,保障系统安全稳定运行的重要手段。
GIS内发生局放时,伴随有一个很陡的电流脉冲(纳秒级),并在GIS腔体内激励频率高达数GHz的电磁波[2]。超高频UHF法检测GIS中局放时产生的超高频电磁波信号,有效地避开了现场的电晕等干扰,具有较强的抗干扰能力,且灵敏度高,可实现局放源定位和故障类型判别,因此,UHF法适于现场在线监测并得到了广泛的关注[3,4,5,6,7]。
UHF法是通过检测UHF电磁波信号来监测局放的,因而,研究GIS中UHF电磁波的特性对于UHF法的应用至关重要。本文采用FDTD法对GIS中局放电磁波的传播特性进行仿真分析,重点研究了电磁波在GIS各个不连续部件中传播的信号变化特性。
1 GIS中电磁波特性
根据GIS的结构,可将GIS近似为2根同轴导体构成的波导系统,如图1所示。内导体为母线,其外半径为a。外导体为外壳,其内半径为b,电位为零。两导体间充有SF6气体。
局部放电在GIS中激励的电磁波中不仅存在横电磁波(TEM),还有高次模式分量,即TE和TM波。TEM波为非色散波,可以以任何频率在同轴波导中传播。TE和TM波是色散波,各自存在截止频率,只有当电磁波频率高于其截止频率时才能在同轴波导中传播。
同轴波导中传播的各种波型的电磁场E和H满足下列齐次矢量亥姆霍兹方程:
式中,▽t为横向拉普拉斯算子;为截止波数;γ=α+jβ为传播常数,其中α为衰减常数,β为相移常数;为电磁波的波数。
TEM模(Ez=0,Hz=0)是同轴波导中的主模,TEM模的场在同轴波导横截面上的分布与二维静态场相同,电磁场满足下列拉普拉斯方程:
当边界条件r=a,电势Φ=u0;r=b时,电势=0。则沿z方向传播的电磁场量为:
式中,ω为信号角频率;为波阻抗。
同轴波导的高次摸的分析方法与圆形金属波导相似,TM模(Hz=0,Ez≠0)磁场只有横向分量,此时Ez为:
式中,Jm(kcr)、Nm(kcr)为第一、二类贝塞尔函数。
根据边界条件r=a和r=b时,Ez=0可得:
TE模(Ez=0,Hz≠0)电场只有横向分量,此时Hz为:
根据边界条件r=a和r=b时,Ez=0可得:
式(5)、(7)为TM和TE模的本征值方程,可用于确定截止波数kc(本征值)。当各高次模波的频率足够高时,k>kc,则β为实数,行波因子为e-jβz,电磁波沿Z轴传播。当频率较低时,k
式中,kcmn为各高次模波对应的截止波数,与波导的尺寸有关。
2 GIS中电磁波的传播特性
电磁波信号传播有时延特性,这有利于对GIS中局放源进行定位检测。且由于GIS中各种不连续部件(绝缘子、L分支、T分支等)对信号的折、反射等作用使得信号产生谐振特性,信号的振荡时间增加有利于对局放信号的检测。但谐振特性使得信号波形变化加剧,信号的传播特性更加复杂。
2.1 局部放电脉冲
理论和实践表明,局放脉冲可以用双指数衰减模型来表示[8]。
式中,A为信号幅值,τ为时间衰减常数。
设脉冲电流幅值为10mA,τ=1ns,放电通道长度为10mm,沿GIS腔体径向分布。脉冲电流波形如图2所示。
2.2 绝缘子
采用FDTD计算程序对GIS中局放源激励的电磁波特性进行仿真分析,建立仿真模型结构如图3所示,其内导体外径为a=5cm,外壳内径为b=25cm,外径为27cm,导体材料都为铝。腔体总长为L=4m,两侧设为吸收边界,中间加有3个圆形支撑绝缘子。为计算方便,采用2个平板绝缘子模型,绝缘子厚度均为5cm,外径为32cm,相对介电常数εr=6。探针1～3安装在中间的绝缘子前后以及外表面上。仿真结果如图4、5所示。
由图4可知,GIS中绝缘子前(探针1)电磁波信号幅值为0.212V/m,经过绝缘子后(探针2)的信号幅值为0.116V/m,信号衰减5.2dB;由绝缘子泄露的电磁波信号幅值为0.034V/m,信号衰减15.9dB。
图5表明,GIS中电磁波信号经过绝缘子后700MHz以下的分量衰减较小,700MHz以上其衰减有随频率升高而增大的趋势。而由绝缘子泄露出去的电磁波信号1.1GHz以下的分量很小,其衰减约40dB左右,即绝缘子泄露的电磁波信号存在截止频率,相当于高通滤波器的作用。另外,由于绝缘子的反射作用,在某些频率点上电磁波会发生谐振,如图5中的430MHz、1400MHz等处。
2.3 L型分支
建立L型分支模型如图6所示。GIS模型左边和上边分支长均为1m,两支路中加有绝缘子,右边加金属盖板。探针1、2安装在两个分支中。仿真结果如图7、8所示。
图7、8表明,电磁波信号经过L型分支,信号幅值由0.364V/m变为0.117V/m,信号衰减9.86dB,衰减比经过绝缘子更为严重。且由于L型分支右侧金属盖板的强反射效应,在550MHz以下分量谐振频率分量增多。
2.4 T型分支
建立T型分支模型如图9所示,GIS模型3个分支长均为1m,3个支路中间均加有绝缘子,探针1、2、3安装在3个分支中。仿真结果如图10、11所示。
图10、11表明,电磁波信号(探针1)信号幅值为0.412V/m,经过T型分支直线路径后(探针2)信号幅值为0.196V/m,信号衰减6.45dB;经过垂直路径后(探针3)信号幅值为0.09V/m,信号衰减13.2dB;信号经过垂直路径的衰减比经直线路径的衰减更为严重。
3 结束语
(1)GIS内部的电磁波信号经过绝缘子时低频分量衰减较小,高频分量衰减较大。而由绝缘子泄露到GIS外面的电磁波信号存在截止频率,相当于高通滤波器的作用。
(2)电磁波信号经过L型分支的衰减比经过绝缘子更严重。但由于L型分支右侧金属盖板的强反射效应,信号的低频分量中谐振频率分量增多。
(3)电磁波信号经过T型分支垂直路径的衰减比直线路径的衰减更严重。
参考文献
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信号传播 篇4
关键词：声发射,圆锥,波导杆,放大信号
0引言
声发射 (AE) 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象, 也称为弹性波发射。声发射检测是无损检测和评估中的一种重要方法, 具有动态评估和实时诊断性。目前广泛应用于航空航天、石油化工、材料实验、交通运输等工业[1]。对于传感器不能直接安放在被检测对象上的情况, 需要用导波杆进行辅助检测[2,3,4]。在美国, 检测人员已将波导杆用于原子能压力容器在线监测和可靠性评价, 得到良好的效果。大庆石油学院李善春博士通过研究不同长度和不同截面积的导波杆, 得出杆长度和面积对声发射信号的影响, 将其用于石油管道和水管泄漏检测[5]。本文在以上研究的基础上, 通过理论分析和实验相结合方法, 设计出一种能放大信号的波导杆, 使波导杆的应用范围更广泛。
1弹性波经过杆截面突变的传播
当声发射弹性波沿金属杆传播时, 在杆截面面积发生突变处, 会发生波的透射和反射作用。设声发射弹性波从大截面杆传播到小截面杆, 其位移投射系数[6]为:
式中:S1为杆大截面面积;S2为杆小截面面积;uI为入射波位移;uT为透射波位移。令α=S2/S1, 则M=2/ (1+α) 。由上式可知, 当S2一定时, 增加S1则位移透射系数M增加。但当S2/S1→0时, uT/uI→2, 所以弹性波每经过一个截面积间断杆时, 单级放大倍数的极限为2。圆锥形杆可以近似看做由一系列面积发生强间断的阶梯杆所组成。弹性波在其传播也会增加位移透射系数[7]。
声发射弹性波经过变截面杆透射后位移增大, 质点间的振幅增加, 所以质点间弹力增加, 利用压电传感器把力信号转换为电信号原理[8], 其电信号也增加, 起到放大声发射信号的效果。
2实验方案与步骤
为了研究不同结构形状的导波杆对声发射信号的放大情况, 采集经过不同结构的导波杆信号, 利用能量、最大振幅二个参数研究其放大规律。所以设计了一系列不同结构的杆来研究其放大规律。如图1所示, (a) 为阶梯形杆, (b) 为圆锥形杆, 尺寸见表1。
采集系统:声华科技公司SR150声发射传感器, 自带前置放大器 (放大倍数为40 dB) ;成都中科动态仪器公司PCI4721数据采集卡;上位机PC。
试验步骤如下:
(1) 利用0.5 mm HB铅笔芯折断作为声源进行传感器标定。
(2) 把传感器1放在铁板 (500 mm×500 mm×4 mm) 表面, 传感器2安放在导波杆上面, 且布置在同一圆周上 (圆周半径R=200 mm) , 传感器与铁板及杆之间使用凡士林耦合。在两传感器分布圆圆心处断铅, 采集信号, 每组杆采集20次断铅信号。
(3) 换不同的杆重复步骤 (2) , 记传感器同时在导波杆1和铁板采集信号为第一组, 传感器同时在导波杆2和铁板采集信号为第二组, 依次类推至第七组。
3结果与分析
采集到的信号经过小波去噪处理后[9,10], 处理结果见表2 (比值为传感器安放在导波杆的信号与安放铁板信号之比) 。
由第一组和第二组数据分析, 对面积比α=0.46阶梯杆1和面积比α=0.65阶梯杆2, 随着面积比α的增加, 最大振幅比和能量比都减小, 符合位移透射系数M=2/ (1+α) 随α增加而减小的性质。对圆锥杆3～6, 其大小端面积相同, α为定值, 由第三组至第六组数据可知, 随着锥度的减小, 其最大振幅比和能量比都减小。其原因在于这里的假设是完全弹性体, 没有能量的损失, 而实际金属介质并非完全弹性体, 除了弹性外还有粘性和塑形, 内部还有少量杂质和缺陷, 这些都会引起能量的损耗。设单位体积的能量损耗一定, 对圆锥杆而言, 锥度愈小, 其体积愈大, 波在其传播时, 损耗也愈大。这就解释了相同面积比, 不同锥度的圆锥杆对信号的放大情况不同。从第一、三、四组数据可以看出, 相同面积比的阶梯杆1和圆锥杆3, 4, 圆锥杆的最大振幅比和能量比都比阶梯杆1的大些。比较第三组和第七组数据, 杆3和杆7为相同的高度和小端面积, 但杆3的大端面积比杆7大, 其最大振幅和能量比也比杆7大。
4结论
(1) 位移透射系数M=2/ (1+α) 只对完全弹性体适合, 实际应用中, M除了与α有关外, 还与杆的具体结构和杆的物理性质等有关, 需要实验去修正M。
(2) 阶梯形杆的放大比与其面积比有关, 固定小端面积, 当大端面积增加时, 放大比增加, 但并非线性关系。
(3) 当圆锥形波导杆的大小端面面积一定时, 锥度越大, 能量、最大振幅值越大, 反之越小。
(4) 当圆锥形杆的高度和小端面积固定时, 大端面积越大, 放大倍数也越大。
由此可知, 圆锥形波导杆在声发射检测中, 可以起到导波与放大信号作用, 使得波形更清晰, 有利于准确检测, 提高分析精度, 使导波杆应用更广泛。
参考文献
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[5]李伟, 郭福平.波导杆中声发射源传播特性实验研究[J].化工机械, 2007, 34 (4) :179-183.
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[8]田裕鹏, 姚恩涛, 李开宁.传感器原理[M].北京:科学出版社, 2005.
[9]毛汉领, 黄振峰.转轮叶片裂纹声发射信号的特征提取与其运输[J].广西大学学报:自然科学版, 2008, 33 (3) :243-246.
信号传播 篇5
1 特高频检测技术概述
目前用于局部放电源检测定位的方法有很多种, 包括超声波法、紫外成像法、脉冲电流法、特高频法、红外检测法等方法。作为局部放电源检测技术的一种, 特高频检测技术是通过检测局部放电发出的电磁波信号来进行局部放电定位的。与其他检测技术相比, 特高频检测技术具有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度, 且对所有的放电类型都比较敏感。因此特高频检测技术的应用范围非常广泛, 涉及了局部放电研究的诸多领域。
局部放电特高频定位技术是指通过获得局部放电发出的500~3000MHz的特高频电磁脉冲信号来定位局部放电的位置。当局部放电在很小的范围发生时, 由于气体击穿过程很快, 所以每一次局部放电都伴随一个非常陡的脉冲电流, 并且脉冲电流会向周围辐射出特高频电磁波。因为电气设备的绝缘结构均为非铁磁材料, 绝缘性能比较好, 可以透射超高频电磁波信号, 所以当局部放电发生后可以通过绝缘结构向外辐射很高频率的电磁波。这些电磁波中的特高频分量非常丰富, 运用电容传感器或者微波天线就可以捕获到这些电磁波信号。在得到电磁波信号之后通过定位方法对电磁波进行分析, 对放电源进行准确定位。
目前, 局部放电特高频定位技术采用频率最高的定位方法是到达时间差定位方法。然而, 到达时间差定位法对于时间差的精确度的依赖性非常大, 而由于目前测量技术的限制, 时间差的精确度仍然存在一定的不稳定性。为了提高局部放电定位的精确度, 需要考虑一种不需要计算电磁波信号时延的方法, 尽量减少时延对局部放电定位的影响。
2 局部放电辐射电磁场的分布特性
电气设备每一次局部放电都伴随一个非常陡的脉冲电流。这种脉冲电流在电气设备的内部和外部空间产生光、声、电气等一系列的物理现象和化学变化, 而电气方面的直接表现就是高电压引起了电极间电荷的移动。因此, 局部放电源的电磁场可以用电流元辐射电磁场来表示 (图1) 。
假设这个电磁场的电流为I、长度为l, 电磁场内任意一点为A, A点与磁场中心O点之间的距离为R, 夹角为θ, 则电磁场内任意点A沿φ方向的磁场强度可以描述为:
由于任意点A的磁场强度分别有R方向和θ两个分量, 因此, 可以将A点的磁场强度表示为:
3 接收天线的灵敏度系数
传感器的灵敏度关系到传感器获得的电磁波质量, 对局部放电定位的准确度有间接影响。接收天线是常见的用于局部放电电磁波检测的工具。接收天线的灵敏度系数高低关系到接收天线接收到的电磁波质量。接收天线的灵敏度系数一般用于表示接收天线的输出电压与所处电场的关系。因此, 假设接收天线的输出电压为U, 所处电场的强度为E, 磁场强度为H, 可以将接收天线的灵敏度系数描述为:
其中, G为天线增益, Z0为天线的输入阻抗, λ为电磁波波长。
由式 (12) 可以看出, 影响接收天线的灵敏度系数的因素只有电磁波的波长。在变电站的局部放电定位工作中, 由于同一个局部放电源发出的电磁波信号波长相近, 而位于同一范围内的天线阵列收到的电磁波多来自相同的局部放电源, 因此可以认为位于一定范围内的天线阵列收到的电磁波信号波长相近。将每一组天线阵列的输出电压记为U, 将该天线所处的电磁场磁场强度记为E, 则可以将输出电压与磁场强度的关系描述为:
其中, K2为天线接收电磁波信号的灵敏度系数, 是AF的倒数。
4 电磁波信号传播衰减模型
假设待检测的电气设备的局部放电源P的位置为 (x, y, z) , 任意点A的位置为 (xA, yA, zA) , 电磁元的方向为z轴方向。任意点A在电磁场中的位置表示如图2:
综合上述式子, 可以将局部放电源点P到任意点A之间的电磁场强度描述为:
其中, K为常量。
假设, 在变电站的一定检测范围内放置4个接收天线, 记为S1、S2、S3、S4, 以S1为参考天线, 利用式19) 求解出S1、S2、S3、S4的输出电压, 并求出S2、S3、S4与S1之间的输出电压比值, 得出方程组:
由于天线阵列的输出电压可以表述U=K2|E|, 综合上述的分析情况可以得到:
由以上分析可知, 当在变电站一定空间内放置i个接收天线时, 可以利用式21) 类似于方程组20) 的非线性方程组。通过求解该方程组就可以得到接收天线组所在范围内的放电源的物理坐标 (x, y, z) 。
5 结语
为了减少局部放电对变电站内的电气设备造成的不良影响, 要对局部放电进行定位, 及时排除局部放电带来的安全隐患。特高频检测技术是目前局部放电源定位方法中最有效的一种。局部放电特高频定位技术需要采用相关定位方法来对感应器捕获的电磁波信号进行分析和计算。特高频检测技术的常见采用方法是时间差定位法。但是由于时间差计算法对于时间差的精确度的依赖性非常大, 一旦时间差的精确度出现问题, 整个局部放电定位结果的精确度就会大幅度下降。为了降低局部放电定位的难度, 本文通过分析局部放电辐射电磁场的传播特性, 以及接收电磁波的传感器的相关因素, 建立起一个信号传播衰减模型, 基于该数学模型来获得变电站内电气设备局部放电的位置。
然而, 从上述分析, 我们也可以看出, 这个数学模型也是由非线性方程组组成的, 计算过程比较复杂。为了提高变电站局部放电定位的准确度, 提高定位计算的简易性, 我们要不断加强理论研究, 增加实践经验, 不断提高局部放电定位的研究水平。
参考文献
[1]侯慧娟, 盛戈嗥, 孙岳, 孙旭日, 崔荣花, 江秀臣.基于电磁波信号传播衰减模型的变电站局部放电定位方法[J].电工技术学报, 2014.
[2]彭超, 阮江军, 黄道春, 雷清泉, 周瑜.基于特高频谱图统计参量的局部放电定位方法研究[J].电机与控制学报, 2014.