电磁信号（精选8篇）
电磁信号 篇1
1 战场通信信号电磁环境概述
战场通信信号电磁环境是指作战双方在特定的兴趣区域内, 使用各自通信及通信对抗系统构成的信号特性和信号密度的总和。它反映了战场区域通信信号电磁频谱的密集程度, 可以从以下4个方面来描述。
1.1 信号样式
随着电子技术的发展, 战场上交战双方从反侦察、抗干扰、抗摧毁角度出发, 越来越多地使用各种新体制通信及对抗设备, 并且在新体制电子设备上越来越多地采用更为复杂的信号样式。据不完全统计, 目前世界上有100种以上的通信信号频段。表1列举了常规的通信信号样式。
1.2 信号分布特征
信号分布包括信号在空域、时域、频域上的分布。信号在空域上的分布, 与作战双方在作战地域投入兵力的部署、每次作战的指导思想和作战意图有密切关系, 不易进行准确描述。
信号在时域上的分布动态性很强, 信号暴露时间短。近年来, 随着电子技术, 特别是计算机技术、数字信号处理技术的发展, 通信设备的性能明显改善, 工作效率显著提高。在通信电台上长时间发送冗长作战文件的情况越来越少, 代之以传送简短的语言和经过压缩处理的数字信息, 传送速率可达数千波特, 能够在几十秒甚至几秒内传递一段有完整意义的图文信息或语言信息。战场上发信设备一般不会长时间工作, 而是频繁的开关机。并且每次开机, 发射电波持续时间都很短, 信号暴露时间比较短暂。另外, 战场通信信号电磁环境的复杂性很大程度上取决于参战各方通信设备的工作状态、工作性质、工作设备的数量、工作性能等, 也会受天气、地形等条件的影响, 并且随着战争、战役、战斗阶段的发展, 通信设备的运用方式和程度也有一定变化, 电磁环境的稳定性也不断变化。可见, 战场电磁环境的变化极为复杂, 动态性很强。
1.3 信号强度
信号强度与辐射电台的功率、天线增益、传输距离、传输损耗等有关。在不同作战区域, 投入的兵力不同、作战方式不同、作战态势不同, 战场电磁环境信号强度的变化规律就不同, 无法准确地进行描述, 只能笼统地说, 战场电磁环境内各信号的强度是不同的, 变化的。
1.4 信号密度
信号密度在不同的作战地域、不同的作战方式、不同的兵力投入下, 投入的网台数量就不同。例如在一次小规模渡海登陆作战中, 战役前通联准备、航渡、海上对抗、抢滩登陆作战这几个阶段根据任务的需要投入的网台数量是不同的, 如图1所示。
2 通信信号电磁环境分析与仿真
2.1 频谱占用度分析
战场通信信号电磁环境反映的是通信信号电磁频谱的密集程度, 具体到某一时刻是指电磁空间通信信号占用的信道数量。对区域通信信号电磁环境分析需要考虑实际战场有多少网台, 这些网台的通联活动规律。虽然我们不可能精确知道战争中任意一个通信网台的工作起止时间, 即无法精确知道任一时刻通信信道频谱占用情况, 但是可以根据概率理论, 通过对军事电台通信规律和电台工作时间在时间轴上的概率分布进行分析, 推算出在任意时刻通信信号可能占用信道的平均值。
表2列举了战场通信信号电磁环境仿真计算的几项要素。
从表2可以计算出在工作频率范围上频谱占用度为:
其中:X为频谱占用度。
2.2 软件工作流程
对战场通信信号电磁环境的仿真分析应该既能准确反映出战场通信信号信道占用密集程度, 又能直观地体现出战场通信信号的复杂性和不可确定性。因此仿真软件应能够在时域-频域平面上模拟出战场通信网台工作情况, 并由模拟出的战场通信信号网台频道占用情况, 计算出信道占用度、频段占用度等数值。软件流程图如图2所示。
2.3 软件仿真设计
本软件可自由设定通信网台工作频率范围、信道宽度、通话时间、通话间隔时间、战场网台数量等参数。
本软件的编写, 主要从时间、频率二维空间上构建软件模型。以信息流的方式来表现战场通信信号电磁环境情况。在整个时-频二维空间上, 信息流可以表示为所有通信信道信号的总和, 如公式2。
其中, li (fi) 为某一固定频率信道信号。fi为仿真频段范围内的某一信道, 它是和网台数量N、信道带宽W等参数有关的一个随机函数。战场上任意网台所用频道的选择与其作战使命、战场形势等因素有关, 具有一定的随机性, 因此, 它所用信道的分布应该服从随机分布规律。在软件的编写过程中, 可以考虑用RUN () 函数在整个仿真频段上来模拟产生战场通信网台。
而对每个信道, 在整个分析时间段上的通信信号分布情况则是通信通话时间、通话间隔时间等参数的一个函数:
式中, fi为某一固定频道;T为通信间隔时间参数;t为通信持续时间参数, 这两个参数可根据分析战场通信网台的使用情况确定。固定值显然不符合实际战场环境通信电台使用规律, 所以在这里引进了一个参数p, 我们称之为时间设置随机度。这个参数表示某一战场通信网台的使用在时间上分布的随机程度, 用来设定通信网台通话时间或通话间隔时间的分布规律。通过对p的设定, 可以更灵活地模拟仿真在多种复杂战场通信网台使用情况下的通信电磁环境。
这样, 通过对某一固定信道在时间上使用规律的定义和整个仿真频段上各个信道分布规律的定义, 我们就构建了整个时-频二维空间上的战场通信信号电磁环境的仿真模型。图3所示为软件算法过程。
2.4 仿真实例
设定战场通信网台及监测频段参数图4所示。
通过软件仿真计算, 生成各通信网台的工作瀑布图文件, 如图5所示。横轴为频率轴, 范围是20～30 m, 纵轴为时间轴, 范围是1～45 min。该瀑布图仿真了指定频段和时间段内的战场通信网台的活动情况。该软件运用公式1的算法可进一步计算出战场通信信号的频谱占用度, 从而可以考查战场通信信号电磁环境的复杂程度。
3 结束语
该软件充分利用了计算机运算准确、快速的优点, 灵活地运用VC编程语言的随机函数, 模拟出战场网台分布和战场通信网台工作时间的随机性和不可定性。经过试验检验, 该仿真软件能够较好的模拟战场通信信号的活动情况, 能够较快计算出战场通信信号的频谱占用度。这个仿真软件可操作性强、适用范围广, 可在一定程度上灵活实现对各种战场通信信号电磁环境仿真分析。
参考文献
[1]王汝群.战场电磁环境[M].北京:解放军出版社, 2006.
[2]孙国至, 刘尚合, 陈京平, 等.战场电磁环境效应对信息化战争的影响[J].军事运筹与系统工程, 2004, 18 (3) :43-47.
[3]杨萃.复杂通信电磁环境构建方法初探[J].通信对抗, 2008, 29 (2) :49-52.
[4]孙国至, 喻志辉, 胡中豫, 等.短波通信电磁性质分析[J].无线电工程, 2004, 34 (3) :56-57.
电磁信号 篇2
关键词：电气化铁路 电气电缆 故障电流 信号电缆
1 概述
近年来，我国铁路设计部门和运营部门十分关注电气化铁路电力电缆故障电流对信号电缆的电磁影响问题，为确保列车能安全运行，必须保证铁路信号电缆和信号设备和控制装置之间的信息和电能的传输，在高架桥上分别沿铁路两侧预制电缆槽敷设电气化铁路电力电缆和信号电缆，并统一接地综合地线。另外，在高架路段同槽敷设综合贯通地线和信号电缆，按照最大间隔距离为1个电缆槽的距离布置。笔者结合自己实际的工作经验，对电气化铁路电力电缆故障电力对信号电缆的电磁影响进行讨论分析，难免有不足之处，还望同仁批评指正。
2 电磁影响的产生和分类
电磁影响按照电路线路和设备的干扰耦合机理可以分为两大类：①由于电气化铁路采用不对称的单相交流牵引供电方式，对附近的电路和设备造成了传导耦合影响。②机车在运行中，受到电弓离线与接触导线之间产生火花放电，对附近弱电设施造成影响。按照容性、感性和阻性耦合，对被影响对象产生的电磁影响分为两大类：①对电气设备正常工作产生的影响称为干扰影响，干扰影响计算是以工作频率的3-27次谐波电流为基础进行仿真分析的。②对可能影响人身和设备安全的称为危险影响，危险影响是在50赫兹基础上进行仿真和计算的。
2.1 静电耦合 静电耦合又可以称为容性耦合，是在接触网牵引电压产生的电场内，通过接触网之间存在的耦合电容产生对电路和设备的影响。电容耦合的干扰就是在弱电路与地之间连接了一个电流源，如果在接触网两端施加一个电压，弱电线中就会产生静电感应电压和对地分布的电容，其值与接触网导线和电路距离和架设高度有关。任何的聚集一定电荷的导体在周围空间电场的作用下，导体中的自有电子做有规则的移动，引起电荷重新分布，使导体带电。容性耦合对架空明显或者是无金属套保护的电缆会产生较大的影响。
2.2 磁影响 接触网牵引电流会产生一个交变的电磁场，并通过弱电路之间存在的互感，从而产生一个感应电动势，这个可以称为磁影响，磁影响也可以称作为感性耦合。磁影响在很多程度上会对弱电路和设施造成影响。感应电动势产生过程中，电压与弱电线长度成正比，沿弱电线长度纵向分布。感应电动势中屏蔽系数R在相位上与接触网电流恰好相反，两者可以起到抵消干扰的作用。
2.3 电位影响 电位影响又可以叫做阻性耦合。在接触网牵引电流通过钢轨回流时，使得附近的大地电位升高，接近弱电线路或者设备接地装置的电位也相应增高，容易对设备和弱电路产生影响。
3 信号电缆电磁影响分析和计算
3.1 信号电缆的电磁影响分析 在目前电气化铁路电力电缆发生接地故障时，大部分是单相接地故障，故障电流瞬间值为70-400A范围内，对信号电缆产生较大的电磁影响。地电流影响和外皮回流影响是电力电缆单相接地故障电流对信号电缆的电磁影响的主要部分，本文就选择外皮回流影响对信号电缆的电磁影响进行分析。外皮回流影响主要分为：①在电气化铁路中，电缆故障电流通过电力电缆外皮的方式，与地线回流接通。②通常情况下，电气化铁路信号电缆外皮采用双端接地的方式，因此在故障地线回流中，可能会拾得一部分电流。一般来说，感应电动势对信号电缆会造成一定程度的影响，信号电缆护套和地线回流同样会感应出电动势，两者相辅相成，并且两者所产生的电动势是信号电缆芯线所产生的感应电动势之和。贯通电缆和信号电缆的距离比电力电缆和信号电缆的距离要小的多；再加钢筋混凝土把电力电缆和信号线缆隔离，其屏蔽性在20分贝左右，使得电力电缆外皮回流对信号电缆的影响比较小，可以忽略不计。
3.2 信号电缆的电磁影响计算
①感应电动势Es。故障电流在信号电缆中产生的感应电动势为Es，其计算公式如下：
E■=■Z■l■I■S■S■S■
其中， Z■=jωM
其中Zs干扰回路与信号电缆回流之间的互阻抗；l■为第i个接近段内信号电缆与干扰回路的长度；I■为故障电流；SR、Sm、Sn分别为50赫兹下信号电缆金属护套、同沟多缆以及邻近其他金属导体的实效屏蔽系数，ω为干扰电流角频率；M的干扰回路和信号电缆的互感系数。
②互阻抗
a芯线与贯通地线之间的互阻抗。把Zs1作为信号电缆芯线与贯通地线之间的互阻抗，M为两者之间的互感系数，其计算公式如下：
M=-j■+■e■F■re■+e■F■re■10■
其中γ和η为贯通地线和信号电缆距离地面的高度；ω为干扰电流角频率，ω=2πf；σ为大地磁道率；χ为信号电缆和贯通地线之间的垂直距离。对其公式进行计算分析，可以得到信号线缆与贯通地线之间的互感系数M与距离变化的曲线，如图1所示：
由图1曲线变化可知：信号电缆和贯通地线之间的距离越小，互感系数就越大；随着两者之间的距离增加，互感系数M值就减缓。
b芯线与信号电缆外皮的互阻抗。把Zs2作为信号电缆外皮和芯线之间的互阻抗，其计算公式如下：
Zs2=jω2In■+1-j■×10■+Z■
其中Zi为钢带引起的附加阻抗，a为电缆皮的平均半径。把信号线缆（外护套直径：17.06；钢带厚度：0.20；芯线直径1.53；铜绝缘单线直径0.80；绝缘直径3.50）代入上述公式可得：当信号电缆长度为15km时，信号电缆外皮和芯线之间的互阻抗为0.77+j33.3，当信号电缆2km长时，两者之间的互阻抗为0.1026+j4.44。通常情况下，电气化铁路电力供电电流频率为50赫兹，在频率较低的情况下，电流在两者中的分流主要由两者的直流电阻决定。通过计算可以得到信号线缆外皮直流电阻为2.25Ω.km-1，贯通地线直流电阻为0.255Ω.km-1，分流系数η为0.9。
3.3 计算结果 电气化铁路信号线缆主要由各种控制其电缆和模块化操作元件的电缆组成，控制器电缆最大长度不得超过2km，模块化连接操作元件电缆最大长度不得超过15km。取信号电缆为2km和15km计算产生的感应电动势，探析信号电缆芯线受电磁的影响。实验得出贯通地线、信号电缆外皮和信号电缆芯线电流在15km信号电缆产生电动势为110.4V、238V和348.4V，可以看出信号电缆外皮在很小的电流环境下会产生较大的电动势。对2km的信号电缆进行计算，得出了同样的结果。
4 总结
在我国，为了保护电气化铁路信号电缆感应，通常会采用双端接地的方式，加上信号线缆外皮和芯线间互阻抗大于贯通地线和芯线间的互阻抗，使得流经信号线缆外皮的电流过小，这是信号电缆受电磁影响最主要的一个原因。因此为了减小电流对信号电缆的影响，应该不断的创新技术，减小其互阻抗和互感系数，使得列车能安全有序的运行，促进我国铁路事业的蓬勃发展。
参考文献：
[1]常媛媛，张晨，范季陶，李天石.电气化铁路电力电缆故障电流对信号电缆的电磁影响[J].中国铁道科学，2010，04：85-91.
[2]徐迎辉.客专牵引电流对信号电缆电磁影响研究[D].兰州交通大学，2013.
[3]王燕芩.电气化牵引回流对信号控制系统的干扰分析及防护研究[D].兰州交通大学，2012.
[4]郭剑.直流接地极对电气化铁路的电磁影响[J].高电压技术，2013，01：241-250.
低频电磁信号的频率细化技术 篇3
通常情况下,要提高频谱分辨率,常采用快速傅里叶变换的方法来分析信号的频谱。由频率分辨率公式可知,要提高频率分辨率,可采用增加采样点个数,或降低采样频率。当采样频率一定时,要提高频率分辨率就要增加采样点数,但这样会使数据量和存储空间迅速增加,增加了计算量;而后者受到采样定理的限制,降低采样频率有一定的限度,但频率细化快速傅里叶变换算法可以满足这样的要求。所谓的频率细化技术是一种一定频率范围内能提高频率分辨率的测量技术。文中通过复调制频率细化技术,对低频电磁信号进行细化。在Matlab环境下分别对低频的理论电磁信号和实际信号仿真,并与线性调频Z变换仿真结果进行比较,得到在低频电磁信号中频率细化的特点,证明该方法的有效性和可行性。
1 复调制频率细化(ZFFT)方法
1.1 复调制(ZOOMFFT)细化方法的基本原理
复调制细化方法(ZFFT)能以指定的、足够高的采样频率分析频率轴上任一窄带内信号的频谱结构,在序列变换点数相同的条件下,ZFFT可以得到较高的频率分辨率;而当频率分辨率相同时,ZFFT与常规的快速傅里叶变换相比则需要更少的变换点数。
设一个模拟信号为x(t),经过抗混滤波器、A/D转换后得到采样时间序列x(n),n=0,1,…,N-1,采样频率为fs;要细化的频带为f1～f2,细化频带的中心频率为f0;细化倍数为D;N为FFT分析的点数,其过程如下:
(1)复调制移频[1,2]。将信号频域坐标向左或向右移,将被观察频段的起点作为频域坐标的零频位置。即用因子exp(-j2πnf0/fs)乘以离散信号x(n)来实现复调制,将细化频带的中心频率移至频率轴的零频位置,得到结果
(2)通过数字低通滤波器。在重新采样的情况下,为确保不发生频谱混叠,则需要进行抗混叠滤波,滤除所需频段的信号。设D为频率细化倍数,此时fN=fs/2D为低通滤波器的截止频率。
(3)对信号进行再次采样。信号的频谱经移频和低通滤波后,所要分析信号的频带变窄,这样就能得到较低的采样频率fs0=fs/D,从而对信号进行重采样。
(4)对信号进行FFT处理[6]。对重新采样后的N点序列进行FFT处理,得到N条谱线,其频率分辨率为Δf0=fs0/N=fs/ND=Δf/D,可以看到频率分辨率提高了D倍。
(5)频谱调整。将细化后的谱线移到实际频率处,这样可以得到细化后的频谱。第(4)步得到的频谱为YN(k),最终的细化频谱为X(k)。
1.2 流程图
根据复调制细化的原理,得到复调制细化的流程图,如图2所示。
在流程图的基础上对复调制细化进行编程,得到实现程序。然后通过Matlab 对信号进行仿真,同时对仿真结果进行分析[7]。
2 复调制频率细化的Matlab实现
2.1 模拟低频电磁信号
给出一个模拟信号,针对复调制频率细化方法进行仿真模拟。设x(t)由f1=95 Hz和f2=95.5 Hz两个频率组成,振幅为A1=2和A2=1的两个正弦信号组成。
采样频率1 024 Hz,采样点数1 024,放大倍数为10。对信号x(t)进行采样,则频谱的分辨率Δf=fs/N=1 024/1 024=1 Hz,而f2-f1=0.5 Hz,因此要把这两个频率分辨开就需进行频率细化,将频谱在94～96 Hz的范围内细化D=10倍。
针对低频电磁信号细化的实际需求设计了一个低通滤波器,如图3所示。
为了在重新采样的情况下,保证频谱不发生混叠,将信号通过设计的低通滤波器,滤掉高频成分,得到要细化的频段,对其进行复调制细化,从而使细化结果更准确[2]。
2.2 对模拟信号进行复调制细化仿真
2.2.1 信号的时域图和频谱图
在Matlab中,对信号进行仿真分析,结果如图4,图5所示。
从图5中可以看出两个频率的频谱是重叠在一起的,无法区分。
2.2.2 信号重新抽样
对信号的频谱进行移频,移到零频位置对其重新抽样。
从图7中可以看到,经重新采样后,对其进行快速傅里叶变换,在零频位置已将混叠在一起的两个频率的频谱区分开,达到细化的目的。
2.2.3 将频谱恢复到原始位置
图4～图8反映了复调制频率细化的细化过程,通过仿真过程,看到了频率细化是有效、可行的。将两个混叠的频谱区分开来,而且过程非常明晰[3]。
2.3 线性调频CZT的仿真结果
对同一信号进行 线性调频Z变换,其细化结果如图9,图10所示。
如图9和图10所示,经过CZT细化后,这两个频率的频谱依然重叠在一起[6]。
2.4 仿真结果比较
2.4.1 比较结果
仿真得到的测量数据与信号的理论值进行比较,结果如表1所示。
表1所示,CZT仿真得到的实际数据与理论值的误差较大,而ZFFT所得到的误差相对较小,即ZFFT得到的结果更接近原始值。
2.4.2 计算时间比较
表2给出了两种方法计算时间的比较,随着放大倍数的增加,对ZFFT的运算时间影响不大,而线性调频Z变换算法的计算时间随放大倍数变大而增加。
2.4.3 计算量的比较
(1)复调制:
设频率分辨率Δf=fs/N。细化倍数D=Δf/Δf0,在获得Δf0的分辨率后,在复调制时,调制系数的计算则需要N次复数乘法,对重采样的N个点进行计算,移频时需要N点复数乘法,由计算公式可知,N点FFT运算量为
(2)线性调频Z变换:
采样点数为N,作谱线数M,这种方法大约需要3N点复指数运算和2N+M+1.5(N+M-1)log2(N+M-1)点复数乘法[1]。
3 实际低频电磁信号的Matlab仿真
这里录制了一个声音信号,对其进行复调制频率细化,仿真结果如下图所示。
通过这样一个实际低频电磁信号的仿真结果,可以清晰地看到,为得到某一频段的精细结构,通过复调制频率细化可以实现,说明复调制细化在低频电磁信号中实现频谱的细化是可行、有效的。复调制频率细化对低频电磁信号的研究意义重大[9]。
4 复调制频率细化方法的特点
通过大量的仿真结果,从多方面进行比较,得到低频电磁信号中复调制细化算法的特点:
(1)当低频电磁信号的频谱发生严重的频谱干涉时,此时在采样点数、窗函数和采样频率不变的条件下,ZFFT则能将密集频率成分中的不同频率一次性区分出来。
(2)由ZFFT法的原理可知,其是经过复调制、低通滤波、抽取采样实现的,一般用在细化倍数较低的场合,同时适用于高频率分辨率,变换点数较少的场合以及高频率分析范围。
(3)由复调制细化方法的步骤可知,其中间结果数据多,难以实时处理,在存放中间数据时,占用了内存空间,从而限制了最大细化倍数。
(4)低通滤波器滤掉了FH后面的高频部分,且移频时fL前面的频谱移到了频域的负轴上,由此可以看出复调制细化只适合进行一窄段频率的细化,而不能进行整个频段细化。
(5)对于信号产生的栅栏效应,复调制细化不能将混叠的频谱区分开,达到细化的目的。
5 结束语
介绍了低频电磁信号的频率细化技术以及复调制细化方法的基本原理,通过复调制频率细化方法对理论的低频电磁信号进行仿真,得到了复调制频率细化方法在低频电磁信号的特点,用实际信号进行仿真验证,证明这种方法有效、可行。
参考文献
[1]胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,1997.
[2]张学智.数字信号处理[M].北京:兵器工业出版社2,006.
[3]张森,张正亮.Matlab仿真技术与实例应用教程[M].北京:机械工业出版社2,004.
[4]MASSIMO A,ANTONIO C,SALVATORE N.A PC based in-strument for harmonics and interharmonics measurement inpower supply systems[J].Measurement,2004,35(4):371-380.
[5]王祥书.大地电阻率在超低频/极低频电波传播技术中的作用[J].地震地质,20012,3(4):574-580.
[6]项春,董浩,周敏.基于频谱校正理论的全息谱研究[J].煤矿机械2,007(6):55-58.
[7]丁康,谢明,张彼德,等.基于复解析带通滤波器的复调制细化谱分析原理和方法[J].振动工程学报,2001,14(1):30-35.
[8]MASSIMO A,ANTONIO C,NUNCIO S A.Chirp-Z trans-form based synchronizer for power system measurements[C].USA:IEEE Transaction on Instrumentation and Meas-urement Technology Conference2,002:1523-1527.
气溶胶对电磁信号的影响分析 篇4
大气气溶胶是气体和重力场中具有一定稳定性的、沉降速度小的粒子的混合系统,作为大气电磁环境的重要组成部分,其在红外、可见及紫外波段严重影响电磁波的传输特性[1,2],一方面大气气溶胶粒子可以吸收电磁能量,使得电磁信号的能量衰减;另一方面,大气气溶胶粒子对电磁信号还有强的散射作用,从而改变电磁信号的传输方向。因此研究气溶胶对电磁信号的影响对提高电磁信号的传输质量具有重要的应用价值。
1 气溶胶粒子和电磁信号的相互作用
大气气溶胶和电磁信号的相互作用主要体现在以下两个方面:一是气溶胶粒子可以以同样波长再辐射已经接受的能量,这个过程称为散射;二是气溶胶粒子也可以把接收的能量转变为其它形式的能如热能,化学反应能或不同波长的辐射,这个过程称作吸收,散射和吸收对电磁信号的作用共同构成气溶胶粒子的消光作用。
1.1 气溶胶对电磁信号的散射作用
气溶胶的散射作用取决于气溶胶粒子的形状、大小、浓度、谱分布以及复折射指数等气溶胶粒子的物理参量。若定义无量纲尺度参数x=2πα/λ,α为气溶胶粒子半径,λ为入射波长,则当x<1时,其电磁特性可用Rayleigh散射处理,常见的是空气分子对短波辐射的散射;当0.1<x<50时通常用Mie理论研究其电磁特性;当x>50时,气溶胶粒子的电磁特性主要表现为折射、反射。虽然大气中气溶胶粒子的尺寸在0.001～100μm范围之间,但是对于Rayleigh区域的超细粒子,其在大气中的寿命很短,很容易因布朗运动碰而形成较大的粒子,同时,对于尺寸x>50的粒子,其在重力作用下,很快就沉降到地面,因此,大气气溶胶粒子的散射主要集中在尺寸参数为0.1<x<50的范围之内,在计算结果不是要求很高的情况下可以将此尺寸范围的气溶胶粒子等效为球形粒子,用Mie散射理论来计算体现气溶胶粒子对电磁信号散射作用的散射效率因子和不对称因子,如式(1)和式(2)[4,4,5]。
1.2 气溶胶对电磁信号的吸收作用
大气气溶胶由多种物质组成,不同成分对通信信号的衰减特性不同,主要反映在气溶胶粒子的折射率上,折射率n定义为电磁波在真空中的传播速度c与电磁波在气溶胶中的传播速度v之比,随波长稍有变化,对于非吸收性气溶胶粒子,n=c/v称为绝对折射率,此值总是大于1。对于具有吸收性的气溶胶粒子,其折射率一般为复数,表示为n=nr-ini,其中nr和和ni分别表示折射率的实部和虚部,实部主要反映气溶胶对电磁波的散射作用,虚部则主要体现气溶胶对电磁波的吸收作用。除烟雾型气溶胶之外,一般的气溶胶粒子,其折射率的虚部都很小,其对通信信号的作用主要体现在对电磁波的散射,而对于烟雾型气溶胶,其主要成分是碳,这就导致其折射率的虚部比较大,而且随波长变化比较明显,烟雾型气溶胶的主要特点是对所有波长范围之内的电磁波都有强烈的吸收。正是由于黑碳气溶胶的强吸收特性,从而导致电磁信号传输质量的降低,可用吸收效率因子来描述气溶胶粒子对电磁信号的吸收作用。气溶胶的散射和吸收作用共同导致了其对电磁信号的衰减,衰减的程度用消光效率因子来描述。
2 数值分析
相对红外和可见光波段,大气气溶胶粒子可近似认为是球形粒子,因此,本文利用Mie电磁散射理论数值计算了气溶胶粒子的吸收、散射和消光效率因子以及不对称因子随波长变化的数值结果。为使计算结果更具普遍性,我们选择具有强吸收特性的黑碳气溶胶粒子为例进行数值计算。黑碳气溶胶粒子的折射率随波长的取值如表1所示。
表1给出的是黑碳气溶胶粒子的散射、吸收和消光效率因子以及不对称因子随波长变化的数值结果。气溶胶粒子的半径为5μm,主要成分是黑碳,其折射率随波长变化,不同波长对应不同的折射率,由图1可以看出黑碳气溶胶粒子的吸收、散射等特性随波长的变化而变化,不同的波长其电磁特性不同,主要原因在于不同的波长对应不同的折射率,导致其对电磁波的作用机理不同。对消光效率因子而言,其随波长的增加而增大,反映了气溶胶对长波的衰减比较明显。图1中的不对称因子g是用来描述散射体前向散射的方向性和前向散射动量以及辐射压力效率因子等与描述粒子电磁散射特性的一个重要物理参量。其取值范围在-1到+1之间,对同方位散射,前向和后向散射相等,g=0;纯前向散射,g=1;纯后向散射,g=-1。
3 结语
对单个气溶胶粒子电磁散射特性的研究可进一步研究大量具有随机分布的聚集气溶胶粒子及气溶胶粒子层的电磁散射特性,从而掌握气溶胶的散射特性,研究其形成机理和成分,达到人为的利用其有利方面,控制、监测其不利方面的目的。特别是在电磁信号传输方面,通过研究气溶胶与电磁信号的相互作用机理,可以找到气溶胶对电磁信号吸收最小的波段,从而利用该波段的电磁信号进行信息的传递,达到提高信号的传输质量。本文利用Mie散射理论研究了单个球形黑碳气溶胶粒子的电磁特性,给出了光学因子随波长变化的数值结果。计算结果显示,对于不同的入射波,其吸收、散射和消光效率因子的差别非常大,主要是由于黑碳气溶胶粒子的折射率随波长的变化而不同,进而导致粒子对入射波的散射和吸收发生变化,影响其总的散射结果。
摘要：气溶胶作为大气电磁环境的重要组成部分,对电磁信号具有很强的吸收和散射作用,从而影响电磁信号的传输质量,本文分析了气溶胶和电磁信号的相互作用机理,利用Mie散射给出了球形气溶胶粒子的散射、吸收和消光效率因子以及不对称因子随电磁信号波长变化的数值结果,为提高电磁信号传输质量提供了理论参考。
关键词：气溶胶,电磁信号,影响分析
参考文献
[1]王莲芬,李正亮,成燕归等.气溶胶激光散射信号的特征分析[J].光散射学报,2006,18(4): 351-354.
[2]刘海隆,刘洪斌,武伟等.大气气溶胶光学特性与遥感图像光谱相关性分析[J].地球信息科学, 2005,7(3):81-86.
[4]黄朝军.目标探测中烟尘粒子对电磁信号的消光特性研究[J].环境装备工程,2008,5:12-15.
[4]麻金继,陈瑾,用Mie散射理论计算大气气溶胶光学特性[J].原子与分子物理学报,2005,22(4):
电磁信号 篇5
随着计算机技术和微电子技术的发展, 带动了我国现代铁路信号系统的快速发展。在铁路信号系统中, 采用了大量的电子元件, 区间无绝缘移频自动闭塞系统及站内计算机联锁系统为代表的现代铁路信号系统正逐渐普及。但是从抗干扰角度来说, 这些系统更加容易受到来自牵引供电系统的干扰威胁。所以, 牵引供电系统以及抗干扰系统越来越受到相关部门的重视, 对于抗干扰性的研究, 要从铁路信号系统和电力牵引系统的结构出发, 找出造成干扰的主要原因, 通过归纳分析来提出正确的抗干扰控制原则。
1 铁路信号的电磁干扰
铁路信号系统在铁路运行过程中具有调度和控制指挥的作用, 主要设备有控制设备、电源设备、信号机、道岔转辙设备和电路线等。铁路信号的技术特点具有区间闭塞性、驼峰信号和车站联锁等。区间闭塞是为了将车辆安全到达目的地而对有些正在行驶的路段进行封闭, 避免造成如追尾事件等交通问题。驼峰信号是指以物流运输的目的地为目标来掌握重要地区间的编组站, 以此进行编组和解体作业。车站联锁的目的和区间闭塞一样, 都是为了将车辆达到安全行驶的目的, 车站联锁在轨道交通和车站信号、道岔等独立信号装置间设立一种控制制约关系, 防止意外状况发生[1], 具体的联锁系统如图1所示。
在铁路信号的电磁干扰下, 铁路系统及铁路设备可能会出现性能降低的状况。而牵引供电系统则对铁路信号系统有可能产生电磁辐射性干扰信号和传导性干扰信号, 电磁辐射干扰信号的产生原因是牵引供电系统的周边设备通过牵引电流使电磁辐射产生, 传导性干扰信号是由于牵引电流的不平衡使得在通过轨道到达信号设备时产生了干扰信号。
2 牵引供电系统的特殊性
牵引供电系统不仅具有普通供电系统的特点, 比如继电保护的灵敏性和对可靠性要求高、电压等级要求高等, 还具有自身的特殊性, 主要表现在供电距离较长、供电不间断性要求高、故障发生频率高、具有不对称系统等。供电系统要求供电的距离较长, 在接触电气化铁路架时, 长度要达到数百甚至数千千米, 电压强度高达27.5 k V, 对沿路的各种设施带来很大影响[2]。牵引供电系统由于供电对象是电力机车, 所以要求不间断供电, 因此检修作业要对牵引变电进行频繁操作。牵引供电系统具有供电负荷的作用, 所以其电力机车的移动、投入和退出的发生频率更高, 且电力动车多是交-直整流型, 在正常运行时就有大量的次谐波, 含量一般大于10%。牵引供电系统是一种不对称系统, 为三相-二相式, 正常运行过程中会产生负序电流, 抑制了通讯线路的干扰, 减少了通讯线路干扰对电力系统造成的影响, 保护了检修工作的安全性能, 是一种低电平干扰源。
3 牵引供电系统中的电磁干扰
3.1 开关操作
在牵引供电系统中, 经常会出现由于开关操作不当而引起的电磁干扰现象, 类似于断路器这类高压开关的开闭操作, 会伴随着动、静触头间的电弧熄燃过程, 且在母线上会感应出数值较高的高频电压和电流脉冲。如果电流脉冲和控制系统处理的开关同频段时, 就会影响正常的铁路信号系统, 如果电流脉冲在高速运行和传递逻辑信号的电子微机系统中发生, 那么受到的影响就会更加严重。不仅如此, 开关母线上的干扰信号还会对空间辐射电磁波, 从电磁耦合的方面来干扰暂休状态的电磁二次设备。
3.2 谐波干扰
谐波对于高压电气设备有很多危害, 例如对设备损耗的增加, 会导致设备的温度升高, 负荷过重, 从而使设备的功率因素降低, 导致设备消耗过量且寿命缩短。谐波还对二次设备有着干扰, 主要是在测量仪表和继电保护方面, 常规的测量表用于测量正弦电压, 其精度要求较高, 但是谐波干扰会产生附加误差, 导致由于精度变化而不能正常工作, 比如在50Hz的正弦设计时电度表频率如果在1 000 Hz左右时就会停止转动了, 可见对精度要求是十分严格的。谐波对继电保护的装置影响还包括保护误动或拒绝误动, 但是如果大量谐波分量或者电流互感器饱和, 就会导致二次测电流波变形, 产生误差[3]。具体的牵引电流谐波百分比如表1所示:
3.3 雷击干扰
如果变电设备被雷电击中, 会导致大量的电流通过接地点进入电网中, 从而产生地电位上升。如果二次回路的接地点靠近大电流接地点, 就会对二次回路产生共模干扰, 严重的话还会造成二次设备绝缘击穿。如果雷电电流通过地网, 就会在电缆两端产生电位差, 造成信号叠加干扰, 尤其是在远动系统中的微机保护等装置, 其电压一般在5 V左右, 因此对雷击干扰十分敏感。
3.4 二次设备自身干扰
二次设备的自身干扰主要是通过电磁感应产生的, 牵引供电系统变电所产生的自动化装置大多是通过单片机系统产生的, 单片机系统的印刷电路板中的元件均为直流供电。在直流供电回路中会有很多电感线圈, 在直流回路开合操作时线圈两端会感应出不利正常工作的电压和电流, 会对印刷电路板上的元件造成一定的干扰, 进而影响到单片机系统的正常工作[4]。
4 牵引供电系统电磁降低干扰信号的对策
我国的铁路信号采用的是工频交流制供电, 接触网的额定工作电压为25 k V, 供电牵引有四种供电方式, 主要有AT、BT、同轴电力电缆和直供, 如图2所示。
在牵引供电系统降低信号前, 要先对牵引供电设备进行型号选择, 减少谐波干扰, 并对静电容进行串联, 补偿设备要安装在变电所中, 选择AT和BT的供电形式来让回路对称性提高。在牵引供电设备的工程设施选择上, 要采用直流供电, 架设一定长度的架空回流线, 在回流线和接触网线的相互作用下, 提高其对称性, 且保证很大部分的回流电会流入变电所。如果是在有轨道电路的地区, 就要防止钢轨与接地线、保护线、吸上线和横向线的电路交错或直接接触, 采取的措施应当是先与空心线圈中心点与扼流变压器中心端连接, 再选择牵引供电设备方案。
为了防止铁路信号系统电磁波干扰, 要将行车室、信号机房和回流电线的距离设置在15 m以上, 同时还要将变电所吸上线连接在站线、专用线和铁路的正线上, 并且要考虑轨道电路的传输影响, 这样在产生吸流作用时, 轨道电路的功率会大幅度降低, 从而使轨道传输的距离缩短, 防止电磁波的干扰。铁路部门还要加强系统自身的抗干扰设计, 对电磁进行兼容性设计, 最好做到在同一电磁环境中让各个设备都能正常运行而互相不受干扰, 以此达到兼容的状态。同时要认识到站内计算机的联锁系统是一种弱电系统, 特征是高速运行和传送逻辑明确, 所以将站内计算机应用到电气化铁路时, 要做好EMC (电磁兼容性) 设计, 通过良好的EMC设计, 避免系统所处环境的电磁干扰。
5 结语
总之, 铁路监管和检查部门应当采取有效措施来提高抗干扰水平, 减少牵引供电系统对铁路信号系统的电磁波干扰。将高新技术融入到铁路现场的应用, 重视电气化干扰的研究, 加大对新型、高速铁路的研究力度, 提高电子信息和控制设备的抗干扰性。面对相对复杂的环境和严格缜密的规章制度, 要将抗雷性和电磁兼容性等标准措施进行统一修订, 保证铁路交通信号的稳定性和可靠性, 加强我国铁路交通的安全性能, 不断促进我国铁路交通的发展。
摘要：文章对铁路信号系统和电力牵引供电系统进行了阐述分析, 提出了有关提高铁路信号系统干扰性和抗干扰性的方法。
关键词：供电系统,铁路信号,电磁干扰
参考文献
[1]姜贺彬.牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析[D].成都:西安交通大学, 2009.
[2]卡哈尔江·艾海提.缘于牵引供电系统的铁路信号系统电磁干扰探析[J].中国高新技术企业, 2012 (28) :19-21.
[3]卫明博.铁路牵引供电对信号系统电磁干扰抑制的施工工艺研究[J].中国高新技术企业, 2010 (6) :172-173.
电磁信号 篇6
1 传感器信号的互相关处理
由于信号和噪声是相互独立的过程,根据互相关函数的定义,信号与噪声不相关,利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关,可以达到抑制噪声的目的[1]。
设x(t)是伴有噪声的待测信号,即
其中,s(t)为有用信号,其幅度为A,角频率为ωc,初相角为φ;n(t)为噪声信号。正弦型参考信号为y(t)=B sinωc(t),则二者的互相关函数为
理论上,若T无限长,则有Rny(τ)=0,因此有
式(3)说明,Rxy(τ)正比于有用信号的幅值,若取ωcτ-φ=0,即y(t)与s(t)同相,则Rxy(τ)取最大值。
2 检测电路设计
2.1 电路结构
为了克服极化效应,传感器都采用交流激磁[2],若输入imsin(ωt+φ),则传感器在信号电极间将产生一个交变磁场,可表示为Bmsin(ωt+φ),设两电极间距离为L,且两电极连线安装与舰艇艏艉线相垂直,则感应电势e(t)=BmLv(sinωt+φ),由于噪声的影响,e(t)=BmLv(sinωt+φ)+n(t)。激磁电流幅值和频率均会有微小变动,输出也会随之线性变化,由于采用相关处理的方法,这些不会影响输出结果[3]。
将输入电流i(t)作为检测仪的参考输入信号,参考信号通道包含0~180°移相器[4]。e(t)作为输入信号。图1为检测系统框图,e(t)经过前置放大滤波,与参考信号i(t)同时经过A/D转换,数据送入DSP中先进行频谱分析,由滤波器滤除无用频段,再将参考信号与输入信号进行互相关运算,由于信号频率、相位与参考信号频率、相位均一致,得到的互相关输出噪声很低,互相关函数保留了输入信号的振幅等信息,由此可以检测出微弱的电压信号,后续处理及控制由主板来完成[5]。
2.2 前置放大滤波电路
传感器输出阻抗较高,且其值随环境条件而变化,因此前置放大电路采用了高输入阻抗的高精度仪表放大器AD524[6]。其输入阻抗高达109Ω,低噪音,线性度较好,低失调电压,低漂移且具有高共模抑制比[7]。为了方便改变放大倍数,在AD524输出端串联一块可编程增益放大器AD526,可通过主板编程进行增益的控制[8]。
滤波器采用max267构成的4阶契比雪夫带通滤波器来实现。max267是一种应用非常广泛的4阶开关电容滤波器,中心频率与Q值均可通过芯片引脚方便地选择。芯片有外部时钟的输入引脚,可精确地设定滤波器的中心频率与时钟频率的比值。其中心频率范围0.4 Hz~40 k Hz,时钟频率范围40 Hz~4MHz。max267内部有2个二阶滤波器,每个滤波器均由开关电容网络组成,性能相同,参数也相同,可以级联成4阶、6阶或8阶等更高级的滤波器使用。由于激励源采用50 Hz交流电,故滤波器中心频率f0取50 Hz,带宽BW=f2--f1=80-31.25=48.75 Hz。电路原理图如图2所示。
3 仿真分析
根据检测原理设计仿真。由于传感器激磁信号频率为50 Hz,输出信号也为50 Hz,输出感应电势大小约350μV,放大倍数为200倍。模拟仿真输入信号为x(t)=0.1sin(100πt+φ0)+0.1sin(100πt+φ0+90)+n(t V[9],其中第二项为传感器的90°干扰,n(t)为模拟的高斯噪声,均值为0 V,方差为1。设参考信号为y(t)=2sin(100πt+φ)V。设置采样频率为1 000 Hz,采样点数为N,对输入信号和参考信号进行采样,按照算法进行FFT运算,经过滤波处理后做互相关运算。调节φ的值,当φ=φ0时互相关函数取最大值,这样就得到了输入信号幅值和相位的信息。图3是模拟的含噪声波形。可以看出,信号完全被噪声淹没。图4为仿真结果。从图4可以看出,当增大采样点数时,得到的曲线更加光滑,互相关结果也更接近真值。由于参考信号与输入信号同频同相,所以不仅噪声受到抑制,且传感器的90°干扰信号也受到了抑制。
4 结语
设计了电磁传感器的检测电路,并通过仿真分析提取出了微弱信号的幅值信息。由仿真分析可以看出,即使经过互相关处理,输出波形仍然包含噪声,其幅值信息含有少量噪声信息,故仍需进一步处理,得到更高精度的输入信号信息,例如可以使用小波分析、混沌理论对信号进行预处理。
科技的迅速发展,各种学科相互交叉,提供了很多判断传感器工作状态的方法,例如利用导体在海水中的电化学性质对传感器进行检测,对电磁传感器动态特性进行建模等,这些都将是以后研究的要点。
参考文献
[1]聂春燕,石要武.基于互相关检测和混沌理论的微弱信号检测方法研究[J].仪器仪表学报,2001,22(1).
[2]徐科军.传感器动态特性的实用研究方法[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999:28-62.
[3]戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M].北京:国防工业出版社,1994.
[4]张三慧.大学物理学(第三册)电磁学[M].北京:清华大学出版社,2005.
[5]曾庆勇.微弱信号检测[M].杭州:浙江大学出版社,1994.
[6]刘红丽,李昌禧.一种测量微弱信号的锁定放大电路设计[J].武汉理工大学学报,2002,26(5):619-621.
[7]韩磊,宋诗哲.基于虚拟仪器的便携式腐蚀电化学测试装置[J].仪器仪表学报,2008,29(5).
[8]陈佳圭.微弱信号检测[M].北京:中央广播电视大学出版社,1987.
电磁信号 篇7
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
[1]Pearson,J.S,et al.Partial discharge diagnostics for gas insulated substations[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1995,2(5):893-905
[2]李信,李成榕,李亚莎,等.有限时域差分法时GIS局部放电传播的分析[J].中国电机工程学报,2005,25(17):150-155
[3]钱勇,黄成军,江秀臣,等.基于超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望.电网技术,2005,29(1):40- 43,55
[4]唐炬,魏钢,侍海军,等.气体绝缘组合电器局部放电的超高频检测[J].重庆大学学报,2004,27(4):1-5
[5]Hoshino,T.Koyama,H.Maruyama,S,et al.Comparison of sensitivity between UHF method and IEC 60270 for onsite calibration in various GIS[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(4):1948-1953
[6]Sakakibara,T.Murase,H.Haginomori,E,et al.Study of propagation phenomena of partial discharge pulses in gas insulated substation[J].IEEE Transactions on Power Delivery ,1998,13(3):768-776
[7]Hoshino,T.Kato,K.Hayakawa,N,et al.A novel technique for detecting electromagnetic wave caused by partial discharge in GIS[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2001,16(4):545-551
电磁信号 篇8
1 EM-MWD的工作原理
为成功解决早期EM-MWD的遥测深度小和可靠性差的问题, 自20世纪90年代, 扩展井底发射器的发射范围成为主流研究方向。由此产生了“发射天线延伸型”和“信号中继转发型”两种类型。
发射天线延伸型EM-MWD的工作原理是:当井下发射器到达一定的深度接近于它的发射极限时由地面通过钻柱的通道送下一长电缆, 长电缆的下端与井下发射器的发射天线对接, 使这长电缆成为延伸发射天线, 加装延伸天线后它的上端更接近地面, 从而达到减少信号衰减提高遥测深度的目的。
信号中继转发型EM-MWD的工作原理是:当井下发射器到达一定的深度接近于它的发射极限时在钻柱上加装一信号中继转发器, 在这中继转发器中有接收器和发射器, 当井底发射器发出数据信号时, 中继转发器的接收器先接收信号然后对信号进行功率放大, 放大后的信号再由发射器发出, 随着深度的增加不断加装中继转发器。从理论上讲这种传输信号的方法不受深度限制。
2 EM-MWD信号传输关键技术
2.1 井下信号发射部分
2.1.1 井下发射机功率
对于电磁随钻测量的传输来说, 若传输衰减一定, 功率越大, 最大传输深度也越大。图1是G E公司的E-L I N K电磁波无线随钻测量仪器在墨西哥湾E P C油区的CACALILAO1140H和EBANO1070H井现场所测得的地面接收信号随井深的变化情况。由图可见, 随着井深的不断增加地面接收信号的强度出现了较大幅度的衰减, 井深900米时的信号强度比井深390米时衰减了近1/4.因此, 要实现远距离的信号传输, 必须配备较大的发射功率。
但由于井下供电受到限制, 发射机只能选择用井下发电机供电或者用电池供电。尤其对于气体欠平衡钻井来说, 涡轮发电机的应用受到限制, 只能用电池供电。高温电池的价格不菲, 加上空间的限制, 电池短节不能做的太长。另外, 电池持续供电的时间不能太短, 因为时间太短影响正常的钻井过程, 在钻井的过程中更换电池的频率太高是不现实的, 不具有工程使用意义, 因此发射机的功率不能太大。
2.1.2 传输信号的频率
载波的频率越高, 最大信息传输速率也就越大, 因此要想得到较大的传输速率, 应增大载波频率;信号的载波频率越高, 传输衰减就越大, 因此要增加传输深度, 频率应尽量的低;而且, 钻柱穿过地层的电阻率越低, 信号电流衰减的就越快。电磁随钻测量在工程应用中有可能是在各种不同的地层中实施, 电阻率会有很大差异。因此, 为了增加遥测的深度, 提高遥测的可靠性, 减少传输数据的滞后性, 这就要求:传输信号的载频可根据地层电阻率的状况在一定范围内动态调整。
在钻井施工现场有很多干扰源会影响到电磁随钻测量的传输, 主要来于机电干扰和周围的工业干扰。干扰频率为50Hz, 及其倍频。为了便于信号的提取, 选择频率应远离50Hz及其倍频。
另外还有两个比较重要的因素:一是井下数据的调制方式, 调制方式直接关系到传输信号抗干扰能力的强弱。二是发送信号的电极结构, 电极结构对信号的传输距离有很大影响。
2.2 地面信号接收部分
2.2.1 接收传感器的灵敏度
接收传感器的灵敏度对整个电磁随钻遥测工具来说是一极其重要的环节, 如果钻柱在电阻率较小的地层中钻进, 钻柱中的信号电流会被严重旁路。另外, 整个钻柱体是由钻杆连接而成的, 当钻柱钻进时可能由于振动和碰撞使得钻柱螺纹连接处产生动态接触电阻。总之, 这些因素都会导致导传到地面的信号电流严重衰减, 因此为了提高信号接收的灵敏度, 接收传感器要具有以下功能: (1) 能直接接收通过钻柱传上来的信号电流; (2) 能接收由钻柱上信号电流辐射出的横电场波; (3) 能接收由钻柱上信号电流辐射出的横磁场波。
2.2.2 地面接收系统的抗干扰性及井下数据的提取
由于从井下传上的电磁信号已经相当微弱, 为了防止地面钻机和其他电器设备产生的电磁干扰, 以及井下由振动、摩擦等在信号发射器中引起的电噪声, 必须在信号的结构上采取措施, 除了在井下信号发射部分要采用一定的调制方式外, 还在地面接收系统中有相应的解调模块。井下数据的提取过程是:将传感器送来的信号放大, 接着进行带通滤波, 数据解调, 最后根据数据特征进行数字滤波。
3 结论与建议
以欠平衡钻井技术的发展为契机, 结构简单、适用性强、价格低廉的电磁波随钻测量系统将会逐步取代泥浆脉冲随钻测量系统。我们必须借鉴国外先进的地磁波随钻测量技术, 走引进、消化、吸收的产业化道路, 同时加大研发投入, 大力发展具有自主知识产权的仪器, 不断缩短与国际先进水平的差距, 这对于提升技术服务的整体水平和核心竞争力, 满足国内技术服务市场, 以至于进一步拓展国外油田技术服务市场, 都具有重大战略意义。
摘要：本文介绍了电磁波随钻测量 (EM-MWD) 技术的发展历程、EM-MWD系统的工作原理以及国内外技术现状。重点从井下发射机的功率、传输信号的频率、接收系统灵敏度及抗干扰度几个方面详细分析了EM-MWD系统信号传输的关键技术。
关键词：EM-MWD,信号传输,功率,频率
参考文献
[1]刘修善, 侯绪田, 涂玉林等.电磁随钻测量技术现状及发展趋势[J].石油钻探技术.2006, 第5期, 4-9
[2]马哲, 杨锦舟, 赵金海.无线随钻测量技术的应用现状与发展趋势[J].石油钻探技术.2007年06期