氣象觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境影響信號(hào)傳輸?shù)亩ㄐ苑治?/h1>
2014-12-22 03:08:08蘇貴嶺楊世昌廖晶晶葫蘆島市氣象局遼寧葫蘆島5000葫蘆島市連山區(qū)氣象局遼寧葫蘆島500
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年35期
蘇貴嶺，楊世昌，廖晶晶(.葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島5000;.葫蘆島市連山區(qū)氣象局，遼寧葫蘆島500)
隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展，地面氣象觀測(cè)設(shè)備尤其是多要素觀測(cè)設(shè)備的建設(shè)日益增加，維護(hù)任務(wù)越來(lái)越重。這對(duì)氣象技術(shù)保障工作人員的業(yè)務(wù)水平要求也越來(lái)越高，他們不僅要熟練掌握設(shè)備硬件維修技術(shù)，對(duì)于抽象的通信傳輸也要了解。筆者在此結(jié)合實(shí)際工作中出現(xiàn)過(guò)的通信傳輸故障，從設(shè)備運(yùn)行環(huán)境方面出發(fā)，定性談?wù)撾姶鸥蓴_對(duì)無(wú)線通信以及地環(huán)路干擾對(duì)有線通信的影響，并提出一些簡(jiǎn)單的解決方法。
1 區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸影響分析
1.1 大氣環(huán)境變化對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備無(wú)線傳輸大多采用GPRS方式。GPRS是基于GSM的無(wú)線分組交換技術(shù)。GSM系統(tǒng)工作頻段分配為GSM900MHz頻段890～915 MHz(移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收)、935～960 MHz(基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收)，DCS 1800 MHz頻段1 710～1 785 MHz(移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收)、1 805～1 880 MHz(基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收)。而通信信號(hào)的實(shí)質(zhì)是指攜帶有某種信息的電磁波。當(dāng)通信信號(hào)在空間傳播時(shí)，必將與大氣中的氣體分子相互作用［1］。就目前移動(dòng)通信中信號(hào)的頻率而言，其攜帶信息的電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于大氣中氣體分子的尺寸，通信信號(hào)與氣體分子的作用可近似為電磁波和球形粒子的相互作用［1］。充分考慮大氣環(huán)境影響因素，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和電離層產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)對(duì)GPRS傳播均有不同程度的影響，會(huì)造成衰減和起伏。同時(shí)大氣湍流的運(yùn)動(dòng)使得大氣的速度、溫度、折射率成為一種隨機(jī)場(chǎng)，它會(huì)使通信信號(hào)受到隨機(jī)的寄生調(diào)制而呈現(xiàn)出額外的大氣湍流噪聲，使接收信噪比減小;使模擬調(diào)制的大氣無(wú)線通信噪聲增大;使數(shù)字無(wú)線通信的誤碼率增加［1］。大氣湍流使信號(hào)變得不易把握，對(duì)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定通信造成很高誤碼率，使得通信質(zhì)量下降。
1.2 電磁干擾環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?電磁干擾(EMI)是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生的。結(jié)合GPRS傳輸特性，其影響方式多為輻射干擾即干擾源通過(guò)空間將其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。輻射傳輸以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周?chē)臻g發(fā)射。
1.3 環(huán)境干擾源影響通信傳輸?shù)慕鉀Q方法 在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中，存在很多影響因子干擾區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備的信號(hào)收發(fā)。事實(shí)上大氣環(huán)境的變化對(duì)GPRS通信方式的影響比較小。在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面加強(qiáng)設(shè)備物理層使其有較強(qiáng)的差錯(cuò)控制碼，對(duì)少量的非持續(xù)性錯(cuò)誤可以糾正，另一方面也在應(yīng)用層進(jìn)一步采用差錯(cuò)控制協(xié)議解決傳輸錯(cuò)誤，如重傳措施等。運(yùn)行環(huán)境中由于干擾源本身的原因以及設(shè)備濾波器帶外抑制的限制，在干擾設(shè)備的工作頻帶外會(huì)產(chǎn)生雜散、諧波、互調(diào)等無(wú)用信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度除了與干擾源本身的質(zhì)量有關(guān)以外，還與2個(gè)因素有關(guān):自身的輸出功率越大，無(wú)用信號(hào)的輸出越大;偏離工作帶寬的程度，離工作帶寬越遠(yuǎn)，無(wú)用信號(hào)越小。此外，干擾源對(duì)區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備的干擾還取決于2個(gè)設(shè)備工作頻段的間隔和收發(fā)信機(jī)空間隔離等因素。這些無(wú)用信號(hào)落到區(qū)域氣象站的工作頻帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)其形成干擾［2］。所以在建設(shè)安裝過(guò)程中，首先分析設(shè)備安裝位置附近干擾源的具體參數(shù)，遠(yuǎn)離其工作帶寬覆蓋范圍。
區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備對(duì)外來(lái)干擾的承受能力也與2個(gè)因素有關(guān):①本身信號(hào)的強(qiáng)度。信號(hào)越強(qiáng)受干擾的機(jī)會(huì)越少;②干擾信號(hào)的大小，干擾信號(hào)電平越小，信號(hào)受干擾程度越低。在處理維修過(guò)程中，首先要有效保障觀測(cè)設(shè)備自身信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定。對(duì)于附近干擾源狀況難以排查的情況，可以考慮提高濾波精度，提高濾波精度解決方法是在DTU的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)使用高精度濾波器或附加濾波器來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的濾波特性，達(dá)到系統(tǒng)間共存所需的隔離度。提高濾波精度是有效解決干擾的途徑之一，但也意味著提高通訊模塊成本，進(jìn)而提高整個(gè)區(qū)域氣象站的成本。其次是優(yōu)化天線安裝包括天線傾角、方位角、垂直和水平隔離等，通過(guò)采取一些優(yōu)化措施，提高天線間的耦合損失，降低干擾［2］。這個(gè)對(duì)于數(shù)量龐大的區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較繁雜的工作，技術(shù)要求比較高。
2 地面常規(guī)站氣象觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸影響分析
2.1 電纜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響 現(xiàn)在的地面氣象觀測(cè)站大多采用有線傳輸方式。以華云氣象儀器CAWS600－SE為例，采集器、傳感器等通信電纜在下線井中與設(shè)備電源線平行鋪設(shè)，并貫通地線。以電磁理論為依據(jù)，電纜回路的磁場(chǎng)瞬值變化對(duì)通信線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流(感生電流)。當(dāng)線路中為數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，基于數(shù)字信號(hào)的原理以及抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累特點(diǎn)，即使線路中產(chǎn)生感生電流對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。而傳感器到采集器防雷板之間信號(hào)傳輸模式為模擬信號(hào)，基于其傳輸?shù)男盘?hào)值為一連貫、自然的高低電平的波形特點(diǎn)，感生電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)其造成影響。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式E=nΔΦ/Δt(平均電勢(shì))、磁通量Φ=BS(B為勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為正對(duì)面積)，E=BLVsinA(瞬時(shí)電勢(shì))，式中，E為瞬時(shí)電勢(shì)，L為長(zhǎng)度，V為速度，sinA為V或L與磁感線的夾角［3］。當(dāng)磁場(chǎng)瞬值變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定量值的電動(dòng)勢(shì)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行干擾。尤其觀測(cè)站供電系統(tǒng)接入當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)電網(wǎng)時(shí)，農(nóng)業(yè)電電壓質(zhì)量較難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，電壓峰值差較大且變化不穩(wěn)定，造成磁通量值變化明顯。同時(shí)電源線與傳感器通信線平行鋪設(shè)，二者皆有老化現(xiàn)象并傳感器通信線在外界因素影響造成擺動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬值更明顯，容易造成信號(hào)傳輸故障。結(jié)合該地區(qū)出現(xiàn)的實(shí)例，地溫出現(xiàn)跳變情況，排查設(shè)備硬件無(wú)效后，檢查發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題，情況大有改觀。
2.2 地線造成的電磁干擾影響 地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)2個(gè)電路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗干擾(耦合)［4］。結(jié)合臺(tái)站建設(shè)情況，如果所有的傳感器設(shè)備貫通地線，信號(hào)傳輸為模擬量值的傳感器很容易受到地環(huán)路干擾，由于雷擊或附近大功率設(shè)備啟動(dòng)時(shí)造成信號(hào)失真影響;如果所有傳感器與采集器、電源系統(tǒng)貫通地線，采集器以及一些傳感器傳輸為數(shù)字信號(hào)，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問(wèn)題。如圖1中2個(gè)接地的電路。由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。如附近有大功率用電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在地線中流過(guò)很強(qiáng)的電流。這個(gè)電流會(huì)在2個(gè)設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。
在數(shù)字電路中，可能出現(xiàn)公共阻抗耦合問(wèn)題，產(chǎn)生有害噪聲信號(hào)對(duì)氣象觀測(cè)設(shè)備處理單元造成誤判斷。如圖2說(shuō)明了一種干擾現(xiàn)象。以華云氣象儀器CAWS600－SE為例，通信線傳輸為數(shù)字信號(hào)，兩端為R232串口連接，設(shè)定基站通信線與電源線共地組成一個(gè)由4個(gè)門(mén)電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門(mén)1的輸出電平由高變?yōu)榈?，這時(shí)電路中的寄生電容(門(mén)2為采集器中的電壓控制電路有濾波電容)會(huì)通過(guò)門(mén)1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會(huì)在地線上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門(mén)3的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門(mén)3的輸出端、門(mén)4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門(mén)4的噪聲門(mén)限，產(chǎn)生門(mén)限效應(yīng)，就會(huì)造成門(mén)4的誤動(dòng)作［5］。門(mén)4電路連接CAWS－QJ01通訊預(yù)處理單元，其通過(guò)RS－232C標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口與主機(jī)和采集單元通訊，中央處理器(CPU)為80C31單片機(jī)［6］。門(mén)4誤動(dòng)作會(huì)造成單片機(jī)錯(cuò)誤判斷處理數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)預(yù)處理異常。主控機(jī)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行處理，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)丟失、跳變等。
圖1 地線環(huán)路電流示意圖
圖2 公共阻抗耦合示意圖
2.3 地線電磁干擾影響通信傳輸?shù)慕鉀Q方法 地面有線的純數(shù)字傳輸，如RS232標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離近，通信速率低?？梢圆扇《喾N方式解決隨機(jī)差錯(cuò)。在相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一量值進(jìn)行多次等精度測(cè)量時(shí)，仍會(huì)有各種偶然的、無(wú)法預(yù)測(cè)的不確定因素干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其絕對(duì)值和符號(hào)均不可預(yù)知。雖然單次測(cè)量的隨機(jī)誤差沒(méi)有規(guī)律，但多次測(cè)量的總體卻服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，能在理論上消除對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)某一數(shù)據(jù)異常的觀測(cè)要素進(jìn)行多次單要素測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。結(jié)合建站實(shí)際情況，解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。
在硬件方面，首先可以在傳感器通信線兩端加載電磁干擾濾波器，但要保證濾波器成對(duì)安裝，在傳感器端與采集器防雷板端同時(shí)安裝。電磁干擾濾波器的感應(yīng)部分被設(shè)計(jì)為一個(gè)高頻截止器件，電磁干擾濾波器的其他部分使用電容來(lái)分路或分流有害的高頻噪聲，使這些有害的高頻噪聲不能到達(dá)敏感電路。這樣，電磁干擾濾波器顯著降低或衰減了所有要進(jìn)入或離開(kāi)受保護(hù)電子器件的有害噪聲信號(hào)。將通信線一端的設(shè)備浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但出于安全的考慮，往往不允許電路浮地，這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地，這樣對(duì)于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。消除公共阻抗耦合的途徑有2個(gè):①減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合;②通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線、數(shù)字電路和模擬電路共用地線。減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感，這包括使用扁平導(dǎo)體做地線、用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。通過(guò)適當(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地，如可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地［4］。
3 結(jié)束語(yǔ)
地面氣象觀測(cè)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)通信故障時(shí)，應(yīng)從多角度考慮分析。對(duì)于比較抽象的運(yùn)行環(huán)境干擾因素，大家容易忽視。針對(duì)無(wú)線傳輸?shù)母蓴_影響，積極與當(dāng)?shù)匾苿?dòng)提供商協(xié)商，減少區(qū)域站運(yùn)行環(huán)境的干擾因素。在地面氣象觀測(cè)站建設(shè)中，充分考慮到電磁干擾因素，避免通信電纜與電源電纜共地。觀測(cè)場(chǎng)周?chē)荒苡袕?qiáng)干擾源，如通信或電視廣播發(fā)射塔等，若有，必須把通信電纜線穿到帶屏蔽的PVC管中并埋在地溝中走線等。
［1］江海榮.空間環(huán)境對(duì)衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊懀跩］.邯鄲學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，13(7):83－84.
［2］侯江生，鄒哲馨，段利軍，等.淺談信號(hào)干擾對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)傳輸影響［J］.氣象研究與應(yīng)用，2014，35(1):85 －87.
［3］徐送寧.大學(xué)物理［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.
［4］何宏.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.
［5］徐新艷.數(shù)字電子技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.
［6］李黃.自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:氣象出版社，2007:15－48.
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隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展，地面氣象觀測(cè)設(shè)備尤其是多要素觀測(cè)設(shè)備的建設(shè)日益增加，維護(hù)任務(wù)越來(lái)越重。這對(duì)氣象技術(shù)保障工作人員的業(yè)務(wù)水平要求也越來(lái)越高，他們不僅要熟練掌握設(shè)備硬件維修技術(shù)，對(duì)于抽象的通信傳輸也要了解。筆者在此結(jié)合實(shí)際工作中出現(xiàn)過(guò)的通信傳輸故障，從設(shè)備運(yùn)行環(huán)境方面出發(fā)，定性談?wù)撾姶鸥蓴_對(duì)無(wú)線通信以及地環(huán)路干擾對(duì)有線通信的影響，并提出一些簡(jiǎn)單的解決方法。
1 區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸影響分析
1.1 大氣環(huán)境變化對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備無(wú)線傳輸大多采用GPRS方式。GPRS是基于GSM的無(wú)線分組交換技術(shù)。GSM系統(tǒng)工作頻段分配為GSM900MHz頻段890～915 MHz(移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收)、935～960 MHz(基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收)，DCS 1800 MHz頻段1 710～1 785 MHz(移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收)、1 805～1 880 MHz(基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收)。而通信信號(hào)的實(shí)質(zhì)是指攜帶有某種信息的電磁波。當(dāng)通信信號(hào)在空間傳播時(shí)，必將與大氣中的氣體分子相互作用［1］。就目前移動(dòng)通信中信號(hào)的頻率而言，其攜帶信息的電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于大氣中氣體分子的尺寸，通信信號(hào)與氣體分子的作用可近似為電磁波和球形粒子的相互作用［1］。充分考慮大氣環(huán)境影響因素，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和電離層產(chǎn)生的法拉第旋轉(zhuǎn)對(duì)GPRS傳播均有不同程度的影響，會(huì)造成衰減和起伏。同時(shí)大氣湍流的運(yùn)動(dòng)使得大氣的速度、溫度、折射率成為一種隨機(jī)場(chǎng)，它會(huì)使通信信號(hào)受到隨機(jī)的寄生調(diào)制而呈現(xiàn)出額外的大氣湍流噪聲，使接收信噪比減小;使模擬調(diào)制的大氣無(wú)線通信噪聲增大;使數(shù)字無(wú)線通信的誤碼率增加［1］。大氣湍流使信號(hào)變得不易把握，對(duì)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定通信造成很高誤碼率，使得通信質(zhì)量下降。
1.2 電磁干擾環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?電磁干擾(EMI)是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生的。結(jié)合GPRS傳輸特性，其影響方式多為輻射干擾即干擾源通過(guò)空間將其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。輻射傳輸以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周?chē)臻g發(fā)射。
1.3 環(huán)境干擾源影響通信傳輸?shù)慕鉀Q方法 在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中，存在很多影響因子干擾區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備的信號(hào)收發(fā)。事實(shí)上大氣環(huán)境的變化對(duì)GPRS通信方式的影響比較小。在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面加強(qiáng)設(shè)備物理層使其有較強(qiáng)的差錯(cuò)控制碼，對(duì)少量的非持續(xù)性錯(cuò)誤可以糾正，另一方面也在應(yīng)用層進(jìn)一步采用差錯(cuò)控制協(xié)議解決傳輸錯(cuò)誤，如重傳措施等。運(yùn)行環(huán)境中由于干擾源本身的原因以及設(shè)備濾波器帶外抑制的限制，在干擾設(shè)備的工作頻帶外會(huì)產(chǎn)生雜散、諧波、互調(diào)等無(wú)用信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度除了與干擾源本身的質(zhì)量有關(guān)以外，還與2個(gè)因素有關(guān):自身的輸出功率越大，無(wú)用信號(hào)的輸出越大;偏離工作帶寬的程度，離工作帶寬越遠(yuǎn)，無(wú)用信號(hào)越小。此外，干擾源對(duì)區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備的干擾還取決于2個(gè)設(shè)備工作頻段的間隔和收發(fā)信機(jī)空間隔離等因素。這些無(wú)用信號(hào)落到區(qū)域氣象站的工作頻帶內(nèi)，就會(huì)對(duì)其形成干擾［2］。所以在建設(shè)安裝過(guò)程中，首先分析設(shè)備安裝位置附近干擾源的具體參數(shù)，遠(yuǎn)離其工作帶寬覆蓋范圍。
區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備對(duì)外來(lái)干擾的承受能力也與2個(gè)因素有關(guān):①本身信號(hào)的強(qiáng)度。信號(hào)越強(qiáng)受干擾的機(jī)會(huì)越少;②干擾信號(hào)的大小，干擾信號(hào)電平越小，信號(hào)受干擾程度越低。在處理維修過(guò)程中，首先要有效保障觀測(cè)設(shè)備自身信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定。對(duì)于附近干擾源狀況難以排查的情況，可以考慮提高濾波精度，提高濾波精度解決方法是在DTU的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)使用高精度濾波器或附加濾波器來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的濾波特性，達(dá)到系統(tǒng)間共存所需的隔離度。提高濾波精度是有效解決干擾的途徑之一，但也意味著提高通訊模塊成本，進(jìn)而提高整個(gè)區(qū)域氣象站的成本。其次是優(yōu)化天線安裝包括天線傾角、方位角、垂直和水平隔離等，通過(guò)采取一些優(yōu)化措施，提高天線間的耦合損失，降低干擾［2］。這個(gè)對(duì)于數(shù)量龐大的區(qū)域氣象觀測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較繁雜的工作，技術(shù)要求比較高。
2 地面常規(guī)站氣象觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸影響分析
2.1 電纜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響 現(xiàn)在的地面氣象觀測(cè)站大多采用有線傳輸方式。以華云氣象儀器CAWS600－SE為例，采集器、傳感器等通信電纜在下線井中與設(shè)備電源線平行鋪設(shè)，并貫通地線。以電磁理論為依據(jù)，電纜回路的磁場(chǎng)瞬值變化對(duì)通信線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流(感生電流)。當(dāng)線路中為數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)，基于數(shù)字信號(hào)的原理以及抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累特點(diǎn)，即使線路中產(chǎn)生感生電流對(duì)其影響可以忽略不計(jì)。而傳感器到采集器防雷板之間信號(hào)傳輸模式為模擬信號(hào)，基于其傳輸?shù)男盘?hào)值為一連貫、自然的高低電平的波形特點(diǎn)，感生電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)其造成影響。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式E=nΔΦ/Δt(平均電勢(shì))、磁通量Φ=BS(B為勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為正對(duì)面積)，E=BLVsinA(瞬時(shí)電勢(shì))，式中，E為瞬時(shí)電勢(shì)，L為長(zhǎng)度，V為速度，sinA為V或L與磁感線的夾角［3］。當(dāng)磁場(chǎng)瞬值變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定量值的電動(dòng)勢(shì)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行干擾。尤其觀測(cè)站供電系統(tǒng)接入當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)電網(wǎng)時(shí)，農(nóng)業(yè)電電壓質(zhì)量較難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，電壓峰值差較大且變化不穩(wěn)定，造成磁通量值變化明顯。同時(shí)電源線與傳感器通信線平行鋪設(shè)，二者皆有老化現(xiàn)象并傳感器通信線在外界因素影響造成擺動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬值更明顯，容易造成信號(hào)傳輸故障。結(jié)合該地區(qū)出現(xiàn)的實(shí)例，地溫出現(xiàn)跳變情況，排查設(shè)備硬件無(wú)效后，檢查發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題，情況大有改觀。
2.2 地線造成的電磁干擾影響 地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)2個(gè)電路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗干擾(耦合)［4］。結(jié)合臺(tái)站建設(shè)情況，如果所有的傳感器設(shè)備貫通地線，信號(hào)傳輸為模擬量值的傳感器很容易受到地環(huán)路干擾，由于雷擊或附近大功率設(shè)備啟動(dòng)時(shí)造成信號(hào)失真影響;如果所有傳感器與采集器、電源系統(tǒng)貫通地線，采集器以及一些傳感器傳輸為數(shù)字信號(hào)，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問(wèn)題。如圖1中2個(gè)接地的電路。由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。如附近有大功率用電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在地線中流過(guò)很強(qiáng)的電流。這個(gè)電流會(huì)在2個(gè)設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。
在數(shù)字電路中，可能出現(xiàn)公共阻抗耦合問(wèn)題，產(chǎn)生有害噪聲信號(hào)對(duì)氣象觀測(cè)設(shè)備處理單元造成誤判斷。如圖2說(shuō)明了一種干擾現(xiàn)象。以華云氣象儀器CAWS600－SE為例，通信線傳輸為數(shù)字信號(hào)，兩端為R232串口連接，設(shè)定基站通信線與電源線共地組成一個(gè)由4個(gè)門(mén)電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門(mén)1的輸出電平由高變?yōu)榈?，這時(shí)電路中的寄生電容(門(mén)2為采集器中的電壓控制電路有濾波電容)會(huì)通過(guò)門(mén)1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會(huì)在地線上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門(mén)3的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門(mén)3的輸出端、門(mén)4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門(mén)4的噪聲門(mén)限，產(chǎn)生門(mén)限效應(yīng)，就會(huì)造成門(mén)4的誤動(dòng)作［5］。門(mén)4電路連接CAWS－QJ01通訊預(yù)處理單元，其通過(guò)RS－232C標(biāo)準(zhǔn)串行通訊口與主機(jī)和采集單元通訊，中央處理器(CPU)為80C31單片機(jī)［6］。門(mén)4誤動(dòng)作會(huì)造成單片機(jī)錯(cuò)誤判斷處理數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)預(yù)處理異常。主控機(jī)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行處理，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)丟失、跳變等。
圖1 地線環(huán)路電流示意圖
圖2 公共阻抗耦合示意圖
2.3 地線電磁干擾影響通信傳輸?shù)慕鉀Q方法 地面有線的純數(shù)字傳輸，如RS232標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離近，通信速率低?？梢圆扇《喾N方式解決隨機(jī)差錯(cuò)。在相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一量值進(jìn)行多次等精度測(cè)量時(shí)，仍會(huì)有各種偶然的、無(wú)法預(yù)測(cè)的不確定因素干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其絕對(duì)值和符號(hào)均不可預(yù)知。雖然單次測(cè)量的隨機(jī)誤差沒(méi)有規(guī)律，但多次測(cè)量的總體卻服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，能在理論上消除對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)某一數(shù)據(jù)異常的觀測(cè)要素進(jìn)行多次單要素測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。結(jié)合建站實(shí)際情況，解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。
在硬件方面，首先可以在傳感器通信線兩端加載電磁干擾濾波器，但要保證濾波器成對(duì)安裝，在傳感器端與采集器防雷板端同時(shí)安裝。電磁干擾濾波器的感應(yīng)部分被設(shè)計(jì)為一個(gè)高頻截止器件，電磁干擾濾波器的其他部分使用電容來(lái)分路或分流有害的高頻噪聲，使這些有害的高頻噪聲不能到達(dá)敏感電路。這樣，電磁干擾濾波器顯著降低或衰減了所有要進(jìn)入或離開(kāi)受保護(hù)電子器件的有害噪聲信號(hào)。將通信線一端的設(shè)備浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但出于安全的考慮，往往不允許電路浮地，這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地，這樣對(duì)于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。消除公共阻抗耦合的途徑有2個(gè):①減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合;②通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線、數(shù)字電路和模擬電路共用地線。減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感，這包括使用扁平導(dǎo)體做地線、用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。通過(guò)適當(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地，如可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等分類(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地［4］。
3 結(jié)束語(yǔ)
地面氣象觀測(cè)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)通信故障時(shí)，應(yīng)從多角度考慮分析。對(duì)于比較抽象的運(yùn)行環(huán)境干擾因素，大家容易忽視。針對(duì)無(wú)線傳輸?shù)母蓴_影響，積極與當(dāng)?shù)匾苿?dòng)提供商協(xié)商，減少區(qū)域站運(yùn)行環(huán)境的干擾因素。在地面氣象觀測(cè)站建設(shè)中，充分考慮到電磁干擾因素，避免通信電纜與電源電纜共地。觀測(cè)場(chǎng)周?chē)荒苡袕?qiáng)干擾源，如通信或電視廣播發(fā)射塔等，若有，必須把通信電纜線穿到帶屏蔽的PVC管中并埋在地溝中走線等。
［1］江海榮.空間環(huán)境對(duì)衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊懀跩］.邯鄲學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，13(7):83－84.
［2］侯江生，鄒哲馨，段利軍，等.淺談信號(hào)干擾對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)傳輸影響［J］.氣象研究與應(yīng)用，2014，35(1):85 －87.
［3］徐送寧.大學(xué)物理［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.
［4］何宏.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.
［5］徐新艷.數(shù)字電子技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.
［6］李黃.自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:氣象出版社，2007:15－48.
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