陳原 江蘇省廣播電視總臺廣播發(fā)射中心

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廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

陳原 江蘇省廣播電視總臺廣播發(fā)射中心

【摘 要】本文介紹了廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)背景、工作原理，簡述了該系統(tǒng)的主要功能和創(chuàng)新點。

【關(guān)鍵詞】天饋監(jiān)測 紅外熱成像 實時監(jiān)測 天調(diào)網(wǎng)絡(luò) 監(jiān)測客戶端

一、概述

江蘇省廣播電視總臺廣播發(fā)射中心占地近千畝，六套中波的發(fā)射天線和調(diào)配室分布其中天線分布圖如圖1所示，距離發(fā)射機房近則200多米，遠(yuǎn)達(dá)600多米。

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)是廣播發(fā)射系統(tǒng)的一個重要節(jié)點，一旦設(shè)備發(fā)生故障，會引發(fā)較長時間的停播。

由于天調(diào)網(wǎng)絡(luò)工作于高電壓、大電流的高頻場強的環(huán)境，給網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)的監(jiān)測帶來了困難。國內(nèi)的中波發(fā)射臺對天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控僅限于天調(diào)室壞境的監(jiān)測，通過光纜將攝像頭的監(jiān)控畫面（安防）和溫濕度探頭檢測的數(shù)據(jù)回傳到控制機房。這種監(jiān)測方式并不能反映天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的實際工作狀態(tài)。對安全播出的保障力度不夠。

為了確保安全播出，我們研發(fā)了天饋監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對天調(diào)網(wǎng)絡(luò)電壓電流、入射反射功率、載波強度、載波頻率、駐波比、調(diào)幅度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測；能夠?qū)崟r監(jiān)測顯示天線調(diào)配室的溫度、濕度；通過紅外熱成像溫度檢測儀能夠?qū)崟r監(jiān)測調(diào)配房所有網(wǎng)絡(luò)器件溫度。監(jiān)測系統(tǒng)將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送至控制室。值班人員在控制室就能通過監(jiān)測客戶端監(jiān)測整個系統(tǒng)運行狀況。

圖1　天線分布圖

二、系統(tǒng)架構(gòu)

廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。主要由網(wǎng)絡(luò)采集調(diào)理器、溫濕度傳感器、監(jiān)測采集控制器、紅外熱成像溫度檢測儀和監(jiān)測主機組成。網(wǎng)絡(luò)采集調(diào)理器將高電壓的網(wǎng)絡(luò)電壓信號分壓，將電流電壓信號檢波成可測量的直流電壓信號。每個天饋網(wǎng)絡(luò)采用一套網(wǎng)絡(luò)采集調(diào)理器和高頻交換開關(guān)控制器進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測采集控制器解調(diào)出網(wǎng)絡(luò)電壓電流信號和載波幅度信號打包傳送至監(jiān)測主機，監(jiān)測主機進(jìn)行本地監(jiān)測、信號分析和遠(yuǎn)程發(fā)布。紅外熱成像溫度檢測儀能夠?qū)崟r監(jiān)測調(diào)配房所有網(wǎng)絡(luò)器件溫度，能夠采集顯示調(diào)配室監(jiān)測畫面各點溫度值并提供顏色報警和語音報警功能。值班人員只需在控制室就能通過監(jiān)測客戶端監(jiān)測整個系統(tǒng)運行狀況。

三、系統(tǒng)設(shè)計和運用

1網(wǎng)絡(luò)參數(shù)檢測系統(tǒng)

1.1概述

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)檢測系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡(luò)電流電壓采集系統(tǒng)，它由網(wǎng)絡(luò)電流電壓取樣板（圖3）和檢波板（圖4）組成，取樣板用于網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比檢測以及網(wǎng)絡(luò)入射和反射功率測量這二個部分的射頻電壓電流采樣電路。射頻輸出采樣板的中央有二個用于射頻電流采樣的磁環(huán)線圈，射頻輸出采樣板安裝在網(wǎng)絡(luò)柜中的50歐姆點位置上，射頻輸出導(dǎo)體從二個磁環(huán)線圈的中央穿過。射頻輸出取樣板將采樣到的射頻電壓和電流信號送到輸出到檢波板。

1.2工作原理

射頻功率表定向耦合器，用于測量發(fā)射機的射頻入射功率和由負(fù)載不匹配性而產(chǎn)生的反射功率，需要兩組射頻電流和電壓的取樣信號。

圖2　天饋監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

功率表電流取樣，位于電路板上面的磁環(huán)繞組T1是定向耦合器的電流取樣元件。電阻R1、R2、R3、R4并聯(lián)及R5、R6、R7、R8并聯(lián)后接在磁環(huán)繞組兩端，二組電阻再串聯(lián)接成中點接地形式。這樣既能將電流取樣轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷喝?，同時又能在繞組兩端獲得相位差成180°的電流取樣信號，正/反向電流采樣信號從J1-1和J1-2輸出。

圖3　取樣板原理圖

在檢波板電壓取樣信號和電流取樣同相端的電流取樣信號接到二極管D2的兩端，在電壓取樣端上接有幅度調(diào)整器C15、C19、C23。在天線系統(tǒng)調(diào)試正確情況下，取樣點阻抗應(yīng)是50+j0歐姆，此時用幅度調(diào)整器使二極管的兩端電壓相同。因為電壓與電流同相，達(dá)到平衡狀態(tài)，所以無電流流過二極管，耦合器輸出端無直流電壓輸出，反射功率測量為零。若天線系統(tǒng)發(fā)生故障，產(chǎn)生反射功率，取樣電壓和取樣電流的幅度和相位就會發(fā)生變化。耦合器的平衡被破壞，有電流流過二極管，在耦合器的輸出端就有直流信號，該信號通過射頻阻流圈L4，隔離電阻R16 經(jīng)J3采集器。R12是耦合器的負(fù)載電阻，C27、C31用于濾去射頻和調(diào)制的音頻成份。

圖4　檢波板原理圖

入射功率檢測的工作原理與反射功率檢測是完全相同的，其區(qū)別在于接到二極管D1正極端的電流取樣信號與電壓取樣信號有180度的相位差。因此有電流流過二極管，電流的大小決定于取樣點輸出的射頻功率。入射功率耦合器輸出端的直流電壓通過J3送到采集器。上述電流、電壓和功率信號由采集器通過光纖送到控制室。

圖5　天調(diào)網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)實時監(jiān)測圖

1.3功能實現(xiàn)

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)實時監(jiān)測如圖5所示。

對系統(tǒng)中所有頻率進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)電壓電流、入射反射功率、載波強度、載波頻率、駐波比、調(diào)幅度等指標(biāo)監(jiān)測。

能夠?qū)崟r監(jiān)測顯示天線調(diào)配室的溫度、濕度。

2紅外熱成像溫度檢測系統(tǒng)

2.1概述

由于天調(diào)網(wǎng)絡(luò)是帶高頻電運行設(shè)備，為保證其安全運行和避免天調(diào)網(wǎng)絡(luò)周圍電磁場環(huán)境對測溫的干擾，溫度傳感器等常規(guī)測溫方式無法應(yīng)用在天調(diào)網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)測中，需要尋求一種非接觸式的精確測溫方式。

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外測溫技術(shù)越來越成熟。紅外測溫技術(shù)是利用紅外探測技術(shù)獲取設(shè)備的紅外輻射狀態(tài)的熱信息，然后轉(zhuǎn)換成溫度進(jìn)行顯示的技術(shù)。它是一種非接觸式精確測溫方式，與傳統(tǒng)測溫方式相比有很多優(yōu)點：

（1）它的測量不干擾被測溫度場，不影響溫度場分布，從而具有較高的準(zhǔn)確度；

（2）測溫范圍寬，在理論上無測量上下限；

（3）紅外測溫與用普通接觸式測溫不同之處在于，它不需要與被測對象達(dá)到熱平衡就能讀出被測物體的溫度，所以測溫的響應(yīng)速度非常快，可實時觀測，適于快速與動態(tài)測量；

（4）紅外測溫的測量過程中，測溫儀可以不接觸被測物體，所以可以對高電壓和大電流的設(shè)備、遠(yuǎn)距離難于接近的物體等測溫對象進(jìn)行溫度測量。

紅外熱像儀正是這種既可以精確測溫又可以顯示紅外熱圖像的儀器。紅外熱像儀以遠(yuǎn)距離、非接觸、實時、快速監(jiān)測方式獲取設(shè)備的運行狀態(tài)信息，在現(xiàn)場大面積掃描溫度分布場和對局部缺陷定點測溫，分辨率高、形象直觀、不受電磁干擾，可以在不停電、不取樣、不解體的狀況下進(jìn)行故障的診斷分析，所以說紅外熱像技術(shù)是中波天調(diào)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測的一項行之有效的技術(shù)手段。

圖6　紅外圖像形成示意圖

2.2紅外熱像監(jiān)測系統(tǒng)的功能

紅外熱像監(jiān)測系統(tǒng)是一種成像測溫裝置，它的基本功能有兩個：

（1）測溫：每個單元接收紅外輻射，將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，再將每個單元的電信號的大小用灰度等級的形式表示；

（2）生成“熱像”：將灰度等級重組生成圖像數(shù)據(jù)格式，并將其顯示到顯示器上，即為“熱像"。因為紅外輻射的大小與溫度高低相關(guān)，因此溫度與灰度具有一一對應(yīng)的映射關(guān)系，紅外熱像儀在生成“熱像”的同時也計算出每個像素點對應(yīng)的溫度，用于后期處理。從顯示器顯示的“熱像”中也能定性地看出溫度高低。紅外熱像儀中紅外圖像的生成過程如圖6所示。

（3）天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實時監(jiān)測

天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實時監(jiān)測如圖7、圖8所示。

圖7　天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實時監(jiān)測圖

3設(shè)備選型

圖8　天調(diào)網(wǎng)絡(luò)元器件的實時監(jiān)測圖

（1）電壓取樣板和檢波板采用上海明珠生產(chǎn)的高于同功率發(fā)射機上所使用的取樣板和檢波板，并進(jìn)行相應(yīng)改造。

（2）紅外熱像儀采用型號：FLIR A15 f=19mm（9Hz）。它有如下特點：

性價比高： FLIR A15紅外熱像儀的性價比很高，是自動化或機器視覺環(huán)境中采集熱圖像的理想工具。

圖像質(zhì)量FLIR A15可生成像素為160 x 128的清晰紅外圖像。

測溫范圍廣：FLIR A15紅外熱像儀能夠顯示-40℃ ～+550°C的溫度。

熱靈敏度高，小于50mK，能夠捕捉最細(xì)微的圖像細(xì)節(jié)和溫差信息。

4系統(tǒng)開發(fā)

4.1開發(fā)平臺

系統(tǒng)采用了Microsoft VisualStudio 2010+SQLServer 2005協(xié)作開發(fā)模式，TCP 通訊協(xié)議保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。Visual Studio 2010是Microsoft推出的一款全新的跨平臺集成開發(fā)環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境具有以下優(yōu)勢：

（1）提供了豐富的工具、框架和組件，方便開發(fā)者快速構(gòu)建出各種應(yīng)用程序。

（2）對主流的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如：Access、SQL Server、Oracle等具有良好的兼容性，利用ADO.NET技術(shù)能夠快速實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的交互。

（3）提供了強大的性能、負(fù)載和功能測試功能，可以幫助用戶開發(fā)出高性能和高安全的軟件系統(tǒng)。

4.2運行環(huán)境

服務(wù)器：windows server2003，SQLServer2005（為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性）

客戶端：windows7，SQLServer2005（采用windows7 界面設(shè)計風(fēng)格，保證美觀性

4.3數(shù)據(jù)庫功能

將各項監(jiān)測參數(shù)自動存儲并提供數(shù)據(jù)查詢功能，導(dǎo)出自動生成Word或Excel格式。 提供系統(tǒng)日志功能，將系統(tǒng)的報警記錄和動作記錄錄入數(shù)據(jù)庫并提供查詢統(tǒng)計接口，導(dǎo)出自動生成 Word、Excel格式。系統(tǒng)日志分操作日志和故障日志，自動記錄各項操作，故障信息等重要信息。記錄下的日志數(shù)據(jù)可保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，至少可保存兩年時間，以供隨時在監(jiān)控界面屏上顯示、查詢或者打印。

5防雷設(shè)計

5.1概述

由于中波網(wǎng)絡(luò)調(diào)配房，屬于高溫高壓，高電磁干擾，易受雷擊的工作環(huán)境，因此我們系統(tǒng)所涉及的設(shè)備，均有防雷，防高溫，防電磁干擾設(shè)計。

大部分中波天線不能接地，因此特別容易被雷擊，并且雷擊能量也不容易泄放。因此防雷擊設(shè)計尤為關(guān)鍵。雷擊后產(chǎn)生的高溫，容易引起自燃，因此材料選擇也非常關(guān)鍵。同時由于調(diào)配房處于野外無人值守狀態(tài)，無空調(diào)設(shè)備，因此夏日房間內(nèi)溫度可以高達(dá)50℃，因此所有設(shè)備具有高溫運行能力。

5.2防雷設(shè)計

我們在設(shè)計中采用以下措施：

（1）所有涉及防雷的零部件，均采用大冗余設(shè)計，設(shè)計冗余比常規(guī)設(shè)計增大一倍，高壓保護(hù)間距也增大一倍。

（2）采用耐高溫材料，如采用聚四氟乙烯材料基板，耐高溫性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的環(huán)氧材料基板，且阻燃性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧材料。固定材料均采用耐高溫的金屬材料或聚四氟乙烯材料，防止雷擊后高溫及夏日高溫情況下的自燃。

（3）所有設(shè)備具有寬溫度范圍運行能力。設(shè)備運行環(huán)境溫度保證超過-15～+55℃。

（4）接地措施，所有設(shè)備均良好接地，設(shè)備機柜良好接地。

（5）數(shù)據(jù)傳輸采用光纖技術(shù)，有效對抗強電磁干擾的環(huán)境。

由于采用了以上措施，系統(tǒng)運行一年多來，未出現(xiàn)雷擊故障事故，也未發(fā)生自燃，材料高溫熔化等情況的出現(xiàn)。

四、系統(tǒng)主要特點

系統(tǒng)嚴(yán)格按照系統(tǒng)構(gòu)建原則要求進(jìn)行了設(shè)計，完全符合當(dāng)初設(shè)想，充分結(jié)合了新技術(shù)和發(fā)射臺的實際。國內(nèi)外各個發(fā)射臺暫時還沒有此類監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的前瞻性、先進(jìn)性和高可靠性。完全符合新時期廣播電視事業(yè)發(fā)展的要求。系統(tǒng)主要特點如下：

（1）首創(chuàng)紅外熱成像溫度監(jiān)測：

（2）多項目實時監(jiān)控；

通過對網(wǎng)絡(luò)電壓電流監(jiān)測、入射反射功率監(jiān)測、載波強度監(jiān)測、駐波比監(jiān)測，調(diào)制度監(jiān)測以及載波強度的實時監(jiān)測，可以及時了解發(fā)射機、匹配網(wǎng)絡(luò)、天線三者的運行狀態(tài)，填補了目前國內(nèi)發(fā)射機監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控盲點。

（3）抗干擾能力強；

（4） 主備天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)切換功能；

（5） 防雷防強電磁干擾設(shè)計。

五、結(jié)論

廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測系統(tǒng)于2014年6月23日投入使用，經(jīng)過多次調(diào)整完善，一直正常運行至今。

在發(fā)射臺高場強的復(fù)雜電磁環(huán)境下，本系統(tǒng)能可靠、穩(wěn)定的工作，各項功能和技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計要求。

廣播發(fā)射中心天饋監(jiān)測系統(tǒng)的啟用，豐富完善了全臺自動化系統(tǒng)的功能，大大提高了廣播發(fā)射系統(tǒng)的安全性和可靠性，更好地滿足了“不間斷，高質(zhì)量，既經(jīng)濟(jì)，又安全”的要求。

本系統(tǒng)的投入使用，大大減輕了值機人員的負(fù)擔(dān)，為發(fā)射臺的安全播出提供了可靠的技術(shù)支撐，為兄弟臺保障安全播出，進(jìn)行天饋監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了借鑒案例。