基于無源光網絡的發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng)研究

孫鐵剛陳 建李志軍

(吉林大學 通信工程學院,長春 130012)

0 引 言

近年來,隨著核電磁脈沖、高功率微波等電磁脈沖武器的發(fā)展,使裝備面臨的電磁環(huán)境日益惡化[1],車輛迫停系統(tǒng)嚴重威脅著車輛的機動性和安全性[2]。無論是傳統(tǒng)動力車輛還是混合動力車輛,發(fā)動機系統(tǒng)均是影響車輛機動性的任務關鍵系統(tǒng),發(fā)動機功能狀態(tài)、電控系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)、線纜感應信號的準確監(jiān)測是系統(tǒng)級高功率微波效應機理分析和防護加固設計的基礎[3-5]。發(fā)動機功能狀態(tài)的監(jiān)測常采用人耳聽聲音、人眼看現(xiàn)象或基于網線傳輸?shù)囊粢曨l監(jiān)測的方式,發(fā)動機電控系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)的監(jiān)測采用基于雙絞線傳輸?shù)腃AN(Controller Area Network)總線診斷方式,發(fā)動機線纜感應信號的監(jiān)測采用基于電流探頭或電壓探頭的信號采樣方式。參試人員禁止停留在高功率微波輻照的試驗區(qū),音視頻監(jiān)測設備、總線診斷設備和信號采樣設備等直接暴露在高場強的高功率微波輻照環(huán)境中,監(jiān)測節(jié)點自身的電磁脈沖防護性能影響試驗結果的準確性[6-7]。光纖本身具有傳輸損耗小、不受電磁干擾等特點,基于光纖傳輸?shù)臏y量系統(tǒng)在電磁脈沖輻照場、感應電流和電壓測量方面得到廣泛應用[8]。因此,高功率微波環(huán)境下發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng)既要滿足不同類型監(jiān)測節(jié)點自身抗強電磁脈沖干擾的需求,又要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令的遠距離雙向實時傳輸。

筆者以高功率微波環(huán)境下發(fā)動機性能監(jiān)測需求為牽引,總結監(jiān)測系統(tǒng)面臨的典型高功率微波環(huán)境,提出一種場線聯(lián)合電磁脈沖防護和無源光網絡接入技術相結合的發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng)設計方案,仿真分析監(jiān)測節(jié)點的高功率微波防護性能,試驗驗證了高功率微波環(huán)境下性能監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

1 監(jiān)測系統(tǒng)面臨的高功率微波環(huán)境

高功率微波是一種電磁能量集中在載波中心頻率附近的瞬態(tài)強電磁脈沖,根據(jù)帶寬百分比分為寬帶高功率微波和窄帶高功率微波[9-10]。典型車輛迫停系統(tǒng)的高功率微波參數(shù):寬帶高功率微波的場強峰值為50 kV/m,載波中心頻率為400 MHz,帶寬為100 MHz。IEC 61000-2-13中定義以衰減正弦波表示寬帶高功率微波[11],其時、頻域波形如圖1所示,波形函數(shù)時域表達式為

圖1 寬帶高功率微波時、頻域波形Fig.1 Time and frequency waveforms of wideband high power microwave

其中幅度E0為50 kV/m,衰減系數(shù)α為108radians/s,中心頻率f0為400 MHz。

窄帶高功率微波的場強峰值為12 kV/m,載波中心頻率為1.31 GHz,脈沖有效寬度為300 ns。IEC 61000-1-15中定義以調制高斯脈沖表示窄帶高功率微波[12],其時、頻域波形如圖2所示,波形函數(shù)時域表達式為

圖2 窄帶高功率微波時、頻域波形Fig.2 Time and frequency waveforms of narrowband high power microwave

其中幅度E0為12 kV/m,中心頻率f0為1.31 GHz,延遲時間ts為500 ns,脈沖有效寬度α為300 ns。

2 性能監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 性能監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

以典型高功率微波環(huán)境下發(fā)動機性能監(jiān)測需求為牽引,設計了一種場線聯(lián)合電磁脈沖防護和無源光網絡接入技術相結合的發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng),整體架構如圖3所示,包括總線診斷、音視頻監(jiān)測、感應信號測量、光纖分配網絡和遠程控制節(jié)點。音視頻監(jiān)測節(jié)點用于監(jiān)測反映受試發(fā)動機運行功能狀態(tài)的音視頻信號,總線診斷節(jié)點用于監(jiān)測受試發(fā)動機電控系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù),感應信號測量節(jié)點用于監(jiān)測受試發(fā)動機電控系統(tǒng)線纜感應電壓波形。

音視頻監(jiān)測節(jié)點由網絡攝像機(DS-2CD3325F)和光網絡單元(HT801)組成;總線診斷節(jié)點由雙絞線、CAN轉以太網模塊和光網絡單元(HT801)組成,CAN轉以太網模塊實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)包和以太網數(shù)據(jù)包之間的雙向透明轉換;感應信號測量節(jié)點由電壓探頭、同軸衰減器、數(shù)字示波器(DSO6104L)和光網絡單元(HT801)組成,利用同軸衰減器將感應電壓幅度衰減至數(shù)字示波器的量程范圍內,數(shù)字示波器高速采集感應電壓時域波形。光網絡單元用于將各監(jiān)測節(jié)點采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)調制到上行1 310 nm光波上,并將控制命令從下行1 490 nm光波上解調出來。

音視頻監(jiān)測、總線診斷和感應信號測量節(jié)點均直接暴露于試驗區(qū)的高功率微波輻照環(huán)境下,根據(jù)電磁脈沖防護理論[13],提高抗強電磁脈沖干擾能力最有效的方式是阻斷高功率微波通過孔縫、線纜耦合進入各監(jiān)測節(jié)點的途徑。為避免因監(jiān)測節(jié)點外接供電電源線而耦合強電磁脈沖干擾,同時減少試驗布置工作量,利用移動電源為各監(jiān)測節(jié)點提供干凈獨立的電源供給。以不影響監(jiān)測節(jié)點的正常工作為前提,根據(jù)3種類型監(jiān)測節(jié)點的結構特點設計場線聯(lián)合電磁脈沖防護方案,如表1所示。

表1 場線聯(lián)合電磁脈沖防護方案Tab.1 Field-wire joint electromagnetic pulse protection scheme

遠程控制節(jié)點由光線路終端(ISCOM5508)、以太網交換機(S5700)、以太網轉CAN模塊、數(shù)據(jù)適配器、總線診斷計算機、音視頻監(jiān)控計算機和感應電壓測量計算機組成;光纖分配網絡由一條主干光纖、光分路器、法蘭盤和多條分支光纖組成。3種類型監(jiān)測節(jié)點和遠程控制節(jié)點之間需要遠距離雙向實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令,根據(jù)無源光網絡接入理論[14-15],監(jiān)控區(qū)遠程控制節(jié)點中光線路終端通過光纖分配網絡連接至試驗區(qū)3種類型監(jiān)測節(jié)點中光網絡單元?；跓o源光網絡設備構建的點到多點網絡拓撲結構使僅需在光分路器輸出端口新增分支光纖即可便捷擴展至4~64個監(jiān)測節(jié)點,有效克服了基于成對光纖收發(fā)設備構建的點到點網絡拓撲結構存在的可擴展性差、不利于集中管理等問題。利用波分復用方式進行單纖雙向傳輸,各監(jiān)測節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)被調制到上行1 310 nm光波上,遠程控制節(jié)點的控制命令被調制到下行1 490 nm光波上,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令的遠距離雙向實時傳輸。利用時分多址接入方式,光網絡單元在光線路終端指定的時隙傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù),實現(xiàn)多個監(jiān)測節(jié)點同時向遠程控制節(jié)點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用點到多點廣播方式,遠程控制節(jié)點將控制命令傳輸?shù)娇偩€診斷、音視頻監(jiān)測和感應信號測量節(jié)點,監(jiān)測節(jié)點根據(jù)各自光網絡單元中的邏輯鏈路標識提取相應的控制命令。

2.2 監(jiān)測節(jié)點的高功率微波防護性能分析

以總線診斷節(jié)點為例分析監(jiān)測節(jié)點的高功率微波防護性能,在電磁仿真軟件CST中分別建立高功率微波激勵源模型和總線診斷節(jié)點的電磁仿真模型,仿真高功率微波環(huán)境下監(jiān)測節(jié)點的耦合響應。

參照監(jiān)測節(jié)點面臨的典型高功率微波環(huán)境設置平面波激勵源,激勵源為垂直極化波,寬帶高功率微波的場強峰值為50 kV/m,窄帶高功率微波的場強峰值為12 kV/m?？偩€診斷節(jié)點的防護外殼尺寸為210 mm×180 mm×66 mm,殼體材料為鋁,接口采用金屬連接器,外接雙絞線采用光學覆蓋率為93%的金屬編織網屏蔽,長度L=0.5 m,距地高度H=0.1 m,終端阻抗Z1=Z2=120 Ω?？偩€診斷節(jié)點高功率微波耦合響應的電磁仿真模型如圖4所示。

圖4 總線診斷節(jié)點的電磁仿真模型Fig.4 Electromagnetic simulation model of CAN bus diagnosis node

在場強50 kV/m的寬帶高功率微波輻照下,采用整體防護外殼后監(jiān)測節(jié)點內部中心位置的場強波形如圖5所示,防護前后場強峰值分別為50 kV/m和95 V/m,因此,防護外殼的寬帶高功率微波防護效能為54 dB。采用雙絞線防護后CAN總線感應電壓波形如圖6所示,防護前后感應電壓峰峰值分別為1 186.2 V和18.4 V,因此,防護雙絞線的寬帶高功率微波防護效能為36.2 dB。

圖5 殼體內部中心位置的場強波形Fig.5 Field intensity at central position of the enclosure

圖6 CAN總線感應電壓波形Fig.6 The voltage response of CAN bus

在場強12 kV/m的窄帶高功率微波輻照下,采用整體防護外殼后監(jiān)測節(jié)點內部中心位置的場強波形如圖7所示,防護前后場強峰值分別為12 kV/m和33 V/m,因此,防護外殼的窄帶高功率微波防護效能為51.2 dB。采用雙絞線防護后CAN總線感應電壓波形如圖8所示,防護前后感應電壓峰峰值分別為61.11 V和0.26 V,因此,防護雙絞線的窄帶高功率微波防護效能為47.4 dB。

圖7 殼體內部中心位置的場強波形Fig.7 Field intensity at central position of the enclosure

圖8 CAN總線感應電壓波形Fig.8 The induced voltage waveform of CAN bus

3 性能監(jiān)測系統(tǒng)有效性試驗驗證

某型柴油發(fā)動機高功率微波輻照試驗期間,應用所設計的性能監(jiān)測系統(tǒng)全面實時地監(jiān)測受試發(fā)動機的耦合響應。發(fā)動機音視頻監(jiān)控畫面如圖9所示,實現(xiàn)了發(fā)動機喘振、熄火等電磁敏感現(xiàn)象的遠距離實時監(jiān)測。CAN總線診斷界面如圖10所示,實現(xiàn)了發(fā)動機轉速、軌壓等參數(shù)異常情況的遠距離實時監(jiān)測。線纜感應電壓波形如圖11所示,實現(xiàn)了電控系統(tǒng)線纜感應電壓幅度、持續(xù)時間等參數(shù)的遠距離實時監(jiān)測。試驗結果表明,該發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng)在場強50 kV/m的寬帶高功率微波作用下未受干擾,可遠距離實時地監(jiān)測發(fā)動機功能狀態(tài)、CAN總線數(shù)據(jù)信息以及線纜感應信號。

圖9 音視頻監(jiān)控畫面Fig.9 The audio and video monitoring interface

圖10 CAN總線診斷界面Fig.10 CAN bus diagnosis interface

圖11 線纜感應電壓波形Fig.11 Induced voltage waveform of cable

4 結 語

筆者研制了一種場線聯(lián)合電磁脈沖防護和無源光網絡接入技術相結合的發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng),并建立了總線診斷節(jié)點高功率微波防護性能的仿真分析模型。仿真結果表明,場線聯(lián)合電磁脈沖防護措施的寬帶高功率防護效能和窄帶高功率微波防護效能均大于36 dB。試驗結果表明,該發(fā)動機性能監(jiān)測系統(tǒng)在場強50 kV/m的寬帶高功率微波環(huán)境下運轉正常,實現(xiàn)了發(fā)動機功能狀態(tài)、CAN總線數(shù)據(jù)信息以及線纜感應信號的遠距離實時監(jiān)測。