氣象觀測(cè)站抗電磁干擾技術(shù)的研究

郭宗凱，李承昊，劉振宏，李子健，苗傳海

(遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽110166)

0 引言

近些年，遼寧地區(qū)大批自動(dòng)氣象觀測(cè)站被投入業(yè)務(wù)使用，建設(shè)的氣象觀測(cè)站已超過1600套。隨著電子信息行業(yè)迅猛發(fā)展，移動(dòng)基站、工廠大型電機(jī)設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)都對(duì)自動(dòng)氣象站設(shè)備的正常運(yùn)行造成電磁干擾，導(dǎo)致氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)異常，設(shè)備發(fā)生故障。

根據(jù)對(duì)近5 a自動(dòng)氣象站故障信息的統(tǒng)計(jì)分析(數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來源于ASOM2.0平臺(tái))，遼寧地區(qū)絕大多數(shù)自動(dòng)氣象站設(shè)備抗電磁信號(hào)干擾能力比較薄弱，當(dāng)自動(dòng)氣象站系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)或受到外界信號(hào)干擾沖擊時(shí)，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)跳變、波動(dòng)及異常等現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)使自動(dòng)氣象站運(yùn)行系統(tǒng)癱瘓，直接影響遼寧省的氣象防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)報(bào)服務(wù)工作[1，2]。

通過對(duì)2016—2020年國家級(jí)地面觀測(cè)站電磁干擾故障(數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來源于ASOM 2.0平臺(tái))統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合自動(dòng)氣象站受電磁干擾的實(shí)際現(xiàn)狀，文章提出研制一種自動(dòng)氣象站交流穩(wěn)壓濾波器和信號(hào)噪聲濾波器，增強(qiáng)自動(dòng)氣象站抗外界電磁干擾能力，同時(shí)，提供一種自動(dòng)氣象站處理電磁干擾故障操作流程，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 自動(dòng)氣象站受電磁干擾現(xiàn)狀

近幾年，遼寧省裝備中心加大對(duì)市縣局的自動(dòng)氣象站備件儲(chǔ)備力度，強(qiáng)化對(duì)市縣級(jí)保障人員的業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)。目前，市縣保障人員已經(jīng)能夠處理自動(dòng)氣象站絕大部分的故障，但遇到如外界電磁信號(hào)干擾造成數(shù)據(jù)跳變、波動(dòng)等疑難故障，就不知如何處理，從而造成數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間異常、缺測(cè)，最后只能申請(qǐng)求助省裝備中心到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助處理解決。

2 電磁干擾源頭及防范措施

根據(jù)電磁干擾源劃分，影響自動(dòng)氣象站運(yùn)行的電磁干擾可分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾具體通過電源、信號(hào)線、接地系統(tǒng)影響自動(dòng)氣象站正常運(yùn)行及氣象數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量。內(nèi)部干擾通過設(shè)備內(nèi)部電路和元件的電磁感應(yīng)以及累積的靜電電壓影響產(chǎn)生。

外部防范措施主要采用濾波技術(shù)防止外界電磁信號(hào)干擾的入侵，交流供電系統(tǒng)必須采用三線式(L、N、E)供電，E線應(yīng)與采集器金屬外殼可靠連接。同時(shí)，業(yè)務(wù)值班室內(nèi)的通信機(jī)柜、金屬文件柜等用導(dǎo)線與地連接，室內(nèi)防靜電地板也應(yīng)可靠接地。

內(nèi)部防范措施主要為自動(dòng)氣象站機(jī)箱內(nèi)部布線要科學(xué)合理，各類信號(hào)線、直流電線、交流電線要分類布設(shè)，避免相互產(chǎn)生電磁干擾及靜電電壓；采取科學(xué)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化接地，供電保護(hù)接地與信號(hào)屏蔽接地要物理分離，對(duì)地電阻阻值均要小于或等于4 Ω。

3 自主研發(fā)濾波器

3.1 研制交流穩(wěn)壓濾波器

交流穩(wěn)壓濾波器在自動(dòng)氣象站的供電系統(tǒng)中為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，發(fā)揮穩(wěn)壓器的作用，并具備一定的濾波及抗外界電磁信號(hào)干擾能力。交流穩(wěn)壓濾波器是一種能消除供電線路中諧波及雜波，自動(dòng)調(diào)整輸出電壓、保障電能傳輸質(zhì)量的供電設(shè)備，使自動(dòng)氣象站采集器及各類傳感器設(shè)備能夠在穩(wěn)定供電環(huán)境下正常工作。

3.2 研制信號(hào)噪聲濾波器

信號(hào)噪聲濾波器可使信號(hào)中特定的頻率成分通過，極大地衰減其他無用頻率成分，利用信號(hào)噪聲濾波器的選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析，當(dāng)濾波器發(fā)現(xiàn)自動(dòng)氣象站信號(hào)傳輸頻率高于或低于有效頻率范圍時(shí)，則認(rèn)為該信號(hào)是干擾雜波，不予通過，從而保證自動(dòng)氣象站不受外界電磁信號(hào)干擾，提升設(shè)備穩(wěn)定性(圖1)。

圖1 信號(hào)濾波器基本電路設(shè)計(jì)

4 電磁干擾故障的排查流程

經(jīng)省裝備保障中心自動(dòng)氣象站維修技術(shù)人員統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在有外界電磁信號(hào)干擾下，自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)往往具有波動(dòng)性且無規(guī)則的大幅跳變，這是由于外界電磁信號(hào)干擾產(chǎn)生的電信號(hào)疊加在傳感器原電信號(hào)上，使采集到的信號(hào)出現(xiàn)異常，進(jìn)而影響相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。

在維修保障技術(shù)工作中，發(fā)現(xiàn)這種特征的異常數(shù)據(jù)時(shí)，首先考慮是否是由電磁干擾引起，對(duì)于由電磁干擾引起的數(shù)據(jù)異常，文章提供排除故障的具體思路及處理流程，利用替代法和排除法可有效排除故障(圖2)。

圖2 利用排除法和替代法解決電磁干擾引起的數(shù)據(jù)異常

5 結(jié)束語

文章自主設(shè)計(jì)研發(fā)符合遼寧省氣象觀測(cè)站穩(wěn)定運(yùn)行要求的交流穩(wěn)壓濾波器和信號(hào)噪聲濾波器，能夠有效減少氣象觀測(cè)站受外界電磁信號(hào)干擾，提升設(shè)備穩(wěn)定性，可在遼寧地區(qū)各級(jí)氣象部門的國家級(jí)地面氣象觀測(cè)站、省級(jí)氣象觀測(cè)站、自動(dòng)土壤水分站、高速公路交通站等氣象探測(cè)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用與推廣。