广播发射中心天馈监测系统的设计和应用

陈原 江苏省广播电视总台广播发射中心



广播发射中心天馈监测系统的设计和应用

陈原 江苏省广播电视总台广播发射中心

【摘 要】本文介绍了广播发射中心天馈监测系统的建设背景、工作原理，简述了该系统的主要功能和创新点。

【关键词】天馈监测 红外热成像 实时监测 天调网络 监测客户端

一、概述

江苏省广播电视总台广播发射中心占地近千亩，六套中波的发射天线和调配室分布其中天线分布图如图1所示，距离发射机房近则200多米，远达600多米。

天调网络是广播发射系统的一个重要节点，一旦设备发生故障，会引发较长时间的停播。

由于天调网络工作于高电压、大电流的高频场强的环境，给网络工作状态的监测带来了困难。国内的中波发射台对天调网络的监控仅限于天调室坏境的监测，通过光缆将摄像头的监控画面（安防）和温湿度探头检测的数据回传到控制机房。这种监测方式并不能反映天调网络的实际工作状态。对安全播出的保障力度不够。

为了确保安全播出，我们研发了天馈监测系统，该系统能对天调网络电压电流、入射反射功率、载波强度、载波频率、驻波比、调幅度等指标进行监测；能够实时监测显示天线调配室的温度、湿度；通过红外热成像温度检测仪能够实时监测调配房所有网络器件温度。监测系统将各项监测数据实时传送至控制室。值班人员在控制室就能通过监测客户端监测整个系统运行状况。

图1　天线分布图

二、系统架构

广播发射中心天馈监测系统如图2所示。主要由网络采集调理器、温湿度传感器、监测采集控制器、红外热成像温度检测仪和监测主机组成。网络采集调理器将高电压的网络电压信号分压，将电流电压信号检波成可测量的直流电压信号。每个天馈网络采用一套网络采集调理器和高频交换开关控制器进行监测。监测采集控制器解调出网络电压电流信号和载波幅度信号打包传送至监测主机，监测主机进行本地监测、信号分析和远程发布。红外热成像温度检测仪能够实时监测调配房所有网络器件温度，能够采集显示调配室监测画面各点温度值并提供颜色报警和语音报警功能。值班人员只需在控制室就能通过监测客户端监测整个系统运行状况。

三、系统设计和运用

1网络参数检测系统

1.1概述

网络参数检测系统的核心是网络电流电压采集系统，它由网络电流电压取样板（图3）和检波板（图4）组成，取样板用于网络电压驻波比检测以及网络入射和反射功率测量这二个部分的射频电压电流采样电路。射频输出采样板的中央有二个用于射频电流采样的磁环线圈，射频输出采样板安装在网络柜中的50欧姆点位置上，射频输出导体从二个磁环线圈的中央穿过。射频输出取样板将采样到的射频电压和电流信号送到输出到检波板。

1.2工作原理

射频功率表定向耦合器，用于测量发射机的射频入射功率和由负载不匹配性而产生的反射功率，需要两组射频电流和电压的取样信号。

图2　天馈监测系统原理图

功率表电流取样，位于电路板上面的磁环绕组T1是定向耦合器的电流取样元件。电阻R1、R2、R3、R4并联及R5、R6、R7、R8并联后接在磁环绕组两端，二组电阻再串联接成中点接地形式。这样既能将电流取样转变为电压取样，同时又能在绕组两端获得相位差成180°的电流取样信号，正/反向电流采样信号从J1-1和J1-2输出。

图3　取样板原理图

在检波板电压取样信号和电流取样同相端的电流取样信号接到二极管D2的两端，在电压取样端上接有幅度调整器C15、C19、C23。在天线系统调试正确情况下，取样点阻抗应是50+j0欧姆，此时用幅度调整器使二极管的两端电压相同。因为电压与电流同相，达到平衡状态，所以无电流流过二极管，耦合器输出端无直流电压输出，反射功率测量为零。若天线系统发生故障，产生反射功率，取样电压和取样电流的幅度和相位就会发生变化。耦合器的平衡被破坏，有电流流过二极管，在耦合器的输出端就有直流信号，该信号通过射频阻流圈L4，隔离电阻R16 经J3采集器。R12是耦合器的负载电阻，C27、C31用于滤去射频和调制的音频成份。

图4　检波板原理图

入射功率检测的工作原理与反射功率检测是完全相同的，其区别在于接到二极管D1正极端的电流取样信号与电压取样信号有180度的相位差。因此有电流流过二极管，电流的大小决定于取样点输出的射频功率。入射功率耦合器输出端的直流电压通过J3送到采集器。上述电流、电压和功率信号由采集器通过光纤送到控制室。

图5　天调网络运行参数实时监测图

1.3功能实现

天调网络运行参数实时监测如图5所示。

对系统中所有频率进行网络电压电流、入射反射功率、载波强度、载波频率、驻波比、调幅度等指标监测。

能够实时监测显示天线调配室的温度、湿度。

2红外热成像温度检测系统

2.1概述

由于天调网络是带高频电运行设备，为保证其安全运行和避免天调网络周围电磁场环境对测温的干扰，温度传感器等常规测温方式无法应用在天调网络的温度监测中，需要寻求一种非接触式的精确测温方式。

随着红外技术的发展，红外测温技术越来越成熟。红外测温技术是利用红外探测技术获取设备的红外辐射状态的热信息，然后转换成温度进行显示的技术。它是一种非接触式精确测温方式，与传统测温方式相比有很多优点：

（1）它的测量不干扰被测温度场，不影响温度场分布，从而具有较高的准确度；

（2）测温范围宽，在理论上无测量上下限；

（3）红外测温与用普通接触式测温不同之处在于，它不需要与被测对象达到热平衡就能读出被测物体的温度，所以测温的响应速度非常快，可实时观测，适于快速与动态测量；

（4）红外测温的测量过程中，测温仪可以不接触被测物体，所以可以对高电压和大电流的设备、远距离难于接近的物体等测温对象进行温度测量。

红外热像仪正是这种既可以精确测温又可以显示红外热图像的仪器。红外热像仪以远距离、非接触、实时、快速监测方式获取设备的运行状态信息，在现场大面积扫描温度分布场和对局部缺陷定点测温，分辨率高、形象直观、不受电磁干扰，可以在不停电、不取样、不解体的状况下进行故障的诊断分析，所以说红外热像技术是中波天调网络设备监测的一项行之有效的技术手段。

图6　红外图像形成示意图

2.2红外热像监测系统的功能

红外热像监测系统是一种成像测温装置，它的基本功能有两个：

（1）测温：每个单元接收红外辐射，将接收到的红外辐射转换成电信号，再将每个单元的电信号的大小用灰度等级的形式表示；

（2）生成“热像”：将灰度等级重组生成图像数据格式，并将其显示到显示器上，即为“热像"。因为红外辐射的大小与温度高低相关，因此温度与灰度具有一一对应的映射关系，红外热像仪在生成“热像”的同时也计算出每个像素点对应的温度，用于后期处理。从显示器显示的“热像”中也能定性地看出温度高低。红外热像仪中红外图像的生成过程如图6所示。

（3）天调网络元器件的实时监测

天调网络元器件的实时监测如图7、图8所示。

图7　天调网络元器件的实时监测图

3设备选型

图8　天调网络元器件的实时监测图

（1）电压取样板和检波板采用上海明珠生产的高于同功率发射机上所使用的取样板和检波板，并进行相应改造。

（2）红外热像仪采用型号：FLIR A15 f=19mm（9Hz）。它有如下特点：

性价比高： FLIR A15红外热像仪的性价比很高，是自动化或机器视觉环境中采集热图像的理想工具。

图像质量FLIR A15可生成像素为160 x 128的清晰红外图像。

测温范围广：FLIR A15红外热像仪能够显示-40℃ ～+550°C的温度。

热灵敏度高，小于50mK，能够捕捉最细微的图像细节和温差信息。

4系统开发

4.1开发平台

系统采用了Microsoft VisualStudio 2010+SQLServer 2005协作开发模式，TCP 通讯协议保证系统数据的稳定性和可靠性。Visual Studio 2010是Microsoft推出的一款全新的跨平台集成开发环境，该开发环境具有以下优势：

（1）提供了丰富的工具、框架和组件，方便开发者快速构建出各种应用程序。

（2）对主流的数据库系统如：Access、SQL Server、Oracle等具有良好的兼容性，利用ADO.NET技术能够快速实现与数据库系统的交互。

（3）提供了强大的性能、负载和功能测试功能，可以帮助用户开发出高性能和高安全的软件系统。

4.2运行环境

服务器：windows server2003，SQLServer2005（为了保证系统稳定性）

客户端：windows7，SQLServer2005（采用windows7 界面设计风格，保证美观性

4.3数据库功能

将各项监测参数自动存储并提供数据查询功能，导出自动生成Word或Excel格式。 提供系统日志功能，将系统的报警记录和动作记录录入数据库并提供查询统计接口，导出自动生成 Word、Excel格式。系统日志分操作日志和故障日志，自动记录各项操作，故障信息等重要信息。记录下的日志数据可保存到服务器数据库中，至少可保存两年时间，以供随时在监控界面屏上显示、查询或者打印。

5防雷设计

5.1概述

由于中波网络调配房，属于高温高压，高电磁干扰，易受雷击的工作环境，因此我们系统所涉及的设备，均有防雷，防高温，防电磁干扰设计。

大部分中波天线不能接地，因此特别容易被雷击，并且雷击能量也不容易泄放。因此防雷击设计尤为关键。雷击后产生的高温，容易引起自燃，因此材料选择也非常关键。同时由于调配房处于野外无人值守状态，无空调设备，因此夏日房间内温度可以高达50℃，因此所有设备具有高温运行能力。

5.2防雷设计

我们在设计中采用以下措施：

（1）所有涉及防雷的零部件，均采用大冗余设计，设计冗余比常规设计增大一倍，高压保护间距也增大一倍。

（2）采用耐高温材料，如采用聚四氟乙烯材料基板，耐高温性能远远高于一般的环氧材料基板，且阻燃性能也远远优于环氧材料。固定材料均采用耐高温的金属材料或聚四氟乙烯材料，防止雷击后高温及夏日高温情况下的自燃。

（3）所有设备具有宽温度范围运行能力。设备运行环境温度保证超过-15～+55℃。

（4）接地措施，所有设备均良好接地，设备机柜良好接地。

（5）数据传输采用光纤技术，有效对抗强电磁干扰的环境。

由于采用了以上措施，系统运行一年多来，未出现雷击故障事故，也未发生自燃，材料高温熔化等情况的出现。

四、系统主要特点

系统严格按照系统构建原则要求进行了设计，完全符合当初设想，充分结合了新技术和发射台的实际。国内外各个发射台暂时还没有此类监测系统，该系统具有一定的前瞻性、先进性和高可靠性。完全符合新时期广播电视事业发展的要求。系统主要特点如下：

（1）首创红外热成像温度监测：

（2）多项目实时监控；

通过对网络电压电流监测、入射反射功率监测、载波强度监测、驻波比监测，调制度监测以及载波强度的实时监测，可以及时了解发射机、匹配网络、天线三者的运行状态，填补了目前国内发射机监测系统的监控盲点。

（3）抗干扰能力强；

（4） 主备天线调配网络切换功能；

（5） 防雷防强电磁干扰设计。

五、结论

广播发射中心天馈监测系统于2014年6月23日投入使用，经过多次调整完善，一直正常运行至今。

在发射台高场强的复杂电磁环境下，本系统能可靠、稳定的工作，各项功能和技术指标符合设计要求。

广播发射中心天馈监测系统的启用，丰富完善了全台自动化系统的功能，大大提高了广播发射系统的安全性和可靠性，更好地满足了“不间断，高质量，既经济，又安全”的要求。

本系统的投入使用，大大减轻了值机人员的负担，为发射台的安全播出提供了可靠的技术支撑，为兄弟台保障安全播出，进行天馈监测系统的建设提供了借鉴案例。