便攜式監護儀的電磁輻射抗擾度試驗研究

【作 者】袁軍，肖冬萍，簡鑫

1 第三軍醫大學 大坪醫院，重慶，400042

2 重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶，400044

3 重慶大學通信工程學院2406實驗室，重慶，400044

0 引言

隨著電子信息技術的飛速發展及其在軍事領域的廣泛應用，現代戰場上的作戰系統與各種軍事設備日趨電子化、信息化，各國對“第5維戰場”——電磁空間的角逐日漸激烈，戰場電磁環境也隨之變得愈來愈復雜[1]。特別是近年來，電磁脈沖武器的研發和運用呈加速趨勢，對野戰裝備電子系統構成巨大威脅[2-3]。當前，對作戰飛機、艦船和導彈等重大武器系統的電磁防護研究備受關注，取得了長足進步。但是，作為衛勤保障的急救醫療設備的電磁防護卻嚴重滯后。軍隊野戰配置的急救醫療設備與民用基本相同，在戰場復雜電磁環境中存在極大的安全隱患，對野戰急救醫療設備進行電磁加固勢在必行[4-5]。

監護儀可實時、連續地監測病人的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要生命體征參數，為醫學臨床診斷提供重要參考，是戰時救護、醫院急救和重癥病人監護必不可少的裝備[6]。由于人體生理信號極為微弱，測量時極易混入干擾信號而影響診斷。通常情況下，商用多參數監護儀的EMC滿足IEC61000系列標準和EN60601-1-2標準，但是否能在戰場復雜惡劣的電磁環境中正常工作，還未見相關研究報道。

本研究以某款目前軍隊醫院所使用的便攜式監護儀為對象，分別進行了混響室射頻輻射試驗和超寬帶（UWB）電磁脈沖輻射試驗，測試其抗干擾能力，為采取特別的抗電磁干擾措施提供依據。

1 混響室射頻輻射試驗

1.1 試驗系統及環境

測試系統由機械攪拌式混響室、信號發生器、功率放大器、定向耦合器、功率計、監控系統、控制電機、發射天線、場強計和相應的控制軟件等組成。

混響室是近年來發展起來的一種新的電磁兼容性測試平臺[7-8]，提供一種統計均勻、各向同性和隨機極化的電磁環境。本試驗所用混響室的幾何尺寸為10 m×8 m×4.3 m，最大可用測試空間為6.5 m×5.0 m×2.2 m，內置垂直和水平2個機械攪拌器，采用反射板的V型切口，有利于改善低頻特性。它主要技術指標達到國際先進水平[9]。

本試驗按照IEC61000 - 4 - 21 標準[9]規定的混響室測試方法，對某款軍用多參數監護儀進行電磁輻射抗擾度測試。測試系統幾何布局如圖1所示。

圖 1 混響室實驗布局示意圖Fig.1 Layout sketch of experiment in Reverberation chamber

1.2 試驗方法

以心電模擬儀作為監護儀的輸入信號，調試為正常工作狀態后置于測試臺上，直接接受電磁輻射。利用場強計測量監護儀周邊的電場強度，在混響室內安置攝像機，對多參數監護儀顯示屏實時錄像，并傳至室外顯示。

試驗分兩部分：一是通過軟件控制發射信號頻率逐步增大（即稱為掃頻），以監護儀波形畸變、數據顯示紊亂、警報提示和死機等特征為判斷依據，標定受試設備的電磁敏感頻點；二是設定敏感頻點，根據IEC61000-4-21標準，采用步進模式測定多參數監護儀工作出現異常現象時的臨界場強值。試驗用混響室起始頻率為80MHz，按照標準要求，3倍起始頻率以下，步進位置為50個；3倍起始頻率至6倍起始頻率之間，步進位置為18個；6倍起始頻率以上，步進位置為12個。

1.3 試驗結果與分析

1.3.1 掃頻試驗結果

受混響室最低可用頻率和功率放大器工作范圍限制，掃頻范圍為80 MHZ～1 GHz。軟件控制信號發生器的頻率逐步提高，觀察多參數監護儀的工作狀態，當出現波形畸變、數據顯示紊亂、警報提示和死機等任一異常現象時，記錄該頻率為受試設備的敏感頻點。通過掃頻得到監護儀的敏感頻點為：160 MHz、390 MHz、460 MHz、550 MHz、600 MHz、730 MHz、800 MHz、900MHz、1000 MHz。

1.3.2 步進模式試驗結果

將信號源設定為某一敏感頻點，軟件控制信號源電平逐漸增加（即增大入射場強），直到監護儀工作狀態首次出現異常，記錄此時的電場強度及具體異常現象；然后，改變步進位置繼續測試；將所有規定步進位置所得場強取均值后得到在該頻點下監護儀的敏感臨界場強。試驗統計結果如圖2所示。

圖2 步進模式試驗統計結果Fig.2 Statistical result of experiments under step mode

從試驗結果可以看出，對于80～390 MHz范圍內的電磁干擾，監護儀的敏感臨界場強隨頻率的增大而減小；對于390～900 MHz范圍內的電磁干擾，監護儀的臨界場強大致隨頻率的增大而增大。監護儀對頻率為390 MHz左右的電磁干擾最為敏感，其臨界場強最低，在防電磁干擾加固時需特別重視。

試驗中，監護儀受電磁干擾后異常工作狀態多集中表現為基線漂移、波形畸變、波形消失和心動周期延長等，統計結果見表1。

表1 步進模式下監護儀故障類型和出現次數統計Tab.1 Statistical results of fault sort and frequency of monitor under step mode

2 UWB電磁脈沖輻射試驗

2.1 UWB參數

超寬帶（U W B）電磁脈沖的峰值功率大于100MW、上升前沿為10-8或10-12S量級、相對帶寬超過25%，其頻譜可以從幾十MHz伸展到幾GHz乃至幾十圖3～圖6為監護儀心電正常顯示和幾種典型故障顯示的對比。GHz，對電子設備具有較強的干擾和破壞效應[11-12]。

圖3 正常心電波形Fig.3 Normal ECG waveform

圖4 心電波形基線漂移Fig.4 ECG waveform baseline drift

圖5 心電波形畸變Fig.5 ECG waveform distortion

圖6 心電波形消失Fig.6 ECG waveform disappearance

圖7 心動周期延長Fig.7 cardiac cycle prolongation

本試驗采用的UWB試驗參數滿足國際電工委員會的標準，具體參數見表2～4：

表2 UWB脈沖參數Tab.2 Parameters of UWB pulse

表3 脈沖波形參數Tab.3 Parameters of pulse waveform

表4 天線參數Tab.4 Parameters of antenna

2.2 試驗方法與試驗結果

選擇一空曠場地安放UWB發射源，其天線軸線對準監護儀，將監護儀直接暴露于脈沖輻射之中，與脈沖源的距離分別取10m、7.5m和5m。適當選擇脈沖強度，確保監護儀不至于不可逆轉性損壞。調整脈沖進行單次觸發，每個位置各進行5次重復測試，觀察并記錄監護儀工作狀態。試驗結果如表5所示。

表5 UWB輻射試驗結果Tab.5 Results of UWB radiation experiments

試驗表明，UWB脈沖對監護儀具有顯著的干擾效應，被測設備與脈沖源的距離越近、輻射場強度越大，干擾越大。

3 結語

通過以上試驗結果，可以得出結論：

1）相比于射頻連續波，電磁脈沖對監護儀的干擾更嚴重，需重點進行防護。

2）所選用的監護儀對射頻電磁輻射具有一定的抗干擾能力，異常狀態多表現為測量波形基線漂移、畸變。

3) 監護儀對于不同頻率的電磁干擾具有不同的電磁敏感性，所選用的監護儀對390 MHz左右的電磁干擾最為敏感，其臨界場強最低。

致謝：

本實驗得到石家莊軍械工程學院靜電與電磁防護研究所魏明副教授等的支持與配合，在此表示衷心感謝。

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[11] http://www.emcchina.com/html/15/1/1220/1.htm

[12] 朱剛. 超寬帶（UWB）原理與干擾[M]. 清華大學出版社, 2009.