某型號微波探測器的噪擾報警分析

陽江核電有限公司 廣東 陽江 529500

1 引言

某大型核設施目前所采用的微波探測設備數量占全部探測設備數量的10%左右，而其噪擾報警次數占全部探測設備噪擾報警總量的35%左右，對實物保護系統的運行產生不利影響。本文通過對現場實際環境下該型號微波探測器(以下簡稱探測器)可能的噪擾因素進行研究分析，嘗試找出影響設備噪擾報警的主要因素。

2 某型號微波探測設備產品情況及工作原理

2.1 設備組成及工作原理 探測器為某公司80年代開發生產的模擬量微波探測設備，包含一個發射器和一個接收器。在正常工作情況下，接收器和發射器間會形成一個兩端小中間大的梭形的立體空間探測場，如圖1所示。

圖1 某型號探測器保護區域示意圖

2.1.1 發射器 發射器主要由射頻組件和發射器電路板組成，射頻組件包含一個產生X波段(10.525GHz±25MHz)的微波能量的砷化鎵場效應管震蕩器以及一個拋物面天線系統。發射器電路板包含穩壓器以及調制器電路，以驅動微波震蕩器。在發射器電路板上有三位撥碼開關可選4個調制頻率的頻道(A、B、C、D)。在發射器電路板上有一個RF指示燈，加上10.5～14V的直流電壓，從而引發接收器上的LOCK指示燈點亮。發射器的工作原理如圖2所示，當射頻調制器選擇某一音頻信號模式，并通過射頻振蕩器產生該模式下的音頻信號并通過天線發射出去。

2.1.2 接收器 接收器主要由射頻組件和接收器電路板組成。射頻組件包含一個拋物面天線(與發射器的天線相同)以及一個肖特基二極管檢波器，檢波器將發射器發射的解調過微波轉換為電頻信號以供解調器電路板處理。接收器的工作原理如圖3所示，當天線接收到信號，通過檢波器處理為易識別的音頻波并通過放大器(AGC)進行增益放大，使得前置放大器的輸出量維持在一個穩定的水平，再進行檢波器(PLL)進行調頻過濾，進入誤差比對環節識別信號變化情況，把變化轉換為交流電壓信號再輸出進行手動信號增益(靈敏度調節)，與報警閥值進行比對，輸出觸發繼電器動作的電平，繼電器動作輸出開關量信號。

圖2 發射器工作原理圖

圖3 接收器工作原理圖

2.2 探測器運行環境 某大型核設施地處廣東沿海，全年高溫時間較長，降水充沛。探測器布置在雙層圍欄內的中間區域，圍欄采用拉緊的鐵絲網圍欄，外側圍欄高度為1.5m，內側圍欄高度為2.5m，內側高圍欄側面上固定有垂直疊放的兩層刺絲圈，內側高圍欄頂部安裝固定一層刺絲圈。雙層圍欄間距6m，兩側圍欄地面為水泥基礎和水泥蓋板，水泥蓋板之間鋪設均勻碎石，圍欄內安裝有立桿攝像機，用于復核探測器報警。

3 設備噪擾因素分析

3.1 設備安裝環境與安裝調校分析 設備安裝環境和調校分析主要以對標設備技術手冊并找出差異，如表1所示。根據表1分析，設備可能因第1和第2點差異會受到刮風和降雨等因素的影響；而第3點差異，設備探頭及立柱未造成探測設備的直接遮擋，滿足設備技術手冊要求。

3.2 設備運行測試標準分析 《核設施周界入侵報警系統》(HAD501/03)規定，探測器需定期測試。測試使用的工具為長方體金屬箱體，箱體尺寸為30cm(長)×30cm(寬)×20cm(高)，垂直于微波探測面的尺寸為30cm(長)×20cm(高)，雷達截面積為0.060m2。根據與美國桑迪亞國家實驗室利用10.525GHz頻率的微波測探測器進行的試驗數據對比，設備測試工具與試驗結果基本一致(略高0.005m2)。

3.3 設備產品自身因素分析 為了驗證探測器自身的探測特點，根據現場探測器布置情況劃分A、B、C、D4個理論區域，如圖4所示。為了驗證4個區域的劃分，在風速為1～2級且天氣晴朗的環境下，選擇一組正常運行的探測器，并以人員正常行走的方式對探測器區間進行測試，測試數據如表2所示。

表1 某型號微波探測器實際安裝與調校情況與設備技術手冊對照表

根據測試數據發現，探測防區之間進行理論分區基本成立。A區測試報警率為100%；B區測試報警概率不是100%，而是有大概率情況下會報警；C區測試不會報警，但會對設備造成較大的干擾；而D區測試不會報警，但依然會對設備造成干擾，但該類干擾對設備影響較小。A區和B區之和可以滿足《核設施周界入侵報警系統》(HAD501/03)對探測概率的要求，即滿足探測概率下限在95%置信水平下不不低于90%；然而C區和D區域是不需要的探測區間，C區和D區內存在的干擾因素將會對設備造成干擾，并在環境條件不利的情況下可能對設備造成疊加干擾。

由于微波探測器的有效波形為梭形立體形狀，靠近微波設備端的波形變小，為了彌補單組設備產生的盲區，采用了交叉布置的方式。為了發現多組探測器的運行特點，選取了兩組不相鄰的探測器進行測試，如圖5所示。將X和Z組探測器設置同頻率進行測試，測試結果如表3所示。

圖4 單組微波探測器探測區間劃分示意圖

圖5 間隔兩組微波探測器布置示意圖

表3 兩組間隔的微波探測器的測試數據

通過對單組設備和間隔兩組設備的測試分析得出，微波探測器的信號溢出了所需要的探測防區，而且溢出區域內產生的干擾因素依然會對設備正常探測功能造成干擾影響，且干擾強度與干擾因素距離探測防區軸心的距離有關，距離越近干擾越大。

3.4 天氣環境因素影響分析 自2019年1月1日至2020年9月30日，記錄了各種天氣情況下現場運行的57組微波探測設備的噪擾報警數據。通過對數據進行整理，得出不同天氣情況下設備報警數據的關系情況。其中，無降雨且風速小于4級情況下的噪擾報警數據見表4。根據表5分析得出，設備在無降雨的天氣情況下，持續風速在4級以下，設備噪擾報警數量較少，設備噪擾報警情況與風速無明顯相關性。

將持續風速在5～6級下的設備噪擾報警數據進行整理，并將風速與持續時間的乘積作為風量，如表5所示。

將風速小于3級、不同降雨量下的噪擾報警數據進行整理，如表7所示。表6表明，持續風速小于3級、降雨量較小時(降雨量小于約1mm/天)，噪擾報警處于正常水平。降雨量大于1mm/天時，其與報警次數成明顯正相關。而且降雨量對噪擾報警的影響遠高于風量，當有較大風雨疊加時，將會產生更多的噪擾報警。

4 分析總結

綜合以上分析，探測器噪擾報警是受設備運行環境、天氣條件和探測器自身原因等單一因素或相互作用影響而產生的。其中設備運行環境因素是噪擾報警的基礎因素，而環境條件的疊加作用可能會產生較大影響。影響探測器噪擾報警主要因素的綜合影響評價表7所示:

表7 不同降雨量下的噪擾報警數據