第3节　高速动车组列车现场电磁兼容试验方法与测量技术研究现状

动车组列车电磁兼容理论和关键技术的研究依赖于对电磁骚扰信号及其传输耦合特性的测量、分析和试验。电磁骚扰信号一般以空间电磁波或导线中电压、电流的形式存在，其开放式地分布于电磁波所能传输到的整个空间中或传输到有导线、传输线连接的任何地方。以空间场的形式进行传输耦合的辐射骚扰信号一定会受到介入的任意导电物质的影响，以电压、电流形式沿导电回路传输的传导骚扰信号，其传输耦合路径则会随着传输线、设备及检测系统接地方式的改变而改变。所以，要对电磁骚扰信号进行精确测量，首先必须在专门的测量场地进行测量，如开阔场、电波暗室、混响室和横电磁波小室等。其次，必须选配合适的测量仪器、正确的测量配置和测量步骤进行测量。目前现有的电磁兼容测量，尤其是符合性测量多是按照国际标准或国家标准的规定在符合要求的实验室中进行的。

高速动车组列车可以称得上是复杂的巨大型电气系统，其电磁兼容性能不仅由本身的系统结构和电气设计所决定，还受到诸如车载设备的种类、安装位置、接地方式、超长高压电缆和低压电缆的布线、屏蔽和接地等众多因素的影响。因此，按照现行标准的规定对动车组列车车载设备进行电磁兼容标准测试的结果并不能完全反映被测设备在实际运行时的电磁兼容性能，尤其是当动车组列车车载设备发生由电磁干扰引发的故障时。所以，有必要在高速铁路现场环境中对高速动车组列车及其车载设备的电磁兼容性能进行测量或当电磁干扰故障发生时，能对电磁干扰故障进行现场试验和分析。但对于高速铁路这样的复杂应用电磁环境，在现场的测量会遇到很多困难。一方面，从测量本身来看，测量仪器和测量天线的介入会对被测的辐射骚扰场产生影响；另一方面，在现场环境中，被测骚扰信号不可避免地叠加了环境中的所有噪声信号。此外，在现场环境中，测量仪器和测量系统本身还会受到环境中电磁骚扰的干扰。所有这些因素均导致了在非专用电磁兼容测量场地中很难对电磁骚扰信号进行有效提取和精确测量。所以，国内外很多学者都对电磁兼容的现场测量技术进行了研究。

关于现场环境非专用电磁兼容测量场地条件下对大型电气系统的辐射骚扰场强进行的测量，目前有的国家提出了“虚拟暗室”的概念，并对相关的测量技术和实验手段进行了研究。“虚拟暗室”的概念最早由美国军方在不晚于20世纪80年代提出的，在1994年的一篇学术会议论文《Feasibility of a Virtual Anechoic Chamber：The Ultimate E3 Test Facility》中有所提及。该文的第一作者David L.Schoch供职于美国空军发展测试中心，论文中分析了在大型电波暗室中进行大型集成系统如飞机和直升机的电磁发射和电磁兼容测试都存在固有的局限性，包括尺寸、安全和其他技术问题。因此，他提出对于诸如要求飞机发动机工作或旋转直升机旋翼转动的试验，需要在室外采用“虚拟暗室”技术进行。该论文还对在一个露天场地中采用虚拟暗室技术以满足电磁发射测量和电磁兼容试验的要求进行了可行性分析，并以佛罗里达州埃格林空军基地的集成弹药和电子系统预检场（PRIMES）为例进行了应用介绍。

关于虚拟暗室技术比较完整的理论是由Marino.Jr和Michael.A于2000年在其专利申请“System and method for measuring RF radiated emissions in the presence of strong ambient signals”（US patent 6980611）中所提出并公开的，该理论克服了以双通道的方式进行单通道测试时带来的时间差问题，从而提高了虚拟暗室技术的测试精度和应用范围。迄今为止，公开资料中该理论的实际应用只有美国SARA公司的名为CASSPER的商用测试系统。

根据公开资料，CASSPER系统不仅能进行精确的电磁兼容试验，还能精确定位电磁骚扰源，是一个兼具远场测试和近场定位的测量设备。虚拟暗室理论的应用，使得即使是被研究设备工作在具有大背景噪声的环境中，如飞机中，也能快速精确测得系统的电磁辐射场。该系统能够滤除背景噪声，创建出一个近似电波暗室的虚拟环境，既能进行电磁兼容性能的预兼容测试，也能进行全兼容测试。该系统最大的优势就是可以用来对大型分布式系统的屏蔽效能等进行实验验证。该系统的接收机使用两套时间与频率都同步的通道同时去接收一个复杂系统中的信号，以同时获得电磁环境电平和混合信号电平，再通过信号处理算法滤除背景噪声，从而有效地抑制测试时间差产生的误差，得到被测设备实际、精确的电磁辐射场。采用相干算法不仅能滤除一般的背景噪声，还能精确提取与背景噪声相同频率的信号，即使背景噪声的幅度或频率被调制了，背景噪声滤除性能也不会下降。

但是，CASSPER系统存在原理上无法克服的缺陷。首先，CASSPER系统基于虚拟暗室技术的信号提取方法需要三个前提和假设：

（1）背景噪声同时被两个接收机天线捕获且背景噪声是相关的。

（2）背景噪声与设备的辐射信号不相关。

（3）被测设备的辐射信号只被一个接收机捕获，即只是被主测量天线通道所接收。

其次，该系统是基于差分法实现的，要求背景环境中的电磁骚扰源少于3个，并且在试验过程中背景环境要保持静态恒定。但在高速铁路环境的实际测量中，背景环境中的电磁骚扰源数量不明确且是动态变化着的，这就极大地限制了该系统的应用。

由于试验方法、测量技术和测量仪器的限制，目前针对高速动车组列车的现场电磁兼容试验，虽然得到了许多有价值的实测数据，但在实际研究中还是对测量做了不同程度的简化。因此，在本领域的研究中，现场测量技术和测量装备也是值得进一步深入研究和发展的方向。

此外，经过多年的研究和实践可知，我国高速铁路系统最重要的电磁骚扰源是瞬态脉冲型骚扰，而传统的电磁骚扰测量方法是基于频域扫描的幅度测量，无论是采用峰值、准峰值、平均值还是有效值检波测量方式，所测得的信息都只是骚扰信号的幅频信息，不能完全反映高速铁路瞬态骚扰信号的脉冲特性，也无法准确判断骚扰信号对敏感设备所造成的干扰效应。因为时域特性完全不同的脉冲型骚扰信号，频域测量结果却有可能相同。因此，可以说电磁兼容领域传统的频域测量方法及现行标准规定的限值对目前我国高速铁路系统电磁骚扰的测量和评估并不是最科学的，所以，需进一步研究更适用的针对高速铁路瞬态骚扰信号的时域统计特性及其相应的测量技术。