基于遙測(cè)的移動(dòng)艙室內(nèi)氣體檢測(cè)方法

    在各種密閉的移動(dòng)艙室環(huán)境中，存在犬量氣體狀態(tài)污染物，這些氣體污染物以分子狀態(tài)存在，大部分為無(wú)機(jī)氣體，例如CO，NO2，H2S，LEL，VOC等。采用無(wú)線遙測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)采集和記錄車(chē)輛在靜止和行進(jìn)過(guò)程中艙室內(nèi)的有害氣體、溫濕度等狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，以便分析有害氣體對(duì)艙室人員身心健康的影響。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)靜止及移動(dòng)中密閉艙室環(huán)境中的多項(xiàng)指標(biāo)，測(cè)試數(shù)據(jù)可全部存儲(chǔ)，同時(shí)能通過(guò)無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳送到數(shù)公里外監(jiān)控車(chē)上的監(jiān)測(cè)中心。

1 移動(dòng)艙室內(nèi)的氣體環(huán)境
    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，坦克和裝甲車(chē)輛在行進(jìn)和實(shí)戰(zhàn)過(guò)程中，車(chē)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，例如CO，NO2，H2S，SO2，CO2，LEL，VOC，NH3，HCN，苯、甲醛和粉塵污染，這些有害氣體和粉塵會(huì)對(duì)駕駛員、炮手及乘員的身心健康造成很大危害，車(chē)輛密閉環(huán)境中溫濕度對(duì)人體也有一定的影響。在坦克和裝甲車(chē)輛研制過(guò)程中，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握移動(dòng)艙室中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，對(duì)車(chē)輛的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。近來(lái)廣泛采用遙測(cè)遙控技術(shù)，并逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能化。艙內(nèi)氣體類(lèi)參數(shù)表見(jiàn)表1。

2 測(cè)試方法
    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)事先把有害氣體監(jiān)測(cè)儀安裝在艙室內(nèi)的固定位置上，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)儀將采集到的信號(hào)一方面進(jìn)行本地存貯，另一方面通過(guò)RS 485接口協(xié)議送入遙測(cè)發(fā)射裝置，遙測(cè)發(fā)射裝置將接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的PCM數(shù)據(jù)流送人發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)變成無(wú)線電波向空間發(fā)射出去，遙測(cè)地面監(jiān)測(cè)中心把這些信號(hào)接收下來(lái)進(jìn)行處理并繪成曲線，這樣就可直觀地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到艙室在移動(dòng)過(guò)程中的環(huán)境變化情況。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

    遙測(cè)發(fā)射分系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。氣體類(lèi)傳感器分系統(tǒng)將檢測(cè)到的氣體類(lèi)測(cè)試數(shù)據(jù)打包，并通過(guò)RS 485數(shù)據(jù)總線接口給出。所有數(shù)據(jù)總線接口分別進(jìn)入嵌入式PCM采集編碼器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編碼。

    PCM采集編碼由程控模塊、時(shí)序控制模塊、輸出模塊等組成。把編碼器輸出的串行數(shù)據(jù)流送到發(fā)射設(shè)備進(jìn)行調(diào)制、放大，并以足夠的功率從天線發(fā)射出去。
    遙測(cè)地面監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的集成：遙測(cè)地面監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)采用車(chē)載式便攜接收方案。系統(tǒng)除天線和低噪聲放大器外的所有接收單元均放在工控計(jì)算機(jī)內(nèi)。

3 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)
3．1 傳感器的選型
    選用美國(guó)RAE公司的PGM-2000，MultiRAEPGM-54，UItraRAE PGM-7200。這些國(guó)際先進(jìn)的復(fù)合／單一性氣體檢測(cè)模塊，工作溫度為-20～+50℃，可在相對(duì)濕度為0％～95％的環(huán)境中正常工作；其鋰電池在充滿(mǎn)電后可連續(xù)工作10 h以上；具有先進(jìn)的插入式“智能”毒氣傳感器。以上儀器均帶有RS 232接口，可提供通信協(xié)議。上述氣體檢測(cè)儀器的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

3．2 傳感器的安裝
    艙室無(wú)線移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在以下特殊性，工作環(huán)境惡劣，內(nèi)部各分系統(tǒng)、零部件之間交叉較多；道路運(yùn)輸及氣候條件使系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須面臨高原、山地、沙漠、嚴(yán)寒、高溫以及抗輻射等特殊條件；密閉艙室空間狹小，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)體積、形狀要求嚴(yán)格；測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備多數(shù)為非標(biāo)設(shè)備，移動(dòng)艙室內(nèi)部不能為測(cè)量設(shè)備提供永久性安裝空間和具體位置，只能臨時(shí)搭載，為測(cè)試設(shè)備的可靠安裝運(yùn)行增加了難度。在充分調(diào)研和宴車(chē)考察的基礎(chǔ)上。針對(duì)每一種測(cè)試設(shè)備，分別設(shè)計(jì)出不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝方式。系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的單元組成，每個(gè)單元由主箱和付箱組成，主箱和付箱由跳線連接，跳線長(zhǎng)度約2 m。主箱可以獨(dú)立地連接到整體系統(tǒng)，付箱依附主箱才能上作。氣體類(lèi)測(cè)試分系統(tǒng)實(shí)物布局如圖3所示。
    測(cè)試儀器內(nèi)部采用EVA緩沖材料，柔性鈑金支撐，可承受強(qiáng)沖擊。氣體類(lèi)測(cè)試分系統(tǒng)在移動(dòng)艙室內(nèi)的安裝示意圖如圖4所示，在主箱和付箱4立棱上配置多處拉環(huán)，用高強(qiáng)度捆扎帶與駕駛椅牢固捆綁。

3．2 數(shù)據(jù)采編和傳輸
    氣體類(lèi)傳感器將檢測(cè)到的氣體類(lèi)測(cè)試數(shù)據(jù)打包，通過(guò)RS 485數(shù)據(jù)總線接口給出。所有數(shù)據(jù)總線接口分別進(jìn)入嵌入式PCM采集編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編碼。
    PCM采集編碼由程控模塊、時(shí)序控制模塊、輸出模塊等組成。把編碼器輸出的串行數(shù)據(jù)流送到發(fā)射設(shè)備進(jìn)行調(diào)制、放大，并以足夠的功率從天線發(fā)射出去。本系統(tǒng)采用FPGA技術(shù)對(duì)被測(cè)參數(shù)的接口、采集和編碼功能的一體化進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使得該編碼模塊具有編程靈活，集成度高，速度快，在線可編程的特點(diǎn)。采集編碼器的路數(shù)和輸出碼速率都可在線配置。發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)由調(diào)制模塊、線性功放和二次開(kāi)關(guān)電源模塊組成，這樣選配不同的模塊可以構(gòu)成不同點(diǎn)頻，不同頻率，不同調(diào)制信號(hào)形式和不同碼率的發(fā)射機(jī)。車(chē)載發(fā)射天線采用全向天線，其增益大于5 d Bi。
3．3 數(shù)據(jù)接收與處理
    數(shù)據(jù)的接收處理在遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)站進(jìn)行，該系統(tǒng)以工控PC機(jī)為平臺(tái)，以PCI總線為紐帶，將高頻信道、視頻解調(diào)和計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)，組成一個(gè)有機(jī)的整體。系統(tǒng)除了天線和低噪放大器外，其余部份都插入計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)。系統(tǒng)主要功能部件都集．中在計(jì)算機(jī)內(nèi)，因此系統(tǒng)操作管理方便。天線和低噪放大器都安裝在可以收拆的活動(dòng)三角支架上，因此系統(tǒng)攜帶和架設(shè)都非常方便。遙測(cè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備如圖5所示。

4 實(shí)車(chē)搭載試驗(yàn)
    2008年在某車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練場(chǎng)地進(jìn)行了5 km動(dòng)態(tài)實(shí)車(chē)測(cè)試，定點(diǎn)測(cè)試試驗(yàn)車(chē)輛行駛過(guò)程示意圖如圖6所示，監(jiān)測(cè)車(chē)輛在試驗(yàn)場(chǎng)中心位置靜止不動(dòng)，被測(cè)試車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，距離小于5 km，被測(cè)試車(chē)輛以小于等于100 km／h的速度行駛。在試驗(yàn)行駛過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)的主要功能和指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試和存儲(chǔ)，采用備用電池或車(chē)載電瓶給系統(tǒng)供電，測(cè)試時(shí)間為1～2 h。遙測(cè)地面站獲得了被測(cè)車(chē)內(nèi)氣體類(lèi)環(huán)境參數(shù)，圖7為數(shù)據(jù)處理結(jié)果之一。

5 結(jié) 語(yǔ)
    采用氣體類(lèi)各種檢測(cè)模塊，通過(guò)無(wú)線遙測(cè)的方法，使遠(yuǎn)方的監(jiān)測(cè)站可靠地獲得移動(dòng)艙室內(nèi)各種有害氣體的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)試驗(yàn)證明，該方法是切實(shí)可行的。該種測(cè)試方法可以對(duì)各種坦克及裝甲車(chē)輛的人-機(jī)-環(huán)的研制與改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。