CN101339216A

CN101339216A - 舰船电磁环境特性分析确定方法

Info

Publication number: CN101339216A
Application number: CN 200810048760
Authority: CN
Inventors: 喻菁; 侯冬云; 刘文平; 刘振吉; 张崎; 谢大刚
Original assignee: China Ship Development and Design Centre
Current assignee: China Ship Development and Design Centre
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-08-11
Also published as: CN101339216B

Abstract

本发明涉及一种舰船电磁环境特性的分析确定方法，它针对舰船电磁兼容系泊、航行试验中按照现有标准规定方法测试的传导、辐射电磁场频谱测试数据，按照同型舰船同类测点进行分类后，分别进行场强直方图、分段包络、分段谱拟合，计算特征拟合曲线及其表达式，并求出统计描述量值，然后对分段包络、特征拟合按分段端点频率一一对应求出最大值和平均值，获得表征舰船各测点电场、磁场的幅－频特征的最大，以及平均包络线、拟合线。本发明能较好的量化表达舰船电磁环境测试数据的幅－频特性，获得舰船关键区域的电磁场幅－频特征定量表达方式，为确定舰船电磁环境特性，研究并修改我国相关标准限值提供参考依据。

Description

舰船电磁环境特性分析确定方法

技术领域

本发明属于舰船电磁兼容性技术领域，具体涉及一种根据舰船电磁环境测试数据进行的舰船电磁环境特性比对、分析、确定方法，可用于各种水面舰船、水下潜艇及其他武器平台的辐射、传导电磁场频谱数据的幅-频特性分析。

背景技术

为保护舰船、潜艇或其他大型武器平台上人员、武备和燃油安全，保证所载通信设备和电磁敏感设备的正常工作，需要设计、验证这些平台关键区域的电磁环境水平，即电磁场的强度。目前采取的主要手段是在舰船系泊或航行状态下，用专用仪表、设备进行辐射、传导电磁场的测试与测量，确保这些测量值处于标准所允许的安全范围内。如果发现超过标准限制，则提出整改意见，建议舰船设计、制造或设备供应单位进行电磁兼容性处理，将电磁环境控制在限定的安全范围内。

这样的方法从上个世纪80年代开始，沿用已久，并且所采用的标准也多从美军标准剪裁、修改得来，特别是安全限值的制定方法尚无定论。但是在实际测试中经常发现，由于这些现有标准是根据上个世纪60年代的装备电磁特性制定，与目前装备特性有较大的差异。并且现有舰载电力电子设备的电磁辐射特性，以及辐射源的布设方法与原有的舰船不尽一致，所测的电磁环境数据往往与现有标准限值缺乏符合性。因此，如何从测试数据中挖掘分布规律，用于表征舰船的电磁环境特性，从而确定适宜于现有舰船的电磁环境安全要求限值成为了一个重要的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种舰船电磁环境测试数据幅-频特性的分析确定方法，以获得舰船关键区域的电磁场幅-频特征定量表达方式，为确定舰船电磁环境特性，研究和修改标准限值提供参考依据。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

(A)按照现行标准规定的测试测量方法，在舰船规定的测试部位(测点)，在规定的频率范围内，按照指定带宽要求，获得测试部位的辐射发射环境的幅-频数据；对测试数据按照同型船同类测点进行分类整理后，按照如下步骤确定舰船各类测点的电磁环境特性；

(B)根据一类测点测试数据的幅度变化范围，将幅度等间隔划分为10-15个区间，统计每区间内落入的频率点数，绘制出场强分布的直方图，确定幅度的集中和分散特性；

(C)按照测试频率的跨度范围和频点数目，对测试频谱图进行分段最大值、平均值包络，简化频谱的复杂程度，简洁勾勒幅度随频率变化的特性；

(D)参考现行标准限值的频段划分方法，或根据同类测点频谱图反映出的与现行标准不同的幅度变化特性，寻找上升、下降的拐点，确定频段划分区间，对频谱数据进行分段对数线性拟合，并设立计算表达式；

(E)计算测试频谱数据幅度分布的统计描述参量，包括平均值、众数、中位数、峰度、偏度，与图形描述相结合，量化描述电磁环境数据的幅-频分布特性；

(F)对同类测点的测试数据的包络曲线、拟合线，按照频率对应关系取平均值和最大值，在测试样本量足够大的时候，即可确定同型舰船各类测点的电磁环境数据特性。

上述方案中，所述的测试部位包括舰船舱室、甲板面以及某些关键电缆、电子设备。所述的幅-频数据为电场或磁场幅-频数据，通过测试分别获得。

上述方案中，所述的场强分布的直方图的绘制方法为：将离散的幅度、频率数据统一描述为A(f)＝{a(f₁)，a(f₂)，…，a(f_j)，…，a(f_n)}，将幅度直方图分组间隔设为x，即可分为

Int (\frac{\max (A (f)) - \min (A (f))}{x}) + 1

组(其中max(A)、min(A)表示找出数据集合A中的最大值，Int(x)表示对x取整数部分)；然后纵轴标出分组区间，横轴标出频数，表示落入某个子区间的测量值数目对应的长度，在这个分组区间上作矩形。通过直方图知道分布的形状，将有助于选择适当的概括数据和分析数据的方法。

分组间隔x的设定，按照幅度跨越范围的不同，以能将幅度变化范围划分为10-15个区间为宜。根据测试数据的经验规律，通常x取为2-8。

按上述方案，所述的测试频谱图分段最大值包络是将频率分为

m = 10 \times (Int (\log (\frac{f_{n}}{f_{1}})) + 1)

个区间，取每个区间中幅度的最大值，并绘制直线，将每个区间的分段直线用垂线连接起来，即成为最大值包络线。各个区间的最大值描述为

A_peak(f′)＝{a_p(f′₁)，a_p(f′₂)，…，a_p(f′_i)，…，a_p(f′_m)}，

a_{p} (f_{i}^{'}) = \max {a (near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m})), \cdot \cdot \cdot, a (near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}))}

near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}) \leq f_{i}^{'} \leq near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m})

按上述方案，所述的测试频谱图分段平均值包络是将频率分为

m = 10 \times (Int (\log (\frac{f_{n}}{f_{1}})) + 1)

个区间，求出每个区间中幅度的平均值，并绘制直线，将每个区间的分段直线用垂线连接起来，即成为平均值包络线；各个区间平均值的描述为

A_ave(f′)＝{a_a(f′₁)，a_a(f′₂)，…，a_a(f′_i)，…，a_a(f′_m)}，

a_{a} (f_{i}^{'}) = ave {a (near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m})), \cdot \cdot \cdot, a (near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}))}

near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}) \leq f_{i}^{'} \leq near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m})

其中near(f(x))用于从A(f)＝{a(f₁)，a(f₂)，…，a(f_j)，…，a(f_n)}中寻找最接近f(x)计算结果的f_j，ave{A′(x)}用于计算分段集合{A′(x)}中所有值的平均值。

以上方法适用于线性坐标，如果频率跨度范围较大(大于2个十倍频程)，则一般采用对数坐标绘制，并且由于电磁兼容测试数据一般跨了多个十倍频程，倘若仍然采用频率均分m份的方法，在对数坐标中，将出现由宽至窄的分段包络线，在高频率段几乎无法识别，不能很好地对频谱进行图形简化描述。所以本发明提出了一种针对对数坐标数据的包络分析法。即在上述方法的基础上，按照对数坐标的物理宽度(实际绘制长度)平均分为m份，而不是将频率范围划分为m个区间。

本发明中分段对数线性拟合是按照现行标准进行分段。如果同类测点的测试数据均反映出了与现行标准不符的变化趋势，则按照测试数据的共性拐点进行分段，然后在对数坐标下按照对数线性拟合方法进行分段拟合。具体方法如下：

(1)将频谱数据按照军用标准或数据中幅度上升、下降的拐点划分将频率划分为1～3个连续区间，例如划分为三个区间：[f₁，f_a]，[f_a，f_b]，[f_b，f_n]；

(2)按照划分好的连续区间，分别对频谱数据进行分段对数线性拟合，获得拟合方程并绘制拟合曲线。例如上述三个区间，分别拟合出的方程如下：

\{\begin{matrix} y = a_{1} \lg (x) + b_{1}, f_{1} \leq x < f_{a} \\ y = a_{2} \lg (x) + b_{2}, f_{a} \leq x < f_{b} \\ y = a_{3} \lg (x) + b_{3}, f_{b} \leq x < f_{n} \end{matrix}

本发明还提出了一种分类统计分析舰船电磁环境特性的方法。将舰船电磁环境数据按照同型船同类测点分类，对各类测点得测试数据的包络曲线、拟合线，按照分段端点对应关系求幅度的最大值和平均值，在测试样本量足够大的时候(建议大于100)，即可描述同型舰船各测点的电磁环境数据特性。

其中，最大值可用于指导适宜于现代舰船电磁环境特性的标准限值的制定，平均值可用于衡量现代舰船电磁环境的平均水平。

同时由于舰船在进行电磁兼容测试试验中发现了问题，对同型船进行了不断改进，所以从数据分布的相关性中还可以发现改进后的舰船电磁环境特性的改善或受影响程度。

本发明提出了一种基于统计数学的电磁环境特性分析确定方法，通过所提出的方法统计、分析、比对、研究舰船电磁环境数据，由图形和数值描述，能较好的量化表达舰船电磁环境测试数据的幅-频特性，获得舰船关键区域的电磁场幅-频特征定量表达方式，为确定舰船电磁环境特性，研究并修改我国相关标准限值提供参考依据。

附图说明

图1为本发明一个实施例的场强直方图示。

图2为本发明一个实施例的最大包络线图示。

图3为本发明一个实施例的平均包络线图示。

图4为本方明一个实施例的包络作用图示。

图5为本发明一个实施例的频谱对数线性拟合曲线图示。

图6为本发明一个实施例按照曲线趋势进行对数线性拟合曲线图示。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

按照现行标准规定的辐射电磁环境测试方法(例如HJB34-90)，在舰船规定的测试部位(测点)，采用符合要求的测量仪表及配件，在规定的频率范围内，按照指定带宽要求，获得舰船舱室、甲板面的辐射电磁环境幅-频数据，以及某些关键电缆、电子设备的辐射发射环境的幅-频数据。对测试数据按照同型船同类测点进行分类整理后，按照如下步骤确定舰船各类测点的电磁环境特性。

对于某类测点的一组示例数据A(f)，计算出其中最大幅度值为max(A)＝114.166，最小幅度值为min(A)＝62.5。测试范围中最低频率为f₁＝20，最高频率为f_n＝400，按照本发明的方法，若设置幅度分组间隔为5，则可将本组示例数据的幅度跨度分为

Int (\frac{114.166 - 62.5}{5}) + 1 = 11

组，然后纵轴标出分组区间，横轴标出频数，表示落入某个子区间的测量值数目对应的长度，在这个分组区间上作矩形，绘制出该测试频谱数据的幅-频分布状态的直方图。如图1所示。由图可知，在20-400频率范围内，扫描测试了601个频率点，而幅度落入87.5-92.5这个区间内的频点数目最多，达到191个。并且大部分频率点的幅度都集中在72.5至102.5之间。少量频率点的幅度分散在其他数值区间。

按照本发明中提出的分段包络方法，在对数坐标中，将横坐标的长度分为

m = 10 \times (Int (\log (\frac{f_{n}}{f_{1}})) + 1) = 10 \times (Int (\log (\frac{400}{20})) + 1) = 20

个区间，取每个区间中所覆盖的测试频点幅度的最大值，并求出每个区间中幅度的平均值，并分别绘制直线；将每个区间的分段直线用垂线连接起来，即分别成为最大值包络线和平均值包络线，分别如图2和图3所示。包络对于存在电磁干扰的频谱数据有着重要的作用。其中平均值可用于消除干扰频率对总体分布的影响，客观衡量电磁环境的水平；最大值包络则可以提取出电磁危害量值，为制定电磁辐射危害等标准提供手段。图4是另一类测点测试数据的包络所反映出来干扰和危害特性。

本发明中分段对数线性拟合是按照现行军用标准进行分段。如果同类测点的测试数据均反映出了与军用标准不符的变化趋势，则按照测试数据的共性拐点进行分段，然后按照对数线性拟合方法进行分段拟合。本实施例将示例数据按照标准分成两个区间，[20，60]和[60，400]，计算出的频谱拟合曲线方程所示：

\{\begin{matrix} y = - 13.271 gx + 123.12,20 \leq x < 60 \\ y = - 16.881 gx + 126.8,60 \leq x \leq 400 \end{matrix}

拟合曲线如图5所示。

实际上该类测点的数据并未在60这个频率点上表现出明显的趋势改变特性，即60并非目前电磁环境特性所表现出来的拐点，在20-400频率范围内，应该用一个连续区间进行拟合，即[20，400]，拟合方程如下所示：

y＝-18.291gx+130.17，20≤x≤400

拟合曲线如图6所示。

本发明还提出了一种分类统计分析并确定舰船电磁环境特性的方法。将舰船电磁环境数据按照同型船同类测点分类，对各类测点得测试数据的包络曲线、拟合线，按照分段端点对应关系求幅度的最大值和平均值，在测试样本量足够大的时候(建议大于100)，即可描述同型舰船各测点的电磁环境数据特性。

Claims

1、一种舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于

(A)按照现行标准规定的测试测量方法，在舰船规定的测试部位，在规定的频率范围内，按照指定带宽要求，获得测试部位的辐射发射环境的幅-频数据；对测试数据按照同型船同类测点进行分类整理后，按照如下步骤确定舰船各类测点的电磁环境特性；

2、按权利要求1所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的场强分布的直方图的绘制方法为：将离散的幅度、频率数据统一描述为A(f)＝{a(f₁)，a(f₂)，…，a(f_j)，…，a(f_n)}，将幅度直方图分组间隔设为x，即可分为

Int (\frac{\max (A (f)) - \min (A (f))}{x}) + 1

组；然后纵轴标出分组区间，横轴标出频数，表示落入某个子区间的测量值数目对应的长度，在这个分组区间上作矩形，x取为2-8。

3、按权利要求1所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的测试频谱图分段最大值包络是将频率分为

m = 10 \times (Int (\log (\frac{f_{n}}{f_{1}})) + 1)

个区间，取每个区间中幅度的最大值，并绘制直线，将每个区间的分段直线用垂线连接起来，即成为最大值包络线；各个区间的最大值描述为

a_{p} (f_{i}^{'}) = \max {a (near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m})), \cdot \cdot \cdot, a (near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}))}

near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}) \leq f_{i}^{'} \leq near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}) .

4、按权利要求1所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的测试频谱图分段平均值包络是将频率分为

m = 10 (Int (\log (\frac{f_{n}}{f_{1}})) + 1)

a_{a} (f_{i}^{'}) = ave {a (near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m})), \cdot \cdot \cdot, a (near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}))}

near (f_{1} + (i - 1) \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}) \leq f_{i}^{'} \leq near (f_{1} + i \cdot \frac{f_{n} - f_{1}}{m}) .

5、按权利要求1所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的分段对数线性拟合是按照现行标准进行分段，或按照测试数据的共性拐点进行分段，然后在对数坐标下按照对数线性拟合方法进行分段对数线性拟合。

6、按权利要求5所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的分段是将频率划分为1～3个连续区间。

7、按权利要求1所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的测试部位包括舰船舱室、甲板面以及关键电缆、电子设备。

8、按权利要求1所述的舰船电磁环境特性分析确定方法，其特征在于所述的幅-频数据为电场或磁场幅-频数据，通过测试分别获得。