CN101661686B - 舰面复合电磁环境的实验室模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰船复合电磁环境的实验室模拟方法，根据能量守恒定律，对现有的基于缩尺船模技术的单个辐射源电磁环境预测方法进行改进，充分利用了虚拟仪器技术同时控制多套信号辐射装置，实现多天线以不同的频率同时工作，获取了舰面复合场的电磁环境分布特性。本发明能够对多个辐射源工作时的电磁环境分布特性进行预测；采用相对较小的功率，在实验室条件下模拟了先前获取的实船电磁环境，大大节省了功率放大器的投资；为检验待测装备在复杂电磁环境下的作战效能提供了测试手段和方法。

Description

舰面复合电磁环境的实验室模拟方法

技术领域

本发明涉及一种舰船复合电磁环境的实验室模拟方法。

背景技术

现代武器平台上经常会出现多副天线同时工作的情况。工作在不同频率的多个辐射源共同作用会形成复合场。对舰船而言，复合场现象是一种极为普遍的现象。充分考虑舰上多副天线以不同的频率同时发射时，产生的恶劣电磁环境并对设备、系统的电磁环境效应进行预测，有利于解决工程电磁兼容性设计中出现的许多问题。然而，现有的缩尺模型测试技术和基于计算电磁学的数值仿真技术都只能对单一辐射源工作时的电磁环境分布特性进行预测。同时，在实验室条件下开展设备、系统电磁环境效应试验时，模拟的电磁环境都是现行标准中给出的环境，无法真实、全面的反映战场电磁环境特性。

随着舰船装舰的电子设备和武备系统的数量增加、舰面空间电磁环境的日益复杂，准确预测平台的电磁环境分布特性、并在实验室条件下模拟上述电磁环境，分析设备、系统的电磁环境效应，是构建战场威胁电磁环境的一个重要环节，为信息化条件下的合同战术训练提供基础和保障，是检验信息化战场上装备对复杂电磁环境的作战效能以及部队对作战的适应性的关键，能有效地提高部队的生存能力和作战能力。因此，如何准确预测舰面复合电磁环境，如何在实验室条件下产生电场强度至少在200V/m以上的强射频电磁环境，用于寻找武器装备抗电磁危害的薄弱环节，是提高我国平台的电磁兼容设计和电磁防护技术水平的一道难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种舰船复合电磁环境的实验室模拟方法，能够对多个辐射源工作时的电磁环境分布特性进行预测。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种舰面复合电磁环境的实验室模拟方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：

A、基于天线设计理论中的缩比原理而建立的缩尺船模技术，将舰船整体按1∶N的比例缩小制成缩尺模型并将其置于模拟的海平面上，N为缩比系数，配置信号辐射装置，将信号辐射装置中的发射天线布置在缩尺模型舰面，实现多天线以不同的频率同时工作，信号辐射装置测试缩尺模型电场强度，其中发射天线为实船天线按1∶N的比例缩小制成；

B、由舰船缩尺模型电场强度、模型天线辐射功率、实船天线辐射功率推算出实船多天线辐射工况下对应舰面区域的电场强度，其中实船天线辐射功率可按实际要求而设定，模型天线辐射功率为信号辐射装置中发射天线的辐射功率；

C、根据不同测试频率、发射天线、天线布置方式和测试高度等不同的测试工况下获取的实船舰面电磁环境分布特性，分别绘出相应的舰面区域等场强线；

D、根据获得的实船舰面电磁环境分布特性，利用混响室设置模拟配置系统，模拟实船舰面复合场。

按上述方案，所述的信号辐射装置分为控制单元、发射单元和采集单元三部分；控制单元包括计算机和采集卡，负责控制发射单元按照指定的频率同时工作；将发射单元中的发射天线设置在所述的缩尺模型上；采集单元由电场探头组成，分别将它们布置在缩尺模型的不同测试区域，采集电磁环境的电平数据，通过电缆传输给控制单元进行处理、分析并换算成实船复合场。

按上述方案，所述的模拟配置系统分为环境模拟单元、计算机、发射单元和监测单元四部分；计算机用于控制发射单元按指定的频率工作并产生设定的电场强度；环境模拟单元由混响室和与发射单元相联接的发射天线组成，用于产生预测的舰面复合电磁环境；监测单元由电场探头和光纤场强计构成，用于监测混响室内电磁环境的电平数据。

按上述方案，取舰面任意一点A，通过所绘制的所述对应舰面区域等场强线找出A点的场强E；调节所述的模拟配置系统，在混响室内产生A点的复合电磁环境。

按上述方案，缩尺模型复合场与实际舰面空间的复合场之间的转换关系式为： $E_T=\frac{E_M}{N}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Ti}}/\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Mi}}},$ 其中E_T为实际舰面空间电场，E_M为模型天线电场，N为缩比系数，p为复合场测试中发射天线的数量；P_Ti为第i副实际天线的辐射功率(i＝1，2，…，p)；P_Mi为第i副模型天线的辐射功率(i＝1，2，…，p)。

本发明的工作原理是：根据能量守恒定律，对现有的基于缩尺船模技术的单个辐射源电磁环境预测方法进行改进，充分利用了虚拟仪器技术，实现多天线以不同的频率同时工作，获取了舰面复合场的电磁环境分布特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、能够对多个辐射源工作时的电磁环境分布特性进行预测；2、采用相对较小的功率，在实验室条件下模拟了先前获取的实船电磁环境，大大节省了功率放大器的投资；3、为检验待测装备在复杂电磁环境下的作战效能提供了测试手段和方法。

附图说明

图1为信号辐射装置结构示意图

图2为舰面区域等场强线示例图

图3为模拟配置系统配置图

具体实施方式

图1为信号辐射装置结构示意图，信号辐射装置分为控制单元、发射单元和采集单元三部分；控制单元包括计算机和采集卡；发射单元由信号源、放大器、功率计、两个衰减器、双定向耦合器、负载和发射天线组成，信号源输出的信号经放大器、双定向耦合器和衰减器传输给测试天线，功率计通过GPIB总线与信号源相联接，并经过另一个衰减器与双定向耦合器相联接，双定向耦合器还联接有负载，其中发射单元可以为多个，本实施例中为两个；采集单元由电场探头组成，电场探头通过接线端子通过电缆与采集卡相联接，电场探头的个数视需要增加或减少。

基于天线设计理论中的缩比原理而建立的缩尺船模技术，将舰船整体按某一比例缩小制成缩尺模型并将其置于模拟的海平面上，将发射单元中的发射天线设置在所述的缩尺模型上；控制单元控制发射单元实现多天线以不同的频率同时工作；分别将电场探头布置在缩尺模型的不同测试区域，采集电磁环境的电平数据，通过电缆传输给控制单元进行处理、分析并换算成实船复合场。

由舰船缩尺模型电场强度、模型天线辐射功率、实船天线辐射功率推算出实船多天线辐射工况下对应舰面区域的电场强度，其中实船天线辐射功率可按实际要求而设定，模型天线辐射功率为信号辐射装置中发射天线的辐射功率。模型的复合场与实际舰面空间的复合场之间的转换关系为： $E_T=\frac{E_M}{N}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Ti}}/\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Mi}}},$ 其中，E_T为实际舰面空间电场；相对原尺寸天线把模型天线的尺寸缩小N倍(N为缩比系数)，模型天线电场为E_M；p为复合场测试中发射天线的数量；P_Ti为第i副发射天线的辐射功率(i＝1，2，…，p)；P_Mi为第i副模型天线的辐射功率(i＝1，2，…，p)。

模型天线辐射功率P_M为信号辐射装置中发射天线的辐射功率，它是通过功率计功率P_功率计、通路电缆损耗P_通路、入射回路电缆损耗P_入射和天线反射系数Γ推算出来的，关系式为P_M＝(P_功率计-P_入射+P_通路)×(1-Γ²)；其中功率计功率P_功率计已知，通路电缆损耗P_通路、入射回路电缆损耗P_入射和天线反射系数Γ分别通过矢量网络分析仪测出。

假定某舰船1号发射天线和2号发射天线同时工作，距离甲板面c米高度处的一块区域需要进行复合电磁场强度测试。其中，1号发射天线的工作频率为aHz，2号发射天线的工作频率为bHz，且a≠b。采用上述方法可获取该测试工况下的舰面复合电磁环境分布特性，即可绘制出相应的舰面测试区域等场强线，如图2所示，所示等场强线是对电场的量度。图2中的E₁，E₂，…，E_i，…E_n(i＝1，2，…，n)表示舰面空间不同测试区域的电场强度，单位为V/m。多次测试数据表明等场强线形状的不规则性，这也表明了预测舰面复合电磁环境的困难性。通过舰面区域等场强线可以清楚地掌握不同工况下，舰面电磁环境的分布特性。

图3为模拟配置系统配置图，模拟配置系统分为环境模拟单元、计算机、发射单元和监测单元四部分；计算机用于控制发射单元按指定的频率工作并产生设定的电场强度；发射单元的结构和个数均与信号辐射装置的发射单元一致；发射单元中的发射天线设置在混响室中，组成环境模拟单元，用于产生预测的舰面复合电磁环境；监测单元由电场探头和光纤场强计构成，电场探头监测的数据经光纤场强计输入计算机，用于监测混响室内电磁环境的电平数据。

假设图2中的A点为某武备区域，该区域的电场强度为E₇＝dV/m。图3中的3号发射天线和4号发射天线同时工作，在混响室内模拟A点的复合电磁环境，即混响室内部场强达到E₇。

本实施例为预测两个辐射源工作时的电磁环境分布特性的方法，多个辐射源工作时的电磁环境分布特性的预测方法与本实施例原理相同，只是相应的增加或减少发射单元即可。

采用上述方法可对人员、武备、燃油、敏感电子设备等关键区域，在混响室内模拟这些关键区域的复合电磁环境，尤其是超过现行军用标准规定的电磁环境限值的区域。进行舰载设备或系统处于复合电磁环境下的电磁环境效应测试时，可根据舰面区域等场强线示意图，对于电场强度在同一数量级的同类型区域，选取典型工况进行测试，可提高舰面复合电磁环境的实验室模拟测试效率。

Claims (4)

1.一种舰面复合电磁环境的实验室模拟方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：

A、基于天线设计理论中的缩比原理而建立的缩尺船模技术，将舰船整体按1∶N的比例缩小制成缩尺模型并将其置于模拟的海平面上，N为缩比系数，配置信号辐射装置，将信号辐射装置中的发射天线布置在缩尺模型舰面，实现多天线以不同的频率同时工作，信号辐射装置测试缩尺模型电场强度，其中发射天线为实船天线按1∶N的比例缩小制成；

B、由舰船缩尺模型电场强度、模型天线辐射功率、实船天线辐射功率推算出实船多天线辐射工况下对应舰面区域的电场强度，其中实船天线辐射功率可按实际要求而设定，模型天线辐射功率为信号辐射装置中发射天线的辐射功率；

缩尺模型复合场与实际舰面空间的复合场之间的转换关系式为：

其中E_T为实际舰面空间电场，E_M为模型天线电场，N为缩比系数，p为复合场测试中发射天线的数量；P_Ti为第i副实际天线的辐射功率，P_Mi为第i副模型天线的辐射功率，其中i＝1，2，…，p；

C、根据不同测试频率、发射天线、天线布置方式和测试高度获取的实船舰面电磁环境分布特性，分别绘出相应的舰面区域等场强线；

D、根据获得的实船舰面电磁环境分布特性，利用混响室设置模拟配置系统，模拟实船舰面复合场。

2.根据权利要求1所述的舰面复合电磁环境的实验室模拟方法，其特征在于：所述的信号辐射装置分为控制单元、发射单元和采集单元三部分；控制单元包括计算机和采集卡，负责控制发射单元按照指定的频率同时工作；将发射单元中的发射天线设置在所述的缩尺模型上；采集单元由电场探头组成，分别将它们布置在缩尺模型的不同测试区域，采集电磁环境的电平数据，通过电缆传输给控制单元进行处理、分析并换算成实船复合场。

3.根据权利要求1所述的舰面复合电磁环境的实验室模拟方法，其特征在于：所述的模拟配置系统分为环境模拟单元、计算机、发射单元和监测单元四部分；计算机用于控制发射单元按指定的频率工作并产生设定的电场强度；环境模拟单元由混响室和与发射单元相联接的发射天线组成，用于产生预测的舰面复合电磁环境；监测单元由电场探头和光纤场强计构成，用于监测混响室内电磁环境的电平数据。

4.根据权利要求1或2或3所述的舰面复合电磁环境的实验室模拟方法，其特征在于：取舰面任意一点A，通过所绘制的所述对应舰面区域等场强线找出A点的场强E；调节所述的模拟配置系统，在混响室内产生A点的复合电磁环境。

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