CN102567610A - 一种基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法，它适合ESD、NEMP、LEMP、HPM、UWB等具有瞬时性、宽频带、高场强、作用范围大特点的瞬变电磁场电磁耦合建模需求。特征在于：利用电磁耦合过程前后可观测的实验数据进行瞬时建模；输入数据为开始辐照进入EUT的强电磁脉冲信号(ESD、NEMP、LEMP、HPM、UWB)，输出数据为EUT上感生的电压信号；电磁耦合过程输入、输出是同步测得的时间序列。模型结构采用二阶或高阶Volterra核函数，以满足不同非线性程度系统建模的需要。频域辨识算法为高阶谱估计。该方法为解决复杂的强电磁脉冲电磁耦合建模问题开辟了一条全新的途径。

Description

一种基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法

所属技术领域

本发明涉及一种基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法，它适合ESD、NEMP、LEMP、HPM、UWB等具有瞬时性、宽频带、高场强、作用范围大特点的瞬变电磁场电磁耦合建模需求。

背景技术

电磁脉冲效应评估包括实验测试和效应仿真两方面，EMP效应仿真已成为国内外电磁兼容领域的研究热点，而电磁耦合模型研究是开展EMP效应仿真研究、防护设计、实现系统电磁兼容性的前提，对于提高电子系统的安全性、可靠性具有重要意义。但已有的研究成果远不能满足EMP方针研究需要，主要体现在：

(1)耦合路径多样性、机理的复杂性使得基于机理的理论建模日益困难；

(2)建模仿真研究对象主要集中于电缆、孔缝、器件等较简单目标上，对于复杂系统实现难度较大；

(3)耦合模型线性化、简单化、而模型参数估计缺少足够的先验知识，仿真结果与实际存在较大差距。

因此，探索行之有效的EMP能量耦合建模和效应仿真新方法，是EMP防护工程的迫切需要。

基于数据的辩识建模方法可以有效解决上述问题，该方法通过实验测取强电磁脉冲耦合到EUT前后的数据，利用频谱估计方法辨识系统的Volterra核函数模型。该方法的优点一方面在于测取强电磁脉冲耦合到EUT前后的数据较为容易，与机理分析法相比，不需要较多的关于EUT的先验知识；另一方面二阶或高阶Volterra核函数模型可以有效解系统不同非线性程度给建模带来的影响，非线性系统的Volterra时域、频域核它不依赖于系统的输入，因而能够完全反映系统的本质特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法，解决机理建模方法在EUT结构复杂、电磁耦合路径多样、非线性耦合强等条件下电磁耦合建模存在的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法主要是针对ESD、NEMP、LEMP、HPM、UWB等5中强电磁脉冲电磁耦合建模需求，分析确定EUT(典型电子设备)输入输出端口变量，通过强电磁脉冲辐照实验测取输入输出数据，利用频谱估计方法建立电磁耦合过程的Volterra核函数模型。

技术特征在于：利用电磁耦合过程前后可观测的实验数据进行瞬时建模；电磁耦合过程输入、输出是同步测得的时间序列。模型结构采用Volterra二阶或高阶核，以满足不同非线性程度系统建模的需要。频域辨识算法为高阶谱估计，从而解决了自谱估计的局限性，使频域辨识的实用性大大增强。

本发明的有益结果在于：基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法可以应用于耦合路径多样、耦合机理复杂、耦合过程非线性因素强烈的强电磁脉冲建模实际之中；建模对象可以从电缆、孔缝、器件等较简单目标向大型复杂系统转变；实验数据获取较为容易，不需要较多的先验知识使得该方法简单易行，从而为解决复杂的强电磁脉冲电磁耦合建模问题开辟了一条全新的途径。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

附图1基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模流程图；

附图2基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模实验设计；

附图3 UWB条件下，测得输入输出实验数据；

附图4强电磁脉冲电磁耦合二阶Volterra核函数模型结构。

具体实施方式

如图1和2，第一步，分析确定EUT的输入输出端口的可观测时间序列，这里先将EUT视作弱非线性系统，将开始辐照进入EUT的强电磁脉冲信号(ESD、NEMP、LEMP、HPM、UWB)U作为输入，将EUT上感生的电压信号V作为输出，如图3所示。

第二步，有了输入输出数据，强电磁脉冲电磁耦合过程可以用Volterra级数表述为：

$v\left(t\right)=v_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{v}_n\left(t\right)+e\left(t\right)$

${=v}_0+{\∫}_{-\∞}^{\∞}{h}_1\left(\mathrm{\τ}\right)u(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}+{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{h}_2({\mathrm{\τ}}_1,{\mathrm{\τ}}_2)\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Π}}}u(t-{\mathrm{\τ}}_i)d{\mathrm{\τ}}_i$

$+\·\·\·+{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\·\·\·{\∫}_{-\∞}^{\∞}{h}_n({\mathrm{\τ}}_1,{\mathrm{\τ}}_2,\·\·\·,{\mathrm{\τ}}_n)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}u(t-{\mathrm{\τ}}_i)d{\mathrm{\τ}}_i+e\left(t\right)$

u(t)是系统输入；v(t)是系统输出；v_n(t)是系统的第n阶输出响应；h₁(τ₁)为系统一阶线性核，它是传统的线性单位脉冲响应；h₂(τ₁，τ₂)为时间τ₁和延迟τ₁-τ₂的两维函数，是系统两个相互独立的单位脉冲在不同时刻的响应；h_n(τ₁，τ₂，…，τ_n)为系统第n阶时域Volterra核函数，它反映了系统的基本特征和综合效应。阶数n反映了系统的非线性程度，随着阶数的增加，Volterra级数逼近系统真实模型程度加大。e(t)为逼近误差，也即截尾误差。

第三步，对强电磁脉冲耦合过程的Volterra级数时域表示形式进行多维傅立叶变换，同时对其进行离散化，结果得到n阶频域核函数表达式，其中二阶核函数结构如图4所示。

$H_1\left(\mathrm{\ω}\right)=H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{V\left(\mathrm{\ω}\right)}{U\left(\mathrm{\ω}\right)}$

$H_2({\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2)=\frac{V_2({\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2)}{U\left({\mathrm{\ω}}_1\right)U\left({\mathrm{\ω}}_2\right)}$

……

$H_n({\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2,\·\·\·{\mathrm{\ω}}_n)=\frac{V_n({\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2,\·\·\·{\mathrm{\ω}}_n)}{U\left({\mathrm{\ω}}_1\right)U\left({\mathrm{\ω}}_2\right)\·\·\·U\left({\mathrm{\ω}}_n\right)}$

第四步，高阶谱估计的核函数频域辨识(模型阶数以2阶为例)。

输出v(t)与输入u(t)的互谱为：

S_vu(ω)＝E{V(ω)U^*(ω)}＝H(ω)E{U(ω)U^*(ω)}＝H(ω)P_u(ω)

输入输出信号的三阶互谱累积量为：

S_vuu(ω₁，ω₂)＝2H(ω₁，ω₂)S_uu(ω₁)S_uu(ω₂)+S_uu(ω₂)δ(ω₁+ω₂)E{v(t)}

则电磁耦合模型表述为

。

Claims (2)

1.一种基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法，其特征是：强电磁脉冲主要包括静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)、核电磁脉冲(Nuclear Electromagnetic Pulse，NEMP)、雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP)、高功率微波(High Power Microwave，HPM)、超宽谱(Ultra-wide Band，UWB)等5种形式的瞬变电磁场皆在本专利保护范围内。

2.根据权利要求1所述的一种基于数据的强电磁脉冲电磁耦合建模方法，其特征是：利用强电磁脉冲以辐照的形式作用于受试设备(EUT)，采集EUT输入输出端口数据，按照Volterra核函数理论，利用频谱估计方法建立EUT强电磁脉冲电磁耦合过程的辨识模型。模型结构采用的是Volterra二阶或更高阶核函数，依据Volterra级数理论衍生出的核函数亦受本专利保护。

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