CN103869198A - 一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，包括步骤1：初步拓扑分解；步骤2：构造电磁作用树状图；步骤3：简化电磁作用树状图；本发明利用电磁作用树状图可以很好地梳理明确飞机内部的电磁作用交互关系；本发明通过大量的先验知识，如线缆耦合解析式、孔缝耦合的等效计算等，可以对各个传输路径进行初步预判，省去巨大繁琐的计算量；本发明在保证一定精度下，去除一些阶数较多、耦合影响较小的传输路径，得到简化后的电磁作用树状图。

Description

一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法

技术领域

本发明涉及一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，适用于飞机内部关键电子设备电磁环境模拟的构建，从而为关键电子设备准确有效的电磁兼容性预测评估提供一个较为真实的电磁环境。

背景技术

现今飞机机内电磁环境十分复杂，干扰源数量繁多，耦合路径交叠错杂，很难梳理好各空间的交互关系，找出占主导地位的耦合路径。飞机机内电磁环境的模拟是一个较难解决的问题。原因有以下三点：（1）机内干扰源种类繁多，干扰形式多样，如无线电发射设备的谐波、交调干扰、电源调压器、逆变器、电感性电气设备的瞬态干扰等；（2）考虑机身重量，多数线缆缺少屏蔽层防护，同时大量线缆捆扎成束，极易造成线缆间无意的电磁耦合，并且机内线缆数量庞大和网络复杂，给场线、线线耦合干扰的分析带来较大难题；（3）机内舱体存在不完整屏蔽，会有通道、观察窗、通风散热孔、接口缝隙等，电子设备可能也有多层屏蔽，还可能与外部电路有多路连接，电磁能量耦合到电子设备的途径存在多种可能性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，通过梳理飞机内电磁干扰交互关系，找出占主导地位的耦合路径和干扰源，从而实现快速准确地模拟机内电磁环境。在模拟机内电磁环境的条件下，可以进行有效的电磁兼容性预测评估，避免飞机内部电子设备电磁兼容性的“欠设计”和“过设计”。

一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，包括以下几个步骤：

步骤1：初步拓扑分解；

根据飞机内部隔舱，将飞机内部空间分割为若干个子空间，设每个子空间形成一个封闭曲面，封闭曲面即为屏蔽层，对各个子空间进行编号标识，设V_i,j表示一个子空间，i表示子空间所属的屏蔽层次，j用于区分同一屏蔽层次下不同的子空间；

屏蔽层次表示外部电磁信号到达设备端口经屏蔽层的个数；

最后，得到飞机机舱的拓扑分解图；

步骤2：构造电磁作用树状图；

在步骤1的飞机机舱的拓扑分解图基础上，得到干扰源发出的电磁信号到达被试设备的电磁能量耦合路径，设电磁信号经过电磁能量耦合路径产生的能量损耗用传输函数表示，构造出被试设备的电磁作用树状图，得到被测设备耦合的电磁能量；

设被测设备耦合的电磁能量为P_r，第n个干扰源发射的电磁信号能量为P_tn，其中n∈[1,N]，N为干扰源的个数；设第n个干扰源通过M个电磁能量耦合路径到达被测设备，其中第m个电磁能量耦合路径的传输函数为T_mn，则第n个干扰源经过第m个电磁能量耦合路径到达被测设备的电磁能量为P_rmn，用公式表示为P_rmn＝P_tnT_mn；

被测设备耦合的电磁能量P_r为：

$P_r=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{tn}}{T}_{\mathrm{mn}}$

步骤3：简化电磁作用树状图；

贡献率表示单个干扰源经过单一耦合路径到达被测设备的电磁能量与被测设备耦合的总电磁能量的比值；设第n个干扰源经过第m个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率为X_mn，则贡献率X_mn为：

$X_{\mathrm{mn}}=\frac{P_{\mathrm{rmn}}}{P_r}$

设去除贡献率小的电磁能量耦合路径的判断阈值为S；

当第n个干扰源经过第m个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率X_mn满足下述条件时，第m个耦合路径将会被去除：

X_mn＜S

最后，得到简化的电磁作用树状图。

本发明的优点在于：

（1）利用电磁作用树状图可以很好地梳理明确飞机内部的电磁作用交互关系；

（2）通过大量的先验知识，如线缆耦合解析式、孔缝耦合的等效计算等，可以对各个传输路径进行初步预判，省去巨大繁琐的计算量；

（3）在保证一定精度下，去除一些阶数较多、耦合影响较小的传输路径，得到简化后的电磁作用树状图。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明实施例中飞机机舱的拓扑分解图；

图3是本发明实施例中飞机机舱的实际电磁能量交互作用路径图；

图4是本发明实施例中拓扑表示的电磁作用树状图；

图5是本发明实施例中简化后的电磁作用树状图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤1：初步拓扑分解；

根据飞机内部隔舱（例如驾驶舱、设备舱等），将飞机内部空间分割为若干个子空间，设每个子空间形成一个封闭曲面，封闭曲面即为屏蔽层，对各个子空间进行编号标识，设V_i,j表示一个子空间，i表示子空间所属的屏蔽层次，j用于区分同一屏蔽层次下不同的子空间。

屏蔽层次表示外部电磁信号到达设备端口经屏蔽层的个数。

屏蔽层上设有孔缝，当孔缝尺寸

时，则屏蔽层两侧空间视为一个空间，其中，f_s表示入射电磁场的最高频率，L表示屏蔽层孔缝尺寸，c表示光速。

最后，得到飞机机舱的拓扑分解图；

步骤2：构造电磁作用树状图；

在步骤1的飞机机舱的拓扑分解图基础上，得到干扰源发出的电磁信号到达被试设备的电磁能量耦合路径，设电磁信号经过电磁能量耦合路径产生的能量损耗用传输函数表示，构造出被试设备的电磁作用树状图，得到被测设备耦合的电磁能量。

设被测设备耦合的电磁能量为P_r，第n个干扰源发射的电磁信号能量为P_tn，其中n∈[1,N]，N为干扰源的个数；设第n个干扰源可以通过M个电磁能量耦合路径到达被测设备，其中第m个电磁能量耦合路径的传输函数为T_mn，则第n个干扰源经过第m个电磁能量耦合路径到达被测设备的电磁能量为P_rmn，用公式表示为P_rmn＝P_tnT_mn。

所以，被测设备耦合的电磁能量P_r为：

$P_r=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{tn}}{T}_{\mathrm{mn}}$

其中，从V_i,j传输到V_i',j'的传输函数可记为T_i,j;i',j'，若V_i,j传输到V_i',j'的耦合路径有两条，则在传输函数上加上上标进行区分，记为

同一屏蔽层上的多个孔缝归纳为同一个孔缝耦合路径；

电磁能量耦合路径包括孔缝耦合、天线耦合、线缆传导耦合等等。

步骤3：简化电磁作用树状图；

贡献率表示单个干扰源经过单一耦合路径到达被测设备的电磁能量与被测设备耦合的总电磁能量的比值。

设第n个干扰源经过第m个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率为X_mn，则贡献率X_mn为：

$X_{\mathrm{mn}}=\frac{P_{\mathrm{rmn}}}{P_r}$

设去除贡献率小的电磁能量耦合路径的判断阈值为S，S的大小需要结合工程实际应用的精度来确定，一般可以取值为0.02左右。

当第n个干扰源经过第m个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率X_mn满足下述条件时，，第m个耦合路径可以被去除：

X_mn＜S

经过一系列的比较判断后，得到简化的电磁作用树状图。

为了准确评估被测设备的电磁兼容性，避免被测设备电磁兼容性的“过设计”或“欠设计”，需要模拟被测设备周围的电磁环境，对被测设备进行电磁兼容性测试评估。根据简化的电磁作用树状图，可以找出被测设备的占主导地位的电磁能量耦合路径，简化被测设备的电磁环境模拟的复杂性。

实施例：

针对某飞机机舱进行飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，具体为：

步骤1：初步拓扑分解。

对某飞机机舱进行初步拓扑分解，如图2所示，其中V_1,1和V_1,2表示飞机机舱内分隔的两个前后舱室，V_2,1表示V_1,1中的航电设备屏蔽隔舱，V_2,2表示V_1,2中发电机屏蔽舱，V_3,1和V_3,2表示V_2,1中的两个航电设备，两者通过信号线相连，并且设备1与机舱外的天线相连，发电机舱内的发电机通过电源线与航电设备舱内的两个设备相连接，以为其供电。在此拓扑分解图中，V_1,1，V_1,2之间、V_2,1，V_2,2之间、V_3,1，V_3,2之间属于并列关系；V_1,1，V_2,1，V_3,1之间、V_1,1，V_2,1，V_3,2之间、V_1,2，V_2,2之间属于嵌套关系。

步骤2：构造电磁作用树状图；

设设备1为被试设备，设备2为机内干扰源；

图3为本实施例中被试设备的电磁能量耦合路径图，构造出被试设备的电磁作用树状图，如图4所示，P_r表示为设备1耦合的电磁能量，P_t1表示为机舱外的入射电磁信号能量，P_t2表示为发电机对外的传导干扰信号能量，P_t3表示为设备2对外的干扰信号能量。舱外的电磁干扰信号会从多层屏蔽表面的孔缝和线缆耦合到设备1。设备2的干扰信号可以经信号线传导至设备1，也可能通过孔缝耦合至设备1，两种耦合路径的传输函数分别定义为发电机的传导干扰会经电源线传导到设备1，其所在子空间内的电磁干扰也会经电源线耦合至设备1，耦合路径的传输函数分别定义为

子空间V_2,1内的电磁干扰可以通过孔缝或线缆耦合到设备1，耦合路径的传输函数分别定义为

因此，设备1耦合的电磁能量P_r可以表示为：

$\begin{array}{c}{P}_r=P_{t1}\·T_{\mathrm{0,0};\mathrm{3,1}}+P_{t1}\·T_{\mathrm{0,0};\mathrm{1,1}}\·T_{\mathrm{1,1},;\mathrm{2,1}}\·T_{\mathrm{2,1};\mathrm{3,1}}^1+P_{t1}\·T_{\mathrm{0,0};\mathrm{1,1}}\·T_{\mathrm{1,1};\mathrm{2,1}}\·T_{\mathrm{2,1};\mathrm{3,1}}^2\\ +P_{t1}\·T_{\mathrm{0,0};\mathrm{1,2}}\·T_{\mathrm{1,2};\mathrm{2,2}}\·T_{\mathrm{1,2};\mathrm{2,2}}\·T_{\mathrm{2,2};\mathrm{3,1}}^2+P_{t2}\·T_{\mathrm{2,2},;\mathrm{3,1}}^2+P_{t2}\·T_{\mathrm{2,2};\mathrm{3,1}}^2+P_{t3}\·T_{\mathrm{3,1};\mathrm{3,2}}^1+P_{t3}\·T_{\mathrm{3,1};\mathrm{3,2}}^2\\ =P_{t1}\·T_{11}+P_{t1}\·T_{21}+P_{t1}\·T_{31}+P_{t1}\·T_{41}+P_{t2}\·T_{12}+P_{t2}\·T_{22}+P_{t3}\·T_{13}+P_{t3}\·T_{23}\end{array}$

步骤3：简化电磁作用树状图；

分别计算并比较每个干扰源经过每个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率与判断阈值S的大小关系，此处判断阈值S取值为0.02。

$X_{11}=\frac{P_{t1}{T}_{11}}{P_r}>S,X_{21}=\frac{P_{t1}{T}_{21}}{P_r}<S{X}_{31}=\frac{P_{t1}{T}_{31}}{P_r}<S,X_{41}=\frac{P_{t1}{T}_{41}}{P_r}<S{X}_{12}=\frac{P_{t2}{T}_{12}}{P_r}>S$ $X_{22}=\frac{P_{t2}{T}_{22}}{P_r}<S,X_{13}=\frac{P_{t3}{T}_{13}}{P_r}>S{X}_{23}=\frac{P_{t3}{T}_{23}}{P_r}<S;$

其中，X₁₁、X₂₁、X₃₁、X₄₁为机舱外的入射电磁信号能量分别经过4个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率；X₁₂、X₂₂为发电机对外的传导干扰信号能量分别经过2个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率；X₁₃、X₂₃为设备2对外的干扰信号能量分别经过2个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率。

经过一系列的比较判断后，去除电磁能量贡献率小于判断阈值的电磁能量耦合路径，得到简化的电磁作用树状图，如图5所示，设备1耦合的电磁能量P_r则可以用下式近似表示。

$P_r=P_{t1}\&CenterDot;T_{\mathrm{0,0};\mathrm{3,1}}+P_{t2}\&CenterDot;T_{\mathrm{2,2};\mathrm{3,1}}^1+P_{t3}\&CenterDot;T_{\mathrm{3,1};\mathrm{3,2}}^1$

通过简化的电磁作用树状图，可以得出如下结论：设备1耦合的电磁能量主要通过三个干扰源和三个耦合路径，具体包括：外部空间V_0,0的入射电磁场通过设备1的接收天线耦合的电磁能量、设备2通过信号线对设备1的传导干扰、发电机通过电源线对设备1的传导干扰。所以，若想对设备1进行准确有效的电磁兼容性测试评估，至少需要对上述的三个干扰源和三个耦合路径进行分析，才能较为真实的构建设备1所处的电磁环境。

Claims (2)

1.一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，包括以下几个步骤：

步骤1：初步拓扑分解；

根据飞机内部隔舱，将飞机内部空间分割为若干个子空间，设每个子空间形成一个封闭曲面，封闭曲面即为屏蔽层，对各个子空间进行编号标识，设V_i,_j表示一个子空间，i表示子空间所属的屏蔽层次，j用于区分同一屏蔽层次下不同的子空间；

屏蔽层次表示外部电磁信号到达设备端口经屏蔽层的个数；

最后，得到飞机机舱的拓扑分解图；

步骤2：构造电磁作用树状图；

在步骤1的飞机机舱的拓扑分解图基础上，得到干扰源发出的电磁信号到达被试设备的电磁能量耦合路径，设电磁信号经过电磁能量耦合路径产生的能量损耗用传输函数表示，构造出被试设备的电磁作用树状图，得到被测设备耦合的电磁能量；

设被测设备耦合的电磁能量为P_r，第n个干扰源发射的电磁信号能量为P_tn，其中n∈[1,N]，N为干扰源的个数；设第n个干扰源通过M个电磁能量耦合路径到达被测设备，其中第m个电磁能量耦合路径的传输函数为T_mn，则第n个干扰源经过第m个电磁能量耦合路径到达被测设备的电磁能量为P_rmn，用公式表示为P_rmn＝P_tnT_mn；

被测设备耦合的电磁能量P_r为：

$P_r=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{tn}}{T}_{\mathrm{mn}}$

步骤3：简化电磁作用树状图；

贡献率表示单个干扰源经过单一耦合路径到达被测设备的电磁能量与被测设备耦合的总电磁能量的比值；设第n个干扰源经过第m个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率为X_mn，则贡献率X_mn为：

$X_{\mathrm{mn}}=\frac{P_{\mathrm{rmn}}}{P_r}$

设去除贡献率小的电磁能量耦合路径的判断阈值为S；

当第n个干扰源经过第m个耦合路径到达被测设备的电磁能量贡献率X_mn满足下述条件时，第m个耦合路径将会被去除：

X_mn＜S

最后，得到简化的电磁作用树状图。

2.根据权利要求1所述的一种降低飞机内部电磁环境模拟复杂性的近似简化方法，所述的屏蔽层上设有孔缝，当孔缝尺寸时，则屏蔽层两侧空间视为一个空间，其中，f_s表示入射电磁场的最高频率，L表示屏蔽层孔缝尺寸，c表示光速。

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