CN104392023A

CN104392023A - 一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法

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Publication number: CN104392023A
Application number: CN201410596607.0A
Authority: CN
Inventors: 廖意; 张元�; 石国昌; 梁子长; 武亚君
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: CN104392023B

Abstract

一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，建立飞机舱体的三维几何电磁模型，并仿真计算得到飞机舱体内部的场强值 E _sim，搭建包含飞机舱体在内的高强辐射场扫描试验系统，检测得到飞机舱体内部的场强值 E _test，计算仿真得到的场强值 E _sim和测试得到的场强值 E _test之间的误差，如果误差大于阈值，则调整飞机舱体的三维几何电磁模型的参数，并重新仿真计算飞机舱体内部的场强值 E _sim，重新计算误差，直到误差小于等于阈值，则完成校验。本发明校验试验过程简单，可根据实际工程需求灵活设置校验时满足的精度要求，能够灵活控制电磁模型的精确性，校验方法具有通用性，能用于全金属飞机舱体、复合材料飞机舱体、金属/复合材料混合飞机舱体，校验测试成本较低。

Description

一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法

技术领域

本发明涉及电磁环境效应技术领域，尤其涉及一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法。

背景技术

高强辐射场是指地面、海上平台或航空器上的雷达、无线电、导航等高功率发射机的辐射，其特点是频带宽、作用时间长。近年来，飞机平台上越来越多的执行关键功能的电子系统逐渐替代传统机械控制系统，低能耗、高集成度的电子电路对高强辐射场环境更加敏感，另外，飞机结构越来越多地使用新型的复合材料，降低了飞机的电磁屏蔽性能。高强辐射场逐渐成为飞机安全性的主要因素，高强辐射场防护已经受到重视。在民用航空领域，飞机的高强辐射场防护已经纳入飞机适航标准的强制要求。

飞机舱体高强辐射场防护设计在研制初期，是通过建模与仿真的手段，建立高强辐射场条件下的电磁模型并进行求解，对潜在的电磁干扰危害进行预测。高强辐射场防护设计效果直接取决于建立的电磁模型的精确性，然而，目前尚未有针对飞机舱体电磁模型的校验方法，特别是对于采用复合材料的飞机舱体，在高强辐射场条件下，飞机舱体对外部电磁场照射条件敏感，舱体内的电磁场分布会随着不同结构、电磁特性的复合材料不断变化，为了能够建立模拟实际飞机舱体的电磁模型，需要提出一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，为高强辐射场条件下飞机舱体的电磁环境效应建模仿真预测和电磁危害评估提供有效支撑。

发明内容

本发明提供一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，校验试验过程简单，可根据实际工程需求灵活设置校验时满足的精度要求，能够灵活控制电磁模型的精确性，校验方法具有通用性，能用于全金属飞机舱体、复合材料飞机舱体、金属/复合材料混合飞机舱体，校验测试成本较低。

为了达到上述目的，本发明提供一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，包含以下步骤：

步骤1、建立飞机舱体的三维几何电磁模型，然后进行步骤2；

三维几何电磁模型的参数包含物理尺寸参数和飞机舱体材料的电磁参数；

步骤2、设置步骤1中的三维几何电磁模型的外部高强辐射场照射条件，并对三维几何电磁模型进行仿真计算，得到飞机舱体内部的场强值Esim，然后进行步骤5；

步骤3、按照步骤1中的三维几何电磁模型的参数对应搭建包含飞机舱体在内的高强辐射场扫描试验系统，然后进行步骤4；

步骤4、在与步骤2中同样的外部高强辐射场照射条件下，检测得到步骤3中搭建的高强辐射场扫描试验系统中的飞机舱体内部的场强值Etest，然后进行步骤5；

步骤5、计算仿真得到的场强值Esim和测试得到的场强值Etest之间的误差，如果误差大于阈值，则进行步骤6；

步骤6、调整步骤1中建立的飞机舱体的三维几何电磁模型的参数，然后进行步骤2；

调整飞机舱体的三维几何电磁模型的参数是指，根据飞机舱体的尺寸，调整建立的三维电磁模型中窗口的位置和大小，以及飞机舱体材料的厚度，并且调整飞机舱体材料的电磁参数的值，使飞机舱体的三维几何电磁模型更接近于实际飞机舱体的真实情况。

所述的步骤1中，物理尺寸参数包含飞机舱体的尺寸、飞机舱体上窗口的位置和大小、飞机舱体材料的厚度；飞机舱体材料的电磁参数包含介电常数ε、磁导率μ、电导率σ或损耗角正切tanδ。

所述的步骤1中，建立飞机舱体的三维几何电磁模型是采用电磁软件画出具有电磁参数描述的三维图。

所述的步骤2中，所述的外部高强辐射场照射条件是指，满足远场条件的外部电磁波，以设定的照射方向、极化方向和强度照射到飞机舱体；

所述的满足远场条件是指，外部发射源与飞机舱体的距离r满足如下约束条件：

（2）

其中：为发射天线的最大尺寸，为发射电磁波的波长。

所述的步骤2中，对三维几何电磁模型进行仿真计算是采用电磁仿真软件求解场强值。

所述的步骤3中，所述的高强辐射场扫描试验系统包含：

飞机舱体；

场强探头，其设置在飞机舱体内；

场强仪，其通过光纤连接场强探头；

发射天线；

功率放大器，其电性连接发射天线；

射频信号源，其电性连接功率放大器；

控制计算机，其电性连接射频信号源和场强仪；

控制计算机控制射频信号源产生射频信号，射频信号经功率放大器放大后由发射天线发出，利用发射天线模拟外部高强辐射场照射飞机舱体，飞机舱体内放置的场强探头检测到电磁波的场强值后，检测信号经光纤传输至场强仪，最后在控制计算机上显示，通过调整发射天线或飞机舱体的角度实现360度全方位的测试。

所述的步骤3中，所述的发射天线模拟外部高强辐射场进行照射是指，发射天线与飞机舱体的距离同样满足步骤2中的远场条件，外部电磁波的发射方向、极化方向、强度与步骤2中的仿真设置一样。

所述的步骤5中，仿真得到的场强值Esim和测试得到的场强值Etest之间的误差为：

（3）。

所述的步骤5中，误差的阈值取决于工程精度要求，阈值范围为3dB~6dB。

所述的步骤5中，如果误差小于等于阈值，则通过校验。

本发明的优点在于：

1、不同于飞机舱体表面的电流对比分析，飞机舱体内部场强值的检测和获取更方便，以场强值结果为比对对象，校验试验过程简单。

2、只要仿真和测试设置的外部电磁波照射条件相同，采用低场强的电磁波进行照射测试即可完成校验，无需采用实际标准规定的高达几百伏每米的高峰值场强进行照射，降低了校验测试成本。

3、可根据实际工程需求灵活设置校验时满足的精度要求，能够灵活控制电磁模型的精确性。

4、校验方法具有通用性，能用于全金属飞机舱体、复合材料飞机舱体、金属/复合材料混合飞机舱体。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是高强辐射场扫描试验系统的示意图。

图3是本发明的实施例中的飞机舱体的三维几何电磁模型的示意图。

具体实施方公式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，包含以下步骤：

步骤1、建立飞机舱体的三维几何电磁模型，然后进行步骤2。

所述的三维几何电磁模型，除了物理尺寸参数外，还包括飞机舱体材料的电磁参数，如介电常数ε、磁导率μ、电导率σ或损耗角正切tanδ。

考虑纯电介质材料，介电常数可以表示为：

（1）

其中，为空气介电常数，取值为8.854×10^-12F/m，为相对介电常数，为角频率。

空气介电常数、相对介电常数、电导率或损耗角正切tanδ一般由材料手册给出或通过测试得出。

建立飞机舱体的三维几何电磁模型是采用电磁软件（FEKO、CST等电磁软件）画出具有电磁参数描述的三维图，然而电磁模型的精度往往较难保证。

步骤2、设置步骤1中的三维几何电磁模型的外部高强辐射场照射条件，并对三维几何电磁模型进行仿真计算，得到飞机舱体内部的场强值E _sim，然后进行步骤5。

所述的外部高强辐射场照射条件是指，满足远场条件的外部电磁波，以设定的照射方向、极化方向和强度照射到飞机舱体。

（2）

其中：为发射天线的最大尺寸，为发射电磁波的波长。

所述的外部电磁波的频率范围为400MHz～18GHz。

所述的对三维几何电磁模型进行仿真计算是采用电磁仿真软件求解需要的物理量（如场强值、感应电流等），进行仿真计算时，对电磁模型进行网格剖分后，采用电磁数值算法进行求解，仿真后输出的是电磁场的场强值。

在一个实施例中，外部电磁波相对飞机舱体以45度为间隔进行360度的照射，每次照射条件下，通过仿真得到飞机舱体内的场强值E _sim，可以选取飞机舱体内多个位置作为检测点，得到多个场强值E _sim。

步骤3、按照步骤1中的三维几何电磁模型的参数对应搭建包含飞机舱体在内的高强辐射场扫描试验系统，然后进行步骤4。

如图2所示，所述的高强辐射场扫描试验系统包含：

飞机舱体5；

场强探头6，其设置在飞机舱体5内；

场强仪8，其通过光纤7连接场强探头6；

发射天线4；

功率放大器3，其电性连接发射天线4；

射频信号源2，其电性连接功率放大器3；

控制计算机1，其电性连接射频信号源2和场强仪8。

控制计算机1控制射频信号源2产生射频信号，射频信号经功率放大器3放大后由发射天线4发出，照射飞机舱体5，飞机舱体5内放置的场强探头6检测到电磁波的场强值后，检测信号经光纤7传输至场强仪8，最后在控制计算机1上显示，可以通过调整发射天线4或飞机舱体5的角度实现360度全方位的测试。

采用光纤7进行传输，是为了抗电磁信号干扰，使检测到的场强值信号不再受发射天线4的影响。

步骤4、利用步骤3搭建的高强辐射场扫描试验系统中的发射天线4模拟外部高强辐射场照射飞机舱体5，通过场强探头6检测得到飞机舱体内部的场强值E _test，然后进行步骤5。

所述的发射天线模拟外部高强辐射场进行照射是指，发射天线与飞机舱体的距离同样满足远场条件，外部电磁波的发射方向、极化方向、强度与步骤2中的仿真设置一致。

发射天线4发出的发射电磁波的场强值可以取不同范围的值，再归一化到1V/m。

在测试飞机舱体内部的场强值E _test时，在飞机舱体内选取与步骤2中同样位置的检测点，得到多个E _test。

步骤5、计算仿真得到的场强值E _sim和测试得到的场强值E _test之间的误差，如果误差小于等于阈值，则通过校验，如果误差大于阈值，则进行步骤6。

仿真得到的场强值E _sim和测试得到的场强值E _test之间的误差，可以用dB表示为：

（3）

误差越小，则说明建立的飞机舱体的三维几何电磁模型越准确。

误差的阈值取决于工程精度要求，一般为3dB~6dB。

步骤6、调整步骤1中建立的飞机舱体的三维几何电磁模型的参数，然后进行步骤2。

调整飞机舱体的三维几何电磁模型的参数是指，根据舱体实物的尺寸，调整建立的三维电磁模型中窗口的位置、大小，舱体材料的厚度，使飞机舱体的三维几何电磁模型更接近于真实情况，以及调整技术手册中的舱体电磁参数的值如介电常数、磁导率、电导率或损耗角正切，使之接近于实际舱体的电磁参数值。

下面以一个实施例说明本方法在碳纤维复合材料飞机舱体电磁模型校验中的应用，按照如下方法进行高强辐射场条件下的电磁模型校验：

步骤1：根据飞机舱体实物，建立飞机舱体的三维几何电磁模型。某缩比飞机舱体电磁模型及坐标如图3所示，飞机舱体电磁模型A为圆柱形结构，长为1.554m，两端圆环截面外半径为0.254m，一端封闭，另一端有一个0.18m×0.08m长方形开口，舱体厚度为2mm，舱体圆柱面两侧各开有9个0.05m×0.02m的窗口。飞机舱体全部由碳纤维复合材料制成，考虑800MHz频率下的电磁模型校验，根据材料测量结果，相对介电常数=2164，损耗角正切tanδ=0.0054。

步骤2：设置步骤1中电磁模型的外部高强辐射场照射条件，并对电磁模型进行仿真计算，得到飞机舱体内部的场强值E _sim。

设置的发射源如图3中点源B、点源C、点源D所示，分别对应发射的电磁波以0度、45度、90度方向照射飞机舱体，发射源与舱体的距离为4.67m，发射源的场强为1V/m。本实施例中，由于舱室结构是沿XOZ平面对称分布的结构，选择0度、45度、90度照射条件进行仿真即可实现360度全方位测试。选取飞机舱体内部的球面作为数据采集区域，球面的半径为0.03m，圆心坐标：x=0.259，y=0，z=0，球面上共设置169个场强数据采集点。

利用电磁数值算法分别对0度、45度、90度高强辐射场照射下的电磁模型进行求解，记录球面上所有采集点的场强值，然后取平均值作为该位置点的场强值E _sim。仿真后得到0度、45度、90度照射下飞机舱体内球面的场强值E _sim分别为4.916V/m、2.395V/m、0.743V/m。

步骤3：搭建包含飞机舱体在内的高强辐射场扫描试验系统。

根据图2的系统框图搭建高强辐射场扫描试验系统，控制计算机1控制射频信号源2产生800MHz射频信号，经功率放大器3放大后由发射天线4发出，照射飞机舱体5，飞机舱体5内放置的场强探头6检测到800MHz电磁波的场强值后，检测信号经光纤7传输至场强仪8，最后在控制计算机1上显示。

步骤4：利用步骤3中的试验系统中的发射天线模拟外部高强辐射场进行照射，测试得到飞机舱体内部的场强值E _test。

发射天线与飞机舱体的距离r为4.67m，发射天线的最大尺寸D为0.4m，800MHz对应波长0.375m，从而可以得到

试验过程同样满足公式（2）描述的远场条件。

天线的发射方向分别为0度、45度、90度，发射的电磁波的极化方向与步骤2中仿真设置保持一致，发出的电磁波信号的幅度可以调整为10V/m，照射飞机舱体。参照仿真模型，在飞机舱体5内相同的位置放置场强探头6，用于检测电磁波的场强值，检测信号经光纤7传输至场强仪8，最后在控制计算机1上显示。控制计算机1上显示的场强值通过除以10归一化到与仿真相同的1V/m照射条件，得到用于检验的测试场强值E _test。

分别在0度、45度、90度照射下，测试得到飞机舱体内场强探头检测的场强值E _test为55.303V/m、30.328V/m、8.983V/m。归一化后到1V/m照射条件的场强值E _test分别为5.530V/m、3.033V/m、0.898V/m。

步骤5：对比分析步骤2和步骤4中得到的场强值，对步骤2中得到的场强值进行验证，判断是否满足精度要求，如不满足继续调整飞机舱体电磁模型参数直至完成校验。

利用公式（3）计算0度、45度、90度照射下，仿真得到的场强值E _sim与测试得到的场强值E _test之间的误差，分别为：1.02dB、0.96dB、1.65dB。

一般地，对电磁模型进行校验时，要求场强值的精度优于3dB，可以看出，建立的飞机舱体电磁模型满足精度要求。

本发明的优点在于：

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤2、设置步骤1中的三维几何电磁模型的外部高强辐射场照射条件，并对三维几何电磁模型进行仿真计算，得到飞机舱体内部的场强值E _sim，然后进行步骤5；

步骤4、在与步骤2中同样的外部高强辐射场照射条件下，检测得到步骤3中搭建的高强辐射场扫描试验系统中的飞机舱体内部的场强值E _test，然后进行步骤5；

步骤5、计算仿真得到的场强值E _sim和测试得到的场强值E _test之间的误差，如果误差大于阈值，则进行步骤6；

2.如权利要求1所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤1中，物理尺寸参数包含飞机舱体的尺寸、飞机舱体上窗口的位置和大小、飞机舱体材料的厚度；飞机舱体材料的电磁参数包含介电常数ε、磁导率μ、电导率σ或损耗角正切tanδ。

3. 如权利要求2所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤1中，建立飞机舱体的三维几何电磁模型是采用电磁软件画出具有电磁参数描述的三维图。

4.如权利要求3所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的外部高强辐射场照射条件是指，满足远场条件的外部电磁波，以设定的照射方向、极化方向和强度照射到飞机舱体；

（2）

其中：为发射天线的最大尺寸，为发射电磁波的波长。

5.如权利要求4所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤2中，对三维几何电磁模型进行仿真计算是采用电磁仿真软件求解场强值。

6.如权利要求5所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的高强辐射场扫描试验系统包含：

飞机舱体；

场强探头，其设置在飞机舱体内；

场强仪，其通过光纤连接场强探头；

发射天线；

功率放大器，其电性连接发射天线；

射频信号源，其电性连接功率放大器；

控制计算机，其电性连接射频信号源和场强仪；

7.如权利要求6所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的发射天线模拟外部高强辐射场进行照射是指，发射天线与飞机舱体的距离同样满足步骤2中的远场条件，外部电磁波的发射方向、极化方向、强度与步骤2中的仿真设置一样。

8.如权利要求7所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤5中，仿真得到的场强值E _sim和测试得到的场强值E _test之间的误差为：

（3）。

9.如权利要求8所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤5中，误差的阈值取决于工程精度要求，阈值范围为3dB~6dB。

10.如权利要求9所述的高强辐射场条件下飞机舱体电磁模型校验方法，其特征在于，所述的步骤5中，如果误差小于等于阈值，则通过校验。