CN107657082B - 一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法 - Google Patents

一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，包括以下过程：建立非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型，设置舱室内待划定区域；数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布，得到待划定区域的场强数据；基于测试标准中的均匀性统计方法，计算区域内观察点的标准偏差值；判断观察点的标准偏差值是否满足均匀性要求，若否，继续缩小待划定区域的体积直至满足均匀性要求。本发明具有解决飞机级低电平扫描场测试时实际舱室非封闭结构带来的难题，不同于封闭混响室结构，考虑了舱室开口对能量密度和场均匀性的影响，为低电平扫描场测试时飞机舱室内接收天线/探头与搅拌器的位置布局提供有效支撑的优点。

Description

一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法
技术领域
本发明涉及电磁环境效应技术领域，特别涉及一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法。
背景技术
飞机上更多的弱电设备取代传统机械或机电控制系统，更多的低屏蔽性能复合材料应用，以及机上开口面、缝隙的存在，使得高强电磁信号更容易耦合进入机内造成干扰、损伤甚至损坏，高强辐射场(HIRF)已成为影响飞机飞行安全的重要因素。欧美、中国等航空局机构在近期颁布了相应条款和专用条件强制规定了民用航空器必须通过HIRF适航符合性试验验证。作为飞机级HIRF试验的重要内容，低电平扫描场测试具有试验便捷、降低待测飞机潜在风险等优点，其测试方法是采用外部电磁波照射飞机舱室，接收天线或场强探头置于舱室内测试内部场强，并通过与校准值对比获得飞机舱室的衰减特性。
低电平扫描场测试过程中由于舱室存在驻波，舱室内不同位置场强变化较大，为了获得舱室内最大场强，以往的做法是在舱室内安装多个的接收天线/探头，或者采用有限接收天线在不同位置开展多次测试，这些方法不仅耗时而且耗力。目前比较公认的测试方法是在舱室内布置搅拌器，通过旋转改变附近的边界条件，使得搅拌器的一个旋转周期内接收天线/探头位置出现场强最大值，达到统计均匀的目的。
专利方面，2015年公开的发明专利“一种用于混响室内搅拌器的快速优化仿真设计方法”(申请号：201510802353.8)通过仿真设计优化搅拌器实现混响室内场强均匀性。2016年公开的发明专利“一种电磁混响室腔体的尺寸优化方法和装置”(申请号：201610648278.9)在设计电磁混响室通过机械搅拌浆边缘切割改善磁场的均匀性。2007年电波科学学报第22卷第4期论文“混响室设计与校准测试”提出了长方体结构混响室设计和均匀性验证方法。目前的文献涉及的搅拌器优化和均匀场分析限定在封闭混响室结构，其方法不能应用于实际的非封闭的飞机舱室的低电平扫描场测试情况。2008年高电压技术第34卷第8期论文“混响室测试区域均匀性分部规律仿真分析”和2015年科学技术与工程第15卷第34期论文“通风孔对混响室场均匀性的影响”研究了舱室内均匀性区域规律和开口对舱室内的局部能量密度和总场均匀性的影响，但是文献仍局限在发射天线置于混响室内部的情况，没有开展外部电磁波照射下舱室内均匀性分析。
另外，实际飞机舱室LLSF测试过程中，很难针对每个待测舱室设计不同尺寸的搅拌器。
因此，需要提出一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，解决实际舱室非封闭结构带来的均匀场区域变化的难题，为低电平扫描场测试时飞机舱室内接收天线/探头与搅拌器的位置布局提供有效支撑。
发明内容
本发明的目的是提出一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，该方法结合数值分析和均匀性统计方法，通过逐渐缩小待划定区域寻找均匀场有效区域，解决了实际非封闭舱室内场均匀性受舱室开口影响的问题。在考虑外部电磁波照射下，结合数值分析和均匀性统计方法寻找均匀场有效区域的区域划定方法，首先建立非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型，设置舱室内待划定区域，然后数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布，得到待划定区域的场强数据，最后基于测试标准中的均匀性统计方法，计算区域内观察点的标准偏差值，验证并指导待划定区域的体积调整以满足均匀性要求，通过考虑外部电磁照射下舱室开口对能量密度和场均匀性的影响，为低电平扫描场测试时飞机舱室内接收天线/探头与搅拌器的位置布局提供有效支撑。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，其特征在于，包括以下过程：建立非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型，设置舱室内待划定区域。数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布，得到待划定区域的场强数据。基于测试标准中的均匀性统计方法，计算区域内观察点的标准偏差值。判断观察点的标准偏差值是否满足均匀性要求，若否，继续缩小待划定区域的体积直至满足均匀性要求。
优选地，所述非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型是将多个模式搅拌器置于非封闭舱室内部，每一模式搅拌器采用步进工作模式。
优选地，所述待划定区域是一个长方体区域，长方体区域的边界与非封闭舱室的距离至少为λ/4，其中λ为最小频率的波长；所述长方体区域的边界与每一模式搅拌器旋转形成的圆柱边界之间的距离至少为λ/4。
优选地，所述数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布通过采用矩量法计算1V/m场强照射下非封闭舱室内的场强值分布。
优选地，所述待划定区域的场强数据包含每一模式搅拌器步进状态下区域内观察点的场强数据，每个区域内观察点的场强数据包括笛卡尔坐标系下x、y、z三个方向的场强分量和总场强值。
优选地，所述基于测试标准中的均匀性统计方法为参考RTCA DO-160G标准计算标准偏差值。
优选地，所述区域观察点的标准偏差值的计算包含以下过程：
所述区域内观察点的最大场强值归一化到平均输入功率的平方根：
Figure GDA0002861229980000031
式中：EMaxx,y,z为每个区域内观察点沿x、y、z轴方向电场分量的最大测量值；
Figure GDA0002861229980000032
为每个区域内观察点沿x、y、z轴方向电场分量归一化的最大测量值；Pinput-empty为平均输入功率；针对每个频率，计算区域内观察点每个分量的电场最大测量值的归一化平均值：
Figure GDA0002861229980000033
Figure GDA0002861229980000034
Figure GDA0002861229980000035
以及所有电场最大测量值的归一化平均值：
Figure GDA0002861229980000036
式中：<>表示算术平均值。
优选地，所述区域观察点的标准偏差值的计算进一步包含以下过程：在模式搅拌器旋转一周时，以九个所述区域内观察点中每个区域内观察点得到的最大测量值的归一化平均值的标准偏差确定电场均匀性，采用区域内观察点每个分量的单独数据和总数据集计算标准偏差；
标准偏差σ：
Figure GDA0002861229980000041
式中：n为测量数；
Figure GDA0002861229980000042
为单独的归一化电场测量值；
Figure GDA0002861229980000043
为归一化电场测量值的算术平均值，α在n≤20时为1.06，n＞20时为1；
用与平均值有关的dB数表示标准偏差：
Figure GDA0002861229980000044
优选地，所述区域内观察点是长方体区域的八个顶点和一个长方体区域中心点。
优选地，所述标准偏差值是否满足均匀性要求为所有的标准偏差值低于3dB，所述缩小待划定区域的体积为依次缩小长方体区域的长、宽、高，若区域观察点的标准偏差值低于3dB，则划定的区域满足均匀性要求，完成均匀场区域划定，否则，未能满足均匀性要求，则继续缩小所述待划定区域的体积再进行判断，直至当前区域观察点的标准偏差值低于3dB。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
采用数值分析的方法得出非封闭舱室内场强，用于划定均匀场区域，可以快速得出结果，指导试验。
均匀场强区域划定过程中，仿真模型参数、外部低电平电场照射条件、待划定区域易设置调整，方便根据实际需求进行分析。
寻找均匀场区域时，采用笛卡尔坐标系三个方向依次缩小，简单方便，结合均匀性统计方法能快速获得均匀场有效区域。
附图说明
图1是本发明的低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法的流程图；
图2是实施例中非封闭舱室和搅拌器的仿真模型；
图3是实施例中待划定区域示意；
图4是实施例中待划定区域的标准偏差值计算结果。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，包含以下过程：
S1、建立非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型，设置舱室内待划定区域。
所述的非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型是模式搅拌器置于非封闭舱室内部，模式搅拌器采用步进工作模式。
所述的待划定区域是一个长方体区域，长方体区域的边界与舱室的距离至少为λ/4，其中λ为最小频率的波长，同时，长方体区域的边界与搅拌器旋转形成的圆柱边界的距离至少为λ/4。
S2、数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布，得到待划定区域的场强数据。
所述的数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布是采用矩量法计算1V/m场强照射下舱室内的场强值分布。
所述的待划定区域的场强数据包括了每一个搅拌器步进状态下区域内的场强数据，区域内每个点的场强数据包括笛卡尔坐标系下x、y、z三个方向的场强分量和总场强值。
S3、基于测试标准中的均匀性统计方法，计算区域内观察点的标准偏差值。
所述的基于测试标准中的均匀性统计方法是参考RTCADO-160G标准计算标准偏差值。
所述的区域内观察点是长方体区域的八个顶点和一个长方体区中心点。
计算标准偏差值时，将九个观察点的最大场强值归一化到平均输入功率的平方根：
Figure GDA0002861229980000051
其中：EMaxx,y,z为每个观察点x、y、z分量的最大测量值；
Figure GDA0002861229980000052
为每个观察点x、y、z分量归一化的最大测量值。Pinput-empty表示在搅拌器旋转期间，记录的EMaxx,y,z时舱室内平均输入功率。
针对每个频率，计算观察点每个分量的最大测量值的归一化平均值：
Figure GDA0002861229980000061
Figure GDA0002861229980000062
Figure GDA0002861229980000063
以及所有最大测量值的归一化平均值：
Figure GDA0002861229980000064
式中：<>表示算术平均值。
在搅拌器旋转一周期间，以九个观察点中每个观察点得到的最大测量值的归一化平均值的标准偏差来确定场均匀性，用观察点每个分量的单独数据和总数据集来计算标准偏差。
标准偏差由以下公式给出：
Figure GDA0002861229980000065
式中：n为测量数；
Figure GDA0002861229980000066
为单独的归一化电场测量值；
Figure GDA0002861229980000067
为归一化电场测量值的算术平均值。
α在n≤20时为1.06，n＞20时为1。
用与平均值有关的dB数表示标准偏差：
Figure GDA0002861229980000068
S4、判断观察点的标准偏差值是否满足均匀性要求，如不满足，继续缩小待划定区域的体积直至满足均匀性要求。
如果得到观察点的标准偏差值低于3dB，则说明划定的区域满足均匀性要求；否则未能满足均匀性要求，继续缩小待划定区域的体积再进行判断。
下面以一个实施例说明本发明方法在非封闭模拟舱室均匀场区域划定中的应用，按照如下方法进行区域划定：
步骤一：建立非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型，设置舱室内待划定区域。非封闭模拟舱室电磁仿真模型如图2a所示，长宽高三维尺寸为4m×2m×2m，在舱室左右两侧分别有五个0.3m×0.2m的窗口，舱室前侧有一个1m×0.4m的开口，舱室材料为金属。舱室内搅拌器的模型如图2b所示，由两个0.2m×0.2m正方形板折叠形成，模型下方为驱动盒和转轴，搅拌叶片的底座中心置于舱室中心位置，搅拌器以15°步进旋转。
如图3所示外部电磁波e以平面波、垂直极化方式从舱室一侧垂直照射，待分析的均匀区域f，待划定区域与舱室1距离至少为λ/4，与搅拌器2旋转形成的圆柱边界的距离至少为λ/4，根据最低分析频率400MHz，距离设置为0.2m，在直角坐标系中，待划定区域为：x∈(0.5m，1.8m)，y∈(-0.8m，0.8m)，z∈(-0.8m，0.8m)，x、y、z方向步进为0.1m。
步骤二：数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布，得到待划定区域的场强数据。
本实施例中，利用FEKO仿真软件中的矩量法，分析了400MHz～1GHz频率范围舱室内的场强，得到待划定区域内的场强数据。
步骤三：基于测试标准中的均匀性统计方法，计算区域内观察点的标准偏差值。
如图4所示,在本实施例中，利用公式(1)～(7)计算了400MHz～1GHz频率范围内九个观察点的标准偏差值，包括x、y、z三个分量Ex、Ey、Ez的标准偏差值和总场Etotal的标准偏差值。
步骤四：判断观察点的标准偏差值是否满足均匀性要求，如不满足，继续缩小待划定区域的体积直至满足均匀性要求。
在本实施例中，800MHz～1GHz，此待划定区域满足均匀性要求，400MHz～800MHz频率范围不满足均匀性要求，继续缩小划定区域：x∈(0.5m，0.8m)，y∈(-0.5m，0.5m)，z∈(-0.5m，0.5m)，采用公式(1)～(7)计算后所有的标准偏差值低于3dB，满足均匀性要求。
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 (3)

1.一种低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，其特征在于，包括以下过程：
建立非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型，设置舱室内待划定区域；
数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布，得到待划定区域的场强数据；
基于测试标准中的均匀性统计方法，计算区域内观察点的标准偏差值；
判断观察点的标准偏差值是否满足均匀性要求，若否，继续缩小待划定区域的体积直至满足均匀性要求；所述非封闭舱室和模式搅拌器的电磁仿真模型是将多个模式搅拌器置于非封闭舱室内部，每一模式搅拌器采用步进工作模式；所述待划定区域是一个长方体区域，长方体区域的边界与非封闭舱室的距离至少为λ/4，其中λ为最小频率的波长；所述长方体区域的边界与每一模式搅拌器旋转形成的圆柱边界之间的距离至少为λ/4；所述数值分析外部低电平电场照射下舱室内的场强分布通过采用矩量法计算1V/m场强照射下非封闭舱室内的场强值分布；所述待划定区域的场强数据包含每一模式搅拌器步进状态下区域内观察点的场强数据，每个区域内观察点的场强数据包括笛卡尔坐标系下x、y、z三个方向的场强分量和总场强值；所述基于测试标准中的均匀性统计方法为参考RTCA DO-160G标准计算区域观察点的电场标准偏差值；所述区域内观察点是长方体区域的八个顶点和一个长方体区域中心点；所述标准偏差值是否满足均匀性要求为所有的标准偏差值低于3dB；
所述缩小待划定区域的体积为依次缩小长方体区域的长、宽、高；
若区域观察点的标准偏差值低于3dB，则划定的区域满足均匀性要求，完成均匀场区域划定；
否则，未能满足均匀性要求，则继续缩小所述待划定区域的体积再进行判断，直至当前区域观察点的标准偏差值低于3dB。
2.如权利要求1所述的低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，其特征在于，所述区域观察点的电场标准偏差值的计算包含以下过程：
所述区域内观察点的最大场强值归一化到平均输入功率的平方根：
Figure FDA0002861229970000011
式中：EMaxx,y,z为每个区域内观察点沿x、y、z轴方向电场分量的最大测量值；
Figure FDA0002861229970000021
为每个区域内观察点沿x、y、z轴方向电场分量归一化的最大测量值；Pinput-empty为平均输入功率；
针对每个频率，计算区域内观察点每个分量的电场最大测量值的归一化平均值：
Figure FDA0002861229970000022
Figure FDA0002861229970000023
Figure FDA0002861229970000024
以及所有电场最大测量值的归一化平均值：
Figure FDA0002861229970000025
式中：<>表示算术平均值。
3.如权利要求2所述的低电平电场照射下非封闭舱室内均匀场区域划定方法，其特征在于，所述区域观察点的电场标准偏差值的计算进一步包含以下过程：
在模式搅拌器旋转一周时，以九个所述区域内观察点中每个区域内观察点得到的最大测量值的归一化平均值的标准偏差确定电场均匀性，采用区域内观察点每个分量的单独数据和总数据集计算标准偏差；
标准偏差σ：
Figure FDA0002861229970000026
式中：n为测量数；
Figure FDA0002861229970000027
为单独的归一化电场测量值；
Figure FDA0002861229970000028
为归一化电场最大测量值的算术平均值，α在n≤20时为1.06，n＞20时为1；
用与平均值有关的dB数表示标准偏差：
Figure FDA0002861229970000029
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