CN109358247B - 电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法 - Google Patents

电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验系统及试验方法，将受试电子设备固定于受试姿态控制台上，放置于均匀场试验区中，利用电子设备工作状态控制器设置受试电子设备处于某种工作状态，并调整受试姿态控制台，控制磁场控制电路和电场控制电路设定磁场幅值和电场幅值，联动触发磁场和电场发生器，形成复合场进行辐照效应试验。由低到高不断改变磁场、电场幅值以及延迟时间，记录受试电子设备在不同干扰源参数下的效应现象及响应信号，分析效应规律。本发明确保了电子设备电磁环境效应测试的规范性和合理性，提高了电子设备电磁环境效应测试的准确性，适用于开展地面核爆炸源区电磁脉冲复合场环境效应相关研究工作。

Description

电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法
技术领域
本发明涉及电磁干扰测试方法技术领域，具体涉及一种低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法。
背景技术
由于爆炸环境的极度不对称性，核武器地面爆炸时，其源区能够产生磁感应强度峰值达数百高斯、脉冲持续时间达到毫秒级、主能谱范围在10Hz～100kHz之间、波阻抗小于377Ω的低频低阻抗脉冲强磁场，其产生的电场上升时间10～100ns、半波宽度1ms、强度高达100kV/m。地面核爆炸源区电磁脉冲环境具有强度高、能量大、频率低、持续时间长、电场磁场同时存在相互作用等特点，为典型的低频低阻抗脉冲复合场环境。其源区半径为几公里，不仅能够直接对暴露在辐射场内的电磁敏感设备造成严重损伤，而且对岩土介质的穿透能力极强，能够穿透防护结构层进入到工程内部，干扰或损伤工程内部的电子设备和系统，对所有辐射范围内的设备均构成了严重威胁。因此，研究地面核爆炸源区电磁脉冲复合场环境效应及其防护技术非常重要。
然而，源区电磁脉冲复合场环境有别于远区辐射场环境。在远场环境下，通常认为场为平面波，电场和磁场的幅值依存关系为一常数波阻抗377Ω。而对于源区场而言，电场和磁场的幅值比值并不是一常数，而是一变化的参数，常常与频率、环境参数(如空气电导率等)相关。另外，源区电场和磁场的依存关系(包括起始时刻、上升时间、峰值时间、持续时间等)也十分复杂，没有定量关系。这使得源区电磁脉冲复合场环境效应具体试验方法有别于现有试验方法。目前，现有电子设备电磁环境效应试验方法公开成果主要针对单一类型干扰源环境(如发明专利201510020231.3有界波环境下电子设备电磁环境效应实验方法)，以及低频低阻抗电场和磁场复合环境的模拟(如发明专利201810295803.2地面核爆炸电磁脉冲复合环境模拟系统及模拟方法)。国内研究中对于地面核爆炸源区低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备的效应试验既无试验要求，也没有合适的试验方法来确保电子设备电磁环境效应试验的规范性和合理性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，该试验可以模拟低频低阻抗电磁脉冲复合场环境，采用该实验方法能够确保低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应测试的规范性和合理性，可提高电子设备电磁环境效应测试的准确性，适用于开展地面核爆炸源区电磁脉冲复合场环境效应相关研究工作。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验系统，其特征在于包括测试设备与试验设备，其中实验设备处于试验测试区内，在试验测试区内设置均匀场试验区以及监控均匀场试验区的摄像头，均匀场试验区内放置受试电子设备、受试姿态控制台、磁场传感器和电场传感器，其中受试电子设备置于受试姿态控制台上；测试设备包括示波器、视频监控器、电子设备工作状态控制器和姿态调整控制器，其中磁场传感器和电场传感器经信号转换设备与示波器连接，受试电子设备经信号转换设备与电子设备工作状态控制器连接，受试姿态控制台经信号转换设备与姿态调整控制器连接，摄像头经信号转换设备与视频监控器连接。
对上述方案作进一步的补充说明，所述信号转换设备包括光电转换器和电光转换器以及光纤，光纤传输长度为50m。
对上述方案作进一步的补充说明，所述受试姿态控制台可实现受试电子设备水平、俯仰、自转三维角度调整，调整精度为1°，受试电子设备初始姿态统一定义为0°，受试姿态控制台高度能够保证受试电子设备处于均匀场试验区中心位置，受试姿态控制台为尼龙材料制作。
对上述方案作进一步的补充说明，所述磁场传感器和电场传感器同时置于均匀场试验区内，与受试电子设备中心同高，并距离受试电子设备水平距离大于20cm。
基于上述试验系统，电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，包括以下步骤：
(1)将受试电子设备固定于受试姿态控制台上，并一起放置于电磁脉冲复合场均匀场试验区中，将测试设备与试验设备连接，测试设备处于待测试状态；
(2)利用电子设备工作状态控制器设置受试电子设备处于特定工作状态，记为Ai，其中i＝1,2,3…N，N为受试电子设备工作状态的种类数量；
(3)在Ai工作状态下，调整受试姿态控制台时受试电子设备处于姿态Bm,n,q，其中m,n,q＝0°,1°,2°…360°，m为受试电子设备相对于初始姿态的调整后水平角度，n为受试电子设备相对于初始姿态的调整后俯仰角度，q为受试电子设备相对于初始姿态的调整后自转角度；
(4)控制磁场控制电路将磁场幅值设定为H，通过第一延时电路设置磁场波形的延迟时间为t1，使磁场发生器处于待触发状态；
(5)控制电场控制电路将电场幅值设定为E，通过第二延时电路设置电场波形的延迟时间为t2，使电场发生器处于联动触发状态；
(6)控制磁场控制电路使磁场发生器触发，联动触发电场发生器，形成复合场进行辐照效应试验，重复试验若干次，并记录受试电子设备在Ai工作状态、Bm,n,q受试姿态下的效应现象及响应信号；
(7)重复步骤(3)～(6)，不断改变受试姿态，分析试验结果，确定受试电子设备在Ai工作状态下的最敏感的受试姿态B* m,n,q；
(8)在Ai工作状态、B* m,n,q受试姿态下重复步骤(4)～(6)，由低到高不断改变磁场、电场幅值以及延迟时间t1和t2，重复试验若干次，记录受试电子设备在不同干扰源参数下的效应现象及响应信号，分析效应规律；
(9)重复步骤(2)，改变受试电子设备的工作状态，重复进行(3)～(8)，记录不同工作状态下受试电子设备的效应规律；
(10)总结分析试验结果，得出结论。
在上述试验中，产生的电磁脉冲复合场环境可有效模拟地面核爆炸源区电磁脉冲场环境，其主要指标为：辐射场为双指数脉冲信号，脉冲电场上升沿可调整至不大于100ns，脉冲半高宽可调整至不小于1ms，电场强度可调整至不小于100kV/m，脉冲磁场最高磁感应强度不小于30mT，脉冲上升时间不大于500μs，脉冲宽度不大于2ms，电场、磁场波形延时时间为0～1000μs可调。
在上述试验中，所述步骤(1)中所有测试设备置于屏蔽测量间内，屏蔽测量间满足电场屏蔽效能大于90dB，磁场屏蔽效能大于70dB。
在上述试验中，所述步骤(3)中，具体试验时以30°步进取典型试验角度开展试验。
在上述试验中，所述磁场波形、电场波形延时时间为0～1000μs可调，调整精度为10μs，实验中延迟时间从低到高依次调整。
在上述试验中，所述步骤(7)和(8)中，重复试验次数不得少于3次。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明中的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验系统，把测试设备与试验设备分别置于屏蔽区内，利用试验设备模拟低频低阻抗电磁脉冲复合场，并通过光纤连接进行数据传递，监控试验状态与试验进程；
(2)本发明中的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，可以确保低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应测试的规范性和合理性，提高了电子设备电磁环境效应测试的准确性，适用于开展地面核爆炸源区电磁脉冲复合场环境效应相关研究工作。
附图说明
图1是本发明中电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验系统布置示意图；
图2是低频低阻抗电磁脉冲复合场环境产生原理图；
图3是低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验流程图；
图中：1、均匀场试验区；2、磁场传感器；3、电场传感器；4、受试电子设备；5、受试姿态控制台；6、摄像头；7、光纤；8、光电转换器；9、示波器；10、视频监控器；11、屏蔽测量间；12、试验测试区；13、电子设备工作状态控制器；14、电光转换器；15、姿态调整控制器；16、支撑木地板；17、磁场线圈；18、辐射天线；19、罗氏线圈；20、信号采集电路；21、信号调理电路；22、第一延时电路；23、第二延时电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验系统及试验方法，附图1为试验系统的布置示意图，包括测试设备与试验设备，其中实验设备处于试验测试区12内，在试验测试区12内设置均匀场试验区1以及监控均匀场试验区1的摄像头6，均匀场试验区1内放置受试电子设备4、受试姿态控制台5、磁场传感器2和电场传感器3，测试设备包括示波器9、视频监控器10、电子设备工作状态控制器13和姿态调整控制器15，
受试电子设备4置于受试姿态控制台5上，受试姿态控制台5与受试电子设备4同时置于均匀场试验区1，受试姿态控制台5受姿态调整控制器15的控制以用于调整受试电子设备4的水平、俯仰、自转三维角度，受试姿态控制台5高度可调，以保证受试电子设备4置于均匀场试验区1中心。受试电子设备4工作状态(如是否正常供电等)由电子设备工作状态控制器13通过电光转换器14、光电转换器8后对受试电子设备进行控制。磁场传感器2和电场传感器3同时置于均匀场试验区1，与受试电子设备4中心同高，并距离受试电子设备1水平距离大于20cm，用于实时测试试验过程中的辐射磁场波形及电场波形。磁场传感器2和电场传感器3测试的场波形通过传感器转换为光信号，然后通过光纤7传输到位于屏蔽测量间11的光电接收机8端转换为电信号输出到示波器9中，在示波器9上显示测试波形。受试电子设备4中关键节点响应信号通过电光转换器14、光纤7、光电转换器8后也连接到示波器9进行显示。位于辐射场区的光电转换器8及电光转化器14都进行屏蔽设计，其工作状态不受辐射场的影响。另外，试验测试区12中安装有摄像头6，可实时清晰的记录受试电子设备4的变化情况，由位于屏蔽测量间11的视频监控系统10实时显示。摄像头6离地高度8m，距离受试电子设备4水平距离8m，其工作状态不受辐射场的影响。测试设备和试验设备均放置于屏蔽测量间，屏蔽测量间满足电场屏蔽效能大于90dB，磁场屏蔽效能大于70dB。
在上述的测试设备和试验设备连接时，所有进出试验区的测试信号及控制信号均通过光纤进行传输，以防止强电磁脉冲辐射场引入干扰，传输光纤长度为50m。
上述的受试姿态控制台5可实现受试电子设备4水平、俯仰、自转三维角度调整，调整精度为1°，受试电子设备4初始姿态统一定义为0°，受试姿态控制台5高度能够保证受试电子设备4处于均匀场试验区1中心位置，受试姿态控制台5为尼龙材料制作。
本发明中，试验设备产生低频低阻抗电磁脉冲复合场，复合场模拟系统及模拟方法在发明专利201810295803.2中进行了详细的公开，该复合场环境产生原理如图2所示。磁场控制电路经第一延时电路22与磁场线圈17一端连通，控制磁场线圈17内产生脉冲磁场环境，磁场线圈17另一端依次经罗氏线圈19、信号采集电路20、信号调理电路21、第二延时电路23与电场控制电路连通，在磁场线圈17内部设置水平的支撑木地板16，支撑木地板16上部、与磁场线圈17之间留有足够的均匀场试验空间1，磁场线圈17内还设置平行线式结构的辐射天线18，其中辐射天线18包围均匀场试验空间1，电场控制电路与辐射天线18连接，在辐射天线18空间内产生脉冲强电场环境。上述的支撑木地板16主要用于固定磁场线圈17和支撑辐射天线18。
试验过程中利用磁场和电场模拟器分别产生地面核爆炸低频低阻抗复合电磁场环境中的磁场和电场，相对于磁场信号，电场信号的上升沿时间较短，因此在磁场模拟器波形产生电路中加装信号采集电路，然后将采集到的信号传输到信号调理电路，对采集信号进行滤波等整形处理，并输出一定幅值的触发脉冲信号进入第二延时电路23。第二延时电路23可进行延时时间设置实现对触发脉冲信号的延时，经过固定延时后的触发脉冲信号触发电场模拟器产生地面核爆炸电磁脉冲电场环境。考虑到模拟器动作时间和开关抖动时间的存在，在磁场模拟器控制电路触发脉冲信号输出端增加第一延时电路22，用于调整磁场波形的产生时间。辐射天线18位于磁场线圈17内部，从而实现磁场和电场的复合模拟。控制电路分为独立的两套控制电路，包括磁场模拟器控制电路和电场模拟器控制电路，控制电路全部置于屏蔽测量间内。试验中可产生的低频低阻抗电磁脉冲复合场环境主要指标为：辐射场为双指数脉冲信号，脉冲电场上升沿可调整至不大于100ns，脉冲半高宽可调整至不小于1ms，电场强度可调整至不小于100kV/m，脉冲磁场最高磁感应强度不小于30mT，脉冲上升时间不大于500μs，脉冲宽度不大于2ms，电场、磁场波形延时时间为0～1000μs可调，调整精度为10μs。
本发明中的低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，具体流程如图3所示，所述试验方法具体如下：
(1)将受试电子设备固定于受试姿态控制台上，并一起放置于低频低阻抗电磁脉冲复合场均匀场试验区中，按附图1所示连接好所有试验设备及测试设备，使所有测试设备处于待测试状态。需要注意的是，所有进出试验区的测试信号及控制信号均通过光纤进行传输，以防止强电磁脉冲辐射场引入干扰。所有测试设备及控制设备均置于屏蔽测量间内；
(2)利用电子设备工作状态控制器设置受试电子设备处于某种工作状态，记为Ai(i＝1,2,3…N，N为受试电子设备工作状态的种类数量)；
(3)在Ai工作状态下，调整受试姿态控制台时受试电子设备处于姿态Bm,n,q(m,n,q＝0°,1°,2°…360°，m为受试电子设备相对于初始姿态的调整后水平角度，n为受试电子设备相对于初始姿态的调整后俯仰角度,q为受试电子设备相对于初始姿态的调整后自转角度，受试姿态控制台可实现精度为1°的角度调整，0°统一定义为受试电子设备的初始姿态，可有试验人员自行设定)，具体试验中可以30°步进取典型试验角度开展试验；
(4)控制磁场控制电路将磁场幅值设定为H，通过第一延时电路设置磁场波形的延迟时间为t1，使磁场发生器处于待触发状态；
(5)控制电场控制电路将电场幅值设定为E，通过第二延时电路设置电场波形的延迟时间为t2，使电场发生器处于联动触发状态；
(6)控制磁场控制电路使磁场发生器触发，联动触发电场发生器，形成复合场进行辐照效应试验，重复试验至少3次。记录受试电子设备在Ai工作状态、Bm,n,q受试姿态下的效应现象及响应信号；
(7)重复步骤(3)～(6)，不断改变受试姿态，分析试验结果，确定受试电子设备在Ai工作状态下的最敏感的受试姿态B* m,n,q；
(8)在Ai工作状态、B* m,n,q受试姿态下重复步骤(4)～(6)，由低到高不断改变磁场、电场幅值以及延迟时间t1和t2，记录受试电子设备在不同干扰源参数下的效应现象及响应信号，分析效应规律；
(9)重复步骤(2)，改变受试电子设备的工作状态，重复进行(3)～(8)，记录不同工作状态下受试电子设备的效应规律；
(10)总结分析试验结果，得出结论。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：本试验方法确保了低频低阻抗电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应测试的规范性和合理性，提高了电子设备电磁环境效应测试的准确性，适用于开展地面核爆炸源区电磁脉冲复合场环境效应相关研究工作。

Claims (6)

1.一种电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将受试电子设备固定于受试姿态控制台上，并一起放置于电磁脉冲复合场均匀场试验区中，将测试设备与试验设备连接，测试设备处于待测试状态；
(2)利用电子设备工作状态控制器设置受试电子设备处于特定工作状态，记为Ai，其中i＝1,2,3…N，N为受试电子设备工作状态的种类数量；
(3)在Ai工作状态下，调整受试姿态控制台时受试电子设备处于姿态Bm,n,q，其中m,n,q＝0°,1°,2°…360°，m为受试电子设备相对于初始姿态的调整后水平角度，n为受试电子设备相对于初始姿态的调整后俯仰角度，q为受试电子设备相对于初始姿态的调整后自转角度；
(4)控制磁场控制电路将磁场幅值设定为H，通过第一延时电路设置磁场波形的延迟时间为t1，使磁场发生器处于待触发状态；
(5)控制电场控制电路将电场幅值设定为E，通过第二延时电路设置电场波形的延迟时间为t2，使电场发生器处于联动触发状态；
(6)控制磁场控制电路使磁场发生器触发，联动触发电场发生器，形成复合场进行辐照效应试验，重复试验若干次，并记录受试电子设备在Ai工作状态、Bm,n,q受试姿态下的效应现象及响应信号；
(7)重复步骤(3)～(6)，不断改变受试姿态，分析试验结果，确定受试电子设备在Ai工作状态下的最敏感的受试姿态B* m,n,q；
(8)在Ai工作状态、B* m,n,q受试姿态下重复步骤(4)～(6)，由低到高不断改变磁场、电场幅值以及延迟时间t1和t2，重复试验若干次，记录受试电子设备在不同干扰源参数下的效应现象及响应信号，分析效应规律；
(9)重复步骤(2)，改变受试电子设备的工作状态，重复进行(3)～(8)，记录不同工作状态下受试电子设备的效应规律；
(10)总结分析试验结果，得出结论。
2.根据权利要求1所述的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，其特征在于：试验中产生的电磁脉冲复合场环境可有效模拟地面核爆炸源区电磁脉冲场环境，其主要指标为：辐射场为双指数脉冲信号，脉冲电场上升沿可调整至不大于100ns，脉冲半高宽可调整至不小于1ms，电场强度可调整至不小于100kV/m，脉冲磁场最高磁感应强度不小于30mT，脉冲上升时间不大于500μs，脉冲宽度不大于2ms，电场、磁场波形延时时间为0～1000μs可调。
3.根据权利要求1所述的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，其特征在于：所述步骤(1)中所有测试设备置于屏蔽测量间内，屏蔽测量间满足电场屏蔽效能大于90dB，磁场屏蔽效能大于70dB。
4.根据权利要求1所述的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，其特征在于：所述步骤(3)中，具体试验时以30°步进取典型试验角度开展试验。
5.根据权利要求1所述的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，其特征在于：所述磁场波形、电场波形延时时间为0～1000μs可调，调整精度为10μs，实验中延迟时间从低到高依次调整。
6.根据权利要求1所述的电磁脉冲复合场环境下电子设备电磁环境效应试验方法，其特征在于：所述步骤(7)和(8)中，重复试验次数不得少于3次。
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