CN109655671A - 低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统及试验方法 - Google Patents

低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统及试验方法 Download PDF

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Abstract

一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统及试验方法，采用标定装置进行外场条件下试验系统的试验前标定，移除标定装置，在飞机进入场地前，完成低电平扫掠电流试验前的校准，将飞机置于测试区域，完成不同照射角度下飞机内部不同线缆束的低电平扫掠电流试验，完成安全防护性能的评估。本发明可解决在中低频段采用低电平扫掠电流方式进行飞机HIRF试验时，涉及测试设备多、测试过程繁琐，导致整个试验系统和链路易于出错的问题，缩短系统调试和整改时间，节约飞机试验成本，确保飞机HIRF试验的精度，为飞机中低频段的高强辐射场效应的防护设计和安全性评估提供试验手段。

Description

低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统及试验方法
技术领域
本发明涉及电磁环境效应技术领域，尤其涉及一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统及试验方法。
背景技术
高强度辐射场(HIRF)主要是来自地面、舰船、海上平台或航空器上的雷达、无线电、导航、广播等高功率发射机的辐射，具有频带宽、峰值高和作用时间长等特点。HIRF环境下飞机系统内电子/电气设备面临潜在的电磁干扰问题，主要体现在外部强电磁场与飞机平台的电磁耦合，包括进入飞机舱室内的电磁场以及进入机内线缆的感应电流，从而影响飞机关键/重要电子系统的正常工作。从飞行安全性考虑，美国联邦适航局、欧洲联合适航局相继颁布了条款，强制规定各类飞机必须满足HIRF适航认证要求，我国民航总局参照国外相关要求，也颁布了相应专用条件和问题纪要，论证研制的新型国产飞机，无论是国内使用还是出口，都需要满足HIRF安全性评估要求。
国内在飞机高强度辐射场(HIRF)效应方面的研究开展较晚，相关的研究成果较少。可查询的相关知识产权有国家发明专利《一种低电平扫描场的高强辐射场测试系统及其测试方法》(专利授权号：ZL201310218837.9)，通过建立低电平扫描场的等效方法获取舱体内部场强。
目前，针对飞机高频段(高于400MHz)的HIRF效应研究主要采用扫描场的方式，通过模拟外部高强辐射场环境，在飞机舱室内采集电场场强值，从而获取飞机舱室的衰减特性。但是，频率在30MHz～400MHz时，HIRF能量主要通过机内互连线束的感应耦合，高频段的试验方法不再适用。此时，一般采用低电平扫掠电流的方式，同样在外部模拟高强辐射场，然后在机内采集线缆束上的感应电流值，获取辐射场照射与线束感应电流的传输函数关系。低电平扫掠电流的方式较扫描场的方式更为复杂，涉及测试设备多、测试过程繁琐，整个试验系统和链路存在较多易于出错的因素。同时综合考虑到飞机高强辐射场效应试验需面向飞机完成，通常试验周期较短，时间紧、任务重。基于上述原因，在试验前需预先对试验系统和链路进行良好调试和验证，确保试验系统满足试验要求。因此，需要提出一种低电平扫掠电流的飞机高强辐射场效应标定装置及试验方法，用于完成HIRF效应的防护设计试验标定、验证与安全性评估。
发明内容
本发明提供一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统及试验方法，可解决在中低频段(30MHz～400MHz)采用低电平扫掠电流方式进行飞机HIRF试验时，涉及测试设备多、测试过程繁琐，导致整个试验系统和链路易于出错的问题，缩短系统调试和整改时间，节约飞机试验成本，确保飞机HIRF试验的精度，为飞机中低频段的高强辐射场效应的防护设计和安全性评估提供试验手段。
为了达到上述目的，本发明提供一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统，包含：
信号源，用于产生低电平扫频信号；
功率放大器，其连接信号源，用于放大低电平扫频信号；
切换开关，其连接功率放大器，用于完成对不同频段照射天线连接线路的切换；
多个照射天线，其连接切换开关，对外辐射电磁波，均匀照射标定装置或飞机；
接收天线，其设置在飞机机身中心点位置，用于接收信号；
标定装置，其用于完成外场条件下试验系统的试验前标定。
电流探头，其设置在标定装置或飞机上，用于获取线缆束上的感应电流；
光电转换器，其连接电流探头，用于实现测试信号的多通道、远距离、低损耗传输；
频谱仪，其连接光电转换器，用于接收测试信号；
控制计算机，其连接频谱仪和信号源，实现对频谱仪和信号源的自动化控制。
所述的标定装置包含：金属外壳，以及设置在金属外壳顶部的照射孔隙和设置在金属外壳侧面的侧面活板门，以及设置在金属外壳内部的待测线缆，还包含设置在金属外壳上的电流探头接地固定装置。
本发明还提供一种用于低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统的标定装置，包含：金属外壳，以及设置在金属外壳顶部的照射孔隙和设置在金属外壳侧面的侧面活板门，以及设置在金属外壳内部的待测线缆，还包含设置在金属外壳上的电流探头接地固定装置。
所述的标定装置的金属外壳为铝制，壳体尺寸为1m×0.6m×0.6m；顶部照射孔隙尺寸为0.35m×0.2m；内部待测线缆长1m，横截面面积2.5mm2，距离顶面10cm，两端端接50Ω负载；侧面活板门尺寸为0.5m×0.3m。
本发明还提供一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，包含以下步骤：
步骤S1、设计并定义标定装置的三维尺寸及构造；
步骤S2、建立标定装置的电磁仿真模型，仿真频率为30MHz～400MHz，外部采用平面波照射得到待测线缆束上感应电流与外部辐射场的传输函数f1；
步骤S3、设定频率在30MHz～400MHz之间的传输函数的动态变化范围；
步骤S4、根据仿真结果和定义尺寸设计并制作标定装置；
步骤S5、采用标定装置进行外场条件下试验系统的试验前标定，获取测试传输函数f2；
步骤S6、移除标定装置，在飞机进入场地前，完成低电平扫掠电流试验前的校准，记录场强E和发射功率Pin；
步骤S7、将飞机置于测试区域，完成不同照射角度下飞机内部不同线缆束的低电平扫掠电流试验，记录不同位置的发射天线对应的线缆感应电流值I1、I2、I3和I4；
步骤S8、进行测试数据处理，利用步骤S7中的校准场强值E将步骤S8测试得到的电流感应电流值I1、I2、I3和I4归一化到1V/m情况下的结果，即得到照射电磁环境与线缆束感应电流之间的传输函数值K1、K2、K3和K4，每条被测线缆对应多组传输函数，将多组传输函数取最大包络得到最终传递函数f：
查阅在该频段内的实际HIRF环境场强值a，将试验结果进行数据外推，即传递函数与实际高强辐射场环境场强值相乘，从而得到实际高强辐射场环境下的机内线缆感应电流I：
I＝f·a；
步骤S9、将感应电流I与线缆的设计阈值进行对比，完成安全防护性能的评估。
所述的动态变化范围为0.01mA/(V/m)至1mA/(V/m)。
所述的步骤S5中，在进行试验前标定时，对比步骤S2获得的传输函数f1和步骤S3确定的动态变化范围，如果f1和f2的差别不在±3dB以内，则对系统组成设备和链路进行排查，确保试验设备及链路工作正常后，再次进行步骤S5，直至f1和f2的差别在±3dB以内。
所述的步骤S5中，在进行试验前标定时，照射天线置于正对标定装置顶部的照射的孔隙，照射天线高于地面2m，与标定装置的中心高度保持一致，照射天线与标定装置的前面板距离30m。
所述的步骤S6中，接收天线放置于预定的机身中心点位置，接收天线与照射天线的距离至少为飞机长度的1.5倍，发射天线以接收天线为中心，以90°为间隔设置。
所述的步骤S7中，采用校准时一致的外部低电平模拟信号Pin照射整个飞机，以90°为间隔改变发射天线的位置和照射角度，依次完成四个位置的测试，该线缆感应电流值分别记录为I1、I2、I3和I4。
本发明可解决在中低频段(30MHz～400MHz)采用低电平扫掠电流方式进行飞机HIRF试验时，涉及测试设备多、测试过程繁琐，导致整个试验系统和链路易于出错的问题，缩短系统调试和整改时间，节约飞机试验成本，确保飞机HIRF试验的精度，为飞机中低频段的高强辐射场效应的防护设计和安全性评估提供试验手段。
附图说明
图1是低电平扫掠电流的飞机高强辐射场效应试验图。
图2是外场条件下的标定试验图。
图3是标定装置的结构示意图。
图4是本发明提供的一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法的流程图。
图5是仿真得到的待测线束感应电流与外部照射场的传输函数关系图。
具体实施方式
以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1和图2所示，本发明提供一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统，包含：
信号源1，用于产生低电平扫频信号；
功率放大器2，其连接信号源1，用于放大低电平扫频信号；
切换开关3，其连接功率放大器2，用于完成对不同频段照射天线连接线路的切换；
多个照射天线4，其连接切换开关3，对外辐射电磁波，均匀照射标定装置或飞机；
接收天线12，其设置在飞机机身中心点位置，用于接收信号；
标定装置11，其用于完成外场条件下试验系统的试验前标定；
电流探头5，其设置在标定装置11或飞机上，用于获取线缆束上的感应电流；
光电转换器，其连接接收天线12和电流探头5，用于实现测试信号的多通道、远距离、低损耗传输；
频谱仪8，其连接光电转换器，用于接收测试信号；
控制计算机9，其连接频谱仪8和信号源1，实现对频谱仪8和信号源1的自动化控制。
进一步，所述的光电转换器包含：
多通道光电转换模块6，其通过光纤连接接收天线12和电流探头5；
光电转换控制器7，其通过光纤连接多通道光电转换模块6，并连接频谱仪8和控制计算机9。
如图3所示，所述的标定装置11包含：金属外壳101，以及设置在金属外壳顶部的照射孔隙102和设置在金属外壳侧面的侧面活板门103，以及设置在金属外壳内部的待测线缆104，还包含设置在金属外壳上的电流探头接地固定装置105。
标定装置的尺寸参照仿真模型，保证金属外壳的较小变形不会对最终结果产生太多影响。同时，为了确保传输函数测试结果的良好复现性，专门制作一个金属支架，即电流探头接地固定装置，对电流探头进行接地处理，从而使得可能引入的感应寄生信号最小化。此外，保证电流探头与测试仪表的射频电缆尽量短，减小射频电缆与待测线缆的耦合。
如图4所示，本发明提供一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，包含以下步骤：
步骤S1、设计并定义标定装置的三维尺寸及构造；
标定装置的金属外壳为铝制，壳体尺寸为1m×0.6m×0.6m；顶部照射孔隙尺寸为0.35m×0.2m；内部待测线缆长1m，横截面面积2.5mm2，距离顶面10cm，两端端接50Ω负载；侧面活板门尺寸为0.5m×0.3m；
步骤S2、建立标定装置的电磁仿真模型，外部采用平面波照射得到待测线缆束上感应电流与外部辐射场的传输函数f1；
仿真频率为30MHz～400MHz，标定装置设置为理想导电壳体，待测线缆的两端端接50Ω负载，如图5所示，传输函数f1中包含线缆谐振点和金属壳体谐振点，fc1、fc2为线缆谐振点，fb1、fb2、fb3，为金属壳体谐振点；
步骤S3、设定频率在30MHz～400MHz之间的传输函数的动态变化范围；
动态变化范围通常在0.01mA/(V/m)至1mA/(V/m)；
步骤S4、根据仿真结果和定义尺寸设计并制作标定装置；
步骤S5、采用标定装置进行外场条件下试验系统的试验前标定，获取测试传输函数f2；
如图2所示，将标定装置置于测试台，照射天线置于预定位置，正对标定装置顶部的照射的孔隙，照射天线高于地面2m，与标定装置的中心高度保持一致，照射天线与标定装置的前面板距离30m；
照射天线对外辐射电磁波，电流探头在接收端进行数据采集，分别记录发射端的功率和接收端的感应电流值，获取传输函数测试结果f2，对比步骤S2获得的仿真结果传输函数f1和步骤S3确定的动态范围，如果f1和f2的差别在±3dB以内，说明系统正常，继续进行步骤S6，否则，对系统组成设备和链路进行排查，确保试验设备及链路工作正常后，再次进行步骤S5；
步骤S6、移除标定装置，在飞机进入场地前，完成低电平扫掠电流试验前的校准，记录场强E和发射功率Pin；
在飞机进入场地前，将接收天线放置于预定的机身中心点位置(图1中飞机所在位置)，与多通道光电转换模块连接，通常接收天线与照射天线的距离至少为飞机长度的1.5倍，以确保均匀照射，发射天线与接收天线的高度与机身中心点高度保持一致，发射天线以接收天线为中心90°间隔完成四个位置的布置校准；发射天线发射电磁波，记录接收天线所接收到的场强E以及所用的发射功率Pin；
步骤S7、将飞机置于测试区域，完成不同照射角度下飞机内部不同线缆束的低电平扫掠电流试验，记录不同位置的发射天线对应的线缆感应电流值I1、I2、I3和I4；
将飞机置于待测区域，采用校准时一致的外部低电平模拟信号Pin照射整个飞机，电流探头测试机内某线缆束的感应电流，获取的感应电流以最短路径进入光电转换模块，经光纤传输和转换后得到机内某线缆上的感应电流；以90°为间隔改变发射天线的位置和照射角度，依次完成四个位置的测试，该线缆感应电流值分别记录为I1、I2、I3和I4；
步骤S8、进行测试数据处理，利用步骤S7中的校准场强值E将步骤S8测试得到的电流感应电流值I1、I2、I3和I4归一化到1V/m情况下的结果，即得到照射电磁环境与线缆束感应电流之间的传输函数值K1、K2、K3和K4，每条被测线缆对应多组传输函数，将多组传输函数取最大包络得到最终传递函数f：
查阅在该频段内的实际HIRF环境场强值a，将试验结果进行数据外推，即传递函数与实际高强辐射场环境场强值相乘，从而得到实际高强辐射场环境下的机内线缆感应电流I：
I＝f·a；
步骤S9、将感应电流I与线缆的设计阈值进行对比，完成安全防护性能的评估；
如果感应电流I超过了设计阈值，需采取修正措施进行整改设计，直至低于设计阈值，处于可接受状态，则表示完成了该频段的飞机高强辐射场效应安全性的评估。
本发明可解决在中低频段(30MHz～400MHz)采用低电平扫掠电流方式进行飞机HIRF试验时，涉及测试设备多、测试过程繁琐，导致整个试验系统和链路易于出错的问题，缩短系统调试和整改时间，节约飞机试验成本，确保飞机HIRF试验的精度，为飞机中低频段的高强辐射场效应的防护设计和安全性评估提供试验手段。
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 (10)

1.一种低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统，其特征在于，包含：
信号源，用于产生低电平扫频信号；
功率放大器，其连接信号源，用于放大低电平扫频信号；
切换开关，其连接功率放大器，用于完成对不同频段照射天线连接线路的切换；
多个照射天线，其连接切换开关，对外辐射电磁波，均匀照射标定装置或飞机；
接收天线，其设置在飞机机身中心点位置，用于接收信号；
标定装置，其用于完成外场条件下试验系统的试验前标定；
电流探头，其设置在标定装置或飞机上，用于获取线缆束上的感应电流；
光电转换器，其连接电流探头，用于实现测试信号的多通道、远距离、低损耗传输；
频谱仪，其连接光电转换器，用于接收测试信号；
控制计算机，其连接频谱仪和信号源，实现对频谱仪和信号源的自动化控制。
2.如权利要求1所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统，其特征在于，所述的标定装置包含：金属外壳，以及设置在金属外壳顶部的照射孔隙和设置在金属外壳侧面的侧面活板门，以及设置在金属外壳内部的待测线缆，还包含设置在金属外壳上的电流探头接地固定装置。
3.一种用于如权利要求1所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统的标定装置，其特征在于，包含：金属外壳，以及设置在金属外壳顶部的照射孔隙和设置在金属外壳侧面的侧面活板门，以及设置在金属外壳内部的待测线缆，还包含设置在金属外壳上的电流探头接地固定装置。
4.如权利要求3所述的标定装置，其特征在于，所述的标定装置的金属外壳为铝制，壳体尺寸为1m×0.6m×0.6m；顶部照射孔隙尺寸为0.35m×0.2m；内部待测线缆长1m，横截面面积2.5mm2，距离顶面10cm，两端端接50Ω负载；侧面活板门尺寸为0.5m×0.3m。
5.一种利用如权利要求4所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验系统来进行的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、设计并定义标定装置的三维尺寸及构造；
步骤S2、建立标定装置的电磁仿真模型，仿真频率为30MHz～400MHz，外部采用平面波照射得到待测线缆束上感应电流与外部辐射场的传输函数f1；
步骤S3、设定频率在30MHz～400MHz之间的传输函数的动态变化范围；
步骤S4、根据仿真结果和定义尺寸设计并制作标定装置；
步骤S5、采用标定装置进行外场条件下试验系统的试验前标定，获取测试传输函数f2；
步骤S6、移除标定装置，在飞机进入场地前，完成低电平扫掠电流试验前的校准，记录场强E和发射功率Pin；
步骤S7、将飞机置于测试区域，完成不同照射角度下飞机内部不同线缆束的低电平扫掠电流试验，记录不同位置的发射天线对应的线缆感应电流值I1、I2、I3和I4；
步骤S8、进行测试数据处理，利用步骤S7中的校准场强值E将步骤S8测试得到的电流感应电流值I1、I2、I3和I4归一化到1V/m情况下的结果，即得到照射电磁环境与线缆束感应电流之间的传输函数值K1、K2、K3和K4，每条被测线缆对应多组传输函数，将多组传输函数取最大包络得到最终传递函数f：
查阅在该频段内的实际HIRF环境场强值a，将试验结果进行数据外推，即传递函数与实际高强辐射场环境场强值相乘，从而得到实际高强辐射场环境下的机内线缆感应电流I：
I＝f·a；
步骤S9、将感应电流I与线缆的设计阈值进行对比，完成安全防护性能的评估。
6.如权利要求5所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，其特征在于，所述的动态变化范围为0.01mA/(V/m)至1mA/(V/m)。
7.如权利要求5所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，其特征在于，所述的步骤S5中，在进行试验前标定时，对比步骤S2获得的传输函数f1和步骤S3确定的动态变化范围，如果f1和f2的差别不在±3dB以内，则对系统组成设备和链路进行排查，确保试验设备及链路工作正常后，再次进行步骤S5，直至f1和f2的差别在±3dB以内。
8.如权利要求5所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，其特征在于，所述的步骤S5中，在进行试验前标定时，照射天线置于正对标定装置顶部的照射的孔隙，照射天线高于地面2m，与标定装置的中心高度保持一致，照射天线与标定装置的前面板距离30m。
9.如权利要求5所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，其特征在于，所述的步骤S6中，接收天线放置于预定的机身中心点位置，接收天线与照射天线的距离至少为飞机长度的1.5倍，发射天线以接收天线为中心，以90°为间隔设置。
10.如权利要求5所述的低电平扫掠电流的高强辐射场效应试验方法，其特征在于，所述的步骤S7中，采用校准时一致的外部低电平模拟信号Pin照射整个飞机，以90°为间隔改变发射天线的位置和照射角度，依次完成四个位置的测试，该线缆感应电流值分别记录为I1、I2、I3和I4。
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