CN111487474A - 数值孪生电磁测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数值孪生电磁测量系统，包括：数值微波暗室测量单元，用于利用高性能CAE模拟数值微波暗室，并在所述数值微波暗室中对数值模型进行数值测量；数值电磁兼容测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值电磁兼容测量室，并在所述数值电磁兼容测量室中对数值模型进行数值测量；数值混响室测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值混响室，并在所述数值混响室中对数值模型进行数值测量。本发明所提供的数值孪生电磁测量系统是在传统微波暗室的基础上，将高性能电磁计算与微波暗室中的测量方法有机融合，作为一种崭新的认知电磁场的方式，数值上实现系统级平台测量，以增强暗室测量能力和准确度。

Description

数值孪生电磁测量系统
技术领域
本发明涉及数值仿真技术领域，具体涉及一种数值孪生电磁测量系统。
背景技术
信息化战争是陆、海、空、天、电磁、网络的六维空间战争。军事活动中的侦查、干扰、探测、通信等等，都离不开对电磁场与电磁波的研究。如何认知、控制、利用电磁场，已经成为打赢未来信息化战争必须面对的重大课题。
认知装备电磁特性的方法，从经典分类上来看，主要有理论分析、仿真计算与实验测量。理论分析由于适用范围较小，一般不用于军事装备研制中。仿真计算与实验测量，是装备研制过程中的两个不同阶段。仿真计算处理的是研制初期的数值模型，由于其灵活多变的特点，已经成为现代信息化装备中电磁系统设计不可或缺的手段。实验测量处理的是研制后期的实物模型。一般是在实物加工以后才能开展，也是装备投入使用之前的最终性能检测手段。
但是，目前国内外开展工作的思路，基本上是单独从仿真计算或者电磁测量展开的，有时甚至存在认知偏差、矛盾等认知问题,如何有效结合仿真设计与实验测量形成更高层级的认知手段，是目前亟待解决的一大难题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种数值孪生电磁测量系统。
本发明的一个实施例提供了一种数值孪生电磁测量系统，包括：
数值微波暗室测量单元，用于利用高性能CAE模拟数值微波暗室，并在所述数值微波暗室中对数值模型进行数值测量；
数值电磁兼容测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值电磁兼容测量室，并在所述数值电磁兼容测量室中对数值模型进行数值测量；
数值混响室测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值混响室，并在所述数值混响室中对数值模型进行数值测量。
在本发明的一个实施例中，所述数值微波暗室测量单元、所述数值电磁兼容测量单元和所述数值混响室测量单元均包括误差仿真模块、数值测量模块和传递函数模块，其中，
所述误差仿真模块，用于对所述数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析；
数值测量模块，用于在对所述数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析之后，对所述数值模型进行数值测量，以得到数值测量结果；
传递函数模块，用于根据所述数值模型的数值测量结果得到传递函数。
在本发明的一个实施例中，所述误差仿真模块包括：
加工误差分析模块，用于对所述数值模型进行加工误差分析；
测量误差分析模块，用于对所述数值模型进行测量误差分析。
在本发明的一个实施例中，所述加工误差分析包括系统误差分析和随机误差分析。
在本发明的一个实施例中，所述测量误差分析包括探头模式误差分析、极化比误差分析、增益误差分析、校准误差分析、归一化常数误差分析、阻抗不匹配误差分析、待测物校准误差分析、采样数据间隔误差分析、测量区域截断误差分析、探头的位置误差分析、探头和待测物间耦合误差分析、接收信号幅度的线性度误差分析、系统相位误差分析、接收机的动态范围误差分析、室内散射误差分析、串扰和泄露误差分析、随机幅度/相位误差分析。
在本发明的一个实施例中，所述数值测量模块，具体用于在所述数值微波暗室中对所述数值模型进行数值远场测试和/或数值中场测试和/或数值近场测试和/或数值无相位测试，其中，数值远场测试包括室外远场测试、室内远场测试和紧缩场测试。
在本发明的一个实施例中，所述数值测量模块，具体用于对所述数值模型进行辐射耐受性测试和/或静电测试和/或电性快速瞬时干扰耐受测试和/或电磁传导耐受测试和/或电压瞬断变异耐受测试和/或雷击耐受测试。
在本发明的一个实施例中，所述传递函数模块，具体用于获取实物暗室中的待测物的测量结果，并根据所述数值测量结果与所述待测物的实物测量结果的差值得到所述传递函数。
在本发明的一个实施例中，所述数值混响室包括摆动墙式混响室、漫射体式混响室、波纹墙式混响室、不对称结构混响室、固有混响室和机械搅拌式混响室。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的数值孪生电磁测量系统是在传统微波暗室的基础上，将高性能电磁计算与微波暗室中的测量方法有机融合，作为一种崭新的认知电磁场的方式，数值上实现系统级平台的测量，以增强暗室测量能力和准确度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种数值孪生电磁测量系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种误差仿真模块、数值测量模块、传递函数模块的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种测量区域划分的示意图；
图4为本发明实施例提供的三种测试的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种数值天线的应用环境的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种实物天线的应用环境的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种数值天线与数值平台的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种传递函数引入数值平台模拟实物天线及实物平台的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种数值孪生电磁测量系统的示意图。本发明实施例提供一种数值孪生电磁测量系统，该数值孪生电磁测量系统包括：
数值微波暗室测量单元，用于利用高性能CAE模拟数值微波暗室，并在所述数值微波暗室中对数值模型进行数值测量；
数值电磁兼容测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值电磁兼容测量室，并在所述数值电磁兼容测量室中对数值模型进行数值测量；
数值混响室测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值混响室，并在所述数值混响室中对数值模型进行数值测量。
本发明所提供的数值孪生电磁测量系统是在传统微波暗室的基础上，将高性能电磁计算与微波暗室中的测量方法有机融合，作为一种崭新的认知电磁场的方式，数值上实现系统级平台的测量，以增强暗室测量能力和准确度。
CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程结构电磁性能。目前，电磁场的计算问题主要可用以下两类四种方法分析：(1)频域电磁算法，产生核心竞争力的是高阶矩量法、高阶有限元法；(2)时域电磁算法，包含基础雄厚的时域有限差分法、近期开展的时域间断伽略金法。
其中，矩量法(Method of Moments,MoM)是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，对求解微分方程和积分方程均适用。FEM(finite element method)有限元法是一种高效能、常用的数值计算方法。FDTD(Finite Difference Time Domain),时域有限差分法核心思想是把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分形式，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应。
本实施例的高性能CAE是指十万核以上的可扩展全波分析方法，其中，高性能矩量法为将引入自适应阶数高阶矩量法、并行核外高阶矩量法、通用波端口建模技术、单向通信并行CALU算法、局部选主元的LPLU算法和异构计算加速技术。高性能有限元法中引入自适应高阶有限元法、并行核外高阶有限元法和多层快速多极子加速的新型网格截断技术。高性能时域电磁算法则采用异构计算加速技术加快FDTD方法的计算速度。采用时域间断伽略金法(Discontinuous GalerkinTime Domain，DGTD)，使用显隐式混合计算放大了时间步长，提高了计算效率。
数值微波暗室测量单元用于在数值上重现实际微波暗室对所述数值模型进行各种测量方法及功能；数值电磁兼容测量单元用于对数值模型进行数值电磁兼容性的各种测量及功能；数值混响室测量单元用于在数值上重现实际混响室对所述数值模型进行的各种测量方法及功能。
具体地，本发明实施例所提供的数值孪生电磁测量系统数值微波暗室测量单元、数值电磁兼容测量单元和数值混响室测量单元，其中，
微波暗室也叫全电波暗室(Fully anechoic chamber，简称FAC)，微波暗室类似于光学暗室，不同的是微波暗室要屏蔽的不仅是可见光，还包括其它波长的电磁波。具体来说是用吸波材料来制造一个封闭空间，这样就可在暗室内制造出一个纯净的电磁环境，以方便排除外界电磁干扰。微波暗室是在屏蔽室内的各个金属面上，增加一层专门用于吸收电磁波的特殊物质构成的。一般情况下由外向内共有3层，最外层起到隔离空间电磁波的作用，中间一层铁氧体吸波材料，主要吸收低频段的电磁波；最里层为聚合物泡沫吸波材料，吸收低频值高频电磁波。微波暗室材料可以是一切吸波材料，目前以铁氧体吸波材料性能最佳，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。它的主要工作原理是根据电磁波在介质中从低磁导率向高磁导率方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。微波暗室的最明显感观是在暗室屏蔽结构内侧的六个面均铺设有吸波材料，目的是将所有反射波(包括绕射、散射波)减少到最低程度。
本发明实施例的数值微波暗室测量单元所建立的数值微波暗室是基于实际的微波暗室的特性，利用高性能CAE模拟建立的数值微波暗室的模拟环境，则所建立的数值微波暗室的模拟环境与实际的微波暗室相同，则数值模型在该模拟环境中所进行的测试能够反映出天线在实际的微波暗室中所反映出来的特征。
电磁兼容性(EMC，Electro Magnetic Compatibility)是电子、电器设备或系统的一种重要的技术性能，其为电子、电器设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。常见的电磁兼容测试场地有开阔场地、电波暗室、TEM室(横电磁波室，transverse electromagnetic wave cell)、GTEM室(GHz横电磁波室)等。
电磁兼容性主要包括电磁干扰和电磁耐受性，电磁干扰是任何在传导骚扰或辐射电场中伴随着电压、电流的作用而产生会降低某个装置、设备或系统的性能，或可能对生物或物质产生不良影响之电磁现象。相对应的测试项目将根据产品的类型和标准的不同而不同。电磁抗扰度是处在一定环境中的设备或系统在正常运行时，承受相应标准、相应规定范围内的电磁能量干扰能力。为了保证电磁研究结果的准确性能，选择良好的环境场所是必须的，在这种情况下，就产生了屏蔽外界电磁干扰的屏蔽室，在EMC测试中，研究实验选择半电波暗室，当地面为金属反射面时，用于模拟电磁波在开阔场地中的传播。当在地面上加装吸波材料后，可用于电磁场的辐射抗干扰度试验。电磁耐受性是在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。
本发明实施例的数值微波暗室测量单元所建立的数值电磁兼容测量室是基于实际的电磁兼容测量室的特性，利用高性能CAE模拟建立的数值电磁兼容测量室的模拟环境，则所建立的数值电磁兼容测量室的模拟环境与实际的电磁兼容测量室相同，则数值模型在该模拟环境中所进行的测试能够反映出天线在实际的电磁兼容测量室中所反映出来的特征。
混响室可视为一种巨型高Q(品质因数)的谐振腔，由屏蔽壳体和一个或多个金属搅拌其组成，与微波暗室不同，混响室用金属腔代替了吸波材料，在搅拌器搅拌状态下，射频能量经过腔室四壁、天花板和地面反射，在室内叠加后形成空间均匀、各项同性、随机极化的电磁环境，它可用于电磁兼容测试，也可用于天线效率测试。
混响室包括摆动墙式混响室、漫射体式混响室、波纹墙式混响室、不对称结构混响室、固有混响室和机械搅拌式混响室。
本发明实施例的数值混响室测量单元所建立的数值混响室是基于实际的混响室的特性，利用高性能CAE模拟建立的数值混响室的模拟环境，则所建立的数值混响室的模拟环境与实际的混响室相同，则数值模型在该模拟环境中所进行的测试能够反映出天线在实际的混响室中所反映出来的特征。
本发明实施例的数值孪生电磁测量系统可以利用数值微波暗室测量单元构建数值微波暗室的测量环境、利用数值电磁兼容测量单元构建数值电磁兼容的测量环境、利用数值混响室测量单元构建数值混响室的测量环境，在数值微波暗室测量单元构建数值微波暗室的测量环境、数值电磁兼容测量单元构建数值电磁兼容的测量环境和数值混响室测量单元构建数值混响室的测量环境均可以进行误差仿真分析、数值测量分析和传递函数分析，因此，请参见图2，数值微波暗室测量单元、数值电磁兼容测量单元和数值混响室测量单元均包括误差仿真模块、数值测量模块和传递函数模块，其中，
误差仿真模块，用于对数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析；
根据待测物建立数值模型，该待测物可以为天线、雷达等无线通讯产品，例如利用CAE软件进行数值模型的建立，当该数值模型建立完毕后，为了能够改善测量精度，则需要首先利用该数值模型进行误差分析。
误差仿真模块包括：
加工误差分析模块，用于对数值模型进行数值加工误差分析；
测量误差分析模块，用于对所述数值模型进行数值测量误差分析。
其中，加工误差分析包括系统误差分析和随机误差分析。
系统误差分析包含因介质基板板材介电常数均匀性、板材平整度、加工时缝隙最小精度、加工精度、电导率、磁导率等参数变化等引起的误差所进行的分析。
随机误差指的是因微小的、偶然的因素引起的综合结果，比如介质基板摔坏、损失、板材形状变形等引起的误差所进行的分析。
测量误差分析包括探头模式误差分析、极化比误差分析、增益误差分析、校准误差分析、归一化常数误差分析、阻抗不匹配误差分析、待测物校准误差分析、采样数据间隔误差分析、测量区域截断误差分析、探头的位置误差分析、探头和待测物间耦合误差分析、接收信号幅度的线性度误差分析、系统相位误差分析、接收机的动态范围误差分析、室内散射误差分析、串扰和泄露误差分析、随机幅度/相位误差分析。
探头模式误差分析即为在暗室环境中探头的在不同测量模式(平面测量、球面测量、柱面测量)下引起的误差所进行的分析。
天线极化包括线极化、圆极化、椭圆极化。极化比是天线主极化和交叉极化的比值。若是线极化，则极化比为水平极化和垂直极化的比值或垂直极化和水平极化的比值；若是圆极化，则极化比为左旋圆极化和右旋圆极化的比值或右旋圆极化和左旋圆极化的比值，若是椭圆极化，则极化比为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化的比值或右旋椭圆极化和左旋椭圆极化的比值，极化比误差分析则为对天线的极化比进行的误差分析。
校准误差分析为在各个测量设备或待测物在测试准备过程中所进行的校准而引起的误差所进行的分析，例如校准误差分析包括对探头或者标准喇叭需要放置的位置进行校准时所产生的误差而进行的分析、对待测物的相位中心与探头的中心对应进行校准时所产生的误差而进行的分析、对转台转动时沿着水平方向和俯仰方向转动进行校准时所产生的误差而进行的分析、对连接线缆间的匹配进行校准时所产生的误差而进行的分析。
增益是在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。增益定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度，增益误差分析则为标准增益存在误差时对天线增益所产的误差分析。
增益测量中归一化常数包含插入损耗、增益标准，归一化常数误差分析主要对所设置的归一化常数所产生的误差进行的分析。
阻抗不匹配误差分析主要为连接线(传输线)与待测物间的阻抗不匹配所产生的误差进行的分析。
待测物校准误差分析是待测物与馈源间相位中心校准时所产生的误差进行的分析。
天线位置误差包含待测天线在不同坐标系下所产生的误差、坐标系轴间的校准误差(球坐标系下指的theta轴和phi轴校准，柱坐标系下是xoy面和z轴校准)、准直误差(theta轴与源天线的非正交性)、轴位置误差、热膨胀和收缩所引起的定位器的偏转误差。
采样数据间隔误差分析是近场测量时探头每隔设定距离进行数据采样时所产生的误差进行的分析。
测量区域截断是在近区(即有限区域)测量待测物，然后对复阵因子进行傅里叶变换，最终使得待测物的远区特性通过近区测量得到。测量区域越大，测量越准确，但采样时间将增加，同时带来计算量增加。而测量区域越小，采样时间缩短，但会造成计算结果的不准确。测量区域截断误差分析则是在上述测量过程中所产生的误差进行的分析。
探头的位置误差分析是：直角坐标系下探头在x方向、y方向和z方向的位置误差分析；柱坐标系和球坐标系下是径向和z方向的位置误差分析；
探头与待测物间耦合误差分析是馈源探头与待测天线间存在多次反射和相互耦合的影响而产生的误差进行的分析。
接收机的动态范围是使接收机能够对接收信号进行检测而又使接收信号不失真的输入信号的大小范围，一般指幅度。如果接收信号过大，会引起放大器的失真和引入噪声，信号过小，信号无法被检测到。接收机的动态范围误差分析则是对上述过程中所产生的误差进行的分析。
串扰和泄露误差分析是在多线路连接时产生的信号串扰现象，以及线缆非正常连接或设备异常造成的泄露所引起的误差进行的分析。
随机幅度/相位误差分析，在实物测量过程中，针对有解析解理论模型给出精确的解析分析；对于无解析解的情况，采用随机投点法研究幅度和相位的方差，均值等参量，最终利用机器学习方法分析误差。
上述所述的加工误差分析和测量误差分析可以根据数值模型的具体需求进行选择，例如可以只进行加工误差分析，也可以只进行测量误差分析，也可以既进行加工误差分析、也进行测量误差分析，且对于加工误差分析而言，可以选择加工误差分析中多种误差分析内容进行分析、也可以只选择加工误差分析中某种误差分析内容进行分析，同理的，对于测量误差分析而言，可以选择测量误差分析中多种误差分析内容进行分析、也可以只选择测量误差分析中某种误差分析内容进行分析。
目前，在电磁仿真计算与电磁实验测量的比对中，常常出现偏差，一般是定性地归结为仿真数值模型与实际测量模型不同的模糊解释，对仿真数值模型而言，测试误差一般归结为加工精度、板材精度、测量精度等的影响，而对实际测量模型而言，仿真误差归结为仿真设计容差、计算精度、计算机资源等的影响。本实施例对于待测物所建立的数值模型既进行了加工误差的分析、也考虑了测量误差分析，从而改善了因对数值模型的误差分析不全面而造成的与实际测量模型的偏差的问题，通过引入误差仿真模块增强了数值模型的容差性。
数值测量模块，用于在对所述数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析之后，对所述数值模型进行数值测量，以得到数值测量结果；
在对所建立的数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析之后，且其满足允许产生的误差大小的范围时，则可以对所建立的数值模型进行数值测量，从而得到数值测量结果。
数值测量模块，在电磁兼容测量环境时，具体用于对所述数值模型进行辐射耐受性测试和/或静电测试和/或电性快速瞬时干扰耐受测试和/或电磁传导耐受测试和/或电压瞬断变异耐受测试和/或雷击耐受测试。
在电磁兼容测量环境时，数值测量模块可以只对数值模型进行辐射耐受性测试、静电测试、电性快速瞬时干扰耐受测试、电磁传导耐受测试或电压瞬断变异耐受测试中的任意一项，也可以从辐射耐受性测试、静电测试、电性快速瞬时干扰耐受测试、电磁传导耐受测试和电压瞬断变异耐受测试中选择几项或全部进行测试。
数值测量模块，在微波暗室测量环境时，还具体用于在微波暗室中对数值模型进行数值远场测试和/或数值中场测试和或数值近场测试和或数值无相位测试，其中，数值远场测试包括室外远场测试、室内远场测试和紧缩场测试。
请参见图3，辐射近场测试包括电抗近场测试、平面近场测试和中场测试，其中，电抗近场的区域为天线阵面前λ/2π内的区域；平面近场的区域为天线阵面前3λ～10λ内的区域；中场的区域为天线阵面前2d2/λ～2D2/λ内的区域；辐射近场的区域为天线阵面前2D2/λ内的区域；辐射远场的区域为天线阵面前2D2/λ以外的区域，λ是天线的工作波长、d为天线单元口径，D为天线阵面口径。
请参见图4，实物远场测试包括室外远场测试、室内远场测试和紧缩场测试三种。
室外远场为避免地面反射波的影响，通常把收发天线架设在水泥塔、相邻高大建筑物或山顶。此时待测天线在方位或俯仰面上旋转采集数据，可以得到天线的方向图信息，可直接测量得到天线的远场特性。经典远场条件容易得到满足，保证了测量精度；测量结果对于天线相位中心的位置变化不太敏感，因而旋转待测天线并不会导致明显的测量误差；待测天线和源天线之间的耦合和多次反射可以忽略。
相对于室外远场，室内远场具有全天候测量、保密性、抗电磁干扰等众多优势，室内远场可测量的天线口径较小。
紧缩场(Compact Antenna Test Range，CATR)天线测试可以在近距离内提供一个性能优良的准平面波测试区，其采用精密的反射面，将电源产生的球面波在近距离内变换为平面波，从而满足远场测试条件。紧缩场是雷达天线测试、武器装备反射特性测试等系统性能测试的重要测试设备，对通信、国防、航空航天等领域的发展具有重要意义。根据准直元件不同，紧缩场有三种基本类型：反射面型、透镜型、全息紧缩场。
数值近场测试包含辐射近场测试和散射近场测试。主要研究方法为模式展开法，其基本思想为：空间任意一个时谐电磁波可以分解为沿各个方向传播的平面波或柱面波或球面波之和。因此将采样面可分为平面、柱面和球面三种。当取样扫描面为平面时，则称为平面近场测量；若取样扫描面为柱面，则称为柱面近场测量；如果取样扫描面为球面，则称为球面近场测量，请参见表1。
表1近场测量的分类
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辐射近场测试是用一个已知探头天线(口径几何尺寸远小于1λ)在离开辐射体(通常是天线)3λ～10λ的距离上扫描测量(按照取样定理进行抽样)一个平面或曲面上电磁场的幅度和相位数据，再经过数学变换计算出天线远区场的电特性。
当辐射体变为散射体时，辐射近场测量转换为散射近场测试。由于散射体是无源的，因此需要一个照射源对其进行照射，和辐射近场测量一样，散射近场测量也有3种取样方式，分别称为平面散射近场测量和柱面散射近场测量以及球面散射近场测量。
数值无相位测试：随着天线工作频率的提升，由于探头定位误差、测量成本等因素的制约，近场相位获取越发困难，致使高频段天线测量成为一大难题。针对高频天线测量问题，数值无相位测试方法是在天线近场区设置两扫描平面，使用采样技术获取扫描点位置的切向场幅值信息，并利用迭代傅里叶变换算法(Iterative Fourier TransformAlgorithm，IFTA)对扫描点位置场相位进行还原。由于仅进行幅值采样和使用算法还原相位，使得测量成本大大降低，方向图重建精度提高。
数值中场测试：有源相控阵天线的发射和接收天线的性能依赖于阵面口径的幅相分布，有源相控阵的幅相校准工作通常在出厂前通过暗室中的平面近场测量进行，但是某些大型的有源阵面根本无法进暗室进行校准，利用外场测量进行的校准往往无法验证其结果的好坏，需使用中场测试技术。中场测试技术利用参考天线放在待测相控阵前方特定的位置上，对相控阵进行测试，通过对所测到的耦合幅相值进行一系列的修正，利用这些修正后的幅相值对天线单元进行配幅配相，以实现相控阵的正常工作。相控阵有一维相扫和二维相扫之分，与之对应，中场校正技术也可分为中场两点法和中场三点法。
在数值微波暗室测量环境时，数值微波暗室测量单元可以只对数值模型进行数值远场测试中的室外远场测试、数值远场测试中的室内远场测试、数值远场测试中的紧缩场测试、数值中场测试、数值近场测试或数值无相位测试中的任意一项，也可以从数值远场测试中的室外远场测试、数值远场测试中的室内远场测试、数值远场测试中的紧缩场测试、数值中场测试、数值近场测试和数值无相位测试中选择几项或全部进行测试。
传递函数模块，用于根据所述数值模型的数值测量结果得到传递函数。
传递函数模块，具体用于获取实物暗室中的待测物的测量结果，并根据数值测量结果与待测实物的实物测量结果的差值得到传递函数。
请参见图5，首先建立数值暗室仿真环境，即利用该发明实施例的数值孪生电磁测量系统建立数值暗室仿真环境，该数值暗室仿真环境是根据实际所使用的暗室环境所建立的，利用数值暗室仿真环境中的虚拟探头对数值模型进行虚拟测量，其测量的项目与实际的待测物所进行的测量项目相一致，从而得到数值测量结果；
请参见图6，在实物暗室中对待测物进行测量，从而获取该待测物在实物暗室中的测量结果，其中，实物暗室即为待测物真正所处的暗室环境，例如，待测物为实物天线。
将在数值暗室仿真环境中所获得的数值测量结果与在实物暗室环境中所获得的测量结果进行做差处理，所得到的差值即为传递函数。
请参见图7和图8，根据待测物所真正应用的实物平台建立数值平台，并利用虚拟探头测量数值模型加载所建立的数值平台的性能指标，该数值平台的性能指标满足要求后，则将所得到的传递函数引入到数值暗室仿真环境中的虚拟探头中，从而便可以实现在待测物加载平台的实物测量结果。
本发明实施例的数值孪生电磁测量系统所建立的数值暗室也可融合目前已有的暗室测量数据,结合新颖的电磁流采用理论和技术,可以解决传统CAE算法对物体建模的依赖。
本发明实施例的数值孪生电磁测量系统不仅对待测物进行仿真建模(即传统CAE做法，Computer Aided Engineering)，还要对探头、暗室环境进行建模，从数值上重现实际暗室测量过程，并对待测物进行诊断和分析，从而可部分替代实际实验测量，有效弥补飞机、卫星、舰船等系统级平台电磁特性测量能力不足问题，提升重大装备的研制能力。
本发明的数值孪生电磁测量系统考虑到在暗室环境下，在探头进行测试时，其电磁特性可能会产生的影响。该数值孪生电磁测量系统的对象不只是被测天线，还有整个暗室环境，可以模拟实际天线测量过程，揭示测量过程中引入的认知变化，该数值孪生电磁测量系统在传统CAE仿真功能的基础上增加了暗室的建模与仿真，从而可使设计者真实的站在天线测量的角度分析和诊断天线。
本发明的数值孪生电磁测量系统不仅拥有传统暗室的测量功能，同时还可利用CAE仿真软件计算功能模拟传统暗室放置待测物体的情况，并针对模型加工精度、板材精度、测量精度进行容差分析，由此改善器件的可制造性，站在测量角度验证仿真设计的正确性。
本发明的数值孪生电磁测量系统不受场地、吸波材料、测试仪器等因素的限制，不仅可有效弥补当前飞机、舰船等系统级设备的测量能力不足问题,还可以大大简化测量所耗费的人力和物力。
本发明所提供的数值孪生电磁测量系统是在传统微波暗室的基础上，将高性能电磁计算与微波暗室中的测量方法有机融合，作为一种崭新的认知电磁场的方式，数值上实现系统级平台的测量，以增强暗室测量能力和准确度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种数值孪生电磁测量系统，其特征在于，包括：
数值微波暗室测量单元，用于利用高性能CAE模拟数值微波暗室，并在所述数值微波暗室中对数值模型进行数值测量；
数值电磁兼容测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值电磁兼容测量室，并在所述数值电磁兼容测量室中对数值模型进行数值测量；
数值混响室测量单元，用于利用所述高性能CAE模拟数值混响室，并在所述数值混响室中对数值模型进行数值测量。
2.根据权利要求1所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述数值微波暗室测量单元、所述数值电磁兼容测量单元和所述数值混响室测量单元均包括误差仿真模块、数值测量模块和传递函数模块，其中，
所述误差仿真模块，用于对所述数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析；
数值测量模块，用于在对所述数值模型进行加工误差分析和/或测量误差分析之后，对所述数值模型进行数值测量，以得到数值测量结果；
传递函数模块，用于根据所述数值模型的数值测量结果得到传递函数。
3.根据权利要求2所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述误差仿真模块包括：
加工误差分析模块，用于对所述数值模型进行加工误差分析；
测量误差分析模块，用于对所述数值模型进行测量误差分析。
4.根据权利要求3所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述加工误差分析包括系统误差分析和随机误差分析。
5.根据权利要求3所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述测量误差分析包括探头模式误差分析、极化比误差分析、增益误差分析、校准误差分析、归一化常数误差分析、阻抗不匹配误差分析、待测物校准误差分析、采样数据间隔误差分析、测量区域截断误差分析、探头的位置误差分析、探头和待测物间耦合误差分析、接收信号幅度的线性度误差分析、系统相位误差分析、接收机的动态范围误差分析、室内散射误差分析、串扰和泄露误差分析、随机幅度/相位误差分析。
6.根据权利要求2所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述数值测量模块，具体用于在所述数值微波暗室中对所述数值模型进行数值远场测试和/或数值中场测试和/或数值近场测试和/或数值无相位测试，其中，数值远场测试包括室外远场测试、室内远场测试和紧缩场测试。
7.根据权利要求2所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述数值测量模块，具体用于对所述数值模型进行辐射耐受性测试和/或静电测试和/或电性快速瞬时干扰耐受测试和/或电磁传导耐受测试和/或电压瞬断变异耐受测试和/或雷击耐受测试。
8.根据权利要求2所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述传递函数模块，具体用于获取实物暗室中的待测物的测量结果，并根据所述数值测量结果与所述待测物的实物测量结果的差值得到所述传递函数。
9.根据权利要求1所述的数值孪生电磁测量系统，其特征在于，所述混响室包括摆动墙式混响室、漫射体式混响室、波纹墙式混响室、不对称结构混响室、固有混响室和机械搅拌式混响室。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114063516A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 中国船舶科学研究中心 一种基于虚实融合的舰船多物理场控制系统及控制方法
CN117613556A (zh) * 2023-11-23 2024-02-27 航天恒星科技有限公司 相控阵天线全空域校正方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004032693A (ja) * 2002-03-28 2004-01-29 Mitsumi Electric Co Ltd 電磁結合型ｎ点給電ループアンテナ
CN104865562A (zh) * 2015-06-12 2015-08-26 西安电子科技大学 基于混合模型的雷达非合作目标的识别方法
CN107924955A (zh) * 2015-04-14 2018-04-17 福斯国际公司 用于产生散射选择的波长的电磁能量的系统和方法
CN108388927A (zh) * 2018-03-26 2018-08-10 西安电子科技大学 基于深度卷积孪生网络的小样本极化sar地物分类方法
CN109116751A (zh) * 2018-07-24 2019-01-01 西安西电电气研究院有限责任公司 基于数字孪生技术的数字化系统及其构建方法
CN109214021A (zh) * 2017-07-03 2019-01-15 上海东峻信息科技有限公司 一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004032693A (ja) * 2002-03-28 2004-01-29 Mitsumi Electric Co Ltd 電磁結合型ｎ点給電ループアンテナ
CN107924955A (zh) * 2015-04-14 2018-04-17 福斯国际公司 用于产生散射选择的波长的电磁能量的系统和方法
CN104865562A (zh) * 2015-06-12 2015-08-26 西安电子科技大学 基于混合模型的雷达非合作目标的识别方法
CN109214021A (zh) * 2017-07-03 2019-01-15 上海东峻信息科技有限公司 一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法
CN108388927A (zh) * 2018-03-26 2018-08-10 西安电子科技大学 基于深度卷积孪生网络的小样本极化sar地物分类方法
CN109116751A (zh) * 2018-07-24 2019-01-01 西安西电电气研究院有限责任公司 基于数字孪生技术的数字化系统及其构建方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
郑新新: "电磁兼容自动测试平台的架构与实现", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库·信息科技辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114063516A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 中国船舶科学研究中心 一种基于虚实融合的舰船多物理场控制系统及控制方法
CN114063516B (zh) * 2021-11-16 2023-05-09 中国船舶科学研究中心 一种基于虚实融合的舰船多物理场控制系统及控制方法
CN117613556A (zh) * 2023-11-23 2024-02-27 航天恒星科技有限公司 相控阵天线全空域校正方法

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