CN113899923B - 一种hemp辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统和方法，控制计算机通过电路控制模块实现对其他供电单元进行有效控制，气路控制模块控制同步触发控制模块和2个电子触发开关的通断；同步触发控制模块经时延调节装置，与2个电子触发开关连接，其中一个电子触发开关控制辐射源产生装置，在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，另一个电子触发开关控制注入源产生装置，将注入电流加载到受试设备上。该系统保证辐射场波形和注入电流能够同步作用到受试设备上，有效模拟设备同时受到HEMP电场辐射和端口耦合电压/电流作用环境。基于该系统的模拟方法科学合理、安全可靠，两种加载设备同步性好、加载时差可调。

Description

一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统及 方法

技术领域

本发明属于电磁环境模拟技术领域，具体涉及一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统及方法。

背景技术

高空核爆炸可产生强高空核电磁脉冲（High-altitude Electromagnetic Pulse,HEMP）环境。为了了解掌握HEMP电磁脉冲环境下某个系统的功能损伤或性能降级情况，就需要开展系统的电磁易损性评估，即确定系统受损情况（或抵抗电磁脉冲的能力）随电磁脉冲环境参数变化的影响关系。实际电磁环境下，设备同时受到电磁场辐射和端口耦合电压/电流作用，设备的损伤是电磁场辐射和端口耦合电压/电流共同作用的结果。为了掌握电磁场辐射和端口耦合共同作用下设备的效应情况，需要具备对受试设备同步加载的试验条件，以满足试验需求。目前，这种试验系统国内外鲜有报道。

目前的HEMP环境效应试验，主要采用两种加载方法：一种是辐射环境加载，主要是利用各种电磁场环境模拟器产生相应的电磁脉冲场环境，受试样本通常直接放置在能产生电磁脉冲辐射环境的空间中，通过瞬间加载电磁脉冲获取受试样本的效应情况。另一种是注入能量加载，主要是利用脉冲电流源产生需要的强脉冲电流，以直接注入或耦合注入的方式加载到受试样本（通常为电气设备）的输入或输出引线（如电源线或网络线）端口或引线上，通过瞬间加载脉冲电流获取受试样本的效应情况。目前的效应试验大都是采用方法一或方法二的单独加载方式，获得的效应试验结果只是单一条件下的结果，无法得到二者共同加载条件下的作用结果，制约了对设备HEMP环境效应的全面考核。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，该系统可以提供符合标准的HEMP辐射场波形和HEMP注入电流波形，并能保证辐射场波形和注入电流能够同步作用到受试设备上，有效模拟设备同时受到HEMP电场辐射和端口耦合电压/电流作用环境。

本发明要解决的技术问题是提供一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟方法，该方法科学合理、安全可靠，两种加载设备同步性好、加载时差可调。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于包括控制计算机、气路控制模块、电路控制模块、同步触发控制模块、时延调节装置、2个电子触发开关、辐射源产生装置、注入源产生装置、电流加载装置、有界波电场模拟器；控制计算机与电路控制模块连接，并通过电路控制模块控制辐射源产生装置、注入源产生装置和同步触发控制模块内部充电电容充电至所需高压，通过电路控制模块控制气路控制模块动作，对同步触发控制模块充气至所需气压；气路控制模块控制同步触发控制模块和2个电子触发开关的通断；同步触发控制模块经时延调节装置，分两路，与2个电子触发开关连接，其中一个电子触发开关控制辐射源产生装置，在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，另一个电子触发开关控制注入源产生装置，通过电流加载装置将注入电流加载到受试设备上；受试设备置于有界波电场模拟器内部。

对上述方案作进一步说明，所述辐射源产生装置的输出端为一小段平板线，所述平板线与有界波电场模拟器中的辐射天线输入端对接，辐射源产生装置固定。

对上述方案作进一步说明，所述注入源产生装置的输出端为一根同轴电缆，所述同轴电缆末端串接无感电阻后与受试设备对接，注入源产生装置可移动。

对上述方案作进一步说明，所述辐射源产生装置和注入源产生装置的主电路拓扑结构相同，均由正负充电两组电容器和一个带外触发的三电极气体开关串联而成，整个主电路布置在圆柱形金属筒内。

对上述方案作进一步说明，所述同步触发控制模块中触发器主回路，由单极性电容器和一个机械接地开关串联而成，触发器主回路布置在圆柱形金属筒内。

对上述方案作进一步说明，所述辐射源产生装置的输出电压幅值范围8kV～48kV，上升沿2ns～3ns，半高宽23ns～28ns；所述的注入源产生装置输出电压幅值范围9kV～54kV，上升沿小于15ns，半高宽510ns～530ns。

对上述方案作进一步说明，2个所述电子触发开关均为三电极气体触发开关，电子触发开关主电极为球头状，触发电极为圆盘状，开关单边间隙0.5mm～1.5mm。

对上述方案作进一步说明，所述同步触发控制模块的主回路由置于圆筒内的单个电容器和一个电磁铁控制的机械开关构成。

对上述方案作进一步说明，所述的时延调节装置是由同轴电缆构成，从同步触发控制模块并行分出两路信号，通过调整两路同轴电缆的长度差形成固定延时。

一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：远端控制计算机发出动作指令时，电路控制模块控制同步触发控制模块动作，产生快前沿高幅值脉冲触发信号，经过时延调节装置后，并联输出两路具有固定延时的快前沿高幅值脉冲触发信号，快的一路用于控制注入源的电子触发开关1以产生符合标准的HEMP注入电流，慢的一路用于控制辐射源的电子触发开关2以产生符合标准的HEMP辐射电场；

S2：辐射源在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，对受试区域的受试设备进行辐射电场加载；

S3：注入源通过注入源产生装置输出注入电流，通过电流加载装置将注入电流加载到受试设备引线端口上；

S4：利用时延调节装置、注入源输出同轴线、设备受试位置，调节两信号的加载时差，实现辐射场与注入电流的同步加载。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明中的HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，可以提供符合标准的HEMP辐射场波形和HEMP注入电流波形，既能够单独使用也可以同步加载。基于此模拟系统的模拟方法可以保证辐射场波形和注入电流同步作用到受试设备上，有效模拟设备同时受到HEMP电场辐射和端口耦合电压/电流作用环境，基于该模拟系统的模拟方法科学合理、安全可靠，两种加载设备同步性好、加载时差可调，为全面考核包含网络、电源等长线耦合端口的电子信息设备的HEMP环境效应提供了基础条件。

附图说明

图1 同步加载模拟环境试验系统原理图；

图2辐射场与注入能量同步加载试验系统主电路结构示意图；

图3 辐射电场与注入电流信号同步示意图，其中曲线1为注入电流脉冲信号波形，曲线2为辐射电场脉冲信号波形。

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。

根据附图1可知，本发明涉及一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，该系统包括一台控制计算机、气路控制模块、电路控制模块、同步触发控制模块、时延调节装置、2个电子触发开关、辐射源产生装置、注入源产生装置、电流加载装置、有界波电场模拟器。

处于远端的控制计算机通过电路控制模块实现对其他供电单元的有效控制：通过电路控制模块控制辐射源产生装置、注入源产生装置和同步触发控制模块内部充电电容充电至所需高压；通过电路控制模块控制气路控制模块动作，对同步触发控制模块和2个电子触发开关充气至所需气压。

附图1中，气路控制模块控制同步触发控制模块和2个电子触发开关的通断；同步触发控制模块经时延调节装置，分两路，与2个电子触发开关连接，其中一个电子触发开关控制辐射源产生装置，在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，另一个电子触发开关控制注入源产生装置，将注入电流加载到受试设备上；受试设备置于有界波电场模拟器内部。

上述HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统的模拟方法：首先，当远端控制计算机发出动作指令时，电路控制模块控制同步触发控制模块动作，产生快前沿高幅值脉冲触发信号，经过时延调节装置后，并联输出两路具有固定延时的快前沿高幅值脉冲触发信号，快的一路用于控制注入源的电子触发开关1以产生符合标准的HEMP注入电流，慢的一路用于控制辐射源的电子触发开关2以产生符合标准的HEMP辐射电场。然后，辐射源在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，对受试区域的受试设备进行辐射电场加载；接着，注入源通过注入源产生装置输出注入电流，通过电流加载装置将注入电流加载到受试设备引线端口上。考虑到产生的辐射场和注入电流信号的脉冲参数特点、两信号的同步加载需求以及气体开关的抖动问题，利用时延调节装置、注入源输出同轴线、设备受试位置等系统调节两信号的加载时差，实现辐射场与注入电流的同步加载。

其中，辐射源产生装置的输出为一小段平板线，对接有界波电场模拟器辐射天线输入端，固定而不能移动。注入源产生装置的输出为一根较短的50Ω同轴电缆，电缆末端串接50Ω无感电阻后与测试物对接，注入源可移动。

其中，为保证较大电压工作范围内两源输出电信号的快前沿和同步性，采用如附图2所示的主电路结构：辐射源产生装置和注入源产生装置主电路拓扑结构相同，均由正负充电两组电容器和一个带外触发的三电极气体开关串联而成，整个主电路布置在圆柱形金属筒内，利于充气、减小回路电感和电磁屏蔽。同步触发控制模块中的主回路则由单极性电容器和一个机械接地开关串联而成，同样布置在圆柱形金属筒内减小电感，提高触发信号的上升沿。通过选取合适的电容器容量，可实现两种驱动源各自的输出半高宽技术指标；本发明通过紧凑的设计，尽量减小回路电感和开关导通时间，可实现两种驱动源的前沿指标；两种驱动源选用的开关结构设计成完全一致，通过同时调整开关气压和开关间隙以及外加同步触发信号，可让两源的工作电压和输出电压幅值在所需范围内调节，并实现两种驱动源的同步加载。

本发明中，辐射源产生装置实现的技术指标为：输出电压幅值范围8kV～48kV，上升沿2ns～3ns，半高宽23ns～28ns，符合HEMP辐射电场标准指标要求；注入源产生装置实现的技术指标为：输出电压幅值范围9kV～54kV，上升沿小于15ns，半高宽510ns～530ns，符合HEMP注入电流源标准指标要求。

本发明中，电子触发开关1和电子触发开关2结构和尺寸完全相同，均为三电极气体触发开关。主电极为球头状，球头直径Φ16mm，触发电极为圆盘状，圆盘直径Φ32mm。开关单边间隙d最大1.5mm，最小可调节到0.5mm。为控制开关自击穿概率，实际使用中当开关工作电压在±5kV～±15kV区间时，开关间隙调整为0.6mm；开关工作电压在±15kV～±30kV区间时，开关间隙调整为1.2mm。

本发明中，同步触发控制模块的功能是给出两路具有固定延时的快前沿高幅值脉冲触发信号，用于分别触发注入源的电子触发开关1和辐射源的电子触发开关2。同步触发控制模块主回路由置于圆筒内的单个电容器和一个电磁铁控制的机械开关构成。电容器选用注入源同型号的5nF/50kV陶瓷电容器，触发器开关选用动作可靠的推拉式电磁铁驱动开关。因其直流充电电压最高可到40kV，开关间隙选取6mm，接地电极的移动距离留一定的调节裕量，电磁铁行程10mm，选取乐清市伊莱科电气有限公司生产的EML-1253B型推拉式电磁铁。选用单极性电容器对长电缆放电的主回路，在电缆末端高阻负载上，可获得最大约两倍充电电压、脉宽为两倍电缆电气长度的触发信号，调整充电电压和电缆长度，可以获得需要的触发电压。本设计中，电容器充电电压最高可调整到40kV，两根触发同轴电缆长度均大于10m，可以输出电压幅值大于60kV，脉宽大于100ns的双路触发信号。通过调整电路参数，触发器输出前沿约为10ns，输出触发脉冲信号陡度大于5kV/ns。

为实现同步加载，辐射电场脉冲信号波形峰值与注入电流脉冲信号波形峰值时间差t应该可调，并尽可能使两个脉冲在峰值时刻叠加，如附图3所示。

考虑实际调节的方便性，时延调节装置利用同轴电缆构成，从同步触发控制模块并行分出两路信号，通过调整两路同轴电缆的长度差形成固定延时。考虑辐射场的上升时间在2ns左右，而注入源的上升时间要求不大于20ns，为保证同步加载，引入电子触发开关2的同轴线比引入电子触发开关1的同轴线长4米，可形成辐射源触发信号滞后注入源触发信号20ns的固定延时。

对于电子触发开关1和电子触发开关2，在采用同步触发控制模块输出的快前沿同等级触发信号（指触发信号陡度大于5kV/ns、触发电压幅值和开关工作电压接近）的触发条件下，单只开关的抖动小于5ns。两源选用的开关结构一致，在相同工作条件下，其输出信号的间隔极差控制在不大于30ns，通过调节触发电缆长度差约4m，形成辐射源触发信号滞后注入源触发信号20ns的固定延时，考虑到注入源峰值时间约为15ns，可以将辐射源输出信号控制在落入注入源峰值前5ns、峰值后35ns的区间范围内。当然，通过改变时延调节装置，即改变触发同轴线缆的长度，可以进一步拓展延时时间，调整两个脉冲信号的峰值叠加时间。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明中的HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟方法及系统，可以提供符合标准的HEMP辐射场波形和HEMP注入电流波形，既能够单独使用也可以同步加载。利用此模拟方法和系统可以保证辐射场波形和注入电流同步作用到受试设备上，有效模拟设备同时受到HEMP电场辐射和端口耦合电压/电流作用环境，基于该模拟系统的模拟方法科学合理、安全可靠，两种加载设备同步性好、加载时差可调，为全面考核包含网络、电源等长线耦合端口的电子信息设备的HEMP环境效应提供了基础条件。

Claims (10)

1.一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于包括控制计算机、气路控制模块、电路控制模块、同步触发控制模块、时延调节装置、2个电子触发开关、辐射源产生装置、注入源产生装置、电流加载装置、有界波电场模拟器，控制计算机与电路控制模块连接，并通过电路控制模块控制辐射源产生装置、注入源产生装置和同步触发控制模块内部充电电容充电至所需高压，通过电路控制模块控制气路控制模块动作，对同步触发控制模块充气至所需气压；气路控制模块控制同步触发控制模块和2个电子触发开关的通断；同步触发控制模块经时延调节装置，分两路，与2个电子触发开关连接，其中一个电子触发开关控制辐射源产生装置，在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，另一个电子触发开关控制注入源产生装置，通过电流加载装置将注入电流加载到受试设备上；受试设备置于有界波电场模拟器内部；经过时延调节装置后，并联输出两路具有固定延时的快前沿高幅值脉冲触发信号，快的一路用于控制注入源的电子触发开关 1 以产生符合标准的HEMP 注入电流，慢的一路用于控制辐射源的电子触发开关 2 以产生符合标准的 HEMP 辐射电场。

2.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述辐射源产生装置的输出端为一小段平板线，所述平板线与有界波电场模拟器中的辐射天线输入端对接，辐射源产生装置固定。

3.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述注入源产生装置的输出端为一根同轴电缆，所述同轴电缆末端串接无感电阻后与受试设备对接，注入源产生装置可移动。

4.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述辐射源产生装置和注入源产生装置的主电路拓扑结构相同，均由正负充电两组电容器和一个带外触发的三电极气体开关串联而成，整个主电路布置在圆柱形金属筒内。

5.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述同步触发控制模块中触发器主回路，由单极性电容器和一个机械接地开关串联而成，触发器主回路布置在圆柱形金属筒内。

6.根据权利要求4所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述辐射源产生装置的输出电压幅值范围8kV～48kV，上升沿2ns～3ns，半高宽23ns～28ns；所述的注入源产生装置输出电压幅值范围9kV～54kV，上升沿小于15ns，半高宽510ns～530ns。

7.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于2个所述电子触发开关均为三电极气体触发开关，电子触发开关主电极为球头状，触发电极为圆盘状，开关单边间隙0.5mm～1.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述同步触发控制模块的主回路由置于圆筒内的单个电容器和一个电磁铁控制的机械开关构成。

9.根据权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统，其特征在于所述的时延调节装置是由同轴电缆构成，从同步触发控制模块并行分出两路信号，通过调整两路同轴电缆的长度差形成固定延时。

10.如权利要求1所述的一种HEMP辐射场与注入能量同步加载试验环境模拟系统的模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：远端控制计算机发出动作指令时，电路控制模块控制同步触发控制模块动作，产生快前沿高幅值脉冲触发信号，经过时延调节装置后，并联输出两路具有固定延时的快前沿高幅值脉冲触发信号，快的一路用于控制注入源的电子触发开关1以产生符合标准的HEMP注入电流，慢的一路用于控制辐射源的电子触发开关2以产生符合标准的HEMP辐射电场；

S2：辐射源在有界波电场模拟器内产生所需的辐射电场，对受试区域的受试设备进行辐射电场加载；

S3：注入源通过注入源产生装置输出注入电流，通过电流加载装置将注入电流加载到受试设备引线端口上；

S4：利用时延调节装置、注入源输出同轴线、设备受试位置，调节两信号的加载时差，实现辐射场与注入电流的同步加载。