EMC安全裕度可視化仿真平臺設(shè)計

劉慧英，高婷婷，王 晶

（西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710129）

國際電工技術(shù)委員會（IEC）給出電磁兼容性的定義為：“電磁兼容性是設(shè)備的一種能力，它在其電磁環(huán)境中完成自身的功能，而不致于在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾”[1]。安全裕度用于反映系統(tǒng)電磁兼容性的安全程度，是評定一個系統(tǒng)電磁兼容性的重要指標之一，該值反映了系統(tǒng)、分系統(tǒng)關(guān)鍵點的環(huán)境電平比敏感度閾值所低的程度。

傳統(tǒng)的電磁兼容性（以下簡稱EMC）安全裕度測試實驗基本上是按照設(shè)計規(guī)范來進行的，然后利用現(xiàn)有的電子、電氣設(shè)備，通過各種EMC測試來確定干擾發(fā)射和敏感度。在系統(tǒng)安裝完成之后，要解決電磁干擾問題需要進行大量的拆卸，甚至要重新設(shè)計，這種方法不能從根本上解決電磁干擾問題。

針對以上問題，在設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，采用安全裕度仿真平臺進行安全裕度設(shè)計，可以在設(shè)計定型之前解決安全裕度測試中遇到的大部分問題，能夠得到最好的費效比，對安全裕度設(shè)計前期方案制定和后期安全裕度測試提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 安全裕度測試原理

安全裕度測試是指在一定的電磁輻射下，測試設(shè)備的受干擾頻段以及抗干擾的能力[1]。依據(jù)安全裕度的定義，可表示為：M=P0-P式中，M為安全余量單位為dB；P0為敏感度閾值單位為dB；P為實際的電磁干擾值，單位為dB。根據(jù)GJB1389A—2005規(guī)定，飛機系統(tǒng)在抵御外部電磁場時有6 dB的安全裕度，電起爆裝置、武器外掛、燃油系統(tǒng)至少16.5 dB的安全裕度。

由國軍標GJB52A-97中規(guī)定的測試布置圖繪制出電磁輻射安全裕度自動測試系統(tǒng)的實驗連接圖，如圖1所示，主要包含：計算機、信號源、測量接收機、功率放大器、發(fā)射天線、接收天線和GPIB卡等。

根據(jù)GJB151A/152A-97規(guī)定的測量儀器指標及測試步驟，在進行安全裕度測試時，首先要用頻譜接收機測試設(shè)備正常工作情況下的環(huán)境輻射電平。然后，在環(huán)境輻射電平的基礎(chǔ)上加一個國標規(guī)定的安全裕度值，對被測系統(tǒng)施加該干擾并檢查其敏感特性，判定是否滿足安全裕度的要求。

圖1 實驗連接圖Fig.1 Experimental connection diagram

1.2 模型的建立

從電磁理論的角度看，建立干擾源及干擾傳輸與耦合的數(shù)學(xué)模型就是求解電磁場的麥克斯韋方程問題。嚴格地說，如果考慮到場源的結(jié)構(gòu)、媒質(zhì)的形狀分布和性質(zhì)等各項因素，求解麥克斯韋方程是極其困難的。一般都將整個問題分為幾個獨立的問題分別進行處理，同時加以理想化，即假設(shè)某些理想條件使具體問題得到簡化和近似，以便于數(shù)學(xué)表達和處理。

結(jié)合圖1實驗連接圖，將安全裕度測試系統(tǒng)劃分為發(fā)射模塊與接收模塊。分別對兩模塊建立能夠反應(yīng)安全裕度測試系統(tǒng)本質(zhì)特性的數(shù)學(xué)模型。

1.2.1 發(fā)射模塊建模

圖1中虛線框（1）表示發(fā)射模塊所需的設(shè)備，發(fā)射模塊的數(shù)學(xué)模型描述為：

信號源發(fā)射信號與給定信號的單位進行轉(zhuǎn)換：

給定信號為P′，單位為dBmW；信號源發(fā)射功率 P，單位為W；

安全裕度測試針對的是高強度輻射情況下設(shè)備的抗干擾特性，信號源的輸出功率較小，不足以驅(qū)動發(fā)射天線，因此需要將信號源的輸出信號進行放大之后發(fā)送給接收天線。根據(jù)放大器的增益，可求得放大器的輸出功率：

式中，Gf為放大器的增益，單位為dB；Pf放大器的輸出功率，單位為W；P為上式中的信號源的輸出功率；

根據(jù)天線特性，由天線增益的定義得到，信號經(jīng)過天線后的輸出功率：

式中，Gt為天線的增益，單位為dB；Pt為天線的輸出功率，單位為W；Pf為放大器的輸出功率，單位為W；

根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出級聯(lián)關(guān)系和對數(shù)運算法則得到整個發(fā)射模塊的總增益：

式中，G為系統(tǒng)的總增益；Gf為放大器的增益；Gt為天線的增益；單位均為dB；CL為損耗，單位為dB[1]。

發(fā)射天線將發(fā)射信號發(fā)送到被測設(shè)備處，由場強與發(fā)射功率的轉(zhuǎn)換公式（遠場區(qū)），可測得被測設(shè)備處的場強為：

式中，E為被測設(shè)備處的場強，單位為V/m；Pt為天線的輸出功率，單位為W；R為設(shè)備距離發(fā)射天線的距離，單位為m[1]。

1.2.2 接收模塊建模

圖1中虛線框 （2）表示的為接收模塊所需的試驗設(shè)備區(qū)，這一模塊的數(shù)學(xué)模型描述為：

首先，將發(fā)射模塊的測試設(shè)備處測得的場強進行單位轉(zhuǎn)換：

式中，E′為天線與發(fā)射機之間實測的場強，單位為dBμV/m；E為被測設(shè)備處的場強，單位為V/m；

然后，把接收天線接收的測量設(shè)備處的信號經(jīng)衰減器發(fā)送給測量接收機：

式中，E′表示天線與發(fā)射機之間實測場強，單位為dBμV/m；V是頻譜接收機的實際測量值；CL表示從天線到頻譜儀的連電纜的損耗，單位為dB；AF表示天線因子，單位為dBm-1[2]。

1.2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

由發(fā)射模型和接收模型直接連接構(gòu)成的理想數(shù)學(xué)模型為開環(huán)控制系統(tǒng)，控制精度較低，容易受到外界干擾，輸出一旦出現(xiàn)誤差無法補償[3]。而閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在出現(xiàn)外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化時，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。故在優(yōu)化系統(tǒng)中采用閉環(huán)控制。其優(yōu)化示意圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化模型示意圖Fig.2 Optimization model diagram

其中，動態(tài)控制模塊的作用是將接收機測得的信號與給定的極限值進行比較，得到偏差，通過系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為信號源端的偏差，然后采用經(jīng)典控制算法（例PID調(diào)節(jié)算法）進行控制信號的轉(zhuǎn)換及處理，最終實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2 可視化仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 “削尖”問題及解決方案

在實際測試過程中，發(fā)射模塊中干擾信號的控制發(fā)射一般有兩種方式：一，將未處理的干擾信號全部發(fā)射，這種方法會導(dǎo)致測量過程非常緩慢；為解決測量速度緩慢的問題，可將干擾信號的發(fā)射間隔重新計算，再發(fā)射出去，此為方法二，這種方法在提高測量速度的同時，又引入了“削尖”現(xiàn)象，即信號略過某一點的峰值[4]。峰值的忽略導(dǎo)致部分敏感點測試不到，使得測試結(jié)果沒有意義，因此需在方法二的基礎(chǔ)上對“削尖”問題進行分析研究。

“削尖”問題，主要由干擾信號和發(fā)射信號頻率的不同步造成。為解決信號不同步問題，可對測量信號所提取的數(shù)據(jù)進行插值處理，其具體算法過程如下：

1）對頻譜接收機的測量信號進行數(shù)據(jù)提取，等間隔Cdiv取值（例3～10，數(shù)值不能太大，否則數(shù)據(jù)過于稀疏，頻段跳躍太大），將數(shù)據(jù)劃分為若干數(shù)據(jù)段（d0～dn），為保證測量信號不跳過每一數(shù)據(jù)段的峰值點，取該段中的最大幅值信號Pi作為此段的測量信號Pi=Max{di}，最后將這些數(shù)據(jù)組合成新的測量信號（P0，P1，…Pn），經(jīng)過分段提取之后的數(shù)據(jù)，避免了峰值跳躍，即“削尖”現(xiàn)象。但是出現(xiàn)了信號在頻率上的疏密不均現(xiàn)象，因此需要進行插值處理；

2）由于段dj與段di之間峰值信號所處的位置是不確定的，插值按照如下方法計算：首先計算出相鄰兩個段內(nèi)最大峰值之間的間隔點數(shù)Pj－Pi，將此值與Cdiv進行比較，按照差值的大小判斷插值的個數(shù)Cinsert，取值方法如表1所示。

表1 取值表Tab.1 Value table

3）按照插值個數(shù)依次計算出所插值在原數(shù)據(jù)中的序號（Pi0，Pi1， …Pim）， 計算公式為 Pik=（Pj－Pi）/Cinsert*k+Pi（k=0，1…Cinsert）提取出該數(shù)據(jù)，并插入到新的測量信號中去（P0，P1，…，Pi0，Pi1，…Pim，…Pn），從而解決了“削尖”現(xiàn)象，并使測量信號間隔均勻?！跋骷狻苯鉀Q算法示意圖如圖3所示。

圖3 “削尖”解決算法示意圖Fig.3 “Sharpened”resolution algorithm diagram

圖3中（a）圖表示傳統(tǒng)的測試方案，信號跳過峰值，出現(xiàn)“削尖”現(xiàn)象；（b）圖表示改進后的解決方案，不再出現(xiàn)“削尖”現(xiàn)象，并且保證發(fā)射信號間隔均勻。這樣從根本上解決了“削尖”問題，并保證發(fā)射信號不會出現(xiàn)疏密不均的現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 功能模塊設(shè)計

安全裕度可視化仿真平臺遵循模塊化設(shè)計原則進行設(shè)計。按照系統(tǒng)功能可以劃分為5大功能模塊，將各功能模塊獨立封裝，各模塊作用如表2所示。

表2 功能模塊劃分Tab.2 Function module division

根據(jù)表2，將軟件的主要功能模塊抽象為5個類，分別為TestControl、VisModDlg、DataControl、DevManage、FileManage，類圖如圖4所示。

圖4 類圖Fig.4 Class diagram

圖4中FileManage類通過Load方法將相應(yīng)的文件載入系統(tǒng)；TestContol類中的數(shù)據(jù)控制流方法FlowControl從載入的文件中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)（如環(huán)境電平數(shù)據(jù)），按照功能要求該方法將此數(shù)據(jù)傳遞給DataControl類，DataControl類利用定義好的數(shù)據(jù)處理方法對數(shù)據(jù)進行處理并返回給TestContol類，TestContol類將此數(shù)據(jù)發(fā)送到VisMosdlg類，輸出顯示到用戶界面，完成基本的數(shù)據(jù)操作[5]。當系統(tǒng)需要進行仿真時，系統(tǒng)由停止狀態(tài)轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)，TestContol類中的測試流程控制方法LogicControl對仿真測試流程進行邏輯控制與數(shù)據(jù)傳遞控制，該方法調(diào)用FlowControl方法將設(shè)備數(shù)據(jù)（DevMagage針對每一設(shè)備派生的子類數(shù)據(jù)）以及仿真平臺配置等數(shù)據(jù)載入系統(tǒng)，然后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及傳遞，最后LogicControl方法控制系統(tǒng)按照測試流程進行仿真測試。

2.2.2 可視化仿真模塊設(shè)計

可視化仿真模塊定義了系統(tǒng)的視圖控制訪問接口，將測試過程以動畫演示及曲線繪制的方式來演示。曲線繪制部分獨立封裝為Curve類，將TestControl類傳遞的測試數(shù)據(jù)以曲線的方式顯示，完成曲線繪制；動畫演示模塊將人機交互與實驗測試過程相結(jié)合，通過設(shè)備的直接配置選擇，實現(xiàn)不同測試環(huán)境下的仿真。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊抽象為DataControl類，按照不同的功能將數(shù)據(jù)控制流中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化處理，每一種處理過程都定義為一種方法，保證功能的獨立，降低模塊之間的耦合程度[6]。

2.2.4 測試流程控制模塊設(shè)計

測試流程控制模塊是安全裕度可視化仿真平臺的核心模塊，按照邏輯控制劃分為數(shù)據(jù)控制流與邏輯控制流，分別對應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程與測試流程過程，流程控制圖如圖5所示。

圖5 流程圖Fig.5 Flow chart

3 軟件實現(xiàn)及仿真結(jié)果分析

3.1 軟件實現(xiàn)

軟件實現(xiàn)了電場輻射安全裕度可視化仿真，頻率范圍覆蓋10 kHz～1 GHz頻段。人機交互界面如圖7所示。圖7中上方第一部分為仿真曲線顯示區(qū)域。以30～200 M測試頻段為例，進行仿真測試，仿真結(jié)果非常接近實際測試實驗結(jié)果。仿真的曲線跟極限電平值幾乎完全擬合，達到了安全裕度測試的要求。

左下角為設(shè)備屬性選擇區(qū)域，可以根據(jù)實驗需要選擇不同的設(shè)備進行實驗，設(shè)備的輸入輸出特性可以根據(jù)1.2節(jié)中設(shè)備的模型進行調(diào)節(jié)。圖6的右下角為動畫演示區(qū)域，將實際的測試過程以動畫的形式演示出來，形象直觀。

圖6 人機交互界面Fig.6 Interactive interface

圖7 “削尖”細節(jié)圖Fig.7 Details of the“Sharpened”

3.2 仿真結(jié)果分析

由2.1節(jié)中“削尖”問題的解決方案，結(jié)合插值算法，經(jīng)仿真平臺得到的仿真結(jié)果與圖3（b）中的預(yù)期結(jié)果一致，“削尖”現(xiàn)象已經(jīng)完全消除，細節(jié)圖如圖7所示。

4 結(jié) 論

本仿真平臺采用實測數(shù)據(jù)作為干擾發(fā)射模型，真實反映實際測試情況，消除了因建模時簡化邊界約束引起的系統(tǒng)誤差，解決了以往測試系統(tǒng)中存在的“削尖”問題，具有較高的可信度及準確度。在電磁兼容[7－8]系統(tǒng)設(shè)計的初始階段進行仿真，可及時發(fā)現(xiàn)并解決電磁兼容問題，為電磁兼容性安全裕度測試系統(tǒng)設(shè)計提供了新的途徑。目前，該仿真平臺已經(jīng)投入實際使用，取得了良好效果。

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