水面艦船電磁兼容性數字化設計方法——艦船EMC輔助量化設計平臺

劉相春 奚秀娟

1 海軍裝備部 艦船辦，北京 100071 2 中國艦船研究設計中心電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢 430064

1 引 言

國際上近年推出的現代艦船研制方案或概念設計方案，均有一個明顯的技術特征——高度隱身外形下的集成上層建筑，如美國的DDG-1000驅逐艦和CVN-21、CVN-78航空母艦。眾所周知，艦船上層建筑的設計形式很大程度上取決于其上各種傳感器的布置需求，一般情況下，艦載探測、通信、導航、電子對抗、武器制導以及近年逐步形成的用于多平臺協同作戰的高速數據傳輸等功能均離不開射頻收發設備［1-2］。因此，一艘艦船的作戰能力很大程度上取決于其裝載的射頻收發設備的能力以及聯合使用效能。在射頻可用頻段非常有限的情況下，通常艦船上射頻設備的數量越多、布置越密集、每個設備實際使用的頻譜越寬，相互之間越易產生電磁干擾。當射頻設備的發射功率較大、接收靈敏度較高時，即使設備之間主工作頻率不發生沖突，大功率源的帶外雜波也足以導致高靈敏度接收設備受到致命的寬頻譜干擾，且難以通過頻率管控消除。因此，在實現艦船高度隱身外形和高度集成的上層建筑的同時，如何避免因天線高度密集布置而產生EMC問題，在業界普遍認為是一個難題。走出此種困境的出路通常有兩條：

1）大幅減少艦船上大功率輻射源和敏感設備的數量，實現在有限的平臺空間進行隔離度更大的天線布局。例如，通過多平臺無縫隙協同實現對遠程目標的探測和武器制導，降低對單艦雷達自主探測能力的要求，減少大功率雷達配置數量；通過提高艦船通信、導航和情報偵察等信息共享能力，實現多設備或系統共用天線，大幅減少單艦平臺上各種信息傳輸天線的配置數量。這種真實意義上的射頻集成，需要對傳統的電子系統獨立設計模式做出革命性的改變。

2）通過射頻設備參數設計與總體EMC設計的高度協調，實現資源的協調分配。當天線集成共用程度不足時，過度小型化的上層建筑雖然有較理想的隱身特性，但EMC往往會嚴重劣化，使艦船眾多功能強大的射頻設備因喪失同時工作的能力而造成浪費，并造成艦員協調使用困難。在此條件下，通過射頻設備參數設計與總體EMC設計的高度協調，在精確的數字化設計指導下，實現射頻資源協調分配，追求戰技指標與EMC指標平衡，并有針對性地采取天線形式與上層建筑結構最佳共形、隔離材料應用等一系列總體設計措施，從而最大程度減少因電磁不兼容帶來的破壞。

提高艦船總體的EMC統一設計能力，實現精確的數字化設計模式，成為未來艦船EMC設計的發展方向。

2 現代艦船EMC數字化設計方法

2.1 EMC數字化設計需求

通常，在艦船論證階段是由論證或設計部門共同進行多種總體方案的EMC論證［3-4］，對于復雜和造價昂貴的軍艦，更需經過長時間、充分的方案論證，以遴選出滿足各項預期性能要求的艦船方案。如何縮短方案論證和優選的時間，并得出可反映艦船EMC優劣的量化參數，是困擾論證部門的難題。在不具有EMC數字化設計能力和快速設計工具的情況下，通常，有經驗的設計師團隊可憑借豐富的艦船設計經驗，初步測評一個方案的主要性能，即根據其母型船或其它類似艦船在實艦試驗中測得的數據，以及自身的設計經驗和掌握的船載設備技術參數對新艦船方案進行評判。評判的客觀符合性取決于設計師團隊的經驗和對EMC技術的掌握程度，有時甚至是設計師個人的技術水平。這樣的論證方法對于不太復雜的艦船和有經驗的設計師，往往效率很高，但對于復雜性高的艦船或經驗不夠豐富的設計師，方案論證的不確定性就會大大增加，甚至在艦船建造完成后，才會發現存在著一些未預計到的問題，從而留下不能彌補的遺憾。

要想在艦船論證和設計階段克服人為因素帶來的不利影響，建立一套標準規范的論證和設計程序、締造一套數字化設計和測評工具、形成一套科學的設計和測評方法，是保證未來復雜艦船論證和設計水平不可或缺的手段。

艦船EMC數字化設計的作用是將艦船各設計階段的所有設計元素均以數字表征的方式呈現，從而實現設計結果的可測評性。數字化設計方法可以幫助艦船設計實現從“定性”到“定量”的轉變，其價值在頂層設計階段尤其突出［5］。借助數字化設計方法，還能使EMC頂層設計從常規的始于艦船方案設計階段，前推至始于艦船論證階段，并因其超前于傳統的頂層設計階段，可以稱其為“頂層預設計”。利用現代計算電磁學不斷發展的研究成果，逐步建立一套數字化設計工具——EMC輔助設計平臺，使論證和設計部門在頂層設計階段有條件針對多種艦船方案開展全艦EMC參數預測和評估，從而使海軍部門在論證階段就能預先了解到一艘新型艦船在采用不同的射頻設備配置方案和艦船隱身外形方案時，其EMC指標與戰技指標會呈現出何種不同的制約關系，從而為海軍制定艦船方案和實際戰場電磁環境下的戰技指標提供依據，并大幅提高艦船EMC設計目標的可控性。

2.2 EMC頂層量化預設計內涵

EMC頂層量化預設計作為艦船論證和方案設計前期階段的EMC頂層設計，其主要設計內容如下：

1）艦船外形與天線配置／布置方案預設計。對現代水面艦船而言，EMC頂層量化預設計的主要內容是研究各種天線配置和布置方案，并進行多方案EMC預測、EMC指標論證，通過預設計，初步形成確定的艦船外形方案和艦船總體戰技指標及EMC指標。EMC頂層量化預設計之所以復雜，是因為其研究的內容不是獨立的設備對象或總體性能，而是其相互之間的制約關系，因此，研究時需透過表面參數剖析其更深的系統內涵，例如，研究天線配置方案不僅需要研究天線的電磁特性參數，還需研究電子系統的構建方案、信息流設計和集成使用方式，因天線配置方案與信息集成方案是共同構成系統作戰能力的重要因素；研究天線布置方案不僅需要研究天線的結構特征參數，還需研究艦船外形的隱身特性、總布置特性和天線（系統）之間EMC特性，因其是共同構成艦船裝備聯合使用效能的重要因素。

2）艦船戰技指標與EMC指標預設計。衡量艦船總體作戰能力的指標，有一部分與設備之間的EMC相關。當設備和系統之間實現完全兼容性時，總體戰技指標即是由設備和系統在獨立或理想協同狀態下的指標組成；當設備和系統集中布置在艦船上時，通常因相互不完全兼容而無法實現理想狀態下的指標。EMC指標是對設定的某個總體方案進行EMC狀態預測后，用來衡量艦船總體電磁環境特性和設備對電磁環境適應性的指標。艦船總體電磁環境指標包括人員活動和易燃易爆品作業部位的電磁環境指標 （場強和功率密度）、敏感接收設備天線口面處的電磁環境指標（幅頻和時域特性）等；設備電磁環境適應性指標包括對天線口面處電磁環境的敏感性響應特性指標（帶外和帶內）、系統抗毀傷／飽和指標（幅頻和時域特性）、系統抗干擾指標（幅頻和時域調制特性）、電引爆裝置的環境安全裕度指標等。通常，設備和系統為了提高EMC指標而采取的一些技術會占用一定的系統資源，使其戰技指標較理想狀態有所下降。因此，有必要在追求設備理想狀態下的戰技指標之外，增加一套設備裝艦后聯合使用的戰技指標，該指標是以總體電磁環境預測指標為依據，對設備進行電磁環境適應性設計后的戰技指標。

3）艦面電磁環境仿真預測。艦面電磁環境仿真預測是頂層量化預設計的基礎，艦面電磁環境有多種特征指標，在研究其對彈藥、燃油和人員的危害效應時，通常用場強或功率密度表征，可稱為“強電磁環境”，在艦船上，強電磁環境通常出現在受天線主波束或主副瓣直接照射的露天甲板面上；研究電磁環境對電子設備的危害效應時，通常用電平或頻譜和時域分布表征，可稱為“電磁干擾環境”，在艦船上，干擾環境通常出現在未受天線主波束直接照射的露天甲板面上，系由天線低副瓣照射或經艦船表面金屬物繞射產生。艦面電磁環境仿真預測的基本方法是，建立發射源的輻射場模型，并根據其傳播到達敏感接收對象的途徑，建立艦體和對電波傳播產生影響的各種金屬結構物的電磁模型，通過電磁仿真預測軟件，對敏感部位處的電磁場數值進行仿真預測。

4）射頻設備之間電磁干擾仿真預測。電磁干擾仿真預測是頂層量化預設計的主要內容，也是設備和系統開展EMC指標預設計的主要依據。由于艦船射頻設備之間產生電磁干擾不僅取決于電磁環境，還取決于設備對環境的敏感響應，因此，電磁干擾仿真預測是以環境特征值為輸入、對設備的響應形式及量值的預測。通常，電子設備對干擾環境的電平、頻譜、時域分布及組合方式敏感，即當干擾源不只一個時，多干擾源的組合工作方式產生的復合電磁場會導致電子設備不同的敏感響應。電磁干擾響應預測與設備的接收和信號處理設計方式密切相關，因此，預測方法可采用對電子設備接收和信號處理電路精確仿真建模方法，也可采用對設備輸入和輸出進行行為級仿真建模方法，或復合建模的方法。其中，行為級仿真建模方法可以在對設備詳細設計狀態描述不完備的情況下進行，具有較好的工程應用性。

2.3 設備EMC指標設計和預檢驗方法

在頂層預設計過程中，設計師在EMC輔助設計平臺的幫助下，通過多次優化迭代，完成艦船總體方案優化設計后，下一步的任務便是針對艦船電磁環境和電磁干擾預測結果，對裝艦設備提出適當的EMC設計指標。

1）射頻設備EMC指標設計。

艦載設備的EMC設計指標包括 “規定指標”和“可選指標”兩種?！耙幎ㄖ笜恕笔菢藴拭鞔_“適用”的指標，有配套的檢測方法、設備出廠交給用戶時必須提供的檢測報告。“可選指標”，通常標準中不作硬性規定，由用戶根據需要在訂購規范中規定。隨著艦船EMC復雜程度的增加，“可選指標”應是艦載設備為適應艦船特定的電磁環境而需達到的指標，該部分指標（例如，射頻設備的帶內／帶外抗干擾指標）將成為設備的重要指標。

由于射頻設備帶內和帶外抗電磁燒毀／飽和／干擾指標要求與其戰技指標要求和設備所處的電磁干擾環境指標密切相關，此低彼高需綜合平衡，因此，不便于用統一的標準進行要求。在射頻設備研制中，主管部門有必要根據其預定的裝載平臺，平衡其戰技指標和EMC指標，并據此進行射頻資源的平衡分配。

在艦船設計中，權衡各設備的EMC指標是決定一艘艦船上射頻設備聯合工作是否能實現兼容性的根本方法。對于裝備復雜的艦船，若不具備EMC定量預測能力，通常難以預先對射頻設備的EMC指標是否符合要求進行定量評價，從而難以預先制定全艦的EMC指標，也難以預先評價艦船在復雜電磁環境下的聯合工作能力。但隨著EMC數字化技術的逐步成熟和應用，設計部門在掌握EMC定量預測能力的基礎上，進行射頻設備EMC指標設計便不再困難的。

2）射頻設備EMC指標仿真預檢驗方法。

EMC輔助設計平臺的另一個成果，是提供設備“可選指標”的仿真預檢驗平臺，以避免射頻設備因裝艦后進行EMC檢查而失去了指標調整的機會。仿真檢驗平臺可以根據設備預定裝載的艦船電磁環境仿真預測結果，制定各種電平或頻譜分布模式、密度及組合的電磁環境仿真軟件，通過檢驗平臺提供的輻照式和注入式方法，分別對接收系統不同節點和全通道進行敏感性檢驗。

2.4 艦船EMC量化設計流程

現代艦船的EMC量化設計貫穿艦船的全部設計階段，在艦船方案尚未確定之前，開展頂層量化預設計；在艦船方案確定之后，主要開展電磁安全性量化設計和電磁干擾控制量化設計；最后，按需求對設計量值進行陸上和實艦試驗驗證。主要工作流程如圖1所示。

3 艦船EMC輔助量化設計平臺設計方法概述

艦船EMC輔助量化設計平臺是輔助實現艦船數字化設計的有效工具，其功能是將艦船EMC量化設計的總體布局、電磁環境預測、電磁干擾預測、EMC指標分解、電磁資源優化等設計任務，均以數學模型的形式表達，使之能在計算機平臺上運行，其目標是面向現代艦船EMC設計的需要，提供一個艦船電磁場、EMC量化設計的仿真環境，覆蓋所有的EMC量化設計應用和頻譜。

3.1 艦船EMC輔助量化設計平臺的功能需求

對于裝備復雜的現代艦船，EMC頂層量化預設計效果和作用將非常明顯，可以支持設計師選擇最適合的射頻設備配套方案，選擇兼容性最佳的艦船外形和天線布局方案，預測全船射頻設備聯合使用時的戰技指標。另外，還能支持總設計師對射頻設備研制提出EMC指標要求。

實現EMC頂層量化預設計的核心技術是艦船EMC預測技術。由于艦船EMC預測的復雜性，即使是經驗豐富的設計師團隊，要采用傳統的方法完成定量預測也非常困難。而對一個新興的設計部門或一支經驗不足的設計師團隊，EMC輔助設計平臺便可為設計師提供一套完整的、人機互動的艦船EMC頂層量化預設計工作流程，以及一套模塊化集成的EMC數字化仿真預測平臺。

艦船EMC輔助量化設計平臺通過人機界面，引導設計師進入EMC頂層量化預設計工作流程（具體設計順序可預置，也可由設計師按照需要設定）：

2）建立或導入艦船外形和天線布置方案的三維圖形或三維坐標圖，建立電磁計算模型，以作為艦船EMC輔助量化設計平臺的計算基礎。

3）標識艦面人員活動、易燃易爆品作業區域的坐標；通過選擇，自動“鏈接”到所選大功率輻射天線的近／遠場預測軟件包（模塊化集成），對指定作業區域的強電磁環境進行預測。

4）通過選擇，自動生成艦船表面某部位強電磁環境預測值與各種標準限值的對比評價，并給出優化設計建議。

5）通過調用EMC數據庫的頻譜圖 （或參數），自動生成設備之間電磁干擾預測矩陣。

6）按照矩陣中標識的干擾，通過選擇待研究的“干擾對”，自動“鏈接”到發射天線的干擾環境預測軟件包（模塊化集成），對接收天線口面處的電磁干擾環境進行預測，生成干擾環境圖。

7）預測產生的干擾環境圖存入干擾環境數據庫，進一步通過“電磁環境仿真軟件包”，為設備EMC指標仿真檢驗提供輸入。

8）選擇對應的待研究的接收天線，自動“鏈接”到接收天線的干擾環境耦合響應預測軟件包（模塊化集成），對接收天線輸出響應電平進行預測，生成干擾響應時／頻特性。

圖6表明，隨著捕收劑用量的增加，三種礦物的上浮率都逐漸增加。捕收劑用量大于40 mg/L后，兩種捕收劑對石英的捕收效果基本相似，小于40 mg/L時，油酸鈉對石英的捕收性能稍好。對于綠泥石，在所研究的捕收劑用量范圍內，CM-5對其浮選回收率都高于油酸鈉，且隨著捕收劑用量的增大，

9）選擇對應的待研究的接收通道，以干擾響應時／頻特性為輸入，自動“鏈接”到接收設備通道響應的行為級仿真預測軟件包 （模塊化集成），對接收通道的受干擾程度進行預測。

10）對預測的干擾量值進行評價，生成控制和防護設計指導性意見，作出其對設備原始戰技指標影響的分析提示，為方案優化設計提供定量依據。

上述每一步的預測結果，均可以通過改變艦船方案和EMC數據庫中的參數而相應改變，即艦船EMC輔助量化設計平臺提供的設計流程為方案優化調整提供了靈活的平臺和友好的人機互動功能。

EMC數據庫列出了必須填充的基本數據，以提醒設計師必須關注和獲取哪些設備電磁特性的數據和圖譜。數據庫可以不斷積累或更新，方便數據調用。

“鏈接”的各種預測平臺采用模塊化外掛方式，通過標準接口集成到艦船EMC輔助量化設計平臺中。模塊化設計方式便于各種預測平臺不斷改進，并隨著預測技術的進步和實驗數據的積累，逐步提高其預測精度。

根據預測結果自動生成的與標準值的“對比評價”和“設計指導性意見”，可提醒設計師注意方案評估的方法，并指出改進設計的方向。艦船EMC輔助量化設計平臺后臺還可以“鏈接”詳細的設計指導教材以及成功或失敗的設計案例分析。

艦船EMC輔助量化設計平臺基于艦船EMC設計實際經驗提出，不僅能幫助設計師快速掌握艦船EMC設計方法，為設計師提供定量論證和設計所需的計算結果，還可以通過將現階段研究進度參差不齊、方法各異的預測技術按要求集成，促進各種預測技術同步發展。

3.2 艦船EMC輔助量化設計平臺基本設計方法

艦船EMC輔助量化設計平臺技術建立在強大的數字化預測基礎之上，是各種“預測技術”成果的聯合運用，其由輔助設計解算平臺、強電磁環境預測軟件包、電磁干擾耦合預測軟件包及敏感性預測軟件包等組成。在開展艦船EMC輔助量化設計平臺解算軟件研究的初始階段，采用“全面規劃構建軟件體系和框架”、“軟件設計由簡入繁”的設計方法。軟件體系和框架需滿足當代和未來艦船EMC設計的實際和發展需要；軟件設計分階段進行：先擬定數個相對簡單的任務，開發一套能夠包括典型天線和典型艦船平臺EMC量化設計的圖形化界面程序，以保證運算速度和運算精度達到基本可行的目標，為軟件的進一步發展打下基礎；然后再面向艦船復雜的設計需求，逐步添加任務、擴展設計對象。

具體設計方法列舉如下：

1）提供一個完整的艦船EMC論證和設計流程，提供完整的艦船EMC設計任務種類和對應的指標要求。

2）按設計流程遞進，提供分層的設計界面，提供每一層對應的設計任務。支持按艦船不同階段的設計需要進行任務添加和刪減，或按未來仿真預測平臺成熟度進行任務添加。

3）支持艦船總體設計CAD軟件的數據文件輸出，能夠完成艦船總體布置方案CAD文件和艦載天線圖形的導入和修改，實現電磁計算需要的三維幾何文件的生成；支持按任務需求進行網格剖分。

4）支持任意選擇任務界面，并輸入感興趣的對象編號，通過“鏈接”相應的預測軟件包和關聯艦船總體布置方案，進行仿真計算和結果呈現。

5）支持設計師參與下的總體方案優化迭代、設計結果優化評價和設計指標分解設計；或按未來仿真預測平臺成熟度進行智能化升級。

各種預測軟件包以模塊化方式與EMC輔助設計解算平臺“鏈接”，主要采用擁有自主知識產權的仿真預測軟件與商用仿真預測軟件聯合使用的設計方法。

4 EMC輔助設計解算平臺功能架構

艦船EMC輔助量化設計平臺的核心是EMC輔助設計解算平臺，由強電磁環境評估軟件、干擾量值評價和分析軟件、電磁干擾預測矩陣生成軟件、艦船方案輸入控制軟件、EMC量化設計支持軟件以及支撐數據庫軟件等主要部分組成，所“鏈接”的軟件包包括強電磁環境預測軟件包、敏感性仿真預測軟件包 （接收設備通道響應的行為級仿真預測軟件）和干擾耦合預測軟件包，其總體軟件功能架構如圖2所示。

5 結 語

艦船EMC數字化設計是未來艦船EMC設計的發展趨勢，是EMC設計實現跨躍式發展的象征，艦船EMC輔助量化設計平臺是實現艦船數字化設計的手段。艦船EMC輔助量化設計平臺是以輔助設計解算平臺為中心，并由通過接口與輔助設計解算平臺相連的數個預測基礎軟件包共同組成的仿真系統。各種仿真預測軟件建立在裝艦設備模型庫和試驗數據庫的基礎之上，并遵循客觀的電磁理論和射頻設備客觀的電磁環境效應而構建，由于其“客觀存在性”需要研究人員不斷認知，因此，各種仿真預測軟件可以由簡入繁，在保持與輔助設計解算平臺接口一致的前提下，逐步建設、逐步添加、逐步完善。而由解算平臺和預測軟件包構成的艦船EMC輔助量化設計平臺也可以逐步完善，輔助設計師逐步實現艦船EMC數字化設計。

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