EMC安全裕度可視化仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉慧英，高婷婷，王 晶

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

國際電工技術(shù)委員會(huì)（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(píng)定一個(gè)系統(tǒng)電磁兼容性的重要指標(biāo)之一，該值反映了系統(tǒng)、分系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)基本上是按照設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行的，然后利用現(xiàn)有的電子、電氣設(shè)備，通過各種EMC測(cè)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(jìn)行大量的拆卸，甚至要重新設(shè)計(jì)，這種方法不能從根本上解決電磁干擾問題。

針對(duì)以上問題，在設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，采用安全裕度仿真平臺(tái)進(jìn)行安全裕度設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)定型之前解決安全裕度測(cè)試中遇到的大部分問題，能夠得到最好的費(fèi)效比，對(duì)安全裕度設(shè)計(jì)前期方案制定和后期安全裕度測(cè)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(cè)試原理

安全裕度測(cè)試是指在一定的電磁輻射下，測(cè)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(shí)際的電磁干擾值，單位為dB。根據(jù)GJB1389A—2005規(guī)定，飛機(jī)系統(tǒng)在抵御外部電磁場(chǎng)時(shí)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(biāo)GJB52A-97中規(guī)定的測(cè)試布置圖繪制出電磁輻射安全裕度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)連接圖，如圖1所示，主要包含：計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、測(cè)量接收機(jī)、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(cè)量儀器指標(biāo)及測(cè)試步驟，在進(jìn)行安全裕度測(cè)試時(shí)，首先要用頻譜接收機(jī)測(cè)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(gè)國標(biāo)規(guī)定的安全裕度值，對(duì)被測(cè)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)的麥克斯韋方程問題。嚴(yán)格地說，如果考慮到場(chǎng)源的結(jié)構(gòu)、媒質(zhì)的形狀分布和性質(zhì)等各項(xiàng)因素，求解麥克斯韋方程是極其困難的。一般都將整個(gè)問題分為幾個(gè)獨(dú)立的問題分別進(jìn)行處理，同時(shí)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(dá)和處理。

結(jié)合圖1實(shí)驗(yàn)連接圖，將安全裕度測(cè)試系統(tǒng)劃分為發(fā)射模塊與接收模塊。分別對(duì)兩模塊建立能夠反應(yīng)安全裕度測(cè)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(hào)源發(fā)射信號(hào)與給定信號(hào)的單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

給定信號(hào)為P′，單位為dBmW；信號(hào)源發(fā)射功率 P，單位為W；

安全裕度測(cè)試針對(duì)的是高強(qiáng)度輻射情況下設(shè)備的抗干擾特性，信號(hào)源的輸出功率較小，不足以驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線，因此需要將信號(hào)源的輸出信號(hào)進(jìn)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(hào)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(hào)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(jí)聯(lián)關(guān)系和對(duì)數(shù)運(yùn)算法則得到整個(gè)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(hào)發(fā)送到被測(cè)設(shè)備處，由場(chǎng)強(qiáng)與發(fā)射功率的轉(zhuǎn)換公式（遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)），可測(cè)得被測(cè)設(shè)備處的場(chǎng)強(qiáng)為：

式中，E為被測(cè)設(shè)備處的場(chǎng)強(qiáng)，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(yàn)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(cè)試設(shè)備處測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換：

式中，E′為天線與發(fā)射機(jī)之間實(shí)測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)，單位為dBμV/m；E為被測(cè)設(shè)備處的場(chǎng)強(qiáng)，單位為V/m；

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

式中，E′表示天線與發(fā)射機(jī)之間實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)，單位為dBμV/m；V是頻譜接收機(jī)的實(shí)際測(cè)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(bǔ)償[3]。而閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在出現(xiàn)外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化時(shí)，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)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(duì)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(dòng)態(tài)控制模塊的作用是將接收機(jī)測(cè)得的信號(hào)與給定的極限值進(jìn)行比較，得到偏差，通過系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為信號(hào)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(jìn)行控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換及處理，最終實(shí)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(shí)際測(cè)試過程中，發(fā)射模塊中干擾信號(hào)的控制發(fā)射一般有兩種方式：一，將未處理的干擾信號(hào)全部發(fā)射，這種方法會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過程非常緩慢；為解決測(cè)量速度緩慢的問題，可將干擾信號(hào)的發(fā)射間隔重新計(jì)算，再發(fā)射出去，此為方法二，這種方法在提高測(cè)量速度的同時(shí)，又引入了“削尖”現(xiàn)象，即信號(hào)略過某一點(diǎn)的峰值[4]。峰值的忽略導(dǎo)致部分敏感點(diǎn)測(cè)試不到，使得測(cè)試結(jié)果沒有意義，因此需在方法二的基礎(chǔ)上對(duì)“削尖”問題進(jìn)行分析研究。

“削尖”問題，主要由干擾信號(hào)和發(fā)射信號(hào)頻率的不同步造成。為解決信號(hào)不同步問題，可對(duì)測(cè)量信號(hào)所提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，其具體算法過程如下：

1）對(duì)頻譜接收機(jī)的測(cè)量信號(hào)進(jìn)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(cè)量信號(hào)不跳過每一數(shù)據(jù)段的峰值點(diǎn)，取該段中的最大幅值信號(hào)Pi作為此段的測(cè)量信號(hào)Pi=Max{di}，最后將這些數(shù)據(jù)組合成新的測(cè)量信號(hào)（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(hào)在頻率上的疏密不均現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行插值處理；

2）由于段dj與段di之間峰值信號(hào)所處的位置是不確定的，插值按照如下方法計(jì)算：首先計(jì)算出相鄰兩個(gè)段內(nèi)最大峰值之間的間隔點(diǎn)數(shù)Pj－Pi，將此值與Cdiv進(jìn)行比較，按照差值的大小判斷插值的個(gè)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(gè)數(shù)依次計(jì)算出所插值在原數(shù)據(jù)中的序號(hào)（Pi0，Pi1， …Pim）， 計(jì)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(cè)量信號(hào)中去（P0，P1，…，Pi0，Pi1，…Pim，…Pn），從而解決了“削尖”現(xiàn)象，并使測(cè)量信號(hào)間隔均勻。“削尖”解決算法示意圖如圖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(cè)試方案，信號(hào)跳過峰值，出現(xiàn)“削尖”現(xiàn)象；（b）圖表示改進(jìn)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(hào)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(hào)不會(huì)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(jì)

安全裕度可視化仿真平臺(tái)遵循模塊化設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dú)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(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行仿真時(shí)，系統(tǒng)由停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)，TestContol類中的測(cè)試流程控制方法LogicControl對(duì)仿真測(cè)試流程進(jìn)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(duì)每一設(shè)備派生的子類數(shù)據(jù)）以及仿真平臺(tái)配置等數(shù)據(jù)載入系統(tǒng)，然后進(jìn)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(cè)試流程進(jìn)行仿真測(cè)試。

2.2.2 可視化仿真模塊設(shè)計(jì)

可視化仿真模塊定義了系統(tǒng)的視圖控制訪問接口，將測(cè)試過程以動(dòng)畫演示及曲線繪制的方式來演示。曲線繪制部分獨(dú)立封裝為Curve類，將TestControl類傳遞的測(cè)試數(shù)據(jù)以曲線的方式顯示，完成曲線繪制；動(dòng)畫演示模塊將人機(jī)交互與實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程相結(jié)合，通過設(shè)備的直接配置選擇，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)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(jìn)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(dú)立，降低模塊之間的耦合程度[6]。

2.2.4 測(cè)試流程控制模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試流程控制模塊是安全裕度可視化仿真平臺(tái)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(duì)應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程與測(cè)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(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果分析

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)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(jī)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(cè)試頻段為例，進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真結(jié)果非常接近實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真的曲線跟極限電平值幾乎完全擬合，達(dá)到了安全裕度測(cè)試的要求。

左下角為設(shè)備屬性選擇區(qū)域，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行調(diào)節(jié)。圖6的右下角為動(dòng)畫演示區(qū)域，將實(shí)際的測(cè)試過程以動(dòng)畫的形式演示出來，形象直觀。

圖6 人機(jī)交互界面Fig.6 Interactive interface

圖7 “削尖”細(xì)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(tái)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(xì)節(jié)圖如圖7所示。

4 結(jié) 論

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

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