一种狭小舱段内部电磁环境的表征和获取方法

摘要

一种狭小舱段内部电磁环境的表征和获取方法，首先对舱段内的电磁环境来源和电磁环境来源参数进行分析，确定舱段内的电磁环境；并判断每个敏感设备的被测区域空间满足测试条件，然后确定满足条件的敏感设备的测试项目，选择不同测试项目对应的传感器，构建电磁环境测试系统；最后利用构建的电磁环境测试系统，获取舱段内电磁环境测试数据；并对获取的数据进行采集和筛选，获得不同位置和时间舱内电磁环境分布情况，本发明中的方法可以全面、准确的表征航天器狭小舱段内的电磁环境分布情况，最大程度上满足了狭小舱段内部电磁环境表征和获取的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁环境的表征和获取方法，特别是一种狭小舱段内部 电磁环境的表征和获取方法，属于电磁场与微波技术领域。

背景技术

对于尺寸狭小的舱段结构(例如10cm*10cm*10cm的测试空间)，其 内部电子设备安装密度大，舱壁及设备外壳等金属结构对电磁波的近场耦 合、折反射作用明显，加之电子设备不同运行状态产生的信号样式、功率大 小等不断变化，从而使狭小舱段内部的电磁环境非常复杂。

舱内电磁环境如何界定和获取，目前尚没有明确的标准及相对应的获取 方法和手段。主要存在如下难点：

1.舱段内部电磁环境随设备工作流程时序、不同位置状态不断变化，电 磁环境重点关注的频段、位置、量值没有明确界定，舱段内部电磁环境如何 去表征需要明确。

2.舱段内部空间狭小，可用于测试的空间有限，且小空间使得舱内电磁 环境影响因素增多，目前在测试方法和测试手段上均无标准规范可依，需要 明确舱内电磁环境的获取方法及相应的小型化测试设备。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种狭小舱段 内部电磁环境的表征和获取方法，实现了对航天器狭小舱段内电磁环境分布 情况的准确表征。

本发明的技术解决方案是：一种狭小舱段内部电磁环境的表征和获取方 法，包括以下步骤：

(1)确定舱段内的电磁环境来源和电磁环境来源参数，进而确定舱段 内的电磁环境；

(2)根据步骤(1)中确定的舱段内的电磁环境、被测舱段结构尺寸和 被测舱段内部仪器设备的安装位置，分析每个敏感设备的被测区域空间大 小，若某一个敏感设备的被测区域空间满足测试条件，则进入步骤(3)， 对该敏感设备的电磁环境进行测试；否则，不对该敏感设备的电磁环境进行 测试；

(3)确定敏感设备测试项目，并选择不同测试项目对应的传感器；所 述测试项目包括综合电场测试、频域电场测试和传导电流测试；所述综合电 场测试对应的传感器为综合电场探头，所述频域电场测试对应的传感器为天 线，所述传导电流测试对应的传感器为电流探头；

(4)根据步骤(3)确定的测试项目和传感器，构建电磁环境测试系统；

(5)利用步骤(4)构建的电磁环境测试系统，获取舱段内电磁环境测 试数据；所述数据包括综合电场测试数据、频域电场测试数据和传导电流测 试数据；

(6)对步骤(5)中获取的数据进行采集和筛选，获得不同位置和时间 舱内电磁环境分布情况。

所述电磁环境来源包括：

(1-1)发射天线的有意发射及其旁瓣和背瓣，通过孔缝泄漏进入舱内；

(1-2)舱内发射机以及电子设备通过传导或辐射的泄漏；

(1-3)舱段内部非电类设备由于电离效应产生的瞬态辐射发射，所述 非电类设备包括电爆装置和火工品；

(1-4)舱内电缆冲击电流注入时，通过线-场耦合方式影响舱内电磁环 境；

(1-5)外界电磁信号通过孔缝泄漏进入舱内，所述外部电磁信号包括 雷电、静电、电磁脉冲和外界跟踪雷达信号。

所述确定电磁环境来源参数，具体为：

(2-1)发射天线的参数包括：工作时段、工作频率范围、发射机功率、 天线数量和天线安装位置；

(2-2)舱内发射机以及电子设备的参数包括：频率、功率、本振、时 钟、频谱包络、脉冲波形上升沿、脉冲波形下降沿、脉冲宽度以及设备在舱 段内和舱段上的安装位置；

(2-3)非电类设备的参数包括：非电类设备安装位置和点火瞬态时序；

(2-4)舱内电缆冲击电流参数包括：电流峰值、电流波形上升沿、电 流波形下降沿、脉冲宽度和工作时段；

(2-5)外界电磁信号的参数为预先给定的各外界电磁信号的参数。

所述步骤(2)中被测区域空间满足测试条件，具体为：

若对敏感设备的电磁环境进行电场频域测试，则当天线与敏感设备的距 离大于等于天线工作波长时，该敏感设备的被测区域空间满足测试条件；

若对敏感设备的电磁环境进行综合电场测试，则当综合电场传感器实现 对该敏感设备的接触测试时，该敏感设备的被测区域空间满足测试条件；

若对敏感设备的电磁环境进行传导电流测试，则当电流传感器实现将敏 感设备置于电流传感器卡环内进行接触测试时，该敏感设备的被测区域空间 满足测试条件。

所述步骤(4)中根据步骤(3)确定的测试项目和传感器，构建电磁环 境测试系统，具体为：

若为综合电场测试，则其电磁环境测试系统包括综合电场探头、电场监 视仪和处理计算机；所述综合电场探头用于获取敏感设备电磁环境中的电 场，并将获取的电场信号转化为光信号后输出给电场监视仪进行采集和处 理，所述处理计算机接收电场监视仪输出的数据并进行存储和分析；

若为频域电场测试，则其电磁环境测试系统包括天线、频谱分析仪/接 收机和处理计算机；所述天线用于接收敏感设备电磁环境中的电场信号，并 通过频谱分析仪/接收机传输给处理计算机进行存储和处理，将天线的接收 功率信号转换为敏感设备所在位置处的场强；

若为传导电流测试，则其电磁环境测试系统包括电流探头、示波器和处 理计算机，所述电流探头用于获取传导电流并输出给示波器进行显示，处理 计算机接收示波器传输的传导电流并进行存储和分析。

所述将天线的接收功率信号转换为敏感设备所在位置处的场强；具体为 由公式：

E(dBuV/m)＝P(dBm)+107(dB)+AF(dB/m)

给出，所述E为敏感设备所在位置处的场强，P为天线的接收功率，AF 为天线转换系数。

所述天线转换系数AF具体为：

若天线与敏感设备的距离大于等于天线工作波长的3倍，则天线转换系 数AF由公式：

AF(dB/m)＝20log₁₀(f_MHz)-G_r(dB)-29.79dB

给出，其中f为天线工作频率，G_r为天线增益；

若天线与敏感设备的距离大于等于天线工作波长，且小于天线工作波长 的3倍，则天线转换系数AF的获取方法为：

(7-1)根据待求转换系数的频率范围f，在电磁仿真软件中建立喇叭天 线的模型，所述喇叭天线的工作频段覆盖待求转换系数的频率范围f；

(7-2)根据预先给定的测量天线的结构尺寸参数和电气性能指标，在 电磁仿真软件中建立测量天线的模型，所述电气性能指标包括天线的电压驻 波比和增益，所述测量天线的结构尺寸参数包括介质基板尺寸、辐射贴片尺 寸、馈电探针位置和材料特性；

(7-3)在电磁仿真软件中，利用步骤(7-2)中建立的测量天线模型， 仿真计算出测量天线的电压驻波比和增益，并与步骤(2)中预先给定的天 线电压驻波比和增益比较，若达到指标要求，则进入步骤(7-4)；否则， 对测量天线模型的结构尺寸参数进行调整后再进行仿真计算和比较，直到达 到指标要求后进入步骤(7-4)；

(7-4)以步骤(7-1)中的喇叭天线模型作为发射天线，步骤(7-3) 中的测量天线模型作为接收天线，建立收发链路模型，所述喇叭天线模型口 面与接收天线模型口面之间的距离为L；

(7-5)在步骤(7-3)中建立的测量天线模型结构包络上建立N个电场 探针；

(7-6)设置L＝L1；

(7-7)设置喇叭天线和测量天线的馈电端口为波导端口，喇叭天线端 口馈电功率为P_in，求解频率为f，仿真计算收发链路模型；

(7-8)在收发链路模型仿真计算完成后，从计算结果中获取喇叭天线 到测量天线端口的传输系数，并进行Round数学求整，记为S₂₁，则测量天 线端口接收功率P_out由公式：

P_out＝P_in+S₂₁

给出；

(7-9)从计算结果中获取测量天线结构包络的N个电场探针的数值， 去除N个值中的最大值和最小值，将剩余N-2个电场值取平均数，并进行 Round数学求整，记为E_av；

(7-10)将步骤(8)中获得的P_out值设为X轴，步骤(9)中获得的电 场平均值E_av设为Y轴，在直角坐标系中描出此点；

(7-11)设置L＝L2，重复(7-7)～(7-10)步；

(7-12)设置L＝L3，重复(7-7)～(7-10)步；

(7-13)将(7-10)～(7-12)步在直角坐标系中描出的3点按照最小 二乘法进行曲线拟合，所得直线为所求频点f处测量天线测量电场强度与端 口接收功率之间关系曲线；

(7-14)在步骤(7-13)获取的关系曲线上任意取一点(x，y)，频点 f处测量天线的转换系数TF通过公式：

TF(dB/m)＝y(dBuV/m)-107(dB)-x(dBm)

给出。

所述步骤(7-3)中达到指标要求具体为：仿真计算出的测量天线的电 压驻波比与预先给定的天线电压驻波比之间差值的绝对值与预先给定的天 线电压驻波比之比小于预设的电压驻波比阈值；且仿真计算出的测量天线的 增益与预先给定的天线增益之间差值的绝对值与预先给定的天线增益的绝 对值之比小于预设的增益阈值；所述电压驻波比阈值和增益阈值的取值范围 均为：1％～5％。

所述在步骤(7-3)中建立的测量天线模型结构包络上建立N个电场探 针，具体为：

若测量天线为全向天线，则正辐射方向对应的结构包络与反辐射方向对 应的结构包络对称，正辐射方向对应的结构包络与反辐射方向对应的结构包 络上的电场探针数量相同，且位置一一对应；

若测量天线为定向天线，则在测量天线辐射方向正对的结构包络上建立 电场探测。

所述步骤(6)中对步骤(5)中获取的数据进行筛选，具体包括5种筛 选方式，分别为：

(6-1)时间筛选：适用于频域电场测试数据的筛选、传导电流测试数 据的筛选和综合电场测试数据的筛选，精度为0.01s，用于筛选出某时段的 测试数据；

(6-2)频域筛选：在频域电场测试数据中，对频率范围进行筛选；

(6-3)幅度筛选：适用于频域电场测试数据的筛选、传导电流测试数 据的筛选和综合电场测试数据的筛选，通过设置幅值的上下限值，筛选出符 合要求的测试数据；

(6-4)波形筛选：适用于传导电流测试数据的筛选，结合幅值筛选对 符合宽度条件的正负脉冲进行筛选；

(6-5)综合筛选：对(6-1)～(6-4)中的筛选条件进行叠加或者多次 筛选，不断缩小数据范围，获得筛选结果。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明结合工程实践经验，首次具体列出了确定狭小舱段内电磁环境 所需要考虑的电磁环境来源和来源参数，，利用这些电磁环境来源和来源参数， 可以准确的对狭小舱段内的电磁环境进行模拟和仿真，为之后电磁环境的测试 提供了基础；可用于指导测试项目及测试传感器的选取；

(2)本发明在进行敏感设备进行电磁环境测试之前，根据狭小舱段内 的电磁环境分布情况，对敏感设备的被测区域空间是否满足测试条件进行判 断，选取满足测试条件的敏感设备进行电磁环境测试，节约了测试程序，提 高了测试效率。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示为本发明的方法流程图，从图1可知，本发明提出的一种狭 小舱段内部电磁环境的表征和获取方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定舱段内的电磁环境来源和电磁环境来源参数，进而确定舱段 内的电磁环境；

所述电磁环境来源包括：

(1-1)发射天线的有意发射及其旁瓣和背瓣，通过孔缝泄漏进入舱内；

(1-2)舱内发射机以及电子设备通过传导或辐射的泄漏；

(1-3)舱段内部非电类设备由于电离效应产生的瞬态辐射发射，所述 非电类设备包括电爆装置和火工品；

(1-4)舱内电缆冲击电流注入时，通过线-场耦合方式影响舱内电磁环 境；

(1-5)外界电磁信号通过孔缝泄漏进入舱内，所述外部电磁信号包括 雷电、静电、电磁脉冲和外界跟踪雷达信号。

对应各个电磁环境来源的参数，具体为：

(2-1)发射天线的参数包括：工作时段、工作频率范围、发射机功率、 天线数量和天线安装位置；

(2-2)舱内发射机以及电子设备的参数包括：频率、功率、本振、时 钟、频谱包络、脉冲波形上升沿、脉冲波形下降沿、脉冲宽度以及设备在舱 段内和舱段上的安装位置；

(2-3)非电类设备的参数包括：非电类设备安装位置和点火瞬态时序；

(2-4)舱内电缆冲击电流参数包括：电流峰值、电流波形上升沿、电 流波形下降沿、脉冲宽度和工作时段；

(2-5)外界电磁信号的参数为预先给定的各外界电磁信号的参数。

(2)根据步骤(1)中确定的舱段内的电磁环境、被测舱段结构尺寸和 被测舱段内部仪器设备的安装位置，分析每个敏感设备的被测区域空间大 小，若某一个敏感设备的被测区域空间满足测试条件，则进入步骤(3)， 对该敏感设备的电磁环境进行测试；否则，不对该敏感设备的电磁环境进行 测试；所述被测区域空间满足测试条件具体为：

若对敏感设备的电磁环境进行电场频域测试，则当天线与敏感设备的距 离大于等于天线工作波长时，该敏感设备的被测区域空间满足测试条件；

若对敏感设备的电磁环境进行综合电场测试，则当综合电场传感器实现 对该敏感设备的接触测试时，该敏感设备的被测区域空间满足测试条件；

若对敏感设备的电磁环境进行传导电流测试，则当电流传感器实现将敏 感设备置于电流传感器卡环内进行接触测试时，该敏感设备的被测区域空间 满足测试条件。

(3)确定敏感设备测试项目，并选择不同测试项目对应的传感器；所 述测试项目包括综合电场测试、频域电场测试和传导电流测试；所述综合电 场测试对应的传感器为综合电场探头，所述频域电场测试对应的传感器为天 线，所述传导电流测试对应的传感器为电流探头；

(4)根据步骤(3)确定的测试项目和传感器，构建电磁环境测试系统； 具体为：

若为综合电场测试，则其电磁环境测试系统包括综合电场探头、电场监 视仪和处理计算机；所述综合电场探头用于获取敏感设备电磁环境中的电 场，并将获取的电场信号转化为光信号后输出给电场监视仪进行采集和处 理，所述处理计算机接收电场监视仪输出的数据并进行存储和分析；

若为频域电场测试，则其电磁环境测试系统包括天线、频谱分析仪/接收 机和处理计算机；所述天线用于接收敏感设备电磁环境中的电场信号，并通 过频谱分析仪/接收机传输给处理计算机进行存储和处理，将天线的接收功 率信号转换为敏感设备所在位置处的场强；具体由公式：

E(dBuV/m)＝P(dBm)+107(dB)+AF(dB/m)

给出，所述E为敏感设备所在位置处的场强，P为天线的接收功率，AF 为天线转换系数；

所述天线转换系数AF具体为：

若天线与敏感设备的距离大于等于天线工作波长的3倍，则天线转换系 数AF由公式：

AF(dB/m)＝20log₁₀(f_MHz)-G_r(dB)-29.79dB

给出，其中f为天线工作频率，G_r为天线增益；

若天线与敏感设备的距离大于等于天线工作波长，且小于天线工作波长 的3倍，则天线转换系数AF的获取方法为：

(1-1)根据待求转换系数的频率范围f，在电磁仿真软件中建立喇叭天 线的模型，所述喇叭天线的工作频段覆盖待求转换系数的频率范围f；所述 电磁仿真软件可以采用HFSS、CST或者FEKO。

(1-2)根据预先给定的测量天线的结构尺寸参数和电气性能指标，在 电磁仿真软件中建立测量天线的模型，所述电气性能指标包括天线的电压驻 波比和增益，所述测量天线的结构尺寸参数包括、介质基板尺寸、辐射贴片 尺寸、馈电探针位置和材料特性；

(1-3)在电磁仿真软件中，利用步骤(1-2)中建立的测量天线模型， 仿真计算出测量天线的电压驻波比和增益，并与步骤(1-2)中预先给定的 天线电压驻波比和增益比较，若达到指标要求，则进入步骤(1-4)；否则， 对测量天线模型的结构尺寸参数进行调整后再进行仿真计算和比较，直到达 到指标要求后进入步骤(1-4)；所述达到指标要求具体为：仿真计算出的 测量天线的电压驻波比与预先给定的天线电压驻波比之间差值的绝对值与 预先给定的天线电压驻波比之比小于预设的电压驻波比阈值；且仿真计算出 的测量天线的增益与预先给定的天线增益之间差值的绝对值与预先给定的 天线增益的绝对值之比小于预设的增益阈值；所述电压驻波比阈值和增益阈 值的取值范围均为：1％～5％。通过阈值的选取可以保证不同计算精度转换 系数的获取。

(1-4)以步骤(1-1)中的喇叭天线模型作为发射天线，步骤(1-3) 中的测量天线模型作为接收天线，建立收发链路模型，所述喇叭天线模型口 面与接收天线模型口面之间的距离为L；优选的收发链路模型为：喇叭天线 模型的口面正对测量天线模型的口面，且两天线模型的极化方式相同。当采 用这样的模型时，转换系数的计算精度最高。

(1-5)在步骤(1-3)中建立的测量天线模型结构包络上建立N个电场 探针；具体为：

所述电场探针在测量天线模型结构包络上均匀分布。若测量天线为全向 天线，则正辐射方向对应的结构包络与反辐射方向对应的结构包络对称，正 辐射方向对应的结构包络与反辐射方向对应的结构包络上的电场探针数量 相同，且位置一一对应；

若测量天线为定向天线，则在测量天线辐射方向正对的结构包络上建立 电场探测。探针的选取需要兼顾全面性和有效性，因此需要在辐射方向上尽 可能均匀分布。

所述N大于等于10。

所述测量天线模型结构包络与测量天线表面的距离为h，具体由公式：

$h=\frac{c}{10f}$

给出，其中c为真空中光速，f为待求转换系数的频点。采用该距离， 保证了测量天线测量的电场为包络电场。

(1-6)设置L＝L1；

(1-7)设置喇叭天线和测量天线的馈电端口为波导端口，喇叭天线端 口馈电功率为P_in，求解频率为f，仿真计算收发链路模型；

(1-8)在收发链路模型仿真计算完成后，从计算结果中获取喇叭天线 到测量天线端口的传输系数，并进行Round数学求整，记为S₂₁，则测量天 线端口接收功率P_out由公式：

P_out＝P_in+S₂₁

给出；

(1-9)从计算结果中获取测量天线结构包络的N个电场探针的数值， 去除N个值中的最大值和最小值，将剩余N-2个电场值取平均数，并进行 Round数学求整，记为E_av；

(1-10)将步骤(1-8)中获得的P_out值设为X轴，步骤(1-9)中获得 的电场平均值E_av设为Y轴，在直角坐标系中描出此点；

(1-11)设置L＝L2，重复(1-7)～(1-10)步；

(1-12)设置L＝L3，重复(1-7)～(1-10)步；在实际求解过程中， 一般有L1>L2>L3>0；

(1-13)将(1-10)～(1-12)步在直角坐标系中描出的3点按照最小 二乘法进行曲线拟合，所得直线为所求频点f处测量天线测量电场强度与端 口接收功率之间关系曲线；

(1-14)在步骤(1-13)获取的关系曲线上任意取一点(x，y)，频点 f处测量天线的转换系数TF通过公式：

TF(dB/m)＝y(dBuV/m)-107(dB)-x(dBm)

给出。

本发明提出的一种全新的天线转换系数的确定方法，当被测位置处于天 线近远场过渡区域时，用于将天线测量的功率转换为天线所在位置处的电 场，从而实现过渡区域电场的表征和获取，提高了本发明中方法的适用性；

若为传导电流测试，则其电磁环境测试系统包括电流探头、示波器和处 理计算机，所述电流探头用于获取传导电流并输出给示波器进行显示，处理 计算机接收示波器传输的传导电流并进行存储和分析。

(5)利用步骤(4)构建的电磁环境测试系统，获取舱段内电磁环境测 试数据；所述数据包括综合电场测试数据、频域电场测试数据和传导电流测 试数据；

(6)对步骤(5)中获取的数据进行采集和筛选，获得不同位置和时间 舱内电磁环境分布情况，所述筛选具体包括5种筛选方式，分别为：

(6-1)时间筛选：适用于频域电场测试数据的筛选、传导电流测试数 据的筛选和综合电场测试数据的筛选，精度为0.01s，用于筛选出某时段的 测试数据；

(6-2)频域筛选：在频域电场测试数据中，对频率范围进行筛选；

(6-3)幅度筛选：适用于频域电场测试数据的筛选、传导电流测试数 据的筛选和综合电场测试数据的筛选，通过设置幅值的上下限值，筛选出符 合要求的测试数据；

(6-4)波形筛选：适用于传导电流测试数据的筛选，结合幅值筛选对 符合宽度条件的正负脉冲进行筛选；

(6-5)综合筛选：对(6-1)～(6-4)中的筛选条件进行叠加或者多次 筛选，不断缩小数据范围，获得筛选结果。

在进行数据获取时，本发明采用了以下的方法来提高数据获取的效率：

(i)常规采集/快速采集切换

对采集设备和处理计算机进行设置，减少数据的吞吐量，包括两种方式：

对于采集设备，设置为触发模式，只有达到触发电平的数据才启动此数 据的采集。

对于处理计算机设置常规、快速两种模式，计算机对接收的数据进行实 时判断，在数据达到某一预设的阈值时启动快速模式。对于未达到快速条 件的数据，减少数据采集频率，或减少每组数据的点数，这样从整体上控 制了数据吞吐量，提高了关键设备的测量数据采集速率。

(ii)设置优先级的采集方法

通常的采集后台具有设备配置、流程配置、数据采集、实时显示、存储 和回放等功能。对采集、显示、存储、编辑等功能进行优先级设置，采集的 功能优先级最高，这样可以集中更多资源在采集功能，提高采集能力。数据 吞吐量大时，进入“忙时”模式，优先处理数据采集，相应降低存储、曲线 生成、查询等低优先级工作的响应。

(iii)采集的堆栈设计方法

进行如下的堆栈优化设计：

i)堆栈容量动态调整。提高软件系统权限，使其可以根据采集数据的吞 吐量动态调整堆栈容量。

Ii)增大堆栈输入工作的频次，减少堆栈输出的频次，尽可能在“闲时” 进行堆栈输出工作。

本发明提出了提高数据获取效率的方法和数据筛选方法，实现在大数据 量全流程测量中的快速数据采集和高效数据筛选，用于快速获取舱内电磁环 境的时间和位置变化特征规律，提高了本发明中方法的效率。

通过本发明，可以有效获取狭小空间内部电磁环境数据，解决狭小舱段 内部的电磁环境测试难题，通过舱内电场和电流数据的获取和分析，为舱内 设备与电缆的安装布局提供依据，也可为发现和解决舱内电磁干扰问题提供 技术手段。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。