一种飞机整机电磁兼容数字化模型系统

摘要

本发明公开了一种飞机整机电磁兼容数字化模型系统，包括有建立飞机参数化曲面模型单元(1)、机载设备位置匹配单元(2)、机载设备间干扰关联单元(3)、电磁环境分布单元(4)和敏感设备干扰源获取单元(5)。本发明一种采用行为级仿真的方法，应用“灰盒”理论，从系统级角度，关注机载电子设备的特征参量，忽略各具体电路细节，对飞机机载电子设备进行数字化建模仿真，从而构建飞机整机电磁兼容数字化模型系统。

权利要求

1.一种飞机整机电磁兼容数字化模型系统，其特征在于：包括有建立飞机参数化曲面模型单元(1)、机载设备位置匹配单元(2)、机载设备间干扰关联单元(3)、电磁环境分布单元(4)和敏感设备干扰源获取单元(5)；

建立飞机参数化曲面模型单元(1)是将飞机工程设计CATIA模型导入HFSS软件中，获得飞机参数化曲面模型；

机载设备位置匹配单元(2)按照实际位置将机载天线、机载设备分布在飞机参数化曲面模型上；

机载设备间干扰关联单元(3)用于解析出分布在飞机参数化曲面模型上的机载天线、机载设备产生的干扰强度；

电磁环境分布单元(4)根据机载设备间干扰关联单元(3)输出干扰强度进行优化布局机载天线、机载设备在飞机参数化曲面模型上的装配位置；

敏感设备干扰源获取单元(5)根据机载设备间干扰关联单元(3)输出干扰强度用于将非预期干扰信号与设计信号同作为敏感设备的输入信号，通过ADS软件进行仿真，观察其输出信号的信噪比。

2.根据权利要求1所述的飞机整机电磁兼容数字化模型系统，其特征在于：在机载设备间干扰关联单元(3)中，由于辐射源和敏感设备之间的隔离度具有一一对应关系，所以以隔离度I(f)来构建敏感设备受扰的关联矩阵：

$I\left(f\right)=\left[\begin{array}{c}I(E_1,R_1),I(E_1,R_2),······,I\left(E_1{R}_L\right)\\ I(E_2,R_1),I\left(E_2{R}_2\right),······,I\left(E_2{R}_L\right)\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ I(E_M,R_1),I\left(E_M{R}_2\right),······,I\left(E_M{R}_L\right)\end{array}\right]$式中，I(f)表示在工作频率f下的发射设备与接收设备间的隔离度，E1表示第一个发射设备，E2表示第二个发射设备，EM表示第M一个发射设备，R1表示第一个接收设备，R2表示第二个接收设备，RL表示第L一个接收设备，I(E1，R1)表示第一个发射设备与第一个接收设备之间的隔离度，I(E1，R2)表示第一个发射设备与第二个接收设备之间的隔离度，I(E1，RL)表示第一个发射设备与第L个接收设备之间的隔离度，I(E2，R1)表示第二个发射设备与第一个接收设备之间的隔离度，I(E2，R2)表示第二个发射设备与第二个接收设备之间的隔离度，I(E2，RL)表示第二个发射设备与第L个接收设备之间的隔离度，I(EM，R1)表示第M个发射设备与第一个接收设备之间的隔离度，I(EM，R2)表示第M个发射设备与第二个接收设备之间的隔离度，I(EM，RL)表示第M个发射设备与第L个接收设备之间的隔离度；

敏感设备受扰关联矩阵的单元的数学模型为：

$I(E_i,R_j)=\frac{1-{\left|S_{11}\left(f\right)\right|}^2}{{\left|S_{12}\left(f\right)\right|}^2}$I(Ei，Rj)表示任意一个发射设备Ei与任意一个接收设备Rj间的隔离度，f表示工作频率，S11表示在标准阻抗条件下的功率反射系数，S12表示在标准阻抗条件下的功率传输系数；

由电磁兼容理论可知，I(Ei，Rj)满足电磁兼容性需求的阈值为：

$I_n\left(f\right)=\frac{P_t{\left[\frac{S}{N}\right]}_j{S}_{\mathrm{mj}}}{P_{\mathrm{js}}{L}_{\mathrm{ta}}\left(f\right)L_{\mathrm{ra}}\left(f\right)L_{\mathrm{tf}}{L}_{\mathrm{rf}}}$式中，Pt表示发射设备的发射功率，Lta(f)表示发射机在分析频点的发射衰减量，是频率的函数，Lra(f)表示接收机在接收频点的接收抑制量，是频率的函数，Ltf表示发射馈线损耗，指发射机输出端口到发射天线输入端口间馈线的传输损耗，Lrf表示接收馈线损耗，指接收天线输出端口到接收机输入端口间馈线的传输损耗，Smj表示敏感设备j要求的安全裕度，Pjs表示敏感设备j的设计灵敏度，表示敏感设备正常工作所需的信噪比，S为有用信号的功率密度函数，N为噪声信号的功率密度函数；

当I(Ei，Rj)＞In(f)时，发射设备天线端口i和接收设备天线端口j之间具有良好的电磁兼容性，不会发生电磁兼容问题；

当I(Ei，Rj)≤In(f)时，发射设备天线端口i和接收设备天线端口j之间的电磁兼容性较差，可能会发生电磁兼容问题；

这样通过对机载电子设备间天线隔离度I(Ei，Rj)的计算得出机载电子设备电磁干扰关联矩阵。

3.根据权利要求1所述的飞机整机电磁兼容数字化模型系统，其特征在于：在电磁环境分布单元(4)中，采用HFSS软件对机载设备间干扰关联单元(3)输出的干扰强度进行分析，从而得到飞机内部外部电磁环境的分布。

4.根据权利要求1所述的飞机整机电磁兼容数字化模型系统，其特征在于：在敏感设备干扰源获取单元(5)中，采用ADS软件对机载设备间干扰关联单元(3)输出的干扰关联矩阵进行分析，分析出某一敏感设备的主要干扰源；利用行为级仿真方法，将敏感设备主要干扰源等效为特定单元电路，作为非预期干扰信号与设计信号一起，作为敏感设备的输入信号，通过ADS软件进行仿真，观察其输出信号的信噪比。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁兼容设计领域，更特别地说，是指一种适用于飞机设计过程中，采用行为级仿真方法对飞机整机进行系统级电磁兼容的数字化模型系统。

背景技术

传统的飞机电磁兼容设计方法中由飞机总体设计单位依据整机性能要求对通讯、导航等机载电子设备提出性能指标要求，在机载电子设备的研制或生产过程中，主要考虑功能性要求来实现设计参数，对机载电子设备间的电磁兼容相互关联关系考虑不充分；当机载电子设备研制完成，进行飞机系统集成和总体联调时电磁兼容问题才充分暴露，使机载电子设备不能正常工作或性能降级、损坏。严重影响飞机设计进程，甚至导致飞机设计失败。
在电磁兼容设计中，将机载电子设备分为电磁干扰发射设备(辐射源)和电磁干扰敏感设备(敏感源)两类。辐射源与敏感源之间的耦合通道称为耦合路径。
传统的飞机电磁兼容设计中，没有对飞机整机电磁兼容进行科学的系统级设计的主要原因有：(一)没有建立起各机载电子设备之间电磁干扰关联关系。(二)由于飞机上机载电子设备数量繁多，电路功能结构复杂，采用传统基于电路电子器件的仿真方法，工作量巨大，无法满足整机电磁兼容设计的仿真需要。
因此，寻找一种既能从系统级层面准确地描述飞机机载电子设备之间电磁干扰关联关系，又能对机载电子设备进行快速数字化建模的系统，为飞机在设计阶段提供信息参考。

发明内容

本发明针对传统飞机电磁兼容设计的过程中，难以对飞机整机进行系统级电磁兼容设计的问题，提出了一种采用行为级仿真的方法，应用“灰盒”理论，从系统级角度，关注机载电子设备的特征参量，忽略各具体电路细节，对飞机机载电子设备进行数字化建模仿真，从而构建飞机整机电磁兼容数字化模型系统。
本发明飞机整机电磁兼容数字化模型系统，采用行为级仿真的处理步骤有：步骤一：建立飞机参数化曲面模型
将飞机工程设计CATIA模型导入HFSS软件中，获得飞机参数化曲面模型；步骤二：机载设备的位置分布
在飞机参数化曲面模型上将机载天线、机载设备根据实际位置进行布局；步骤三：机载设备间的干扰关联
由于辐射源和敏感设备之间的隔离度具有一一对应关系，所以以隔离度I(f)来构建敏感设备受扰的关联矩阵：敏感设备受扰关联矩阵的单元的数学模型为：$I(E_i,R_j)=\frac{1-{\left|S_{11}\left(f\right)\right|}^2}{{\left|S_{12}\left(f\right)\right|}^2}.$由电磁兼容理论可知，I(Ei，Rj)满足电磁兼容性需求的阈值为：$I_n\left(f\right)=\frac{P_t{\left[\frac{S}{N}\right]}_j{S}_{\mathrm{mj}}}{P_{\mathrm{js}}{L}_{\mathrm{ta}}\left(f\right)L_{\mathrm{ra}}\left(f\right)L_{\mathrm{tf}}{L}_{\mathrm{rf}}}.$
当I(Ei，Rj)>In(f)时，发射设备天线端口i和接收设备天线端口j之间具有良好的电磁兼容性，不会发生电磁兼容问题；当I(Ei，Rj)≤In(f)时，发射设备天线端口i和接收设备天线端口j之间的电磁兼容性较差，可能会发生电磁兼容问题；这样通过对机载电子设备间天线隔离度I(Ei，Rj)的计算就可以得出机载电子设备电磁干扰关联矩阵。
步骤四：电磁环境分布
采用HFSS软件对步骤三获得的干扰强度进行分析，从而得到飞机内部外部电磁环境的分布；
步骤五：敏感设备干扰源获取
采用ADS软件对步骤三获得的干扰关联矩阵进行分析，分析出某一敏感设备的主要干扰源；利用行为级仿真方法，将敏感设备主要干扰源等效为特定单元电路，作为非预期干扰信号与设计信号一起，作为敏感设备的输入信号，通过ADS软件进行仿真，观察其输出信号的信噪比。
本发明的飞机整机电磁兼容数字化模型系统的优点：
(1)首次建立了飞机机载电子设备相互之间电磁干扰关联关系并实现了干扰关联关系的量化计算。
(2)基于行为级方法对飞机机载电子设备建模，建模手段简单方便，覆盖频带宽。
(3)采用电路等效模型代替场路耦合模型，避免了大规模的数值运算，使得仿真电磁兼容性速度快。
(4)将非预期干扰信号等效为系统的特定单元电路，在进行数字化建模时保证了电路设计的一致性。

附图说明

图1是本发明飞机整机电磁兼容数字化模型系统的流程框图。
图2是飞机参数化曲面模型图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明的一种飞机整机电磁兼容数字化模型系统，包括有建立飞机参数化曲面模型单元1、机载设备位置匹配单元2、机载设备间干扰关联单元3、电磁环境分布单元4和敏感设备干扰源获取单元5；
建立飞机参数化曲面模型单元1是将飞机工程设计CATIA模型导入HFSS软件中，获得飞机参数化曲面模型；
机载设备位置匹配单元2按照实际位置将机载天线、机载设备分布在飞机参数化曲面模型上；
机载设备间干扰关联单元3用于解析出分布在飞机参数化曲面模型上的机载天线、机载设备产生的干扰强度；
电磁环境分布单元4根据机载设备间干扰关联单元3输出干扰强度进行优化布局机载天线、机载设备在飞机参数化曲面模型上的装配位置；
敏感设备干扰源获取单元5根据机载设备间干扰关联单元3输出干扰强度用于将非预期干扰信号与设计信号同作为敏感设备的输入信号，通过ADS软件进行仿真，观察其输出信号的信噪比。
本发明电磁兼容系统是在一公知计算机内安装上ADS软件(2005A版本)、HFSS软件，其中通过该ADS软件建立了机载设备的行为级电路模型(简称电路行为模型)，通过HFSS软件建立飞机参数化曲面模型(如图2所示)。所述公知计算机的最低配置为主频1.13GHz、512MB内存、硬盘10GB，操作系统为Windows2000/2003/XP。
本发明的一种飞机整机电磁兼容数字化模型系统采用行为级仿真的方法，应用“灰盒”理论，从系统级角度，关注机载电子设备的特征参量，忽略各具体电路细节，对飞机机载电子设备进行数字化建模仿真，从而构建飞机整机电磁兼容数字化模型系统。行为级仿真的处理步骤有：
步骤一：建立飞机参数化曲面模型
将飞机工程设计CATIA模型导入HFSS软件中，获得飞机参数化曲面模型。该飞机参数化曲面模型如图2所示，图中，天线A、天线B的位置分布可以在飞机表面产生相应的电磁分布。在飞机的电磁兼容设计中，该天线是用于发射和接收电磁干扰的主要端口，天线既可作为电磁干扰的发射源，也是敏感设备受到电磁干扰的接收端口。通过确定天线在机身的位置也就确定了飞机外部电磁场的分布情况。
步骤二：机载设备的位置分布
在飞机参数化曲面模型上将机载天线、机载设备根据实际位置进行布局。在本发明中，实际位置是指机载天线、机载设备在需要设计的飞机上具体分布的位置。也是指飞机在开始设计阶段时，设计者预想的位置，通过本发明的模型处理后，来优化机载天线、机载设备应当安装的位置。
步骤三：机载设备间的干扰关联
由于辐射源和敏感设备之间的隔离度具有一一对应关系，所以本发明以隔离度I(f)来构建敏感设备受扰的关联矩阵：

式中，I(f)表示在工作频率f下的发射设备与接收设备间的隔离度，E1表示第一个发射设备，E2表示第二个发射设备，EM表示第M一个发射设备，R1表示第一个接收设备，R2表示第二个接收设备，RL表示第L一个接收设备，I(E1，R1)表示第一个发射设备与第一个接收设备之间的隔离度，I(E1，R2)表示第一个发射设备与第二个接收设备之间的隔离度，I(E1，RL)表示第一个发射设备与第L个接收设备之间的隔离度，I(E2，R1)表示第二个发射设备与第一个接收设备之间的隔离度，I(E2，R2)表示第二个发射设备与第二个接收设备之间的隔离度，I(E2，RL)表示第二个发射设备与第L个接收设备之间的隔离度，I(EM，R1)表示第M个发射设备与第一个接收设备之间的隔离度，I(EM，R2)表示第M个发射设备与第二个接收设备之间的隔离度，I(EM，RL)表示第M个发射设备与第L个接收设备之间的隔离度。在本发明中，发射设备为辐射源，而接收设备为敏感设备，从辐射源至敏感设备之间的路径会产生电磁干扰。
在实际工程计算中，机载敏感电子设备的接收天线通常处于机载辐射源电子设备发射天线的近场区。因此，可将收发天线等效为二端口网络，则可推出敏感设备受扰关联矩阵的单元的数学模型为：
$I(E_i,R_j)=\frac{1-{\left|S_{11}\left(f\right)\right|}^2}{{\left|S_{12}\left(f\right)\right|}^2}---\left(2\right)$
I(Ei，Rj)表示任意一个发射设备Ei与任意一个接收设备Rj间的隔离度，f表示工作频率，S11表示在标准阻抗条件下的功率反射系数，S12表示在标准阻抗条件下的功率传输系数。
由电磁兼容理论可知，I(Ei，Rj)满足电磁兼容性需求的阈值为：
$I_n\left(f\right)=\frac{P_t{\left[\frac{S}{N}\right]}_j{S}_{\mathrm{mj}}}{P_{\mathrm{js}}{L}_{\mathrm{ta}}\left(f\right)L_{\mathrm{ra}}\left(f\right)L_{\mathrm{tf}}{L}_{\mathrm{rf}}}---\left(3\right)$
式中，Pt表示发射设备的发射功率，Lta(f)表示发射机在分析频点的发射衰减量，是频率的函数，Lra(f)表示接收机在接收频点的接收抑制量，是频率的函数，Ltf表示发射馈线损耗，指发射机输出端口到发射天线输入端口间馈线的传输损耗，Lrf表示接收馈线损耗，指接收天线输出端口到接收机输入端口间馈线的传输损耗，Smj表示敏感设备j要求的安全裕度，Pjs表示敏感设备j的设计灵敏度，表示敏感设备正常工作所需的信噪比，S为有用信号的功率密度函数，N为噪声信号的功率密度函数。
当I(Ei，Rj)>In(f)时，发射设备天线端口i和接收设备天线端口j之间具有良好的电磁兼容性，不会发生电磁兼容问题。
当I(Ei，Rj)≤In(f)时，发射设备天线端口i和接收设备天线端口j之间的电磁兼容性较差，可能会发生电磁兼容问题。
这样通过对机载电子设备间天线隔离度I(Ei，Rj)的计算就可以得出机载电子设备电磁干扰关联矩阵公式(1)。
步骤四：电磁环境分布
采用HFSS软件对步骤三获得的干扰强度进行分析，从而得到飞机内部外部电磁环境的分布。
在本发明中，对于飞机设计者来说，可以根据步骤二的结果，利用HFSS软件仿真得到机舱内外电磁环境的分布，分析出机舱内外的主要干扰源，从而对各电子设备布局进行优化，防止电子设备不兼容发生。
步骤五：敏感设备干扰源获取
采用ADS(Advanced Design System)软件对步骤三获得的干扰关联矩阵进行分析，可以分析出某一敏感设备的主要干扰源。利用行为级仿真方法，将敏感设备主要干扰源等效为特定单元电路，作为非预期干扰信号与设计信号一起，作为敏感设备的输入信号，通过ADS软件进行仿真，观察其输出信号的信噪比。若此输出信号信噪比满足设计指标要求，则认为该设备对发出非预期干扰信号的设备具有较好的电磁兼容性；若此输出信号信噪比不满足设计指标要求，则认为该设备对发出非预期干扰信号的设备不兼容。发生不兼容现象时，可先在ADS构建的数字飞机模型上，对发射和接收设备采取屏蔽、滤波、接地等电磁兼容整改措施，再利用数字飞机模型进行行为级仿真，观察其输出信号信噪比，直至输出信号信噪比满足设计指标要求，实现飞机整机电磁兼容预设计。
本发明利用行为级仿真方法为实现飞机整机系统级电磁兼容设计提供了一种切实可行的实施手段。行为级仿真借助于“灰盒”的概念，从系统级角度出发，专注于设备的特征参量(如：输入输出参量)，忽略其具体电路细节，具有建模简单方便，仿真速度快，覆盖频带宽等特点，使建立使用有效的飞机整机电磁兼容数字化模型成为可能。