一种电磁兼容性平衡状态优化方法

摘要

本发明公开了一种电磁兼容性平衡状态优化方法，在该方法中，依靠对机载设备在直升机舱体不同区域的短波频段辐射强度的测量，结合军标限值，采用加权矩阵策略完成直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度的计算，采用单纯形法策略完成直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度的数据处理，形成直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性调整方案的优选，解决了以往由于机载设备之间的辐射强耦合关系所导致的整机短波频段辐射电磁兼容性难以准确预测，无法提出最佳优化方案的问题。考虑国军标人员作业区域暴露限值要求，针对直升机系统整机辐射电磁兼容平衡度进行数据处理，提高了整机短波频段电磁兼容性平衡状态优化的针对性和有效性。

主权项

1.一种基于短波频段电磁辐射暴露测量的整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态优化方法，所针对的短波频段是指3MHz～30MHz，方法包括以下几个步骤： 第一步：划分直升机人员作业区域； 根据直升机物理结构以及直升机飞行、直升机地面维护过程中作业人员的活动区域，采用军标GJB5313-2004《电磁辐射暴露限制和测量方法》对直升机机身以及附近区域进行划分，得到直升机人员作业区域，并分别命名为：区域1，区域2，区域3，……，区域n，n表示划分区域的数量，n≥3；n个区域中至少应包括驾驶舱区域、乘员舱区域以及大功率天线的机身附近区域； 第二步：测量直升机机载设备在不同区域内短波频段的辐射强度，得到机载设备短波频段辐射矩阵； 测量平台包括计算机、测量接收机、衰减器和环形天线；计算机、测量接收机、衰减器、环形天线依次通过导线连接； 环形天线放置在待测区域内，直升机机载设备在工作时，环形天线对机载设备的短波频段电磁辐射进行接收，得到短波频段电磁辐射发射信号，衰减器对短波频段电磁辐射发射信号进行衰减，计算机控制测量接收机对衰减后的短波频段电磁辐射发射信号进行采集，得到机载设备在该区域内的短波频段电磁辐射强度，通过计算机记录短波频段电磁辐射强度； 具体步骤为： 步骤201：采用测量平台，测量机载设备在每个区域内的短波频段电磁辐射强度，设直升机系统共有m个机载设备，具体为： 采用测量平台，在区域1内进行测量，开启第一个机载设备，测量得到第一个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_1，1，关闭第一个机载设备，开启第二个机载设备，测量得到第二个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_1，2，关闭第二个机载设备，……，同理，开启第m个机载设备，测量得到第m个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_1,m，关闭第m个机载设备；完成区域1的机载设备短波频段电磁辐射强度测量； 采用测量平台，在区域2内进行测量，开启第一个机载设备，测量得到第一个机载设备 的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_2，1，关闭第一个机载设备，开启第二个机载设备，测量得到第二个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_2，2，关闭第二个机载设备，……，同理，开启第m个机载设备，测量得到第m个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_2，m，关闭第m个机载设备；完成区域2的机载设备短波频段电磁辐射强度测量； …… 同理，采用测量平台，在区域n内进行测量，开启第一个机载设备，测量得到第一个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_n，1，关闭第一个机载设备，开启第二个机载设备，测量得到第二个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_n，2，关闭第二个机载设备，……，同理，开启第m个机载设备，测量得到第m个机载设备的短波频段电磁辐射强度，记为Tre_n,m，关闭第m个机载设备；完成区域n的机载设备短波频段电磁辐射强度测量； 步骤202：根据步骤201中得到的测量结果，建立机载设备短波频段辐射矩阵T： 第三步：获取m个机载设备的短波频段人员作业区域暴露限值，得到短波频段人员暴露限值矩阵； 短波频段的电磁辐射包括连续波、脉冲波两种辐射类型，确定m个机载设备的短波频段类型，获取机载设备的短波频段人员作业区域暴露限值，GJB5313-2004中对作业区域短波频段连续波、脉冲波暴露限值的确定方法为： （1）作业区域短波频段连续波连续暴露的暴露限值为：（2）作业区域短波频段连续波间断暴露的暴露限值为： 当频率为3MHz～10MHz时，暴露限值为610/fv/m； 当频率为10MHz～30MHz时，暴露限值为61.4v/m； （3）作业区域短波频段脉冲波连续暴露的暴露限值为：（4）作业区域短波频段脉冲波间断暴露的暴露限值为： 当频率为3MHz～10MHz时，暴露限值为305/fv/m； 当频率为10MHz～30MHz时，暴露限值为43.4v/m； 其中，f表示机载设备的辐射频率，单位为MHz，得到m个机载设备的短波频段人员作业区域暴露限值为： 第一个机载设备的短波频段人员作业区域暴露限值记为Expl₁； 第二个机载设备的短波频段人员作业区域暴露限值记为Expl₂； …… 第m个机载设备的短波频段人员作业区域暴露限值记为Expl_m； 建立短波频段人员暴露限值矩阵E： 第四步：获取机载设备短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵； 步骤401：步骤202中得到的机载设备短波频段辐射矩阵T和第三步中得到的短波频段人员暴露限值矩阵E均为n×m阶矩阵，进行矩阵相减S＝E-T，得到： δ_i,j＝Expl_j-Tre_i,j其中，i表示矩阵的行，j表示矩阵的列，δ_i,j为矩阵S中对应的元素： 步骤402：对矩阵S中的各元素进分别行归一化处理： 其中，δ′_i，_j表示δ_i,j归一化处理后的值，Expl_j表示矩阵E中第j列中任意元素的值，得到机载设备短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S'： 若机载设备短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S'中出现负值元素，根据木桶原理，则令所有正值元素的值为0，矩阵S'中仅保留负值元素； 第五步：获取短波频段各个机载设备辐射权值，并得到机载设备短波频段辐射权值矩阵； 步骤501：根据GJB72A-2002《电磁干扰和电磁兼容术语》中对分系统和设备的关键性类别分类原则，得到m个机载设备电磁兼容分类指标EML＝{eml₁,eml₂,…,eml_m}，具体为： 根据GJB72A-2002《电磁干扰和电磁兼容术语》，分系统和设备的关键性类别分为以下三类： （1）Ⅰ类这类电磁兼容问题可能导致寿命缩短、运载工具受损、任务中断、代价高昂的发射延迟或不可接受的系统效率下降； （2）Ⅱ类这类电磁兼容问题可能导致运载工具故障、系统效率下降，并导致任务无法完成； （3）Ⅲ类这类电磁兼容问题可能引起噪声、轻微不适或性能降级，但不会降低系统的预期有效性； 采用层次分析法策略，获得满足Ⅰ类的机载设备的电磁兼容分类指标为AA；获得满足Ⅱ类的机载设备的电磁兼容分类指标为AB；获得满足Ⅲ类的机载设备的电磁兼容分类指标为AC，则m个机载设备的电磁兼容分类指标为且AA＞AB＞AC，1≤s≤m；步骤502：获取电磁兼容分类权重； 对m个机载设备电磁兼容分类指标EML＝{eml₁,eml₂,…,eml_m}进行数据处理，获得机载设备电磁兼容分类权重EM＝{em₁,em₂,…,em_m}； 其中：1≤r≤m，1≤q≤m；em₁表示第一个机载设备的电磁兼容分类指标eml₁的权重； em₂表示第二个机载设备的电磁兼容分类指标eml₂的权重； …… em_m表示第m个机载设备的电磁兼容分类指标eml_m的权重； 步骤503：获取人员作业区域分类权重； n个人员作业区域的分类指标HAL＝{1,1,…,1}，得到人员作业区域分类权重步骤504：采用赋权关系W＝HA×EM，对步骤502中得到的机载设备电磁兼容分类权重EM＝{em₁,em₂,…,em_m}和步骤503中得到的人员作业区域分类权重进行处理，获得机载设备短波频段辐射权值矩阵W，其中，w_i，j为矩阵W中对应的元素：第六步：获取直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度； 采用对应项加权求和策略对第四步中得到的短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S′和第五步中得到的机载设备短波频段辐射权值矩阵W中的元素进行数据处理，得到直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度b；第七步：根据第六步得到的直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度，判断是否对直升机系统辐射电磁兼容性进行整改或者优化； （1）若b≥0，表示直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态符合国军标要求，不会对工作区域的人员辐射安全造成影响，则对直升机系统辐射电磁兼容性平衡状态进行优化； （2）若b＜0，表示直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态不符合国军标要 求，将会对工作区域的人员辐射安全造成影响，则对直升机系统辐射电磁兼容性进行整改；根据机载设备短波频段辐射电磁兼容性裕值矩阵S'中负值元素的位置与大小，对直升机机载设备进行电磁兼容整改，并对整改后的直升机系统重复第二步到第六步，直至直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度b≥0，即直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态满足国军标限值要求，然后，再对直升机系统辐射电磁兼容性平衡状态进行优化； 第八步：获取短波频段机载设备理想辐射限值，得到短波频段人员理想暴露限值矩阵； 具体包括： 步骤801：采用直升机模型蒙皮全金属化策略，完成最大衰减情况下短波频段机载设备理想辐射限值仿真计算； 进行机载设备短波频段辐射发射仿真计算，步骤如下： （1）建立直升机机体模型，并采用蒙皮全金属化策略进行优化，得到整机短波频段理想限值求解模型； （2）建立机载设备模型，并针对机载设备正常工作状态进行馈源设置； （3）调整机载设备与机体模型的相对位置； （4）根据步骤一中划分的直升机人员作业区域，对仿真求解区域进行设定； （5）完成短波频段机载设备辐射发射仿真； 步骤:802：采用步骤801中的仿真方法对m个机载设备进行短波频段辐射发射仿真，并将采集到的短波频段辐射发射仿真计算值，记作SExpl； 对第一个机载设备进行仿真时，区域1的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_1，1，区域2的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_2，1，……，区域n的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_n,1； 对第二个机载设备进行仿真时，区域1的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_1，2，区域2的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_2，2，……，区域n的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_n,2； …… 同理，对第m个机载设备进行仿真时，区域1的短波频段辐射发射仿真计算值记为 SExpl_1,m，区域2的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_2,m，……，区域n的短波频段辐射发射仿真计算值记为SExpl_n,m； 步骤803：根据802中采集到数据建立短波频段人员理想暴露限值矩阵SE： 第九步：获取直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容平衡度最优解； 直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态优化问题可以归结为：以辐射电磁兼容平衡度为目标函数，短波频段人员暴露界限为求解域的最优化问题；当改变某个设备针对某个区域内的电磁兼容性时，导致矩阵T中对应元素发生变化，如果矩阵T中其他元素也发生变化，则矩阵T为强耦合矩阵，否则，矩阵T为弱耦合矩阵； 具体包括： 步骤901：当机载设备短波频段辐射矩阵T为弱耦合矩阵时，矩阵内的各元素之间相互独立；此时，整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态优化问题可以转换为求解以下形式的最优化问题： SE＜T＜E 其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j，SE＜T＜E表示边界条件，机载设备短波频段辐射矩阵T中元素的取值范围由矩阵SE和矩阵E中对应元素确定；步骤902：当机载设备短波频段辐射矩阵T为强耦合矩阵时，需要确定矩阵T中各元素之间的耦合关系，从而将该耦合关系转化为优化问题的约束条件； （1）当机载设备短波频段辐射矩阵T中元素的耦合关系为两两耦合时，即矩阵T中元素Tre_u,v和Tre_u′，v'之间的关系式为Tre_u,v＝f(Tre_u′，v')，其中u,u′∈[1,n]，v,v′∈[1,m]，f(·)表示某一函数关系，采用泰勒级数对关系式进行展开，可以得到： 其中：t表示泰勒级数对应阶数，为整数，t≥0，a₀、a₁、a₂、……、a_t、……表示t阶泰勒级数的系数； 采用线性规划策略对整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态进行分析，去除二阶及二阶以上的高阶项，得到： Tre_u,v＝a₀+a₁·Tre_u′，v′； 则两两耦合条件下的电磁兼容优化问题可以转换为求解以下形式的最优化问题： 其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i,j；采用线性规划理论实现短波频段辐射电磁兼容平衡度b的优化问题，需要对原优化求解域进行修订，令δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i，j，则优化问题可以转变为： 其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j，δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i，j；（2）当机载设备短波频段辐射矩阵T中元素的耦合关系为多元素相互耦合时，即矩阵T中的元素之间的关系为：其中：u₁,u₂,u₃,…,u_w∈[1,n]，v₁,v₂,v₃,…,v_w∈[1,m]，w≤min{n,m}，采用泰勒级数对关系式进行展开可以得到： 其中，t表示泰勒级数对应阶数，为整数，t≥0，a_1,t、a_2，t、……、a_w-1，t表示各元素t阶泰勒级数的系数； 采用线性规划策略对整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态进行分析，去除二阶及二阶以上的高阶项，得到： 即可得到矩阵T中的元素之间的约束关系：分别令A＝[a_1，1，a_2，1，…,a_w-1，1]， c＝-a_1,0-a_2,0-…-a_w-1,0， 则约束关系可以表示为A·X＝c，则多元素相互耦合条件下的电磁兼容优化问题可以转换为求解以下形式的最优化问题： 其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i,j；采用线性规划理论实现短波频段辐射电磁兼容平衡度b的优化问题，需要对原优化求解域进行修订，令δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i，j，则优化问题可以转变为： 其中：δ_i,j＝Expl_j-Tre_i，j，δ″_i，j＝Expl_j-SExpl_i,j；步骤903：根据步骤901或步骤902中给出的目标函数以及求解域，采用单纯形法策略，完成目标函数的优化，得到短波频段辐射电磁兼容平衡度b的最大值，以及短波频段辐 射电磁兼容平衡度b最大值时对应的机载设备短波频段辐射矩阵T′； 令ΔT＝T-T′，得到直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT： 其中ΔTre_i,j为第j个设备在区域i电磁辐射强度调整值； 第十步：根据直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT，对直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性平衡状态进行优化； 根据直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT内元素ΔTre_i，j，确定机载设备在每个区域内需要降低的短波频段辐射强度，具体为： ΔTre_1，1，ΔTre_2，1，…,ΔTre_n，1，为第一个机载设备在区域1，区域2，……，区域n所需要降低的短波频段辐射强度； ΔTre_1，2，ΔTre_2，2，…,ΔTre_n，2，为第二个机载设备在区域1，区域2，……，区域n所需要降低的短波频段辐射强度； …… 同理，ΔTre_1，m，ΔTre_2，m，…,ΔTre_n，m，为第m个机载设备在区域1，区域2，……，区域n所需要降低的短波频段辐射强度； 根据对直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT中的各个元素的值分别对各个机载设备在各个区域的辐射强度进行调整，调整方法包括： （1）在满足机载设备功能性要求的前提下，调整辐射功率； （2）在允许范围内，调整机载设备的位置； （3）提高或降低人员作业区域舱体的屏蔽效能； 其中，ΔTre_i，j的绝对值越小，表示人员作业区域短波频段辐射电磁兼容性平衡状态越佳，人员作业时受到的辐射总体受到的辐射就越小； 返回第二步，对调整后的直升机系统再次进行优化，直到直升机系统整机短波频段辐射电磁兼容性调整矩阵ΔT内元素值达到用户要求的设定值或者直升机系统的设计要求。