艦船電磁環境特性分析確定方法
2023-04-27 19:44:41
專利名稱：艦船電磁環境特性分析確定方法
技術領域：
本發明屬於艦船電磁兼容性技術領域，具體涉及一種根據艦船電磁環境測試數據進行的 艦船電磁環境特性比對、分析、確定方法，可用於各種水面艦船、水下潛艇及其他武器平臺 的輻射、傳導電磁場頻譜數據的幅-頻特性分析。
背景技術：
為保護艦船、潛艇或其他大型武器平臺上人員、武備和燃油安全，保證所載通信設備和 電磁敏感設備的正常工作，需要設計、驗證這些平臺關鍵區域的電磁環境水平，即電磁場的 強度。目前採取的主要手段是在艦船系泊或航行狀態下，用專用儀表、設備進行輻射、傳導 電磁場的測試與測量，確保這些測量值處於標準所允許的安全範圍內。如果發現超過標準限 制，則提出整改意見，建議艦船設計、製造或設備供應單位進行電磁兼容性處理，將電磁環 境控制在限定的安全範圍內。
這樣的方法從上個世紀80年代開始，沿用已久，並且所採用的標準也多從美軍標準剪裁、 修改得來，特別是安全限值的制定方法尚無定論。但是在實際測試中經常發現，由於這些現 有標準是根據上個世紀60年代的裝備電磁特性制定，與目前裝備特性有較大的差異。並且現 有艦載電力電子設備的電磁輻射特性，以及輻射源的布設方法與原有的艦船不盡一致，所測 的電磁環境數據往往與現有標準限值缺乏符合性。因此，如何從測試數據中挖掘分布規律， 用於表徵艦船的電磁環境特性，從而確定適宜於現有艦船的電磁環境安全要求限值成為了一 個重要的課題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種艦船電磁環境測 試數據幅-頻特性的分析確定方法，以獲得艦船關鍵區域的電磁場幅-頻特徵定量表達方式， 為確定艦船電磁環境特性，研究和修改標準限值提供參考依據。
本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為 (A)按照現行標準規定的測試測量方法，在艦船規定的測試部位(測點)，在規定的頻 率範圍內，按照指定帶寬要求，獲得測試部位的輻射發射環境的幅-頻數據；對測試數據按照
同型船同類測點進行分類整理後，按照如下步驟確定艦船各類測點的電磁環境特性；
(B) 根據一類測點測試數據的幅度變化範圍，將幅度等間隔劃分為10-15個區間，統計 每區間內落入的頻率點數，繪製出場強分布的直方圖，確定幅度的集中和分散特性；
(C) 按照測試頻率的跨度範圍和頻點數目，對測試頻譜圖進行分段最大值、平均值包 絡，簡化頻譜的複雜程度，簡潔勾勒幅度隨頻率變化的特性；
(D) 參考現行標準限值的頻段劃分方法，或根據同類測點頻譜圖反映出的與現行標準 不同的幅度變化特性，尋找上升、下降的拐點，確定頻段劃分區間，對頻譜數據進行分段對 數線性擬合，並設立計算表達式；
(E) 計算測試頻譜數據幅度分布的統計描述參量，包括平均值、眾數、中位數、峰度、 偏度，與圖形描述相結合，量化描述電磁環境數據的幅-頻分布特性；
(F) 對同類測點的測試數據的包絡曲線、擬合線，按照頻率對應關係取平均值和最大值， 在測試樣本量足夠大的時候，即可確定同型艦船各類測點的電磁環境數據特性。
上述方案中，所述的測試部位包括艦船艙室、甲板面以及某些關鍵電纜、電子設備。所 述的幅-頻數據為電場或磁場幅-頻數據，通過測試分別獲得。
上述方案中，所述的場強分布的直方圖的繪製方法為將離散的幅度、頻率數據統一描
述為formula see original document page 5將幅度直方圖分組間隔設為L即可分為
formula see original document page 5組(其中顧x04)、m/"04)表示找出數據集合A中的最大值，/"《x)
表示對X取整數部分)；然後縱軸標出分組區間，橫軸標出頻數，表示落入某個子區間的測量 值數目對應的長度，在這個分組區間上作矩形。通過直方圖知道分布的形狀，將有助於選擇 適當的概括數據和分析數據的方法。
分組間隔X的設定，按照幅度跨越範圍的不同，以能將幅度變化範圍劃分為10-15個區
間為宜。根據測試數據的經驗規律，通常x取為2-8。
按上述方案，所述的測試頻譜圖分段最大值包絡是將頻率分為formula see original document page 5個
區間，取每個區間中幅度的最大值，並繪製直線，將每個區間的分段直線用垂線連接起來， 即成為最大值包絡線。各個區間的最大值描述為formula see original document page 5formula see original document page 6
按上述方案，所述的測試頻譜圖分段平均值包絡是將頻率分為m"Ox(/W(log(,)) + l)個
區間，求出每個區間中幅度的平均值，並繪製直線，將每個區間的分段直線用垂線連接起來， 即成為平均值包絡線；各個區間平均值的描述為
formula see original document page 6
其中"ew(/(x))用於從貞/)=何乂), a(/2),…，),…，a(/ )}中尋找最接近/(;c)計算結
果的力，^^4'0)}用於計算分段集合{乂00}中所有值的平均值。
以上方法適用於線性坐標，如果頻率跨度範圍較大(大於2個十倍頻程)，則一般採用對 數坐標繪製，並且由於電磁兼容測試數據一般跨了多個十倍頻程，倘若仍然採用頻率均分m 份的方法，在對數坐標中，將出現由寬至窄的分段包絡線，在高頻率段幾乎無法識別，不能 很好地對頻譜進行圖形簡化描述。所以本發明提出了一種針對對數坐標數據的包絡分析法。 即在上述方法的基礎上，按照對數坐標的物理寬度(實際繪製長度)平均分為m份，而不是 將頻率範圍劃分為m個區間。
本發明中分段對數線性擬合是按照現行標準進行分段。如果同類測點的測試數據均反映 出了與現行標準不符的變化趨勢，則按照測試數據的共性拐點進行分段，然後在對數坐標下 按照對數線性擬合方法進行分段擬合。具體方法如下
(1) 將頻譜數據按照軍用標準或數據中幅度上升、下降的拐點劃分將頻率劃分為1 3個連
續區間，例如劃分為三個區間[y;,/丄[/"]， [/;,/ ];
(2) 按照劃分好的連續區間，分別對頻譜數據進行分段對數線性擬合，獲得擬合方程並繪
制擬合曲線。例如上述三個區間，分別擬合出的方程如下
formula see original document page 6本發明還提出了一種分類統計分析艦船電磁環境特性的方法。將艦船電磁環境數據按照 同型船同類測點分類，對各類測點得測試數據的包絡曲線、擬合線，按照分段端點對應關係 求幅度的最大值和平均值，在測試樣本量足夠大的時候(建議大於100)，即可描述同型艦船 各測點的電磁環境數據特性。
其中，最大值可用於指導適宜於現代艦船電磁環境特性的標準限值的制定，平均值可用 于衡量現代艦船電磁環境的平均水平。
同時由於艦船在進行電磁兼容測試試驗中發現了問題，對同型船進行了不斷改進，所以 從數據分布的相關性中還可以發現改進後的艦船電磁環境特性的改善或受影響程度。
本發明提出了一種基於統計數學的電磁環境特性分析確定方法，通過所提出的方法統計、 分析、比對、研究艦船電磁環境數據，由圖形和數值描述，能較好的量化表達艦船電磁環境 測試數據的幅-頻特性，獲得艦船關鍵區域的電磁場幅-頻特徵定量表達方式，為確定艦船電 磁環境特性，研究並修改我國相關標準限值提供參考依據。
圖1為本發明一個實施例的場強直方圖示。 圖2為本發明一個實施例的最大包絡線圖示。 圖3為本發明一個實施例的平均包絡線圖示。 圖4為本方明一個實施例的包絡作用圖示。 圖5為本發明一個實施例的頻譜對數線性擬合曲線圖示。 圖6為本發明一個實施例按照曲線趨勢進行對數線性擬合曲線圖示。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明的實施例。
按照現行標準規定的輻射電磁環境測試方法(例如HJB34-90)，在艦船規定的測試部位 (測點)，採用符合要求的測量儀表及配件，在規定的頻率範圍內，按照指定帶寬要求，獲得 艦船艙室、甲板面的輻射電磁環境幅-頻數據，以及某些關鍵電纜、電子設備的輻射發射環境 的幅-頻數據。對測試數據按照同型船同類測點進行分類整理後，按照如下步驟確定艦船各類 測點的電磁環境特性。
對於某類測點的一組示例數據^ (/)，計算出其中最大幅度值為m似04" 114.166，最小
幅度值為《h'"04)=62.5。測試範圍中最低頻率為f屍20，最高頻率為fn=400，按照本發明的方 法，若設置幅度分組間隔為5，則可將本組示例數據的幅度跨度分為加(114'166 —62'5) + 1 = 11
組，然後縱軸標出分組區間，橫軸標出頻數，表示落入某個子區間的測量值數目對應的長度， 在這個分組區間上作矩形，繪製出該測試頻譜數據的幅-頻分布狀態的直方圖。如圖1所示。 由圖可知，在20-400頻率範圍內，掃描測試了 601個頻率點，而幅度落入87.5-92.5這個區 間內的頻點數目最多，達到191個。並且大部分頻率點的幅度都集中在72.5至102.5之間。 少量頻率點的幅度分散在其他數值區間。
按照本發明中提出的分段包絡方法，在對數坐標中，將橫坐標的長度分為m= 10x(/""log(A)) + l)= 10x(/W(log(，)) + l)=20個區間，取每個區間中所覆蓋的測試頻點幅
度的最大值，並求出每個區間中幅度的平均值，並分別繪製直線；將每個區間的分段直線用 垂線連接起來，即分別成為最大值包絡線和平均值包絡線，分別如圖2和圖3所示。包絡對 於存在電磁幹擾的頻譜數據有著重要的作用。其中平均值可用於消除幹擾頻率對總體分布的 影響，客觀衡量電磁環境的水平；最大值包絡則可以提取出電磁危害量值，為制定電磁輻射 危害等標準提供手段。圖4是另一類測點測試數據的包絡所反映出來幹擾和危害特性。
本發明中分段對數線性擬合是按照現行軍用標準進行分段。如果同類測點的測試數據均 反映出了與軍用標準不符的變化趨勢，則按照測試數據的共性拐點進行分段，然後按照對數 線性擬合方法進行分段擬合。本實施例將示例數據按照標準分成兩個區間，[20,60]和[60,400]， 計算出的頻譜擬合曲線方程所示
擬合曲線如圖5所示。
實際上該類測點的數據並未在60這個頻率點上表現出明顯的趨勢改變特性，即60並非 目前電磁環境特性所表現出來的拐點，在20-400頻率範圍內，應該用一個連續區間進行擬合， 即[20， 400]，擬合方程如下所示
formula see original document page 8
擬合曲線如圖6所示。
本發明還提出了一種分類統計分析並確定艦船電磁環境特性的方法。將艦船電磁環境數
據按照同型船同類測點分類，對各類測點得測試數據的包絡曲線、擬合線，按照分段端點對 應關係求幅度的最大值和平均值，在測試樣本量足夠大的時候(建議大於100)，即可描述同 型艦船各測點的電磁環境數據特性。
同時由於艦船在進行電磁兼容測試試驗中發現了問題，對同型船進行了不斷改進，所以 從數據分布的相關性中還可以發現改進後的艦船電磁環境特性的改善或受影響程度。
權利要求
1、一種艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於(A)按照現行標準規定的測試測量方法，在艦船規定的測試部位，在規定的頻率範圍內，按照指定帶寬要求，獲得測試部位的輻射發射環境的幅-頻數據；對測試數據按照同型船同類測點進行分類整理後，按照如下步驟確定艦船各類測點的電磁環境特性；(B)根據一類測點測試數據的幅度變化範圍，將幅度等間隔劃分為10-15個區間，統計每區間內落入的頻率點數，繪製出場強分布的直方圖，確定幅度的集中和分散特性；(C)按照測試頻率的跨度範圍和頻點數目，對測試頻譜圖進行分段最大值、平均值包絡，簡化頻譜的複雜程度，簡潔勾勒幅度隨頻率變化的特性；(D)參考現行標準限值的頻段劃分方法，或根據同類測點頻譜圖反映出的與現行標準不同的幅度變化特性，尋找上升、下降的拐點，確定頻段劃分區間，對頻譜數據進行分段對數線性擬合，並設立計算表達式；(E)計算測試頻譜數據幅度分布的統計描述參量，包括平均值、眾數、中位數、峰度、偏度，與圖形描述相結合，量化描述電磁環境數據的幅-頻分布特性；(F)對同類測點的測試數據的包絡曲線、擬合線，按照頻率對應關係取平均值和最大值，在測試樣本量足夠大的時候，即可確定同型艦船各類測點的電磁環境數據特性。
2、 按權利要求l所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的場強分布的 直方圖的繪製方法為將離散的幅度、頻率數據統 一 描述為車formula see original document page 2將幅度直方圖分組間隔設為x ，即可分為formula see original document page 2 + 1組;然後縱軸標出分組區間，橫軸標出頻數，表示落入某個子區間的測量值數目對應的長度，在這個分組區間上作矩形，x取為2-8。
3、 按權利要求1所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的測試頻譜圖 分段最大值包絡是將頻率分為formula see original document page 2個區間，取每個區間中幅度的最大值，力並繪製直線，將每個區間的分段直線用垂線連接起來，即成為最大值包絡線；各個區間的最 大值描述為formula see original document page 2formula see original document page 3附 附
4、按權利要求1所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的測試頻譜 圖分段平均值包絡是將頻率分為附^Ox(/""log(+)) + l)個區間，求出每個區間中幅度的平均值，並繪製直線，將每個區間的分段直線用垂線連接起來，即成為平均值包絡線；各個區間 平均值的描述為formula see original document page 3附 附
5、 按權利要求l所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的分段對數線 性擬合是按照現行標準進行分段，或按照測試數據的共性拐點進行分段，然後在對數坐標下 按照對數線性擬合方法進行分段對數線性擬合。
6、 按權利要求5所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的分段是將頻 率劃分為1 3個連續區間。
7、 按權利要求1所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的測試部位包 括艦船艙室、甲板面以及關鍵電纜、電子設備。
8、按權利要求1所述的艦船電磁環境特性分析確定方法，其特徵在於所述的幅-頻數據 為電場或磁場幅-頻數據，通過測試分別獲得。
全文摘要
本發明涉及一種艦船電磁環境特性的分析確定方法，它針對艦船電磁兼容系泊、航行試驗中按照現有標準規定方法測試的傳導、輻射電磁場頻譜測試數據，按照同型艦船同類測點進行分類後，分別進行場強直方圖、分段包絡、分段譜擬合，計算特徵擬合曲線及其表達式，並求出統計描述量值，然後對分段包絡、特徵擬合按分段端點頻率一一對應求出最大值和平均值，獲得表徵艦船各測點電場、磁場的幅-頻特徵的最大，以及平均包絡線、擬合線。本發明能較好的量化表達艦船電磁環境測試數據的幅-頻特性，獲得艦船關鍵區域的電磁場幅-頻特徵定量表達方式，為確定艦船電磁環境特性，研究並修改我國相關標準限值提供參考依據。
文檔編號G01R29/08GK101339216SQ200810048760
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月11日 優先權日2008年8月11日
發明者侯冬雲, 劉振吉, 劉文平, 菁 喻, 崎 張, 謝大剛 申請人:中國艦船研究設計中心