强电磁脉冲作用下屏蔽体时域屏蔽效能的等效测试方法与流程

本发明属于电磁脉冲防护领域，提出了一种强电磁脉冲作用下屏蔽体时域屏蔽效能的等效测试方法。

背景技术：

随着以半导体类器件为核心的各类电子元器件的性能向高频、高速方向发展，使得电子设备和系统对电磁骚扰的敏感度越来越低，电磁毁伤阈值也越来越低。越来越多的电子产品正面临着强电磁脉冲的严重威胁，电磁脉冲可通过孔缝耦合进入电子系统。对于孔口、缝隙耦合通常采取的强电磁脉冲的防护措施为屏蔽，即在空间上将辐射源与敏感设备进行隔离，阻断其传播路径。

屏蔽体对电子设备或者系统的强电磁脉冲防护加固效果，取决于其对脉冲信号瞬时峰值的抑制量级，通常由电磁脉冲时域屏蔽效能来衡量，即通过测试得到电磁脉冲屏蔽前后的时域波形，取其峰值之比计算得出。一般的单位并不具备专用电磁脉冲时域测量系统，并且电磁脉冲时域测试系统非常复杂，强电磁脉冲源种类多(例如核电磁脉冲、高功率微波、雷电等)，测试费用昂贵。因此研究一种屏蔽体的时域屏蔽效能等效测试方法将显得非常有意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种操作简单方便、成本低的强电磁脉冲作用下屏蔽体时域屏蔽效能的等效测试方法，以便可以获取真实强电磁脉冲环境下屏蔽体的防护抑制效果，分析屏蔽体对强电磁脉冲的防护能力。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：一种强电磁脉冲作用下屏蔽体时域屏蔽效能的等效测试方法，其特征是：至少包括如下步骤：

s1，扫频发射测试屏蔽体的频域屏蔽效能；

s2，将强电磁脉冲源时域波形通过傅立叶变换，获得频域谱特性；

s3，在脉冲源场强频谱特性基础上，使其相应频点按s1中获得的屏蔽效能进行相应衰减，得到经屏蔽体衰减后的场强频谱特性；

s4，将s3中获得的场强频谱特性，进行傅里叶逆变换获得对应脉冲源经屏蔽作用后的时域波形；通过对屏蔽前后时域波形的峰值之比，得到对应脉冲源作用下的时域屏蔽效能。

所述的步骤s1包含：

s1.1，建立等效测试系统；

s1.2，在没有放置屏蔽体时，计算机控制信号源发射相应频点的信号，频谱仪接收到的信号为p1(f)；

所述的相应频点信号的确定，指的是在9khz～18ghz频率范围内，根据屏效在该范围内按照对数坐标连续缓慢变化的特点，将总的频率测试范围划分为不同的频段，在每个频段内测试频点按照对数分布；测试的频点总数在500～900之间动态调整；其中，9khz～1mhz频段内测试频点数范围为40～80；1mhz～20mhz频段内测试频点数范围为40～80；20mhz～300mhz频段内测试频点数范围为150～250；300mhz～3ghz频段内测试频点数范围为150～250；3ghz～18ghz频段内测试频点数范围为100～200。

s1.3，放置屏蔽体时，计算机控制信号源发射与s1.2相对应的频点信号,并保持发射功率不变，频谱仪接收到的信号p2(f)；

s1.4，步骤s1.2和步骤s1.3中测得的信号按照公式

se(f)＝p1(f)-p2(f)

计算即可得到屏蔽体的频域屏蔽效能se(f)；其中p1(f)为无屏蔽体时，频谱仪接收到的信号，单位是dbm；p2(f)为放置屏蔽体后，频谱仪接收到的信号，单位是dbm；se(f)为屏蔽体的屏蔽效能，单位是db。

所述的步骤s2包含：

s2.1,若脉冲源波形是具有函数表达式的理论波形e1(t)，则通过输入脉冲源波形的参数，经过连续傅立叶变换得到脉冲源的频谱解析表达式e1(f)；

所述的连续傅立叶变换表达式为：

其中f表示频率变量，单位是hz；t表示时间变量，单位是s；e1(t)表示脉冲源时域波形函数形形，单位是v/m；e1(f)表示脉冲源频域波形函数，单位是v/m/hz；

若脉冲源信号e1(tn)，为测试获得的波形数据，则首先通过合理确定采样点，再经过离散快速傅里叶变换得到脉冲源的频谱e1(fk)；

所述的离散傅立叶变换为：

其中n表示脉冲源时域波形总点数；tn表示离散时间序列，单位是s；fs表示时域波形采样率，单位是hz；n表示时域序列；k表示频域序列；表示脉冲源离散时域波形,单位是v/m；e1(fk)表示脉冲源离散频域波形，单位是v/m/hz；

所述的合理确定采样点，指的是根据测试获得的波形数据得到该波形的上升时间tr，再依据带宽bw和上升时间tr的近似关系式，估算出信号带宽；带宽和上升时间的近似关系式为：

其中bw为信号带宽，单位是hz；tr为时域信号上升时间，单位是s；

估算出信号的带宽，即对应信号最高频率fq1；根据奈奎斯特采样定律fs2≥2fq1即可，但为提高信号保真度和增加模数转换器分辨率，我们采用3～5倍的最高频率作为采样率fs2；

若实际测试得到的数据的采样率fs1＜fs2，则可以利用线性插值对该数据进行加密处理得e1(tn1)；为了确保结果的准确性，在条件允许的情况下，建议对该信号进行重新测量；

若实际测试得到的数据的采样率2fs2＞fs1＞fs2，则对该离散数据e1(tn)直接进行快速傅立叶变换；

若实际测试得到的数据的采样率fs1＞＞fs2，为减小数据长度及计算量，建议对该数据进一步采样得e1(tn2)。

所述的步骤s3包含：

s3.1，根据步骤s2中得到的源信号最高截止频率fq1和步骤s1中实际测试得到的频域屏蔽效能se(f)，可以得到在该截止频率下的频域屏蔽效能se1(f)；

s3.2，将脉冲源场强频谱e1(f)和实际测试得到的频域屏蔽效能se1(f)通过屏效定义式计算，即可得到屏蔽后的频谱e2(f)；

所述的计算公式为：

其中e1(f)表示脉冲源场强频谱，单位是v/m/hz；e2(f)表示脉冲源信号经屏蔽作用后的频谱，单位是v/m/hz；se1(f)表示实际测试得到的频域屏蔽效能，单位是db。

所述的步骤s4包含：

s4.1，采用最小相位原理对频域数据e2(f)重构相位；

s4.2，对得到的强电磁脉冲经屏蔽后的信号频谱e2(f)进行线性插值处理，使其频点分布满足反傅立叶变换的条件；

所述的满足反傅里叶变换条件，指的是信号频域均匀分布的频点数nf应大于等于该信号在时域中满足奈奎斯特采样定理的点数nt；从经屏蔽体屏蔽后信号的频谱图e2(f)中，可以得到该信号的最大截止频率fq2,根据奈奎斯特采样定律及考虑信号保真度要求，选取采样率fs3＝(3～5)fq2；根据实际测试经验，考虑到屏蔽体对脉冲信号的时延作用，我们预估该信号的时域持续时间t2为脉冲信号持续时间t1的五倍值；利用采样率fs3和信号持续时间t2的关系，得到时域点数nt；

根据测试经验，一般情况下有nf＜nt，则对该信号频域数据e2(f)进行线性插值处理，得到频域数据e2(fk1)；

s4.3，将经过插值后的频谱e2(fk1)进行反傅里叶变换，即可得到屏蔽后的时域波形e2(t)；

s4.4，将屏蔽后时域波形的最大幅度值和强电磁脉冲源时域波形的最大值通过时域屏效计算公式计算，即可得到时域屏蔽效能；

所述的时域屏效计算公式为：

其中e1(t)max表示脉冲源时域波形最大值，单位是v/m；e2(t)max表示脉冲源信号经屏蔽作用后时域波形最大值，单位是v/m；se(t)表示时域屏蔽效能，单位是db。

本发明的优点是：由于建立了等效测试系统，可以通过测试屏蔽体对强电磁脉冲相应频点的屏蔽效能，来获取真实强电磁脉冲作用下屏蔽体的时域屏蔽效能，进而分析屏蔽体对强电磁脉冲的防护能力。具有操作简单方便、成本低廉的特点。

附图说明

图1是屏蔽效能扫频测试系统；

图2是频域屏蔽效能转换到时域屏蔽效能框图；

图3是核电磁脉冲的辐射电场标准波形；

图4是核电磁脉冲辐射电场经屏蔽体屏蔽后的时域瞬态响应波形。

图中，1、屏蔽体；2、信号源；3、发射天线；4、接收天线；5、频谱仪；6、计算机；7、交换机；8、光纤发送接收端子；9、外光电转换器；10、内光电转换器。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个具体实例，对本发明做进一步阐述。

实施例1

一种强电磁脉冲作用下屏蔽体时域屏蔽效能的等效测试方法，至少包括如下步骤：

s1，扫频发射测试屏蔽体的频域屏蔽效能；

s2，将强电磁脉冲源时域波形通过傅立叶变换，获得频域谱特性；

s3，在脉冲源场强频谱特性基础上，使其相应频点按s1中获得的屏蔽效能进行相应衰减，得到经屏蔽体衰减后的场强频谱特性；

s4，将s3中获得的场强频谱特性，进行傅里叶逆变换获得对应脉冲源经屏蔽作用后的时域波形；通过对屏蔽前后时域波形的峰值之比，得到对应脉冲源作用下的时域屏蔽效能。

所述的步骤s1包含：

s1.1，建立等效测试系统；

s1.2，在没有放置屏蔽体时，计算机控制信号源发射相应频点的信号，频谱仪接收到的信号为p1(f)；

所述的相应频点信号的确定，指的是在9khz～18ghz频率范围内，根据屏效在该范围内按照对数坐标连续缓慢变化的特点，将总的频率测试范围划分为不同的频段，在每个频段内测试频点按照对数分布；测试的频点总数在500～900之间动态调整；其中，9khz～1mhz频段内测试频点数范围为40～80；1mhz～20mhz频段内测试频点数范围为40～80；20mhz～300mhz频段内测试频点数范围为150～250；300mhz～3ghz频段内测试频点数范围为150～250；3ghz～18ghz频段内测试频点数范围为100～200。

s1.3，放置屏蔽体时，计算机控制信号源发射与s1.2相对应的频点信号,并保持发射功率不变，频谱仪接收到的信号p2(f)；

s1.4，步骤s1.2和步骤s1.3中测得的信号按照公式

se(f)＝p1(f)-p2(f)

计算即可得到屏蔽体的频域屏蔽效能se(f)；其中p1(f)为无屏蔽体时，频谱仪接收到的信号，单位是dbm；p2(f)为放置屏蔽体后，频谱仪接收到的信号，单位是dbm；se(f)为屏蔽体的屏蔽效能，单位是db。

所述的步骤s2包含：

s2.1,若脉冲源波形是具有函数表达式的理论波形e1(t)，则通过输入脉冲源波形的参数，经过连续傅立叶变换得到脉冲源的频谱解析表达式e1(f)；

所述的连续傅立叶变换表达式为：

其中f表示频率变量，单位是hz；t表示时间变量，单位是s；e1(t)表示脉冲源时域波形函数形形，单位是v/m；e1(f)表示脉冲源频域波形函数，单位是v/m/hz；

若脉冲源信号e1(tn)，为测试获得的波形数据，则首先通过合理确定采样点，再经过离散快速傅里叶变换得到脉冲源的频谱e1(fk)；

所述的离散傅立叶变换为：

其中n表示脉冲源时域波形总点数；tn表示离散时间序列，单位是s；fs表示时域波形采样率，单位是hz；n表示时域序列；k表示频域序列；表示脉冲源离散时域波形,单位是v/m；e1(fk)表示脉冲源离散频域波形，单位是v/m/hz；

所述的合理确定采样点，指的是根据测试获得的波形数据得到该波形的上升时间tr，再依据带宽bw和上升时间tr的近似关系式，估算出信号带宽。带宽和上升时间的近似关系式为：

其中bw为信号带宽，单位是hz；tr为时域信号上升时间，单位是s；

估算出信号的带宽，即对应信号最高频率fq1；根据奈奎斯特采样定律fs2≥2fq1即可，但为提高信号保真度和增加模数转换器分辨率，我们采用3～5倍的最高频率作为采样率fs2；

若实际测试得到的数据的采样率fs1＜fs2，则可以利用线性插值对该数据进行加密处理得e1(tn1)；为了确保结果的准确性，在条件允许的情况下，建议对该信号进行重新测量；

若实际测试得到的数据的采样率2fs2＞fs1＞fs2，则对该离散数据e1(tn)直接进行快速傅立叶变换；

若实际测试得到的数据的采样率fs1＞＞fs2，为减小数据长度及计算量，建议对该数据进一步采样得e1(tn2)。

所述的步骤s3包含：

s3.1，根据步骤s2中得到的源信号最高截止频率fq1和步骤s1中实际测试得到的频域屏蔽效能se(f)，可以得到在该截止频率下的频域屏蔽效能se1(f)；

s3.2，将脉冲源场强频谱e1(f)和实际测试得到的频域屏蔽效能se1(f)通过屏效定义式计算，即可得到屏蔽后的频谱e2(f)；

所述的计算公式为：

其中e1(f)表示脉冲源场强频谱，单位是v/m/hz；e2(f)表示脉冲源信号经屏蔽作用后的频谱，单位是v/m/hz；se1(f)表示实际测试得到的频域屏蔽效能，单位是db。

所述的步骤s4包含：

s4.1，采用最小相位原理对频域数据e2(f)重构相位；

s4.2，对得到的强电磁脉冲经屏蔽后的信号频谱e2(f)进行线性插值处理，使其频点分布满足反傅立叶变换的条件；

所述的满足反傅里叶变换条件，指的是信号频域均匀分布的频点数nf应大于等于该信号在时域中满足奈奎斯特采样定理的点数nt；从经屏蔽体屏蔽后信号的频谱图e2(f)中，可以得到该信号的最大截止频率fq2,根据奈奎斯特采样定律及考虑信号保真度要求，选取采样率fs3＝(3～5)fq2；根据实际测试经验，考虑到屏蔽体对脉冲信号的时延作用，我们预估该信号的时域持续时间t2为脉冲信号持续时间t1的五倍值；利用采样率fs3和信号持续时间t2的关系，得到时域点数nt；

根据测试经验，一般情况下有nf＜nt，则对该信号频域数据e2(f)进行线性插值处理，得到频域数据e2(fk1)；

s4.3，将经过插值后的频谱e2(fk1)进行反傅里叶变换，即可得到屏蔽后的时域波形e2(t)；

s4.4，将屏蔽后时域波形的最大幅度值和强电磁脉冲源时域波形的最大值通过时域屏效计算公式计算，即可得到时域屏蔽效能；

所述的时域屏效计算公式为：

其中e1(t)max表示脉冲源时域波形最大值，单位是v/m；e2(t)max表示脉冲源信号经屏蔽作用后时域波形最大值，单位是v/m；se(t)表示时域屏蔽效能，单位是db。

实施例2

如图2所示，一种强电磁脉冲作用下屏蔽体时域屏蔽效能的等效测试方法，如在核电磁脉冲作用下方舱时域屏蔽效能的等效测试，包含：

s1，扫频发射测试频域屏蔽效能；s1包含：

s1.1，建立等效测试系统，如图1所示。在测试时，信号源2及发射天线3位于屏蔽体1的外侧，接收天线4和频谱仪5位于屏蔽体1的内侧。为了避免计算机6的辐射对测试结果的影响，将计算机6放在屏蔽体1的外侧。发射天线3距屏蔽体1的外侧垂直壁距离为d2,接收天线4距屏蔽体1的内壁垂直距离为d1。外侧的发射天线3与信号源2电连接，信号源2通过发射天线3向屏蔽体内发送信号。信号源2通过交换机7与计算机6电连接，交换机7同时通过光纤发送接收端子8与频谱仪5网络电连接，频谱仪5与屏蔽体内侧的接收天线4电连接；

s1.2，交换机7同时通过光纤发送接收端子8与频谱仪5网络电连接，光纤发送接收端子8的屏蔽体1的外侧有外光电转换器9，屏蔽体1的内侧有内光电转换器10，外光电转换器9光电连接交换机7和光纤发送接收端子8的外端；内光电转换器10光电连接频谱仪5和光纤发送接收端子8的内端；采用光电转换系统实现计算机对频谱仪的程控操作，解决线缆进出方舱导致方舱屏蔽效能降低的问题；

s1.3，在没有放置屏蔽体1时，计算机6控制信号源2发射相应频点的信号，频谱仪接收到信号p1(f)(dbm)。

所述的相应频点信号的确定，指的是在9khz～18ghz频率范围内，根据屏效在该范围内按照对数坐标连续缓慢变化的特点，将总的频率测试范围划分为不同的频段，在每个频段内测试频点按照对数分布。测试的频点总数可在500～900之间动态调整，频点选取如表一所述；

表一测试频段及测试频点选取

s1.4，放置屏蔽体时，计算机6控制信号源2发射与s1.3相对应的频点信号，并保持发射功率不变，频谱仪5接收到的信号p2(f)(dbm)；

s1.5，步骤s1.3和步骤s1.4中测得的信号按照公式

se(f)＝p1(f)-p2(f)

计算即可得到频域屏蔽效能se(f)。

s2,将强电磁脉冲源时域波形通过傅立叶变换，获得频域谱特性；s2包含：

s2.1,核电磁脉冲时域场强波形选用国际电工技术委员会(iec)标准波形e1(t)(如图3所示)，对其进行连续傅里叶变换，得到脉冲源频谱解析表达式e1(f)。

所述的国际电工技术委员会(iec)标准波形为：

e1(t)＝e*k*(e^-αt-e^-βt)

其中，e＝5×10⁴,k＝1.3，α＝4×10⁷，β＝6×10⁸。

所述的连续傅立叶变换为：

所述的脉冲源频谱解析表达式为：

s3，在脉冲源场强频谱特性基础上，使其相应频点按s1中获得的屏蔽效能进行相应衰减，得到经屏蔽体衰减后的场强频谱特性；s3包含：

s3.1，根据步骤s2中得到的源信号最高截止频率fq1为300mhz和步骤s1中实际测试得到的频域屏蔽效能se(f)，可以得到在该截止频率下的频域屏蔽效能se1(f)；

s3.2，将脉冲源场强频谱e1(f)和实际测试得到的频域屏蔽效能se(f)通过屏效定义式，计算即可得到屏蔽后的频谱e2(f)。

所述的计算公式为：

s4，将s3中获得的场强频谱特性，进行傅里叶逆变换(ifft)获得对应脉冲源经屏蔽作用后的时域波形。通过对屏蔽前后时域波形的峰值之比，得到对应脉冲源作用下的时域屏蔽效能；s4包含：

s4.1，采用最小相位原理对频域数据e2(f)重构相位；

s4.2，对得到的强电磁脉冲经屏蔽后的信号频谱e2(f)进行线性插值处理，使其频点分布满足反傅立叶变换的条件；

所述的满足反傅里叶变换条件，指的是信号频域均匀分布的频点数nf应大于等于该信号在时域中满足奈奎斯特采样定理的点数nt。从经屏蔽体屏蔽后信号的频谱图e2(f)中，可以得到该信号的最大截止频率fq2。根据奈奎斯特采样定律及考虑信号保真度要求，选取采样率fs3＝(3～5)fq2。根据实际测试经验，考虑到屏蔽体对脉冲信号的时延作用，我们预估该信号的时域持续时间t2为脉冲信号持续时间t1的五倍值。利用采样率fs3和信号持续时间t2的关系，得到时域点数nt。

根据测试经验，一般情况下有nf＜nt，对该信号频域数据e2(f)进行线性插值处理，得到频域数据e2(fk1)；

s4.3，将经过插值后的频谱e2(fk1)(v/m/hz)进行反傅里叶变换(ifft)即可得到屏蔽后的时域波形e2(t)(v/m)(如图4所示)；

s4.4，将强电磁脉冲源时域波形的最大幅度值e1(t)max和屏蔽后时域波形的最大幅度值e2(t)max通过时域屏效计算公式计算，即可得到时域屏蔽效能。时域屏效计算公式如下：

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。