鱼雷电磁兼容性综合管理与控制

谭静仪, 潘 进, 王凯国, 杨进候

鱼雷电磁兼容性综合管理与控制

谭静仪1, 潘 进2, 王凯国2, 杨进候2

(1. 中山大学 新华学院, 广东 广州, 510520; 2. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

电磁兼容性(EMC)是鱼雷通用质量特性中衡量鱼雷内部涉电组件之间, 以及鱼雷与武器系统平台、作战空间之间电磁环境承受能力和作用影响的重要指标。文中结合鱼雷EMC设计与验证过程, 综合试验实施及整改中的经验与教训, 总结提炼鱼雷全寿命周期内EMC综合管理与控制的方法, 并通过产品验证, 为鱼雷的EMC管理与控制提供了参考。

鱼雷; 电磁兼容; 管理; 控制

0 引言

鱼雷是集小信号调理采集、大数据运算处理、高速总线信息传输、大电流驱动控制等于一体的水下攻防装备。

在其有限的体积和重量约束条件下, 集成有自导、引信、控制等系统的涉电组件, 同时内部有大量灵敏传感器和大功率变换电路, 相互之间电磁干扰及敏感防护要求较高; 且在潜艇、水面舰船、直升机、固定翼飞机、火箭助飞及高空滑翔等多平台使用, 因此使用方对各型鱼雷提高自兼容性和满足平台总体电磁兼容性(electromagn-etic compatibility, EMC)设计的需求不断增强。

面对内部复杂电磁环境和外部密集电磁干扰的现状, 在鱼雷设计、生产、工艺、试验和使用等各个环节均应采取相应的EMC技术, 因此, EMC管理与控制应贯穿于鱼雷产品研制到使用的全过程[1]。

鱼雷的EMC主要包括电磁干扰性和电磁敏感度两部分, 目前针对鱼雷内部组件EMC的管理控制主要包括前期的设计控制及后期以GJB 151A/B中CE、RE、CS、RS项目要求为依据的考核控制, 对系统间的EMC控制大多遵循GJB 1389A的规定, 但满足相关标准并不能表征其具备良好的EMC性能, 中间状态管理控制尚缺乏成熟的验证手段。文中根据鱼雷研制流程结合多型号生产试验经验, 提出一种基于数据模型管理、变量迭代开发的全寿命周期EMC管理控制方法, 旨在对鱼雷研发过程中的EMC进行管理控制。

1 EMC管理与控制现状分析

国外武器装备先进制造国家大部分都已建成完善的EMC管理机构, 制定了健全的技术规范和行业标准, 具有完整的EMC测试技术和实施方法[2]。在管理方面以美军为例, 其主要采用MIL- HDBK-237D标准对武器装备的电磁环境效应和频谱保障性管理工作提供指南, 从装备的研制、采购及部署全流程进行EMC管理, 而控制方面有MIL-HDBK-235系列标准进行EMC约束考核。

国内研究机构也开展了类似研究, 但对于武器装备EMC管理控制主要在组织、计划和实施层面, 而相应的EMC管理标准GJB/Z17已实施二十余年, 难以满足最新技术实现及验证的需求[3]。

大量的鱼雷工程研制经验教训表明, 鱼雷EMC费效比存在如图1所示的关系。在鱼雷研发生产过程中, EMC问题越早发现, 解决措施越多, 产生费用越少, 取得效果越好[4], 因此鱼雷研制生产中, 应在规划论证及方案设计阶段根据鱼雷独有的电磁特性(如中低频频谱分布, 特殊使用平台电磁环境等)进行多次多方面EMC综合控制与指标分配, 在工程设计和状态鉴定阶段进行试验验证与迭代优化, 在批量生产和交付使用阶段进行信息搜集反馈, 通过多型号多数据的融合, 循序渐进地进行全寿命周期管理控制, 才能取得良好的EMC效果和经济效益。

图1 EMC整改费效比关系图

2 鱼雷EMC管理控制策略

鱼雷进行全寿命周期内EMC管理与控制的流程如图2所示。

1) 论证阶段, 利用多型号鱼雷的EMC数据模型及经验进行顶层规划, 根据鱼雷工作电磁特性进行系统指标分解及预测[5];

2) 方案阶段, 确认总体EMC指标, 对各系统进行指标分配, 根据以往鱼雷型号组件的电磁数据模型进行系统级EMC预测与分析, 并根据相关仿真分析结果进行方案设计, 设计方案需通过EMC评审并进行过程控制, 在方案阶段可制作相应的组件级样机产品, 并对样机进行EMC预先测试, 测试结果及优化措施加入EMC数据库和EMC知识管理库, 以预先测试数据结果为输入参数修正仿真分析的结果, 并达到优化方案设计的目的;

3) 工程设计阶段, 对研制的鱼雷系统级产品进行预先测试, 根据系统级预先测试结果进行硬件整改和设计优化, 同时通过半实物仿真、电机拖动、水下热车等系统间匹配兼容试验验证鱼雷产品的电磁自兼容效果, 以相关试验达到预期目的作为阶段管理控制标志;

4) 状态鉴定阶段, 应确定EMC考核指标, 并制定试验大纲进行全雷级EMC试验, 通过系统级认证测试进行符合性评估, 对试验结果进行整改和优化;

5) 型号批产阶段, 为确保鱼雷产品的一致性、工艺可达性和EMC性能, 需对生产工艺过程中的EMC关键件、关键工序及工艺处理方式进行管理控制[6];

图2 鱼雷全寿命周期EMC管理与控制图

6) 列装使用阶段, 收集部队使用问题及需求反馈, 对复杂多变的使用环境进行预期分析, 对武器平台的EMC数据进行搜集, 不断地丰富EMC数据库, 为后期其他鱼雷型号仿真预测提供可模拟的电磁环境变量[7]。

2.1 EMC数据库和知识管理库

通过对鱼雷各型号、各阶段EMC试验数据结果的处理, 分析鱼雷各组件工作机理及其电磁特性, 重点关注中低频段组件(如自导信号预处理部分、发电机换向变换部分等)的电磁特性对鱼雷整体电磁指标的影响。建立EMC数据库, 作为系统预测分析的输入参量, 同时优化各组件的电磁特征模型。结合相关设计优化整改措施, 对试验记录和整改措施进行分类、总结和分析, 可形成EMC知识管理库, 该知识管理库能够有效避免由于设计人员工程经验差异导致的设计缺陷重复出现, 也能够规避由于设计人员流动导致的设计经验流失[8]。在数据库不断充实扩大、知识管理库不断归纳收敛的过程中, 能够有效缩短鱼雷的设计时间、降低设计成本, 提高全雷的EMC性能。

故依托于EMC数据库和知识管理库积累设计技术和工程经验, 有预见性地配置使用合理的软件仿真预测手段和充分的硬件试验验证条件, 最终实现鱼雷各阶段EMC设计和验证测试的管理控制。

2.2 EMC预测与分析

在方案阶段对研制总要求进行指标细化和分解时, 鱼雷内部复杂多样的电磁环境导致指标分解的合理性与可实现性大打折扣, 因此需采取基于多数据融合的全雷EMC分析前置方法对指标分配进行验证和调整, 利用数值计算方法和系统顶层设计的分析理论, 结合已有的型号产品试验数据, 依据前期所建立的组件电磁特征模型开展全雷的分析预测, 通过系统EMC参量数值的迭代调整, 最终完成全雷系统级EMC指标合理分配, 并为EMC验证试验提供支撑[9]。

如图3所示, 基于鱼雷工作环境的电磁特性建立作战平台电磁模型、电波传播衰减模型和自由空间传输损耗模型。通过仿真GJB1389A电磁场模型, 来模拟严酷的作战电磁环境[10]; 通过仿真建立雷体模型, 对鱼雷结构上孔缝和接口进行电磁特性分析, 来模拟外界环境通过该传输途径对雷内电磁场的影响; 通过建立雷内组件电磁特征模型, 模拟传输线缆传导耦合途径, 得到辐射频谱分布图; 选择合理的数值计算方法进行仿真分析, 根据仿真分析结果提出相关组件的EMC要求和指标, 并随着研制进程不断修正和补充, 进一步提高预测分析系统的通用性和准确性, 相关预测分析数据积累加入EMC数据库和知识管理库, 并作为后期同类型号项目研制基础。

图3 鱼雷EMC预测与分析流程图

2.3 EMC设计控制

在方案设计过程中需进行鱼雷总体设计控制和原则设计控制。

2.3.1 EMC总体设计

EMC顶层总体指标确认后, 需对鱼雷内部组件采取时域分配、频域管理、空域分离和电气布局等设计手段, 优化内部组件间的EMC; 同时通过结构设计, 电路控制等方式实现鱼雷同武器平台和作战使用环境之间的EMC[11]。

1) 时域分配设计, 采取不同时间段内不同组件按时序完成工作任务的设计方式来实现对电磁影响的控制[11], 如鱼雷自导声呐分时发射接收、引信战斗部分时上电工作等, 在同一时间段内, 互为干扰源或敏感设备的组件按要求单一工作, 以避免相互串扰或发生敏感等非预期情况。

2) 频域管理设计, 主要是避免不同组件工作频率或频段重复, 避免低频信号的倍频干扰与其他组件正常工作频段处于重叠区域, 如自导引信采用分频段或跳频通信的工作模式, 对雷内发电机或电动机换向频率、电源隔离模块开关频率、总线通信频率等采取分布管理等措施[12]。

3) 空域分离设计, 是利用电磁场的空间传播衰减特性及空间矢量方向特性, 对干扰源及敏感设备的空间布局进行控制, 增加组件之间的空间距离[13], 如电机和灵敏传感器分舱段布局, 调整组件之间的安装方式, 以避免组件结构缝隙开孔方向为电磁场接收或发射的最大方向。

4) 电气布局设计, 雷内组件要满足干扰源和敏感设备的合理分布, 总线节点及传输线阻抗的匹配符合相关规范, 地线网络能提供差/共模干扰快速泄放的途径等总体EMC设计要求。

5) 结构设计, 在保证其强度和刚度的总体性能指标前提下, 考虑其整体屏蔽效能, 如鱼雷头部结构为屏蔽效能较低的透声橡胶, 则需要在内部结构上设计相应屏蔽隔板以实现内部空间的有效封闭, 提高鱼雷壳体的电磁屏蔽能力。

6) 电路控制设计, 主要采取特殊保护电路, 提高系统对电磁环境的耐受程度, 规划通信总线和对外接口时考虑到其与外界环境的交互, 如通过对内外交互的电气接口增加保护电路, 以提高鱼雷整体对雷击浪涌、静电和外界强电磁脉冲的防护能力[14]。

2.3.2 EMC设计原则

EMC设计的具体原则主要是对设计中电源、电路及信号的接地方式、滤波处理方法、印制电路板(printed circuit board, PCB)布局、组件壳体屏蔽等进行控制。

1) 良好的接地设计为电流返回其源提供一个低阻抗通道, 能够提高系统抗干扰能力和减小电磁干扰发射, 工艺设计时应着重考虑, 对地线网络进行合理划分, 并可靠接地[15];

2) 适当的滤波处理能够实现电路差/共模干扰的双向抑制, 在关键位置或节点(如功率组件入口、鱼雷对外交互接口等部位)进行滤波处理, 实现对关键频段或倍频点的有效抑制, 达到切断传输途径的目的[16];

3) 合理的PCB布局, 主要是结合实际电路进行元器件布局、接口布局和地布局, 实现布局布线的优化, 提高PCB电路自身EMC性能[17];

4) 正确的屏蔽设计, 在进行组件壳体设计时结构屏蔽体尽量保持连续, 减小接缝长度, 开孔设计时, 其开孔效应带来的电磁泄漏影响需进行重点控制[18]。

2.4 EMC试验

在样机设计至状态鉴定阶段均应通过EMC试验进行检验评估, 并根据试验结果优化EMC设计, 在方案及工程设计阶段主要针对样机进行预先测试, 在状态鉴定阶段主要对全雷进行认证测试。

方案及工程设计阶段应对组件样机、分系统和系统进行EMC预先测试, 如图4所示, 预先测试可在简易环境下进行, 具有方便快捷、成本费用较低, 可直接在实验室现场进行EMC故障诊断的显著特点, 在研制早期开展预先测试可以提前释放EMC风险、提高研发效率、降低设计成本、缩短研制周期[19]; 同时优化预先测试中出现的问题, 将测试数据加入相应EMC数据库, 作为其他型号EMC预测与分析的基本输入参量。

图4 鱼雷EMC预先测试示意图

预先测试试验中利用“接收机+近场探头”的方式进行电磁场测试, 逐级分析隔离干扰源; 利用屏蔽、滤波、接地等方式切断传输途径, 将干扰源抑制、传输途径阻却的相关整改措施及优化方法加入到EMC知识管理库, 作为其他型号方案设计优化、系统问题解决、工程实践整改的技术储备, 同时该测试结果将作为转阶段的重要支撑[20]。

状态鉴定阶段对全雷进行认证测试, 根据前期指标分析, 结合预先测试结果和系统级使用要求, 制定相应EMC试验大纲和试验方法, 组织进行认证测试试验, 如图5所示, 并根据测试数据进行符合性考核与评估。

2.5 EMC质量管理

鱼雷EMC质量管理负责计划、组织、监督、控制和指导型号研制全流程的EMC工作, 在经过预测仿真分析及指标确认之后, 制定EMC管理控制计划书, 约束并协调技术人员落实整个计划; 在研制各阶段进行EMC技术状态控制, 如通过专家审查的方式对过程状态进行监控, 并将专家意见落实在设计之中; 在试验环节需对试验大纲、试验方法等进行评审, 并对预先测试及认证测试试验结果进行评判。

图5 鱼雷EMC试验图

3 EMC管理控制效果评估

鱼雷EMC管理控制效果评估主要包括以下内容:

1) 雷内组件之间能否相互兼容工作;

2) 鱼雷与武器平台之间能否相互兼容共存;

3) 鱼雷与作战空间之间能否相互安全兼容。

针对雷内EMC评估方法采取层次分析法, 分别对组件级、系统级、全雷级电磁干扰发射及电磁敏感度进行预先测试, 各测试项无极限线考核标准, 针对组件工作特性、频域特性对其EMC安全裕度进行调整, 根据过往经验针对CE102及RE102等测试项进行重点关注, 同时通过静态水池兼容试验、EMC半实物仿真试验、EMC电机拖动试验、EMC水下热车试验以及EMC实航验证试验等措施对鱼雷内部电子组件之间的兼容性进行验证。

鱼雷与武器平台或作战空间之间的EMC性能通过认证测试的方式考核评估, 根据型号任务研制总要求、EMC量化指标、武器平台电磁环境和作战空间的电磁危害等条件, 通过对GJB151 A/B、HJB34A、GJB1389A和 GJB8848等标准进行裁剪、加严和指标选取, 设置相应测试项、安全裕度值和试验方法, 利用认证测试考核评估结果实现对鱼雷EMC管理与控制效果的最终评判。

4 结束语

文中结合鱼雷EMC设计与验证过程，总结提炼了鱼雷全寿命周期内EMC综合管理与控制方法，并通过了试验验证。

鱼雷研制过程中通过数据模型管理、变量迭代开发的优化方式进行EMC总体规划、指标分解、预测分析、设计验证、试验整改及效果评估, 在多型号任务和产品中不断完善管理控制方法, 能够达到缩短鱼雷型号研制周期, 提高鱼雷产品EMC性能的目的。但随着鱼雷武器内部电气复杂化、装载作战平台多样化和战场电磁环境严酷化的发展趋势不断加强, 以及军方对武器装备EMC关注度不断加深, 鱼雷研制过程中产品的电磁特性以及电磁干扰传输机理的研究需进一步深入开展, 以期获得具有针对性的EMC综合管理控制新方法。

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Integrated Management and Control of Torpedo Electromagnetic Compatibility

TAN Jing-yi1, PAN Jin2, WANG Kai-guo2, YANG Jin-hou2

(1. Xinhua College of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510520, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Electromagnetic compatibility(EMC) is an important indicator for measuring the endurance and effect of electromagnetic environment among the torpedo’s internal electrical components, as well as among the torpedo and the weapon system platforms and the operational space, in the general quality characteristics of torpedo. This paper describes the EMC design and verification processes of torpedo, discusses the experience and lessons in the comprehensive test implementation and rectification, and summarizes the integrated management and control method of EMC over the whole life cycle of torpedo. This integrated management and control method of EMC is verified by a certain product, and may serve as a reference for the EMC management and control of torpedo.

torpedo; electromagnetic compatibility(EMC); management; control

TJ630.7; TN973

A

2096-3920(2020)03-0330-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.014

2020-05-06;

2020-07-08.

谭静仪(1989-), 女, 在读博士, 主要研究方向为自动控制、数据挖掘和分析.

谭静仪, 潘进, 王凯国, 等. 鱼雷电磁兼容性综合管理与控制[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 330-336.