Оценка уровня мощности электромагнитного излучения

Управление, вычислительная техника и информационные технологии
УДК 621.396.6(075)
ОЦЕНКА УРОВНЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОНИКАЮЩЕГО В РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.А. Аршакян, Е.А. Макарецкий, А.А. Шишков
Представлены методы оценки помехоустойчивости РЭС. Предложена обобщённая математическая модель для определения уровня мощности преднамеренного
электромагнитного излучения проникающего в рабочее пространство летательного
аппарата. Разработана модель летательного аппарата, позволяющая оценить уровень излучения во внутреннем объёме с помощью программного комплекса моделирования HFSS.
Ключевые слова: помехоустойчивость радиоэлектронных средств; компьютерное моделирование.
Чтобы определить, существует ли возможность возникновения
электромагнитных помех (ЭМП) от источника в рецепторе помех, необходимо рассмотреть восприимчивость рецептора помех (РП) с учетом направленности как излучений потенциальных источников помех, так и
приема рецептором помех, при этом рецептором считается относительно
универсальное понятие, объединяющее обширный класс любых систем,
устройств и функциональных узлов [1].
При анализе учитывают мощность передатчика РТ, усиление передающей антенны в направлении рецептора помех GТ, потери распространения между источником помех и рецептором помех L, усиление приемной
антенны в направлении источника помех GR, допустимый уровень помехи
на входе приемника Pr.
При оценке воздействия на рецептор помех всех излучений источников помех можно предположить, что каждое излучение принадлежит
только одному источнику помех, и рассматривать помеховые ситуации,
которые существуют между одним потенциально мешающим источником
и рецептором помехи, при этом действующая мощность на входе рецептора помех как функция частоты f, времени t, пространственного разноса d и
поляризации p оценивается выражением
(1)
Pa ( f , t , d , p ) = Pt ( f , t ) + Gtr ( f , t , d , p ) ,
где Pt ( f , t ) – мощность источника помехи, дБм; Gtr ( f , t , d , p ) – функция,
характеризующая потери распространения между источником и рецептором помех с учетом усиления приемной и передающей антенн (Gt и Gr), дБ.
Функцию Gtr ( f , t , d , p ) можно оценить при помощи выражения [1]
(2)
Gtr ( f , t , d , p ) = Gt ( f , t , p ) − L ( f , t , d , p ) + Gr ( f , t , p ) .
Сравнивая действующую мощность на входе рецептора Ра с допус195
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 2
тимой мощностью Рr(f,t)(порогом восприимчивости), можно определить
помеховую ситуацию для любой частоты на выходе источника помехи,
влияние которого рассматривается. Требование ЭМС заключается в том,
чтобы
(3)
Pa ( f , t , d , p ) < Pr ( f , t ) .
Если
(4)
Pa ( f , t , d , p ) ≥ Pr ( f , t ) ,
то условие ЭМС не соблюдается. Величина Рr в общем, как правило, определяется на основе анализа технических характеристик и особенностей
того или иного рецептора помех.
Информация об условиях ЭМС может быть получена при рассмотрении разницы между мощностью помехи, действующей на входе РП, и
его порогом восприимчивости. Эта разница представляет собой превышение помехой порога восприимчивости приемника:
(5)
∆P ( f , t , d , p ) = Pa ( f , t , d , p ) − Pr ( f , t ) .
Очевидно, что если значение ∆Р положительно, то условия ЭМС
РЭС не соблюдаются, и наоборот.
С учётом выражений (1) и (2) выражение для ∆P( f , t , d , p ) можно
привести к виду
(6)
∆P ( f , t , d , p ) = Pt ( f , t ) + Gt ( f , t , p ) − L ( f , t , d , p ) + Gr ( f , t , p ) − Pr ( f , t ) .
Полученное выражение даёт возможность общей оценки ЭМС между парой «источник и рецептор помех».
На нормальное функционирование РЭС и, в частности, авиационных информационно-управляющих систем, в основном влияют два типа
помех: внутрисистемные помехи, обусловленные работой различных модулей системы, и преднамеренные помехи.
Особый интерес представляют показатели помехоустойчивости информационно-управляющих систем, применяемых в военной авиации, при
воздействии на них преднамеренного электромагнитного излучения. Для
расчёта уровня мощности ЭМИ, воздействующего на радиоэлектронную
аппаратуру летательного аппарата, в том числе и на информационноуправляющую систему, воспользуемся следующей обобщённой моделью.
Летательный аппарат подвергается воздействию преднамеренного
излучения. Будем считать, что решающим фактором при оценке ЭМС является значение мощности электромагнитного излучения, проникающего
внутрь самолёта. Очевидно, что это значение обусловлено в основном затуханием ЭМИ при прохождении в свободном пространстве, а также затуханием на элементах конструкции корпуса самолёта, которые в существенной мере позволяют проникать ЭМИ в рабочее пространство.
Учитывая особенности вышеуказанной модели, выражение (1) с
учётом (2) для определения мощности мешающего сигнала на входе рецептора помех при распространении излучения в свободном пространстве
196
Управление, вычислительная техника и информационные технологии
можно записать в виде
Pa = PT [дБВт] + GT [дБ ] + GR [дБ ] + 20 log[
λ
].
4πd
(7)
Учитывая, что
GT [дБ ] + DT [дБ ] + ηT [дБ ] ,
G R [дБ ] + DR [дБ ] + η R [дБ ] ,
выражение для Ра преобразуется к виду
Pa = PT [дБВт] + DT [дБ ] + ηT [дБ ] + DR [дБ ] + η R [дБ ] + 20 log[
(8)
(9)
λ
].
4πd
(10)
Переходя от относительных единиц измерения [дБ] к абсолютным
[Вт] выражение (10) можно представить как
P D η D η λ2
Pa = T T T 2 R2 R ,
(11)
16π d
где
– мощность передатчика помех, Вт; λ – длинна волны, м; d – расстояние между источником и приемником помех, м;
– коэффициенты направленного действия (КНД) передающей и приёмной антенн;
– КПД передающей и приёмной антенны.
КНД передающей антенны может быть оценён по соотношению
32000
DT =
,
(12)
∆θ∆ϕ
где
– значения (в градусах) ширины главного лепестка реальной
диаграммы направленности на уровне половинной мощности.
Для приёмной антенны КНД может быть найден из соотношения
4πS эф
DR =
,
(13)
∆θ∆ϕ
где Sэф –эффективная поверхность антенны. Применительно к вышеописанному случаю под Sэф понимается площадь элементов конструкции корпуса летательного аппарата, через которые излучение в большей мере проникает внутрь (к таким элементам можно отнести, например, иллюминаторы или остеклённую часть кабины пилота).
Учитывая, что конструктивные элементы летательного аппарата,
которые в наибольшей мере способны пропускать электромагнитное излучение внутрь обладают экранирующими свойствами, то для дальнейших
расчётов Ра необходимо ввести такое понятие, как «эффективность экранирования Sэ».
В общем виде эффективность экранирования Sэ может быть определенна как [2]
(14),
S э [дБ ] = R + A + B ,
где R, A, B – затухания при отражении, поглощении и внутреннем отражении соответственно [дБ].
197
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 2
После подстановки соотношений (10), (12), (13), (14) в выражение
(11) и проведения элементарных математических преобразований, выражение для Ра приобретёт следующий вид:
32000 PTηTη R S эф
.
(15)
Pa =
4π∆θ∆ϕd 2 ( RAB ) 2
Расчёт значений коэффициентов R, A и В является достаточно
сложной аналитической задачей. Кроме того, учитывая сложный характер
конструкции реального аппарата, полученные результаты всегда носят
приближённый характер.
В качестве альтернативного метода, позволяющего определить
суммарную напряжённость электромагнитного, проникающего внутрь летательного аппарата, целесообразно применить компьютерное моделирование. Существующие в настоящее время программные комплексы электродинамического моделирования (Ansys HFSS, CST Microwave Studio,
Feko) обладают большими возможностями для расчёта электромагнитных
полей в различных средах и конструкциях.
Одним из программных продуктов, позволяющих эффективно проводить электромагнитное моделирование, является среда HFSS. Обобщённая компьютерная модель для определения суммарной плотности потока
мощности электромагнитного излучения, проникающего во внутренний
объём летательного аппарата, представлена на рисунке.
Обобщённая компьютерная модель внешних воздействий
электромагнитных помех на летательный аппарат
Модель состоит из излучателя электромагнитного поля (представлена в виде излучающего открытого торца волновода), цилиндра с прямо198
Управление, вычислительная техника и информационные технологии
угольными отверстиями, в общем случае представляющего корпус летательного аппарата с иллюминаторами и условную плоскость, на которой
определяется суммарное значение плотности потока рассеиваемой мощности.
Достоинством данного метода моделирования является возможность определить параметры электромагнитного излучения внутри цилиндра в зависимости от произвольных геометрических параметров облучаемого объекта, его физических свойств, мощности излучателя, а также
типа излучающей системы, расстояния до облучаемого объекта и других
параметров.
Однако большие геометрические размеры летательного аппарата
приводят к значительной размерности вычислительной задачи. Для её сокращения целесообразно применить метод масштабного моделирования,
создавая электродинамически подобные модели и масштабируя реальные
геометрические размеры летательного аппарата относительно длины волны электромагнитного излучения.
Cписок литературы
1. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и
непреднамеренные помехи/ составитель Д.Р.Ж. Уайт. Вып. 1. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи. М.: Сов радио, 1977. 352 с.
2. Малков Н.А., Пудовкин А.П. Электромагнитная совместимость
радиоэлектронных средств: учеб. пособие. Тамбов : Изд-во Тамбов. техн.
ун-та. 88 с.
3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа,
1988, 432 с.
4. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет антенн и СВЧ-структур с помощью HFSS Ansoft. М.: ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009. 256 с.
Аршакян Александр Агабегович, канд. техн. наук, генеральный директор,
[email protected], Россия, Тула, ОАО «НПП «Связь»,
Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф., [email protected],
Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шишков Александр Александрович, асп, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE ESTIMATION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION PURPOSEFUL POWER
LEVEL INSIDE AIRCRAFT
A.A.Arshakyan, E.A.Makaretskiy, A.A.Shishkov
199
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 2
The method of noise immunity estimations are investigated. The general mathematical model for electromagnetic power level radiation definition are suggested. The computer
model for analysis of POWER level inside aircraft are designed.
Key words: noise immunity; computer model.
Arshakyan Alexandr Agabegovich, candidate of technical sciences,
[email protected], general manager, Russia, Tula, Joint Stock Company “NPP “Svyaz”,
Makaretskiy Eugene Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Shishkov Alexandr Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula,
Tula State University
УДК 004.932:621.372.542
ВЫДЕЛЕНИЕ ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ТРАЕКТОРИЙ ОБЪЕКТОВ
ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВИДЕОКАДРОВ
Д.Б. Егоров, Е.А. Макарецкий, В.М. Понятский
Предложен алгоритм выделения пересекающихся траекторий объектов на
видеопоследовательности телевизионных кадров. Алгоритм представляет собой модифицированный метод трасс, использующий прогноз положений по результатам
анализа динамики объектов.
Ключевые слова: алгоритм, метод трасс, динамика объектов.
Задача выделения пересекающихся траекторий часто встречается
при слежении за подвижными объектами в телевизионных измерительных
системах. В этом случае выделенные траектории движений источников используются для дальнейшего их распознавания по характеру динамики
движения. Основные проблемы, возникающие при построении пересекающихся траекторий, появляются после наложения (окклюзии) изображений объектов и их разделения, особенно в случаях сходства изображений различных объектов.
Пусть имеется несколько ярких движущихся по произвольной траектории объектов и производится видеосъемка этого движения. На выходе
200