水面舰船电磁兼容性数字化设计方法——舰船EMC辅助量化设计平台

刘相春 奚秀娟

1 海军装备部 舰船办，北京 100071 2 中国舰船研究设计中心电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430064

1 引 言

国际上近年推出的现代舰船研制方案或概念设计方案，均有一个明显的技术特征——高度隐身外形下的集成上层建筑，如美国的DDG-1000驱逐舰和CVN-21、CVN-78航空母舰。众所周知，舰船上层建筑的设计形式很大程度上取决于其上各种传感器的布置需求，一般情况下，舰载探测、通信、导航、电子对抗、武器制导以及近年逐步形成的用于多平台协同作战的高速数据传输等功能均离不开射频收发设备［1-2］。因此，一艘舰船的作战能力很大程度上取决于其装载的射频收发设备的能力以及联合使用效能。在射频可用频段非常有限的情况下，通常舰船上射频设备的数量越多、布置越密集、每个设备实际使用的频谱越宽，相互之间越易产生电磁干扰。当射频设备的发射功率较大、接收灵敏度较高时，即使设备之间主工作频率不发生冲突，大功率源的带外杂波也足以导致高灵敏度接收设备受到致命的宽频谱干扰，且难以通过频率管控消除。因此，在实现舰船高度隐身外形和高度集成的上层建筑的同时，如何避免因天线高度密集布置而产生EMC问题，在业界普遍认为是一个难题。走出此种困境的出路通常有两条：

1）大幅减少舰船上大功率辐射源和敏感设备的数量，实现在有限的平台空间进行隔离度更大的天线布局。例如，通过多平台无缝隙协同实现对远程目标的探测和武器制导，降低对单舰雷达自主探测能力的要求，减少大功率雷达配置数量；通过提高舰船通信、导航和情报侦察等信息共享能力，实现多设备或系统共用天线，大幅减少单舰平台上各种信息传输天线的配置数量。这种真实意义上的射频集成，需要对传统的电子系统独立设计模式做出革命性的改变。

2）通过射频设备参数设计与总体EMC设计的高度协调，实现资源的协调分配。当天线集成共用程度不足时，过度小型化的上层建筑虽然有较理想的隐身特性，但EMC往往会严重劣化，使舰船众多功能强大的射频设备因丧失同时工作的能力而造成浪费，并造成舰员协调使用困难。在此条件下，通过射频设备参数设计与总体EMC设计的高度协调，在精确的数字化设计指导下，实现射频资源协调分配，追求战技指标与EMC指标平衡，并有针对性地采取天线形式与上层建筑结构最佳共形、隔离材料应用等一系列总体设计措施，从而最大程度减少因电磁不兼容带来的破坏。

提高舰船总体的EMC统一设计能力，实现精确的数字化设计模式，成为未来舰船EMC设计的发展方向。

2 现代舰船EMC数字化设计方法

2.1 EMC数字化设计需求

通常，在舰船论证阶段是由论证或设计部门共同进行多种总体方案的EMC论证［3-4］，对于复杂和造价昂贵的军舰，更需经过长时间、充分的方案论证，以遴选出满足各项预期性能要求的舰船方案。如何缩短方案论证和优选的时间，并得出可反映舰船EMC优劣的量化参数，是困扰论证部门的难题。在不具有EMC数字化设计能力和快速设计工具的情况下，通常，有经验的设计师团队可凭借丰富的舰船设计经验，初步测评一个方案的主要性能，即根据其母型船或其它类似舰船在实舰试验中测得的数据，以及自身的设计经验和掌握的船载设备技术参数对新舰船方案进行评判。评判的客观符合性取决于设计师团队的经验和对EMC技术的掌握程度，有时甚至是设计师个人的技术水平。这样的论证方法对于不太复杂的舰船和有经验的设计师，往往效率很高，但对于复杂性高的舰船或经验不够丰富的设计师，方案论证的不确定性就会大大增加，甚至在舰船建造完成后，才会发现存在着一些未预计到的问题，从而留下不能弥补的遗憾。

要想在舰船论证和设计阶段克服人为因素带来的不利影响，建立一套标准规范的论证和设计程序、缔造一套数字化设计和测评工具、形成一套科学的设计和测评方法，是保证未来复杂舰船论证和设计水平不可或缺的手段。

舰船EMC数字化设计的作用是将舰船各设计阶段的所有设计元素均以数字表征的方式呈现，从而实现设计结果的可测评性。数字化设计方法可以帮助舰船设计实现从“定性”到“定量”的转变，其价值在顶层设计阶段尤其突出［5］。借助数字化设计方法，还能使EMC顶层设计从常规的始于舰船方案设计阶段，前推至始于舰船论证阶段，并因其超前于传统的顶层设计阶段，可以称其为“顶层预设计”。利用现代计算电磁学不断发展的研究成果，逐步建立一套数字化设计工具——EMC辅助设计平台，使论证和设计部门在顶层设计阶段有条件针对多种舰船方案开展全舰EMC参数预测和评估，从而使海军部门在论证阶段就能预先了解到一艘新型舰船在采用不同的射频设备配置方案和舰船隐身外形方案时，其EMC指标与战技指标会呈现出何种不同的制约关系，从而为海军制定舰船方案和实际战场电磁环境下的战技指标提供依据，并大幅提高舰船EMC设计目标的可控性。

2.2 EMC顶层量化预设计内涵

EMC顶层量化预设计作为舰船论证和方案设计前期阶段的EMC顶层设计，其主要设计内容如下：

1）舰船外形与天线配置／布置方案预设计。对现代水面舰船而言，EMC顶层量化预设计的主要内容是研究各种天线配置和布置方案，并进行多方案EMC预测、EMC指标论证，通过预设计，初步形成确定的舰船外形方案和舰船总体战技指标及EMC指标。EMC顶层量化预设计之所以复杂，是因为其研究的内容不是独立的设备对象或总体性能，而是其相互之间的制约关系，因此，研究时需透过表面参数剖析其更深的系统内涵，例如，研究天线配置方案不仅需要研究天线的电磁特性参数，还需研究电子系统的构建方案、信息流设计和集成使用方式，因天线配置方案与信息集成方案是共同构成系统作战能力的重要因素；研究天线布置方案不仅需要研究天线的结构特征参数，还需研究舰船外形的隐身特性、总布置特性和天线（系统）之间EMC特性，因其是共同构成舰船装备联合使用效能的重要因素。

2）舰船战技指标与EMC指标预设计。衡量舰船总体作战能力的指标，有一部分与设备之间的EMC相关。当设备和系统之间实现完全兼容性时，总体战技指标即是由设备和系统在独立或理想协同状态下的指标组成；当设备和系统集中布置在舰船上时，通常因相互不完全兼容而无法实现理想状态下的指标。EMC指标是对设定的某个总体方案进行EMC状态预测后，用来衡量舰船总体电磁环境特性和设备对电磁环境适应性的指标。舰船总体电磁环境指标包括人员活动和易燃易爆品作业部位的电磁环境指标 （场强和功率密度）、敏感接收设备天线口面处的电磁环境指标（幅频和时域特性）等；设备电磁环境适应性指标包括对天线口面处电磁环境的敏感性响应特性指标（带外和带内）、系统抗毁伤／饱和指标（幅频和时域特性）、系统抗干扰指标（幅频和时域调制特性）、电引爆装置的环境安全裕度指标等。通常，设备和系统为了提高EMC指标而采取的一些技术会占用一定的系统资源，使其战技指标较理想状态有所下降。因此，有必要在追求设备理想状态下的战技指标之外，增加一套设备装舰后联合使用的战技指标，该指标是以总体电磁环境预测指标为依据，对设备进行电磁环境适应性设计后的战技指标。

3）舰面电磁环境仿真预测。舰面电磁环境仿真预测是顶层量化预设计的基础，舰面电磁环境有多种特征指标，在研究其对弹药、燃油和人员的危害效应时，通常用场强或功率密度表征，可称为“强电磁环境”，在舰船上，强电磁环境通常出现在受天线主波束或主副瓣直接照射的露天甲板面上；研究电磁环境对电子设备的危害效应时，通常用电平或频谱和时域分布表征，可称为“电磁干扰环境”，在舰船上，干扰环境通常出现在未受天线主波束直接照射的露天甲板面上，系由天线低副瓣照射或经舰船表面金属物绕射产生。舰面电磁环境仿真预测的基本方法是，建立发射源的辐射场模型，并根据其传播到达敏感接收对象的途径，建立舰体和对电波传播产生影响的各种金属结构物的电磁模型，通过电磁仿真预测软件，对敏感部位处的电磁场数值进行仿真预测。

4）射频设备之间电磁干扰仿真预测。电磁干扰仿真预测是顶层量化预设计的主要内容，也是设备和系统开展EMC指标预设计的主要依据。由于舰船射频设备之间产生电磁干扰不仅取决于电磁环境，还取决于设备对环境的敏感响应，因此，电磁干扰仿真预测是以环境特征值为输入、对设备的响应形式及量值的预测。通常，电子设备对干扰环境的电平、频谱、时域分布及组合方式敏感，即当干扰源不只一个时，多干扰源的组合工作方式产生的复合电磁场会导致电子设备不同的敏感响应。电磁干扰响应预测与设备的接收和信号处理设计方式密切相关，因此，预测方法可采用对电子设备接收和信号处理电路精确仿真建模方法，也可采用对设备输入和输出进行行为级仿真建模方法，或复合建模的方法。其中，行为级仿真建模方法可以在对设备详细设计状态描述不完备的情况下进行，具有较好的工程应用性。

2.3 设备EMC指标设计和预检验方法

在顶层预设计过程中，设计师在EMC辅助设计平台的帮助下，通过多次优化迭代，完成舰船总体方案优化设计后，下一步的任务便是针对舰船电磁环境和电磁干扰预测结果，对装舰设备提出适当的EMC设计指标。

1）射频设备EMC指标设计。

舰载设备的EMC设计指标包括 “规定指标”和“可选指标”两种。“规定指标”是标准明确“适用”的指标，有配套的检测方法、设备出厂交给用户时必须提供的检测报告。“可选指标”，通常标准中不作硬性规定，由用户根据需要在订购规范中规定。随着舰船EMC复杂程度的增加，“可选指标”应是舰载设备为适应舰船特定的电磁环境而需达到的指标，该部分指标（例如，射频设备的带内／带外抗干扰指标）将成为设备的重要指标。

由于射频设备带内和带外抗电磁烧毁／饱和／干扰指标要求与其战技指标要求和设备所处的电磁干扰环境指标密切相关，此低彼高需综合平衡，因此，不便于用统一的标准进行要求。在射频设备研制中，主管部门有必要根据其预定的装载平台，平衡其战技指标和EMC指标，并据此进行射频资源的平衡分配。

在舰船设计中，权衡各设备的EMC指标是决定一艘舰船上射频设备联合工作是否能实现兼容性的根本方法。对于装备复杂的舰船，若不具备EMC定量预测能力，通常难以预先对射频设备的EMC指标是否符合要求进行定量评价，从而难以预先制定全舰的EMC指标，也难以预先评价舰船在复杂电磁环境下的联合工作能力。但随着EMC数字化技术的逐步成熟和应用，设计部门在掌握EMC定量预测能力的基础上，进行射频设备EMC指标设计便不再困难的。

2）射频设备EMC指标仿真预检验方法。

EMC辅助设计平台的另一个成果，是提供设备“可选指标”的仿真预检验平台，以避免射频设备因装舰后进行EMC检查而失去了指标调整的机会。仿真检验平台可以根据设备预定装载的舰船电磁环境仿真预测结果，制定各种电平或频谱分布模式、密度及组合的电磁环境仿真软件，通过检验平台提供的辐照式和注入式方法，分别对接收系统不同节点和全通道进行敏感性检验。

2.4 舰船EMC量化设计流程

现代舰船的EMC量化设计贯穿舰船的全部设计阶段，在舰船方案尚未确定之前，开展顶层量化预设计；在舰船方案确定之后，主要开展电磁安全性量化设计和电磁干扰控制量化设计；最后，按需求对设计量值进行陆上和实舰试验验证。主要工作流程如图1所示。

3 舰船EMC辅助量化设计平台设计方法概述

舰船EMC辅助量化设计平台是辅助实现舰船数字化设计的有效工具，其功能是将舰船EMC量化设计的总体布局、电磁环境预测、电磁干扰预测、EMC指标分解、电磁资源优化等设计任务，均以数学模型的形式表达，使之能在计算机平台上运行，其目标是面向现代舰船EMC设计的需要，提供一个舰船电磁场、EMC量化设计的仿真环境，覆盖所有的EMC量化设计应用和频谱。

3.1 舰船EMC辅助量化设计平台的功能需求

对于装备复杂的现代舰船，EMC顶层量化预设计效果和作用将非常明显，可以支持设计师选择最适合的射频设备配套方案，选择兼容性最佳的舰船外形和天线布局方案，预测全船射频设备联合使用时的战技指标。另外，还能支持总设计师对射频设备研制提出EMC指标要求。

实现EMC顶层量化预设计的核心技术是舰船EMC预测技术。由于舰船EMC预测的复杂性，即使是经验丰富的设计师团队，要采用传统的方法完成定量预测也非常困难。而对一个新兴的设计部门或一支经验不足的设计师团队，EMC辅助设计平台便可为设计师提供一套完整的、人机互动的舰船EMC顶层量化预设计工作流程，以及一套模块化集成的EMC数字化仿真预测平台。

舰船EMC辅助量化设计平台通过人机界面，引导设计师进入EMC顶层量化预设计工作流程（具体设计顺序可预置，也可由设计师按照需要设定）：

2）建立或导入舰船外形和天线布置方案的三维图形或三维坐标图，建立电磁计算模型，以作为舰船EMC辅助量化设计平台的计算基础。

3）标识舰面人员活动、易燃易爆品作业区域的坐标；通过选择，自动“链接”到所选大功率辐射天线的近／远场预测软件包（模块化集成），对指定作业区域的强电磁环境进行预测。

4）通过选择，自动生成舰船表面某部位强电磁环境预测值与各种标准限值的对比评价，并给出优化设计建议。

5）通过调用EMC数据库的频谱图 （或参数），自动生成设备之间电磁干扰预测矩阵。

6）按照矩阵中标识的干扰，通过选择待研究的“干扰对”，自动“链接”到发射天线的干扰环境预测软件包（模块化集成），对接收天线口面处的电磁干扰环境进行预测，生成干扰环境图。

7）预测产生的干扰环境图存入干扰环境数据库，进一步通过“电磁环境仿真软件包”，为设备EMC指标仿真检验提供输入。

8）选择对应的待研究的接收天线，自动“链接”到接收天线的干扰环境耦合响应预测软件包（模块化集成），对接收天线输出响应电平进行预测，生成干扰响应时／频特性。

图6表明，随着捕收剂用量的增加，三种矿物的上浮率都逐渐增加。捕收剂用量大于40 mg/L后，两种捕收剂对石英的捕收效果基本相似，小于40 mg/L时，油酸钠对石英的捕收性能稍好。对于绿泥石，在所研究的捕收剂用量范围内，CM-5对其浮选回收率都高于油酸钠，且随着捕收剂用量的增大，

9）选择对应的待研究的接收通道，以干扰响应时／频特性为输入，自动“链接”到接收设备通道响应的行为级仿真预测软件包 （模块化集成），对接收通道的受干扰程度进行预测。

10）对预测的干扰量值进行评价，生成控制和防护设计指导性意见，作出其对设备原始战技指标影响的分析提示，为方案优化设计提供定量依据。

上述每一步的预测结果，均可以通过改变舰船方案和EMC数据库中的参数而相应改变，即舰船EMC辅助量化设计平台提供的设计流程为方案优化调整提供了灵活的平台和友好的人机互动功能。

EMC数据库列出了必须填充的基本数据，以提醒设计师必须关注和获取哪些设备电磁特性的数据和图谱。数据库可以不断积累或更新，方便数据调用。

“链接”的各种预测平台采用模块化外挂方式，通过标准接口集成到舰船EMC辅助量化设计平台中。模块化设计方式便于各种预测平台不断改进，并随着预测技术的进步和实验数据的积累，逐步提高其预测精度。

根据预测结果自动生成的与标准值的“对比评价”和“设计指导性意见”，可提醒设计师注意方案评估的方法，并指出改进设计的方向。舰船EMC辅助量化设计平台后台还可以“链接”详细的设计指导教材以及成功或失败的设计案例分析。

舰船EMC辅助量化设计平台基于舰船EMC设计实际经验提出，不仅能帮助设计师快速掌握舰船EMC设计方法，为设计师提供定量论证和设计所需的计算结果，还可以通过将现阶段研究进度参差不齐、方法各异的预测技术按要求集成，促进各种预测技术同步发展。

3.2 舰船EMC辅助量化设计平台基本设计方法

舰船EMC辅助量化设计平台技术建立在强大的数字化预测基础之上，是各种“预测技术”成果的联合运用，其由辅助设计解算平台、强电磁环境预测软件包、电磁干扰耦合预测软件包及敏感性预测软件包等组成。在开展舰船EMC辅助量化设计平台解算软件研究的初始阶段，采用“全面规划构建软件体系和框架”、“软件设计由简入繁”的设计方法。软件体系和框架需满足当代和未来舰船EMC设计的实际和发展需要；软件设计分阶段进行：先拟定数个相对简单的任务，开发一套能够包括典型天线和典型舰船平台EMC量化设计的图形化界面程序，以保证运算速度和运算精度达到基本可行的目标，为软件的进一步发展打下基础；然后再面向舰船复杂的设计需求，逐步添加任务、扩展设计对象。

具体设计方法列举如下：

1）提供一个完整的舰船EMC论证和设计流程，提供完整的舰船EMC设计任务种类和对应的指标要求。

2）按设计流程递进，提供分层的设计界面，提供每一层对应的设计任务。支持按舰船不同阶段的设计需要进行任务添加和删减，或按未来仿真预测平台成熟度进行任务添加。

3）支持舰船总体设计CAD软件的数据文件输出，能够完成舰船总体布置方案CAD文件和舰载天线图形的导入和修改，实现电磁计算需要的三维几何文件的生成；支持按任务需求进行网格剖分。

4）支持任意选择任务界面，并输入感兴趣的对象编号，通过“链接”相应的预测软件包和关联舰船总体布置方案，进行仿真计算和结果呈现。

5）支持设计师参与下的总体方案优化迭代、设计结果优化评价和设计指标分解设计；或按未来仿真预测平台成熟度进行智能化升级。

各种预测软件包以模块化方式与EMC辅助设计解算平台“链接”，主要采用拥有自主知识产权的仿真预测软件与商用仿真预测软件联合使用的设计方法。

4 EMC辅助设计解算平台功能架构

舰船EMC辅助量化设计平台的核心是EMC辅助设计解算平台，由强电磁环境评估软件、干扰量值评价和分析软件、电磁干扰预测矩阵生成软件、舰船方案输入控制软件、EMC量化设计支持软件以及支撑数据库软件等主要部分组成，所“链接”的软件包包括强电磁环境预测软件包、敏感性仿真预测软件包 （接收设备通道响应的行为级仿真预测软件）和干扰耦合预测软件包，其总体软件功能架构如图2所示。

5 结 语

舰船EMC数字化设计是未来舰船EMC设计的发展趋势，是EMC设计实现跨跃式发展的象征，舰船EMC辅助量化设计平台是实现舰船数字化设计的手段。舰船EMC辅助量化设计平台是以辅助设计解算平台为中心，并由通过接口与辅助设计解算平台相连的数个预测基础软件包共同组成的仿真系统。各种仿真预测软件建立在装舰设备模型库和试验数据库的基础之上，并遵循客观的电磁理论和射频设备客观的电磁环境效应而构建，由于其“客观存在性”需要研究人员不断认知，因此，各种仿真预测软件可以由简入繁，在保持与辅助设计解算平台接口一致的前提下，逐步建设、逐步添加、逐步完善。而由解算平台和预测软件包构成的舰船EMC辅助量化设计平台也可以逐步完善，辅助设计师逐步实现舰船EMC数字化设计。

［1］奚秀娟，李佳伟.舰艇射频集成技术总体设想［J］.中国舰船研究，2008，3（4）：1-5.XI X J，LI J W.General considerations of shipboard RF integration technology［J］.Chinese Journal of Ship Research，2008，3（4）：1-5.

［2］刘志春，袁文，苏震.美国舰载电子战系统的发展［J］.舰船电子工程，2008，28（6）：30-34.LIU Z C，YUAN W，SU Z.Development of the America shipborne electronic warfare system［J］.Ship Electronic Engineering，2008，28（6）：30-34.

［3］周开基，赵刚.电磁兼容性原理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

［4］孙光甦.舰船电磁兼容技术发展综述［J］.舰船电子工程，2007，27（5）：20-22，40.SUN G S.Development of ship electromagnetic compatibility technologies［J］.Ship Electronic Engineering，2007，27（5）：20-22，40.

［5］黄龙水，张维俊.舰艇电磁兼容顶层设计思想和方法［J］.舰船电子工程，2009，29（4）：15-18.HUANG L S，ZHANG W J.Concept and method of warship EMC top-level design［J］.Ship Electronic Engineering，2009，29（4）：15-18.