无人艇的线缆串扰仿真分析及应用

2022-11-03刘子为刘国禧王庆娟

现代信息科技 2022年18期

刘子为，刘国禧，王庆娟

（北京理工大学珠海学院计算机学院，广东珠海 519088）

0 引言

近年来，随着人工智能技术、通信技术等进步，无人艇产业也进入了高速发展阶段。无人艇一般多为基于某种任务而进行对应目的开发和性能设计的、一种在可以在复杂水面环境中远距离执行相关任务的机器人，也可被当看成一套复杂的智能系统，具备环境感知、目标识别、任务决策、航行控制等功能。随着无人控制技术的发展，无人艇内电子设备的种类、数量不断增加、运行速度不断提高，且其舱内空间较有人船艇更加狭小，导致艇内电气设备密度大，电磁环境更加恶劣，将会干扰无人艇平台的相关电子设备及线缆，进而极大地影响系统的性能，更有可能严重毁坏一些敏感的电子设备。由于无人艇应用的工况环境相对恶劣，在设计时无须考虑人体舒适度，这就要求无人艇内部设备、器件等具有更高的可靠性和抗干扰能力。由于无人员在艇内，在航行过程中，当无人艇内关键设备受到干扰引起设备故障时，将无法及时采取人为干预，可能导致任务失败。这些均要求无人艇需要具有优秀的电磁兼容性能，才能保证其正常航行与作业。

本文以某型号无人艇内部发电机的输出电缆线作为干扰源，以线缆传导作为传播路径，以其周边的单线、同轴线作为敏感源，从而建立线缆串扰的仿真模型，进而分析时域及参数仿真结果。本项目的仿真工作主要基于电磁仿真软件CST Cable Studio（CST 电缆工作室）完成。CST 线缆工作室是一款专业线缆级电磁兼容仿真软件，基于边界元法仿真线缆以及周边三维结构，可以对真实工况下由各类线型构成的数十米长线束及周边环境进行信号完整性/电磁干扰/电磁敏感分析，即SI/EMI/EMS 分析，能够解决线缆线束瞬态和稳态辐照和辐射双向等问题。

1 线缆串扰概述

从某一条或多条信号线引入到另一信号线的近场电磁耦合称之为串扰，主要为线间的电容性耦合和电感性耦合。对其他线产生影响的线是一种干扰线，被干扰线影响的线是一种受害线，可以称为一种敏感源。由于这种耦合性能会在一定程度上影响受害线的正常工作，从某种意义上说，尽可能地减少该种耦合值成了专业人员的研究对象。

一般来说，有如下几种方式会决定了线缆串扰的强度，分别是：耦合电容大小，干扰线上的信号频率大小，受害线上的接地电容大小以及受害线的驱动能力。于是，针对以上问题，可以得到这几种线缆串扰的解决方案：一是降低线间产生的耦合电容，即使得线缆之间的距离加大，平行线缆的长度减小；二是增加受害线缆的驱动能力，一般情况下线缆串扰大小随着受害线的驱动能力值越小而增大，于是可以在接收端增加电容和电阻并联接地，然后过滤干扰信号，或者可以在电路中安置电压跟随器；三是加强受害线的抗干扰性，使得受害线的宽度增加，或者添加屏蔽层等。

2 无人艇内的电磁干扰源与敏感设备分析

本项目主要研究无人艇的电磁三要素，即干扰源、干扰路径以及受扰源。电磁兼容性主要受驱动、电击、高速信号等干扰源要素的影响。干扰路径分为线缆传导以及空间辐射：线缆传导即通过电缆线进行传导，根据材料对干扰程度有不同影响；空间辐射即通过某种介质传导，根据距离会对干扰程度有不同的影响。受扰源包括天线，传感器，敏感弱点电路等接收信号的器件。强烈的电磁干扰可能使灵敏的电子设备因过载而损坏。

一般能够产生较大du/dt 和di/dt 的设备，可被当成干扰源。根据无人艇内部各设备的种类和信号特点，可以将无人艇内部干扰源可分为两类，一类为电源部分，一类为设备部分。本文以某型号的电推无人艇为分析对象，通过调查后确定电源部分的干扰源包括柴油发电机、电源充电器/斩波电路等；设备类部分干扰源包括航行控制器（内部自带的全桥、半桥）、工控机、主控制器（电源可能输出杂波）、隔离驱动模块（继电器等）、动力设备等。无人艇内部CAN 总线、RS486 总线、AD 采集模块、动力控制模块等，容易受到周围电磁场或导线上的干扰，因而被当成敏感设备。

本文将以该型号无人艇艇尾雅马哈挂机的输出线缆作为干扰源，线缆传导作为干扰路径，周围的信号采集线缆作为受扰源进行线缆串扰仿真与分析。除此之外，本文设定其他干扰源为理想状态，即不会产生电磁干扰，且无人艇其他部件工作正常。

3 仿真模型建立

3.1 艇体结构模型优化

线缆周围三维结构（金属）对线缆串扰结果影响较大，为了使得仿真结果与实际船艇更加接近，因而首先建立无人艇艇体三维结构模型。对于艇体结构建模，本项目采用艇体设计前期的三维图纸，还原模型的初级形态，尽可能地构造船头以及船身，并且还构造出了船艇内部的各个舱室的大概位置。

为了简化仿真时间、提升仿真速度，本模型舍去无人艇的非金属部分，仅保留艇体金属部分，其原因是非金属部分对电磁干扰的影响非常小，几乎可以舍去这部分的电磁效应。同时本模型还在艇体结构中的微小缝隙进行填补，大大降低了后续仿真的网格数量，从而很大程度的提升仿真速度。

艇体三维结构模型优化后，需对其材料的相关属性进行定义，由于本艇为铝合金材料，故需在CST 线缆工作室中对其电导率、磁导率等材料属性进行定义。金属材料选为铝合金，类型仿照真实情况下的可损金属，电导率为3.56×107 S/m，Mu 值为1.0，其余选为默认模式。

3.2 线缆建模

线缆模型建模需要赋予线缆两个特征，分别为结构信息和电气特性。本项目先建立结构信息，包括线缆长度、路径、布局、接地等；然后对建立的线缆路径段赋予电气特性，如线缆数量、类型、线径、材料等，最后将形成完整的线缆模型。

本项目工具实际情况中的艇尾雅马哈挂机的输出线缆，即采用16 平电源线，然后在CST 线缆工作室中根据该线缆的具体尺寸进行建模。

为了对比分析不同线缆类型的信号采集线缆受到尾雅马哈挂机的输出线缆的串扰程度，本文分别建立单线与同轴线的信号采集线缆模型，其剖面图分别如图1所示。

图1 剖面图

对于本文研究对象，根据在艇内的艇尾雅马哈挂机的输出线缆及周围信号采集线缆的实际布线情况，在CST 线缆工作室中按照如上的线缆，然后手动添加线缆模型，建成后的线缆在无人艇三维结构中的位置如图2所示。

图2 线缆在无人艇三维结构中示意图

3.3 串扰仿真及分析

本文分别从时域仿真及参数仿真两个方向，分析艇尾雅马哈挂机的输出线缆及周围信号采集线缆的串扰情况。

3.3.1 时域仿真

通过时域仿真，可以直观地得到受扰线缆上感应到的串扰电压值。当无人艇三维结构优化、线缆模型建立完成后，接下来在CST 线缆工作室中电路图界面下建立如图3所示时域仿真电路。其中电阻值为默认的50 Ω，并在激励信号线、传输信号线、近端串扰信号线、远端信号串扰信号线上添加4 个探针，分别为P1、P2、P3、P4。

图3 时域仿真电路图

为了更好地模拟实际情况，在图3 中Port1 里添加的激励源为示波器测得的艇尾雅马哈挂机的输出线缆中的实际信号，如图4 上方的曲线，即P1 值所示。该信号理想状态下为12 V 直流输出，但从图4 上方的曲线中看出，在实际工作中该信号约为10 V，且其上会叠加上较大的干扰信号，幅值在±10 V 左右。这种幅值变化大的信号需要特别注意，这将会对周围敏感信号产生较大干扰。

图4 信号采集线缆为单线时干扰信号

通过时域仿真，可分别得到信号采集线缆分别为单线与同轴线时其上的干扰电压，如图4、图5（两图中下面的曲线，即P2 曲线值）所示。可见，当信号采集线缆为单线时，单线上的干扰电压达±5 V 左右，势必对后端对该信号的处理产生较大影响，如信号误判等，可能会导致较严重后果；而当信号采集线缆为同轴线时，同轴线上的干扰电压约为0 V，几乎没有产生额外的干扰电压。可见同轴线的屏蔽效果相较于单线的屏蔽效果好，具有很强的屏蔽性能。

图5 信号采集线缆为同轴线时干扰信号

3.3.2 S参数仿真

参数（Scattering Parameters）是散射参数，属于微波传输中的一个重要参数，是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，可用于评估二端口反射信号和传送信号的性能。以二端口网络为例，为反向传输系数，也就是隔离。为正向传输系数，也就是增益。为输入反射系数，也就是输入回波损耗，为输出反射系数，也就是输出回波损耗。换句话说，当有两条水管连接在左右两头且开放不同流速的水时，可能会产生左边的水一部分流到右边，一部分流回左边，或者全部流到右边或全部流到左边。此时就可以将这种现象理解成电信号的输出结果。

基于上述定义，对于线缆线束串扰分析，以干扰源线缆的输入信号端作为Port1，以受扰线缆的其中一端作为Port2而建立二端口网络，则代表着干扰源线缆中有多少干扰信号进入了受扰线缆中去。当越小，则代表着两者串扰风险越小。

在CST 线缆工作室中电路图界面下建立如图6所示参数仿真电路。

图6 S 参数仿真电路图

本文仿真频率范围为100 kHz ～200 MHz。图中Port1为雅马哈挂机的输出线缆一端，其激励源同时域仿真一样，而Port2 信号则是采集了线缆一端。为了建立信号通路，上述两个线缆另一端均采用50 Ω 电阻接地的方式。

通过参数仿真，可分别得到信号采集线缆分别为单线与同轴线时的参数，如图7、图8所示。可见，在200 MHz 时，当信号采集线缆为同轴线的参数约为-50 dB，而信号采集线缆为单线时的参数约为-15 dB，同轴线的参数小于单线的参数；这说明单线与同轴线之间的串扰风险更小，同轴线的电气特性具有更高的电磁抗扰性能。同时通过图7、图8 比较，可以看出随着频率的升高，参数会逐渐增加，则意味着随着频率的升高，两个线缆间的串扰风险将增加。

图7 信号采集线缆为单线时S21 参数

图8 信号采集线缆为同轴线时S21 参数

4 建议

通过上述仿真分析可知，同轴线的抗干扰能力远好于单线，但由于价格成本较高，在无人艇设计时需综合考虑线缆所在的电磁环境、所传输信号的属性及线缆成本。于是，在实际情况下的无人艇内部舱室构造中，本文认为以下线缆布线设计和实施的改进方式可以借鉴：

（1）线对不同线缆的电压等级、功率及传输信号特点进行分类。先确定无人艇内部线缆的种类，而后研究其干扰性以及抗干扰线，对布线具有积极意义；（2）尽可能分开布置不同类别的电缆，从源头阻止线间串扰问题；（3）尽可能屏蔽传输高频及敏感信号的线缆，或跟换为同轴线缆，且屏蔽层应进行多点接地；（4）对于强干扰线缆的周边布线，尽可能先计算得到周围的线缆串扰大小，从而确定周边线缆线束的布线位置及线缆线束类型，以此提高布线水平，减少设计成型后布线整改问题。