舰船电磁设计综合方法

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1  概述

　　日益增多的作战需求使得目前现代海军装舰的电子系统和设备越来越多，同时要求处于电磁威胁之下的舰船的生存力增强，而这常常取决于雷达反射截面的减小以及电磁兼容(EMC)系统性能。由舰船本身的设备和照射舰船的外部雷达传感器引起的舰船结构与电磁波之间的干扰现象，产生出复杂密集的电磁环境，这就突出了采取充分的EMC控制的重要性，我们所说的EMC控制，从广义而言，指对舰载辐射系统性能(即天线辐射图)、舰载系统之间的电磁干扰与扰动、感应电磁场引起的辐射危害，以及与强电磁脉冲有关的事件等的整体评估与控制。

　　众所周知，舰船RCS控制对于恰当的舰壳以及上层建筑形状的设计，甚至有时对非金属材料的采用都有着重大影响。减小雷达特征的必要性也对武器系统的选用或装舰位置有很大影响。由于同样的原因，通过仔细研究传感器的安装、屏蔽的采用，以及其它结构上的措施，要力争优化与周围结构相互影响的各种天线的辐射图，压缩传感器与电子系统之间的干扰，或减少危害。

　　因此，这些问题显然必须同时解决，也就是说要通过造船技师和电磁工程师(RCS和EMC专家)密切配合来解决。这一合作应该在造船项目一开始就进行，理论上说应在可行性设计阶段确定主体结构、武器和传感器选择时就开始合作，很有可能这一阶段正是合作与并行开发最必要也是最需要的时候。在整个开发过程，包括详细设计和建设阶段，这种相互联系也一直持续着。众所周知，结构细节以及建造误差和方法对舰船雷达信号特征和EMC效果有着何种影响。

　　假定用数字仿真来代表结构设计和武器/传感器配置对电磁各方面影响的最佳分析工具，那么就需要一种先进的软件系统，它具有当前技术水平的计算电磁学技术，并能为电磁设计提供统一的环境。经验表明，造船技师、RCS专家和EMC工程师们常常是相互独*立地工作，有时当他们开始分析不同设想配置要求改变设计时，他们才意识到相互之间是直接矛盾的。

　　IDS采用现代化的信息技术开发了一种综合软件环境——舰船电磁设计框架(EDF)，作为上述舰船设计中不同电磁方面问题的共用方法。这种软件产品是1994年开始的一项研究工作成果，该研究目的是集成IDS自1984年开始持续开发的几项专利RCS和EMC仿真软件工具。

2  舰船EDF的主要部分

　　舰船EDF通过以下几个主要方面满足并行设计方法需求：

　　·配置控制。利用框架可对舰船的电磁数据进行配置控制，以便进行跟踪，并对每个项目型号都有综合的电磁性能观察。能够进行配置控制是由于合适的基于数据库的程序集的存在；

　　·集成建模环境。在一个统一的CAD环境下完成舰船模型的几何学和电磁性能描写，该CAD环境与造船技师提供的CAD图纸紧密相连。适合各种分析类型的电磁模型都是从同样的三维CAD得到的；

　　·先进的电磁代码。舰船EDF包括用于辐射/散射场电磁计算的先进技术，可提供与舰船设计各个方面相关的先进的仿真；

　　·图形用户界面。这是专为用户设计的，使之可以从单调无味的操作中解脱出来，加快分析过程，从而只关注结果。

3  配置控制部分

　　舰船EDF通过配置控制实现RCS和EMC分析的综合。

　　总的说来，舰船电磁设计实际分成几组分析，分别由RCS和EMC专家小组完成。配置控制交给配置管理人员负责，他在工程的每一阶段都要总结进展状况以及不同专业分析得出的主要结果。

　　舰船EDF的数据和程序都是按照面向对象的方法组织的。构成舰船电磁设计基础的实际情况按照与某一特定方面相关的数据和函数组合分类(如通信数据类、武器类等等)。舰船EDF结构中建立的各类之间的层次和关系使得配置管理人员能够站在较高层次观察进展状况。特别是：

　　·项目数据按照型号来组织，每一型号对应一特定的舰船体系结构和作战系统配置。在项目每一阶段，配置管理人员都能清晰地看到由子系统的舰船组成(见图1)；

































·对项目的每一改型，配置管理人员还能控制整舰及其子系统的RCS与EMC性能，并将它们与有关需求相比较，以评估是否需要在某些方面进行升级，这些升级需要与造船技师讨论确定；

　　·配置管理人员根据各个子项目(研究)组织项目，每个子项目对应于某个特定的电磁设计内容(例如：未装设备的舰艇RCS分析、通信天线的性能评估等)。这些研究分别交给各位专家，相关数据通过网络传输。一旦专家完成研究，其结果反馈给配置管理人员，经管理人员检查后认为合适的就加到总的项目情况中(见图2)。



























注：从同一个三维CAD文件中可以得到适于不同电磁分析的不同模型：上图为高频RCS分析用不规则网；下图为HF波段EMC分析用规则三角盖板模型

　　舰船EDF结构适合使用联网计算机的分布式环境。专家们位于网络的不同节点(包括不同部门)，除了配置管理人员可决定给予的一些限制外，专家们可以访问项目的全部数据。数据传输完全通过网络来进行。

　　数据的持续性及其对它的浏览通过一关系数据库来保证，该库映射在具有数据对象组织的软件层，该映射可以使工作过程中产生的所有数据被自动组织进入数据库，无需人工插入和查询。


4  建模环境部分

　　散射场计算的模型的建立和电磁特性描述在电磁并行设计中起着十分重要的作用。对于不同的电磁分析，舰船EDF提供了当前舰船配置的通用三维CAD描述。

　　在这一阶段，舰船的CAD几何模型转化成适于场计算的“电磁”模型(一般为网状模型)。把网状模型与其组成部分的电磁特性综合起来，定义结构材料电磁特性，定义天线电气参数等(见图3)。







































把舰船EDF电磁建模工具完全集成在一个三维CAD环境中(BentleyMicrostation)，从而能从结构设计师的CAD图纸有效地、交互地转换为电磁模型。


　　电磁建模和特征描述算法以MDLMicrostation语言开发，嵌入在CAD环境中，共享Microstation用于显示和建模运行的所有实用事物程序和服务(如图形用户界面，与可视化模型的交互操作，变化的立即显示等)。

　　把结网工具集成到CAD环境中使得原始CAD几何图形可以有效真实地转变为电磁网，从而保证设计小组与RCS/EMC专家之间有效的双向接口。

　　舰船EDF—CAD从同一CAD模型开始，根据代表舰船结构的面和/或线(它们也是相互连续的)画出一个自适应网。根据辐射或散射场计算所用的解算机的类型可做出不同类型的网：高频解算机用非均匀网(PO—PTD)、低频解算机用规则转接板/金属线网，UTD解算机用典型对象表示(见图4)，中频段用混合式方法表示。舰船EDF－CAD可以按照用户指定的网分辨率控制参数自动完成三维CAD模型网图。




































5  电磁分析

　　这部分包括电磁辐射/散射场计算的“解算机”部分和处理计算的数据和显示的“处理”部分。舰船EDF“解算机”中包含丰富的现代先进电磁场计算技术，能够解决舰船电磁设计中各种问题。































尽管解决RCS和EMC问题与不同的计算条件有关(如用于RCS目的时要计算远散射场，而用于EMC目的时要计算舰载天线电源感应电流和远/近辐射场)，但它们基本上都涉及到一个类似的电磁问题——即在实际的三维舰船环境中电磁波传播和散射计算。正是这个原因，RCS和EMC应用都利用同样的计算技术，为舰船电磁设计各个方面提供统一的计算方法和有效性验证。


　　在低频，当波长很大或与对象尺寸相当时，可以使用基于麦克斯韦方程数值积分的方法，而在高频当波长小于典型对象尺寸时则采用基于射线的渐近法。适当的方法包括第一种情况中的MOM(力矩法)，和第二种情况中的UTD(衍射均匀理论)或PO＋PTD(物理光学＋衍射物理理论)。

　　一般说来，在解决与调频通信天线有关的EMC问题(见图5)、在EMP评估或在计算低频UWB雷达的舰船RCS时会遇到高频区问题。高频区的出现是在估计雷达和EW天线性能。或在评估舰船雷达特性与传统的雷达威胁之间的关系时(见图6)。在中频区，如甚高频/超高频通信时可采用混合的解法。

　　舰船EDF引擎中另一非常重要的组成部分是“处理”部分，它专用于仿真的RCS和EMC数据的处理和图形显示。一个穷举的处理算法集合可满足各种应用对数据分析的需要。RCS和EMC分析的主要结果都可以参考并与舰船CAD配置相联系，直接显示在有关的CAD图中，以便迅速地与舰船几何学相对应，并观察它对EMC和RCS选择的相应影响(见图7、8)。



































  






































6  软件方面的重点

　　舰船EDF产品是由IDS提出和开发的以电磁设计框架(EDF)为基础的开放式面向对象的结构，它依*创新的信息技术，为建立客户机－服务器设计环境提供共同的服务。如果不依*诸如完全的面向对象的设计和客户机－服务器结构等先进的软件技术，几乎不可能实现电磁设计综合方法的核心，如配置控制，数据库自动存档和分布式的计算需求。

　　我们还想在不介入软件细节的情况下强调一下框架的自我发展能力。每当一个新的舰船项目提出新需求时，这种能力成为一基本特征，自我发展能力由一种说明语言提供，它可为用户提供以下功能：

　　·除了已有程序，用户可根据其需求在框架中定义并引入新的自动程序；

　　·无需修改外部程序软件或框架本身就可在框架中插入满足特定需要的额外的外部程序。

7  结论

　　现在得到的结果是以复杂软件环境为基础的一个强有力的并行设计工具，其目的是为统一的舰船设计方法提供—共同的软件背景。在造船技师、电磁工程师和最终用户实体达成共识后，该框架就成为舰船并行设计的一个基本保障。

　　将该工具应用于舰艇的设计与分析，并扩展到舰船项目开发的各个阶段，不仅可在电磁解算机的精度和适用性上，也可在设计过程的成本有效性评估上为全局系统验证提供依据。最后，该框架很适于电磁仿真专用技术的未来升级，以便为舰上真实的电磁交互和现象评估提供有效的现代化的技术的分析性能。