海上舰艇电气设备的低频侧面波电磁泄漏的快速检测方法与流程

1.本发明涉及的是一种电磁波领域的技术，具体涉及一种海上舰艇电气设备的低频侧面波电磁泄漏的快速检测方法。


背景技术：

2.舰艇给船上电气设备供电时，会产生低频的电流回路(可等效为垂直磁偶极子)，从而会激发沿海面传播的电磁波，即侧面波。这会导致舰艇的暴露从而影响安全性。要尽量减小侧面波的幅度，首先要正确地得到侧面波在海水和空气中的分布。这需要对其积分表达式所涉及到的索末菲积分进行准确有效地计算和估计。目前，计算该种分层介质的索末菲积分的方法主要分为四类：直接数值积分，离散复镜像法，渐进展开法和半解析法。这四种方法都有它们自己的短板，直接数值积分对于计算远区场效率较低，需要一些较为复杂的数值处理技术；离散复镜像法要求源点和场点在同一区域，处理过程也较为繁琐；渐进展开法对于各个参数有较为严格的要求，同时缺乏直观的物理意义；半解析法涉及到一些较为复杂的近似处理，同时也对参数有限制要求。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种海上舰艇电气设备的低频侧面波电磁泄漏的快速检测方法，吸取了渐进展开法和半解析法的优点，通过从索末菲积分中提取出具有显式表达式的主导项，并舍去余项积分部分，从而得到侧面波的近似表达式。利用该种方法能够快速高效准确地给出电磁波的值，并且所得到的表达式可以容易地看出侧面波的物理含义，从而为下一步减弱表面波给出参考依据；同时该方法对于参数限制更少，还可以利用在其他问题背景中(比如高频低损耗分层介质场景)，从而比之前提到的方法具有更好的普适性。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种海上舰艇电气设备的低频侧面波电磁泄漏的快速检测方法，首先将舰艇上给电气设备供电的所产生的低频电流回路等效为垂直磁偶极子模型，该模型的分层有耗介质中存在一个低频磁偶极子，通过谱域法得到模型中各区域中电磁场的积分表达式；然后将分层有耗介质中的电磁场分解为直射波、镜像波和侧向波，提取出侧面波的主导部分从而得到有耗介质中电磁场的表达式；根据侧面波的分布进一步得到舰艇电气设备的电磁泄漏情况。
6.所述的谱域法是指：将各个区域中电磁场各个分量的频域表达式代入电磁场切向分量在分界处的连续性条件，得到反射系数r和透射系数t后代入电磁场分量的频谱表达式，得到各个区域中电磁场的积分表达式，具体包括：
7.i)有耗介质中电磁场分量的频域表达式，计算时采用柱坐标系，具体为
其中：ρ为径向分量，φ为方位角分量，z为纵向分量，i为虚数单位，e
1φ
代表区域1中电场强度方位角分量，h
1z
，h
1ρ
分别代表区域1中磁场强度纵向分量和径向分量，μ1代表区域1的磁导率，工作频率为f，角频率为ω＝2πf，磁偶极子安放位置距分界面的距离d，与原点之间的距离r＝(ρ2 z2)
1/2
，k
1ρ
为区域1中波矢径向分量，k
1z
为区域1中波矢纵向分量，r为反射系数，m为磁偶极矩，代表第一类零阶汉克尔函数，代表第一类零阶汉克尔函数对括号里面的变量求导。
8.ii)空气中电磁场分量的频域表达式为其中：e
2φ
代表区域2中电场强度方位角分量，h
2z
，h
2ρ
分别代表区域2中磁场强度纵向分量和径向分量，μ2代表区域2的磁导率，k
2ρ
为区域2中波矢径向分量，k
2z
为波矢纵向分量，t为透射系数，其余符号定义与之前相同。
9.iii)代入电磁场切向分量的连续性条件，可解出反射系数r与透射系数t。将其代入电磁场分量的积分表达式中，便可得到各个区域中电磁场的积分表达式。
10.所述的有耗介质中电磁场的表达式，通过将有耗介质中所得到的电磁场的积分表达式分解为直射波，镜像波和侧面波；利用渐进展开的方法，从有耗介质中侧向波积分表达式提取出具有显式表达式的主导项，并舍去主导项相比可忽略的余项积分，从而得到有耗介质中侧向波的显式表达式，具体包括：
11.1)将有耗介质中所得到的电磁场的积分表达式分解为直射波、镜像波和侧面波，其上标依次为in，im和lat：其中直射波和镜像波在有耗介质中以指数形式衰减，在远区可忽略，故舰艇电磁泄露主要为沿表面传播的侧面波，其积分表达式为：
12.2)辅助积分表达式为其中：j0(
·
)代表第一类零阶贝塞尔函数，j2(
·
)代表第二类零阶贝塞尔函数，λ为积分变量，其余符号定义均与之前定义相同。
13.3)从有耗介质中侧向波积分表达式提取出具有显式表达式的主导项，此时余项积分的渐进展开式中最高负幂次已被提取到相应的主导项中，舍去余项积分，得到有耗分层介质区域1中的侧向波的显式表达式：
14.4)由于空气中的电磁场本身构成侧面波，提取出侧面波的主导部分，并舍弃余项积分部分，从而得到空气中电磁场的表达式，具体为：从有耗介质中侧向波积分表达式提取出具有显式表达式的主导项作为辅助积分表达式，并舍去主导项相比可忽略的余项积分，从而得到有耗介质中侧向波的显式表达式，其中：辅助积分表达式为：有耗介质中侧向波的显式表达式为：
15.本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：显式表达式提取单元、余项积分舍弃判断标准单元以及具体计算单元，其中：显式表达式提取单元根据海上舰艇电气设备电磁泄露建模信息，进行索末菲积分显式表达式提取处理，得到产生电磁泄露的侧面波的显式表达式；余项积分舍弃判断标准单元根据显式表达式提取单元信息，进行显示表达式和余项积分大小比较的处理，得到余项积分是否能被舍弃的结果；具体计算单元根据余项积分舍弃判断标准单元信息，进行具体的分层介质中电磁场的计算处理，得到沿表面传播的侧
面波结果。技术效果
16.本发明对海上舰艇电气设备的低频侧面波电磁泄漏进行了建模，通过提取显式表达式快速计算索末菲积分，使得舰艇设计过程中电磁泄漏的屏蔽仿真获得快速有效的数据参考。
附图说明
17.图1为本发明适用模型示意图；
18.图2为有耗介质中磁场纵向分量余项积分和主导项幅度(取分贝值)比较示意图；
19.图3为空气中磁场纵向分量余项积分和主导项幅度(取分贝值)比较示意图；
20.图4为有耗介质中磁场径向分量余项积分和主导项幅度(取分贝值)比较示意图；
21.图5为空气中磁场径向分量余项积分和主导项幅度(取分贝值)比较示意图；
22.图6为有耗介质中电场方位角分量余项积分和主导项幅度(取分贝值)比较示意图；
23.图7为空气中电场方位角分量余项积分和主导项幅度(取分贝值)比较示意图；
24.图8为z＝-0.5米处电磁场分量幅度和轴向距离之间的变化关系示意图；
25.图9为z＝0.5米处电磁场分量幅度和轴向距离之间的变化关系示意图；
26.图10为算法流程图。
具体实施方式
27.本实施例涉及一种大海中舰艇电气设备的低频侧面波电磁泄漏的建模与快速算法。如图1所示，首先将舰艇上给电气设备供电的所产生的低频电流回路等效为垂直磁偶极子，故模型建立为分层有耗介质中存在一个低频磁偶极子，给定参考坐标系为柱坐标系，三个分量分别为径向分量ρ，方位角分量φ，纵向分量z。给定所讨论模型的具体参数，参数包括有：工作频率f＝50赫兹，有耗介质的介电常数ε1，磁导率μ1，电导率σ1，上半空间的介电常数ε2，磁导率μ2，电导率σ2，垂直偶极子的磁偶极矩大小m，安放位置距分界面的距离d，所观测电磁场位置的纵向分量z，与原点之间的距离r＝(ρ2 z2)
1/2
。本实施例中ε1＝81ε0，μ1＝μ0，σ1＝4西门子每米，ε2＝81ε0，μ2＝μ0，σ1＝0，m＝1安培平方米，d＝10米，z＝
±
0.5米。ε0和μ0分别是真空介电常数和真空磁导率。再通过谱域法得到各区域中电磁场的积分表达式。然后将有耗介质中的电磁场分解为直射波，镜像波和侧向波(直射波和镜像波为行业工作者所熟知的在均匀介质中磁偶极子产生的电磁场表达式)，提取出侧面波的主导部分，并舍弃余项积分部分，从而得到有耗介质中电磁场的表达式。空气中的电磁场本身构成侧面波，提取出侧面波的主导部分，并舍弃余项积分部分，从而得到空气中电磁场的表达式。通过提取显式表达式计算索末菲积分，没有数值积分过程是需要的，效率极高，为进一步设计舰艇电磁泄漏的屏蔽提供了数据参考；该算法对于分层有耗介质的参数选择的没有限制，在处理不同问题时，具有更好的普适性。
28.经过具体实际实验，在分层有耗介质中放置一个低频磁偶极子的具体环境设置下，以f＝50赫兹，ε1＝81ε0，μ1＝μ0，σ1＝4西门子每米，ε2＝81ε0，μ2＝μ0，σ1＝0，m＝1安培平方米，d＝10米，z＝
±
0.5米参数启动上述方法，能够得到的实验数据是：电磁场各个分量的
所提取出的主导项和余项积分的数值，z＝-0.5米和z＝0.5米的泄露侧面波分量随着横向距离的变化。
29.结合图2，图3和图4所示，电磁场各个分量的主导项的远大于余项积分的模值，并且随着距离的增大，它们之间的差距仍然在增大，所以舍弃余项积分是合理有效的，表示侧向波的索末菲积分能够用该算法提取出的显式表达式来代替，从而大大提高了求解有耗介质中电磁场的效率，因为没有数值积分过程是需要的，为进一步设计舰艇电磁泄漏的屏蔽提供了数据参考。
30.结合图5和图6所示，给出了z＝-0.5米和z＝0.5米的各个场分量随着横向距离的变化。距离较大时，场是随着横向距离以负二次幂的关系变化的，远慢于一般的有耗介质中的电磁波。在横向距离等于100km时，侧向波的索末菲积分的积分函数由于剧烈震荡导致难以用一般方法进行估计。但是该实施例中的方法能够快速给出电磁场的结果，因为所有积分表达式都可以用显式表达式来代替，这也显示出了该实施例的优势。
31.本实施例通过从侧面波相对应的索末菲积分中提出具有解析表达式的主导项，舍去剩下的积分余项，该算法能快速高效地得到在有耗介质中侧面波的表达式。并且该算法对于参数选择的没有过多限制，在处理不同问题时，具有更好的普适性。
32.与现有技术相比，本方法提取出的显式表达式大大提高了求解分层有耗介质中电磁场的效率，因为没有数值积分过程是需要的，为进一步设计舰艇电磁泄漏的屏蔽提供了数据参考；该算法对于分层有耗介质的参数选择的没有过多限制，在处理不同问题时，具有更好的普适性。
33.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。