CC BY
51
ВОЗМОЖНОСТИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЁТНО-ОЦЕНОЧНОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СТОЙКОСТИ КОРАБЕЛЬНЫХ РЭС
Биктеева Анастасия Максимовна,
инженер-программист 3 категории Центрального научно-исследовательского института «Курс», г.Москва, Россия, [email protected]
Аннотация
Рассматривается вопрос о возможности решения проблемы обеспечения защиты радиоэлектронных средств на морских объектах от преднамеренных электромагнитных воздействий. В качестве инструмента решения данной проблемы предлагается использование разработанного автором специализированного исследовательского программного комплекса на основе расчетно-оценочной экспертизы электромагнитной стойкости корабельных радиоэлектронных систем к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям, как инструмент информационной поддержки принятия решений по обеспечению заданного уровня радиоэлектронной защиты. Концепция, положенная в основу данного программного обеспечения, подразумевает то, что в зависимости от совокупности факторов электромагнитное воздействие может приводить к информационному, функциональному или физическому ущербу радиоэлектронной системы, и рассматривает взаимодействие источника электромагнитного излучения и устройства-рецептора как последовательность из восьми различных уровней электромагнитного взаимодействия: сигнального, фидерного и антенного контура источника, траекторного контура, антенного, фидерного, защитного и компонентного контура рецептора, для каждого из которых разработано расчётное численно-аналитическое методическое обеспечение. В результате расчетов предполагается выставление оценки электромагнитного поражения по семибалльной шкале, где 0 -нет влияния, 1 - слабая помеха, 2 - средняя помеха, 3 - одиночный сбой, 4 - многократный сбой, 5 -блокировка, 6 - прожиг. Подробно рассмотрен ход работы в программном комплексе в двух режимах: графическом, учитывающем двухмерное расположение множества антенн источников и рецепторов и позволяющем сформировать сводную таблицу результатов расчетов, и ручном, позволяющем проводить более подробное исследование для конкретной пары источник-рецептор. Рассмотрены ключевые возможности программного комплекса, перечислены предусмотренные в нем типы антенно-фидерных устройств, продемонстрирована обширность библиотеки импульсных сигналов, насчитывающая порядка ста комбинаций, описана логика функционирования модулей, при этом все основные этапы работы в программе проиллюстрированы рисунками. Сделан вывод о том, какую ценность представляет собой разработанный программный комплекс в решении поставленной задачи.
Ключевые слова: корабельное радиоэлектронное средство, электромагнитная стойкость, мощное импульсное электромагнитное излучение, специализированный исследовательский программный комплекс, радиоэлектронная защита
Проблема преднамеренных силовых воздействий на радиоэлектронные средства в последние годы приобрела большое значение в связи с развитием техники генерации, усиления и излучения мощных электромагнитных импульсов [1]. При разработке радиоэлектронных средств требования к ним по отношению к внешним электромагнитным возмущениям ужесточаются. Это влечет за собой повышение трудоемкости процесса разработки и требований к жёсткости испытаний, а, следовательно, увеличение временных, трудовых и материальных затрат [2, 3].
Сократить эти издержки становится возможным при помощи инструмента информационной поддержки принятия решений по снижению уровня взаимных радиопомех — специализированного исследовательского программного комплекса (СИПК), обеспечивающего проведение расчётно-оценочной экспертизы электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств [4]. Применение СИПК на ранних этапах проектирования радиоэлектронных средств позволяет обосновать организационно-технические, конструктивно-технологические и структурно-схемотехнические решения, направленные на достижение заданного уровня радиоэлектронной защиты, а также существенно улучшить разработку программы и методик лабораторных, полигонных и натурных испытаний на этапе контрольно-инструментальной экспертизы радиоэлектронной защиты радиоэлектронных устройств к электромагнитным воздействиям и интерпретации протоколов таких испытаний.
Программный комплекс базируется на технологии расчётно-оценочной экспертизы стойкости радиотехнических систем, представляющей собой поэтапный анализ девяти различных уровней (контуров) рассматриваемого процесса воздействия мощного электромагнитного фактора [5]:
1. Сигнальный контур — анализ во временной области электромагнитного возмущения (мгновенной мощности), выдаваемого источником электромагнитного воздействия, с оценкой его параметров (форма, длительность, частота следования, длительность фронта, длительность среза, пиковое значение, время воздействия), анализ в частотной области электромагнитного возмущения, выдаваемого источником электромагнитного воздействия, с применением прямого быстрого преобразования Фурье для получения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) зависимости спектральной плотности мощности сигнала.
2. Фидерный контур источника — анализ параметров фидерного устройства (в том числе составного) источника электромагнитного воздействия с оценкой его АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи и преобразования транслируемого электромагнитного возмущения.
3. Антенный контур источника — анализ параметров антенного устройства источника электромагнитного воздействия с оценкой его АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи и преобразования излучаемого электромагнитного возмущения.
4. Траекторный контур — анализ параметров трассы распространения электромагнитного возмущения с оценкой её АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи и преобразования излучаемого электромагнитного возмущения.
5. Антенный контур рецептора — анализ параметров антенного устройства рецептора электромагнитного воздействия с оценкой его АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи и преобразования наводимого электромагнитного возмущения.
6. Фидерный контур рецептора — анализ параметров фидерного устройства (в том числе составного) рецептора электромагнитного воздействия с оценкой его АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи и преобразования транслируемого электромагнитного возмущения.
7. Защитный контур — анализ параметров схемотехнических защитных устройств от мощных электромагнитных воздействий с оценкой его АЧХ, ФЧХ и переходной характеристики коэффициента передачи и преобразования транслируемого электромагнитного возмущения.
8. Компонентный контур — анализ параметров входных цепей и компонентов рецептора с оценкой их предельно-допустимых уровней (ПДУ) стойкости к мощным электромагнитным воздействиям (анализ во временной области электромагнитного возмущения, дошедшего до входных цепей и компонентов рецептора, с применением обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ)).
При помощи численно-аналитического методического обеспечения, разработанного для каждого описанного уровня анализа рассматриваемого процесса воздействия мощного электромагнитного фактора, становится возможным проводить оценку применительно к морским радиотехническим системам различного назначения, функционирующим в различных диапазонах радиочастотного спектра.
Структуру вышеописанной модели наглядно иллюстрирует главная форма программы, показанная на рис. 1.
Рассмотрим работу данного программного обеспечения.
В программе предусмотрено два режима: ручной и графический.
Ручной режим (рис. 1) представляет собой последовательную работу с каждым из контуров электромагнитного взаимодействия. В каждом контуре пользователь задает необходимые параметры, и программа строит энергетико-временную, амплитудно-частотную и фазо-частотную зависимость сигнала, прошедшего данный контур. После чего в модуле компонентного контура рецептора пользователь получает заключение о характере производимого электромагнитного воздействия.
Рис. 1. Главная форма программы, ручной режим
В модуле сигнального контура источника имеется библиотека различных видов одиночных и периодических импульсных сигналов (рис. 2).
Рис. 2. Сигнальный контур источника. Выбор вида и формы сигнала
Суммарный излучаемый источником сигнал может быть составлен из множества парциальных сигналов различного типа, для которых можно рассчитать такие параметры как длительность фронта, среза, длительность импульса, энергия сигнала (рис. 3).
Рис. 3. Сигнальный контур источника. Добавление сигнала
При работе в фидерном контуре источника необходимо задать состав фидерного устройства (волновод круглый или прямоугольный, коаксиальный кабель) и его параметры либо загрузить передаточную характеристику устройства из М-файла (аналогичная опция предусмотрена и для всех последующих контуров, что делает возможным импортирование в программу данных, полученных при работе в САПРе).
В антенном контуре источника существует возможность выбора одного из следующих видов антенных устройств: прямоугольная рупорная антенна, коническая рупорная антенна, Н- и Е-секториальные рупорные антенны, спиральная цилиндрическая и коническая антенны или зеркальная параболическая антенна.
Траекторный контур учитывает такие параметры как: высота расположения антенны источника, высота расположения антенны рецептора, расстояние между источником и рецептором, интенсивность дождя, видимость в тумане, скорость ветра, относительная влажность, температура воздуха.
В антенном контуре рецептора помимо устройств, предусмотренных в антенном контуре источника, для выбора доступны: антенна типа наклонный луч, штыревая антенна, вибраторная антенна, полосковая антенна и антенная решётка.
Рис. 4. Шкала оценки электромагнитного воздействия. ЭД — энергиядеградации
Рис. 5. Результаты расчета в ручном режиме
Рис. 6. Загрузка морского объекта. Калибровка и установка высоты ватерлинии и опорного уровня
В фидерном контуре рецептора помимо устройств, предусмотренных в фидерном контуре источника, для выбора доступны: круглая и квадратная высокочастотная шахта, полосковая линия, микрополо-сковая линия, двухпроводная линия.
При работе в защитном контуре рецептора существует возможность выбора из следующих защитных устройств: полосовой фильтр, фильтр низких частот, фильтр высоких частот.
В компонентном контуре необходимо ввести такие параметры элементной базы рецептора как: плотность, удельная теплоемкость, эффективная теплопроводность полупроводникового материала и прочие.
На основании всех введенных данных рассчитывается электромагнитная энергия дошедшего сигнала и энергия деградации входного полупроводникового устройства. В зависимости от соотношения этих величин программа выдает заключение о степени возможного ущерба РЭС с присвоением балла риска (рис. 4). Также существует возможность графического анализа дошедшей электромагнитной энергии сигнала и энергии деградации полупроводникового устройства от эксплуатационных факторов: высота расположения антенны источника, расстояние между источником и рецептором, амплитуда мощности генератора источника (рис 5).
Таким образом ручной режим позволяет произвести подробный расчет для одной пары источник-рецептор.
Графический режим позволяет провести расчет для множества антенн источников и рецепторов с учетом их трехмерного расположения на поле с морским объектом и сформировать сводную матрицу результатов расчетов с возможностью переключения в ручной режим для конкретной пары источник-рецептор.
Пользователь загружает изображение морского объекта в двух проекциях (вид сбоку и сверху), задает его размеры, производит калибровку, устанавливает высоту ватерлинии и опорного уровня (рис. 6).
Затем открывается форма для задания климатических условий, при которых происходит данное взаимодействие морского объекта с ракетами. После чего загруженный морской объект отображается на поле (рис. 7). Теперь пользователь может расположить на поле все необходимые ему антенны. Предусмотрена функция масштабирования поля с объектом как в меньшую, так и в большую сторону.
При установке на морском объекте рецептора, после того, как пользователь должным образом расположил антенну в обеих проекциях, последовательно открываются для заполнения модули антенного, фидерного, защитного и компонентного контура рецептора. Аналогично после установки на поле ракеты для неё запрашиваются данные по сигнальному, фидерному и антенному контуру источника.
Для всех установленных антенн формируется сводная матрица влияний (рис. 7). В столбцах расположены номера источников, в строках — номера рецепторов, на пересечениях — баллы по шкале оценки электромагнитного воздействия (рис. 4). Таким образом, сразу возможно оценить, какие из ракет наиболее опасны и какие из антенн наиболее уязвимы. Для более детального исследования пользователь может перейти в ручной режим для любой интересующей его пары источник-рецептор.
По результатам расчетов формируется база данных расчетных характеристик электромагнитной стойкости судовых РЭС различных диапазонов (рис. 8).
Текущий проект исследований можно сохранить или же открыть ранее созданный проект. Также существует опция генерации отчета в файл программное обеспечение MS Word.
Таким образом, разработанное программное обеспечение, являясь оперативным и удобным инструментом информационной поддержки
■"isfMtin рщто. rrSAi JL
iPfC
Рис. 8. Модуль базы данных
в вопросах снижения уровня взаимных радиопомех, позволяет сократить временные, трудовые и финансовые затраты при проектировании, проведении испытаний и приёмки радиоэлектронных средств по параметрам радиоэлектронной защиты.
Преимуществом предлагаемого подхода к расчётной оценке стойкости (РОСт) радиоэлектронных средств к мощным преднамеренным электромагнитным воздействиям является возможность анализа влияния каждого контура на прохождение рассматриваемого электромагнитного процесса и оценка их вклада в амплитудно-фазо-частотное преобразование структуры исследуемого электромагнитного возмущения. Преимуществом предлагаемого подхода к получению базы данных расчётных ПДУ относительно излучаемых мощных электромагнитных воздействий (МЭМВ) для исследуемых радиоэлектронных систем является возможность получения ряда таких оценок при вариации многочисленных видов и сочетаний исходных данных, относящихся как к МЭМВ (длительность фронта, пиковое значение, частота следования), так и к исследуемой радиоэлектронной системе (параметры фидерного тракта, характеристики антенного устройства).
Список литературы
1. Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий / Под ред. Газизова Т. Р. Томск, Томский государственный университет, 2002. 204 с.
2. Балюк Н. В., Кечиев Л. Н., Степанов П. В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. М.: Группа ИДТ, 2007. 478 с.
3. Бурутин А. Г., Балюк Н. В., Кечиев Л. Н. Электромагнитные эффекты среды и функциональная безопасность радиоэлектронных систем вооружения // Технологии электромагнитной совместимости. 2010. № 1 (32). С. 3-27.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015616004. Расчетная оценка электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств к воздействию мощных сверхкоротких импульсных электромагнитных излучений / Бикгеева Анастасия Максимовна, Лазарев Дмитрий Владимирович; per. от 28.05.2015, РОСПАТЕНТ.
5. ЛазаревД.В. Расчётный анализ стойкости средств радиолокации, навигации и связи к воздействию сверхширокополосных электромагнитных полей высокой интенсивности IIXXI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь»: Сборникдокладов. Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ», 2015. С. 1402-1410.
FEATURES SPECIALIZED SOFTWARE FOR CALCULATION AND ASSESSMENT EXAMINATION ELECTROMAGNETIC IMMUNITY SHIP REM
Bikteeva Anastasiya Maksimovna,
Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The question of the possibility of solving the problem of the protection of ship radioelectronic means by intentional electromagnetic influences. As a tool to solve this problem, we propose the use of the research developed by the author of the specialized software based on settlement and valuation expertise electromagnetic immunity shipboard electronic systems to deliberate power electromagnetic effects as a tool for information support of decision-making in a given level of electronic protection. The concept underlying the present software means that, depending on the combination of factors electromagnetic interference may lead to information, functional or physical damage to electronic systems, and considers the interaction of the source of electromagnetic radiation and the device-receptor as a sequence of eight different levels of electromagnetic interference: the signal, feeder and antenna circuit source, trajectory loop, antenna, feeder, circuit protection, and the component of the receptor, each of which developed the calculated numerically-analytical methodical support. The calculations assumed exposure assessment electromagnetic defeat of seven-point scale, where 0 — no influence, 1 — a weak disturbance, 2 — average hindrance, 3 — failure of a single, 4 — multiple crashes, 5 — lock, 6 — burning. Considered in detail the progress made in the software package in two modes: graphical, takes into account the two-dimensional arrangement of a plurality of antenna sources and receptors and allows to generate a summary table of the results of calculations and manual allows for more detailed study for a specific pair of source-receptor. Are considered key features of software are listed therein prescribed types of antenna-feeder devices, demonstrate extensive library of pulsed signals, there are about a hundred combinations, described the logic of the functioning of the modules, all the main stages of the work program are illustrated in the drawings. The conclusion is, what value is the software package developed in the task.
Keywords: ship radio-electronic mean, electromagnetic immunity, powerful pulsed electromagnetic radiation, specialized research software package, radioelectronic protection
References
1. Gazizov N. R. (Ed.). Elektromagnitnyi terrorizm na rubege tiysyacheletiy [Electromagnetic terrorism of millennium]. Tomsk, Tomsk State University, 2002. 204 p. (In Russian)
2. Baluk N. V., Kechiev L. N., Stepanov P. V. Moschnyi elektromagnitnyi impul's: vozdeystvie na elektronnyie sredstva I meto-dyizaschityi [The powerful EMP: effects on electronic means and methods of protection]. Moscow, Group of IDT, 2007. 478 p. (In Russian)
3. Burutin A.G, Baluk N. V., Kechiev L. N. Electromagnetic Environment Effects and functional safety of electronic weapons systems. Technology EMC. 2010. No. 1 (32). Pp. 3-27. (In Russian).
4. Certificate of state registration of the computer program № 2015616004. The estimated electromagnetic resistance of electronic means of ultrashort pulse to powerful electromagnetic radiation / Bikteeva Anastasia Maximovna, Lazarev Dmitry Vladimirovich; Reg. on 05.28.2015, ROSPATENT. (In Russian)
5. Lazarev D. V. Estimated immunity analysis of radar, navigation and communication systems to the impact of ultra-wideband electromagnetic fields of high intensity. XXI International Scientific-Technical Conference "Radiolocation, navigation, communication": Collection of reports. Voronezh: NPF "SAKVOEE", 2015. Pp. 1402-1410. (In Russian)
Information about author:
Bikteeva A. M., software engineer of 3 level, Central Research Institute "Kurs".
