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一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统

阅读：888发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统，用于准确获取空间环境下目标的高功率电磁脉冲复合效应阈值。通过空间环境模拟手段(具备空间粒子环境模拟、空间高低温环境模拟、空间真空环境模拟等环境能力 )作用于对象，使其处于空间环境条件下；同时以辐照或注入的方式，加载高功率电磁脉冲信号 (可以是窄带高功率微波 HPM、超宽带电磁脉冲UWB、宽带电磁脉冲wideband、雷电电磁脉冲LEMP、核电磁脉冲NEMP、静电放电 ESD其中的一种，或是多种的复合)；最终，通过检测设备对试验对象进行在线监测，获取空间环境下的高功率电磁脉冲复合效应阈值，进而准确获取阈值数据及规律。，下面是一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电磁脉冲复合效应试验方法，其特征在于通过下述方式实现：
通过空间环境模拟设备，使空间试验对象处于空间环境条件下；同时在空间环境条件下对空间试验对象加载高功率电磁脉冲信号；通过检测设备对空间试验对象进行在线监测，获取空间环境条件下的高功率电磁脉冲复合效应阈值。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述的空间环境模拟设备为粒子束环境模拟设备、高低温模拟设备、或真空模拟设备中的一种或任意组合；所述的粒子束环境模拟设备具备产生10keV～50MeV粒子能量能力，高低温模拟设备具备-150℃～200℃空间环-3 -8
境温度模拟能力，真空模拟设备具备10 ～10 Pa真空度模拟能力。
3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于：所述的粒子束环境模拟设备的作用方式为注入方式或辐照方式；空间试验对象为空腔类结构时，采用注入方式，粒子束环境模拟设备的输出端与空腔直连，产生的粒子直接进入器件的空腔中；
辐照方式为粒子束环境模拟设备与空间试验对象物理隔离，产生的粒子首先脱离粒子束环境模拟设备，射向空间试验对象，最终使空间试验对象整体处于粒子束包围中。
4.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于：所述的高低温模拟设备、真空模拟设备的作用方式为包围空间试验对象整体。
5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：加载高功率电磁脉冲信号的方式为通过同轴线缆或者波导接口注入进入空间试验对象内部；或者辐照充满整个试验环境，使空间试验对象整体处于高功率电磁脉冲环境中。
6.根据权利要求1或5所述的试验方法，其特征在于：所述的高功率电磁脉冲包括雷电电磁脉冲LEMP、核电磁脉冲NEMP、静电放电ESD、超宽带电磁脉冲UWB、或窄带高功率微波HPM中的一种或任意组合。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述的雷电电磁脉冲LEMP，频谱分布在1MHz以下；核电磁脉冲NEMP，频谱在100MHz以下；静电放电ESD，频谱分布在几十MHz～几百MHz；超宽带电磁脉冲UWB，指相对带宽大于20％，频谱主要分布于300MHz～3GHz；窄带高功率微波HPM，带宽小于5％，频谱分布于1GHz～几十GHz。
8.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述的空间试验对象指包含空间平台及空间有效载荷在内的所有宇航级设备及器件，具体包括电源分系统、控制分系统、热控分系统、测控分系统、数据管理分系统、微波器件、DSP、电源设备及器件。
9.一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验系统，其特征在于：包括微波模拟源、环形器、耦合器、电子枪、示波器、微波检波器、微波负载；
微波模拟源产生脉宽、频率、功率参数可调的HPM信号，经环形器使HPM信号单向流动至耦合器，之后达到待测设备EUT即空间试验对象，待测设备输出端与定向耦合器相连接，定向耦合器与微波负载相连接；待测设备输出功率通过微波负载吸收，同时电子枪产生电子束作用于待测设备；耦合器的耦合端作为监测端，经耦合器衰减后的信号经微波检波器检波处理后送入示波器，示波器对待测设备输入输出信号的脉宽、功率、频率进行在线监测，获取空间电子与微波二维复合条件下的HPM效应阈值。
10.根据权利要求9所述的试验系统，其特征在于：所述的微波模拟源产生10ns～1μs脉宽、1Hz～1kHz重复频率、1W～100kW参数可调的HPM信号。

说明书全文

一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于电磁场与微波技术领域，具体为一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统。

背景技术

[0002] 在高功率电磁脉冲效应技术中，效应阈值及损伤机理是最关键的数据内容。而目前开展的高功率电磁脉冲效应试验，仅在地面常规环境下进行，未考虑空间真空、高低温、粒子辐照环境条件，因此获取的阈值及损伤规律参数与真实情况偏差巨大，严重制约了系统技术设计及适用性。

[0003] 该方法存在以下几点不足：

[0004] 1、损伤阈值的准确性问题。空间辐照环境会导致空间试验对象带电，同时真空环境不利于目标散热，这些因素必然对目标的损伤起到加强作用，导致空间环境下目标的损伤阈值与常规环境存在巨大差异。而常规试验下不考虑这些环境因素，必然导致阈值的错误。

[0005] 2、效应机理的准确性问题。效应损伤过程中，热效应及电损伤效应的贡献度及随时间的分布，是效应机理研究的最关键部分。而常规试验方法及系统所取得的损伤贡献度及损伤机理，无法应用于空间领域，存在极大的局限。

[0006] 3、应用性的局限性问题。普通试验对象与宇航级特殊试验对象，在工艺、结构、设计方面存在巨大差异。因而基于普通试验对象所取得的阈值规律数据，不能推广至空间其他目标。

发明内容

[0007] 本发明解决的技术问题是：常规试验方法及系统无法准确获取空间环境下空间目标的电磁脉冲复合效应阈值及效应机理，提供一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法及系统。

[0008] 本发明解决技术的方案是：一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验方法通过下述方式实现：

[0009] 通过空间环境模拟设备，使空间试验对象处于空间环境条件下；同时在空间环境条件下对空间试验对象加载高功率电磁脉冲信号；通过检测设备对空间试验对象进行在线监测，获取空间环境条件下的高功率电磁脉冲复合效应阈值。

[0010] 进一步的，所述的空间环境模拟设备为粒子束环境模拟设备、高低温模拟设备、或真空模拟设备中的一种或任意组合；所述的粒子束环境模拟设备具备产生10keV～50MeV粒子能量能力，高低温模拟设备具备-150℃～200℃空间环境温度模拟能力，真空模拟设备具备10-3～10-8Pa真空度模拟能力。

[0011] 进一步的，所述的粒子束环境模拟设备的作用方式为注入方式或辐照方式；空间试验对象为空腔类结构时，采用注入方式，粒子束环境模拟设备的输出端与空腔直连，产生的粒子直接进入器件的空腔中；

[0012] 辐照方式为粒子束环境模拟设备与空间试验对象物理隔离，产生的粒子首先脱离粒子束环境模拟设备，射向空间试验对象，最终使空间试验对象整体处于粒子束包围中。

[0013] 进一步的，所述的高低温模拟设备、真空模拟设备的作用方式为包围空间试验对象整体。

[0014] 进一步的，加载高功率电磁脉冲信号的方式为通过同轴线缆或者波导接口注入进入空间试验对象内部；或者辐照充满整个试验环境，使空间试验对象整体处于高功率电磁脉冲环境中。

[0015] 进一步的，所述的高功率电磁脉冲包括雷电电磁脉冲LEMP、核电磁脉冲NEMP、静电放电ESD、超宽带电磁脉冲UWB、或窄带高功率微波HPM中的一种或任意组合。

[0016] 进一步的，所述的雷电电磁脉冲LEMP，频谱分布在1MHz以下；核电磁脉冲NEMP，频谱在100MHz以下；静电放电ESD，频谱分布在几十MHz～几百MHz；超宽带电磁脉冲UWB，指相对带宽大于20％，频谱主要分布于300MHz～3GHz；窄带高功率微波HPM，带宽小于5％，频谱分布于1GHz～几十GHz。

[0017] 进一步的，所述的空间试验对象指包含空间平台及空间有效载荷在内的所有宇航级设备及器件，具体包括电源分系统、控制分系统、热控分系统、测控分系统、数据管理分系统、微波器件、DSP、电源设备及器件。

[0018] 可以是卫星天线、T/R组件、波导连接器、多工器、混频器、放大器、滤波器、卫星太阳能帆板、二次电源、卫星电源分配器、姿态控制处理器、推进平台、隔热组件、卫星模拟及数字处理芯片、航天线缆、卫星舱板。

[0019] 一种空间环境下的电磁脉冲复合效应试验系统，包括微波模拟源、环形器、耦合器、电子枪、示波器、微波检波器、微波负载；

[0020] 微波模拟源产生脉宽、频率、功率参数可调的HPM信号，经环形器使HPM信号单向流动至耦合器，之后达到待测设备即空间试验对象，待测设备输出端与定向耦合器相连接，定向耦合器与微波负载相连接；待测设备输出功率通过微波负载吸收，同时电子枪产生电子束作用于待测设备；耦合器的耦合端作为监测端，经耦合器衰减后的信号经微波检波器检波处理后送入示波器，示波器对待测设备输入输出信号的脉宽、功率、频率进行在线监测，获取空间电子与微波二维复合条件下的HPM效应阈值。

[0021] 进一步的，所述的微波模拟源产生10ns～1μs脉宽、1Hz～1kHz重复频率、1W～100kW参数可调的HPM信号。

[0022] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0023] 本发明提出了一种空间环境下的高功率电磁脉冲复合效应试验方法，用于确定空间环境下试验对象的高功率电磁脉冲复合效应阈值规律的获取。通过空间环境模拟设备(具备空间粒子环境模拟、空间高低温环境模拟、空间真空环境模拟等环境能力)作用于对象，使其处于空间环境条件下；同时以辐照或注入的方式，加载高功率电磁脉冲信号(可以是窄带高功率微波HPM、超宽带电磁脉冲UWB、宽带电磁脉冲wideband、雷电电磁脉冲LEMP、核电磁脉冲NEMP、静电放电ESD其中的一种，或是多种的复合)；最终，通过检测设备对试验对象进行在线监测，获取空间特殊环境下的高功率电磁脉冲效应阈值，进而进行规律研究。解决了传统试验方法研究的阈值准确性及应用性等方面存在的问题。

[0024] 1、本发明采用多维环境条件复合输入的试验方法，完整地还原了试验对象所处的空间与高功率电磁脉冲复合环境，充分考虑了高低温、真空及粒子等空间环境，保证了损伤阈值的准确性；

[0025] 2、本发明充分考虑了空间环境与常规环境下的热效应及电损伤效应对损伤过程的贡献度差异，保证了效应机理的准确性；

[0026] 3、同时，本发明采用空间目标为试验对象，解决了效应阈值及机理在空间环境下推广应用的有效性问题。附图说明

[0027] 图1为本发明的试验系统框图；

[0028] 图2为本发明中的高功率电磁脉冲频谱分类图；

[0029] 图3为本发明中的空间设备模拟设备组成框图；

[0030] 图4为本发明中的空间试验对象组成框图；

[0031] 图5为本发明中的空间环境HPM复合效应阈值获取试验系统。

具体实施方式

[0032] 下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

[0033] 为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

[0034] 参考附图1，本发明通过空间环境模拟设备(具备空间粒子环境辐照模拟、空间高低温及真空模拟)注入或辐照试验对象，使其处于空间特殊条件下；同时以辐照或注入的方式，加载高功率电磁脉冲；最终，通过检测设备对试验对象进行在线监测，获取空间特殊环境下的高功率电磁脉冲效应阈值，进而开展阈值规律研究。

[0035] 参考附图2，所述空间模拟设备具备模拟空间特殊环境的能力，可以是粒子束环境模拟设备，包括电子源、质子源及中子源，具备产生10keV～50MeV粒子能量能力；空间高低温真空罐，具备-150℃～200℃空间环境温度模拟能力及10-3～10-8Pa真空度模拟能力。

[0036] 粒子束环境模拟设备的作用方式，可以是注入方式或辐照方式，其中注入方式主要针对空腔类结构，粒子源输出端与器件空腔通过法兰接口直接连接，产生的粒子直接进入器件的空腔中；辐照方式为粒子源与试验对象物理隔离，产生的粒子首先脱离粒子源，射向试验对象，最终使试验对象整体处于粒子束包围中。高低温模拟设备、真空模拟设备的作用方式，主要以包围试验对象整体为主。

[0037] 参考附图3，本发明中所包含的高功率电磁脉冲，包括：雷电电磁脉冲(LEMP)，频谱主要分布在1MHz以下；核电磁脉冲(NEMP)，频谱主要在100MHz以下；静电放电(ESD)，频谱主要分布在几十MHz～几百MHz；超宽带电磁脉冲(UWB)，指相对带宽大于20％，频谱主要分布于300MHz～3GHz；窄带高功率微波(HPM)，带宽一般小于5％，频谱主要分布于1GHz～几十GHz。具体信号频谱特征如图3，可以是其中一种，或是多种的复合。

[0038] 高功率电磁脉冲的作用方式，可以是通过同轴线缆或者波导接口注入进入试验对象内部；也可以是辐照充满整个试验环境，使试验对象整体处于高功率电磁脉冲环境中。

[0039] 参考附图4，所述的空间试验对象指包含空间平台及空间有效载荷在内的所有宇航级设备及器件，具体包括电源分系统、控制分系统、热控分系统、测控分系统、数据管理分系统、微波器件、DSP、电源设备及器件。可以是卫星天线、T/R组件、波导连接器、多工器、混频器、放大器、滤波器、卫星太阳能帆板、二次电源、卫星电源分配器、姿态控制处理器、推进平台、隔热组件、卫星模拟及数字处理芯片、航天线缆、卫星舱板。

[0040] 检测设备，包括：标准太阳光源、光谱仪、矢量网络分析仪、表面电位分析仪、红外热分析仪、极高采样率示波器等，主要用于对空间试验对象进行电磁、光学、材料等参数的在线及试验后的参数测量及毁伤分析。

[0041] 具体以高功率微波及空间电子环境复合效应阈值获取为例。

[0042] 如图5所示，通过高功率微波模拟源，产生10ns～1μs脉宽、1Hz～1kHz重复频率、1W～100kW参数可调的HPM信号，经过环形器使功率信号单向流动，防止反射功率进入高功率微波模拟源，再经过耦合器，到达待测设备(DUT)，待测设备输出功率通过大功率负载吸收；同时，使用电子枪，产生一定参数的电子束(电子浓度参数与目标所处的空间轨道环境一致)作用于DUT。监测端，耦合器将大功率信号衰减为小功率信号，并通过高功率微波检波器对信号进行检波处理，最终通过示波器对DUT输入输出信号的脉宽、功率、重频等参数进行在线监测，以及时准确获取空间电子与窄带高功率微波二维复合条件下的HPM效应阈值。

[0043] 具体试验结果分析如下：

[0044] 大气或真空击穿阈值经常以场强E来表示，设常规环境条件下，目标的高功率微波毁伤阈值为E1；空间环境下，高功率微波复合效应阈值为E2。设比例系数k＝E1/E2，k值随空间环境条件的变化而变化。

[0045] 根据场强E、电压U及功率P的关系：

[0046] E∝U

[0047] P∝U2

[0048] 可得：P∝E2

[0049] 所以有：

[0050] 根据毁伤理论分析：电子环境对于高功率微波毁伤的正向促进作用，空间电子环境下的高功率微波复合效应阈值E2必定低于常规条件下的高功率微波效应阈值E1。

[0051] 并根据相关系列试验结果,最终k值取值范围如下：1

[0052] 转化为目标作用距离，则有：

[0053] 由此可见，针对同一目标的同程度毁伤效果，该空间环境条件下所需发射系统的功率仅为常规条件的四分之一。相当于系统功率需求减少至原来的四分之一，或对同一目标作用距离增加至两倍。若试验只考虑地面常规环境，则得出的效应数据与真实空间环境偏差巨大，导致系统作用距离仅为真实作用距离的一半，严重制约了系统的指标设计及适用性。

[0054] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

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