基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法技术

本发明专利技术提供一种基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法，统计结果精度高，运算效率突出，更加符合相关专业评估工作的需求。该方法包括以下步骤：(1)根据天线结构，使用相应的电磁场散射算法，创建天线HEMP耦合响应模型；(2)基于用户设定的不确定性变量及其服从的统计特性分布类型，根据需要进行统一化转换并使用相对应的多项式基，对耦合的随机响应进行多项式混沌展开；(3)根据不同多项式的类型，通过相应形式的高斯积分获得各多项式的系数，得到天线HEMP耦合响应的解析表达式；(4)推导计算获得天线HEMP耦合响应的统计特性参数，并运用蒙特卡洛法得到概率密度分布函数和累积概率分布函数。

Statistical Method for Coupled Response of Antenna High Altitude EMP Based on Polynomial Chaotic Expansion

The invention provides an antenna high altitude electromagnetic pulse coupling response performance statistics method based on polynomial chaotic expansion, which has high precision of statistical results and outstanding operational efficiency, and is more in line with the needs of relevant professional evaluation work. The method consists of the following steps: (1) according to the antenna structure, the HEMP coupling response model of antenna is created by using the corresponding electromagnetic scattering algorithm; (2) based on the uncertain variables set by users and the statistical characteristic distribution types they obey, the coupling is unified and transformed according to the need, and the corresponding polynomial basis is used to follow the coupling. Machine response is expanded by polynomial chaos; (3) According to the types of polynomials, the coefficients of each polynomial are obtained by corresponding forms of Gauss integral, and the analytical expressions of antenna HEMP coupling response are obtained; (4) The statistical characteristic parameters of antenna HEMP coupling response are derived and calculated, and the probability density score is obtained by Monte Carlo method. Distribution function and cumulative probability distribution function.

【技术实现步骤摘要】
基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法
本专利技术涉及一种高空电磁脉冲天线耦合响应性能的统计分析方法，是高空电磁脉冲(High-AltitudeElectromagneticPulse,HEMP)无线通信设备效应评估及无线通信设备电磁脉冲防护设计的重要组成部分，同时也在通信抗干扰、电磁兼容等领域也能发挥重要作用。
技术介绍
高空电磁脉冲环境具有场强幅值大、电磁能量高、辐照区域广等特点，覆盖区域范围内的所有安装在室外的通信天线均会激励产生一定的耦合电流，电磁能量沿着天线端口、射频电缆进入到通信设备内部，对通信设备造成器件上的损伤或波形干扰。欧美等发达国家早在20世纪50年代起就开始关注并研究此问题，目前已经制定系列化的军用及民用标准[1,2]。HEMP效应试验过程中，通常使用标准规定的各种波形来产生HEMP电磁环境，而真实环境下的电磁波入射参数、天线结构以及脉冲源和被试物相对位置等均具有多种不确定因素，需要进一步通过统计分析方法从理论计算上提供数据，帮助效应试验进一步缩小和真实环境的差异，提高试验数据的有效性[3]。此外，在评估通信设备HEMP损伤概率的计算过程中需要设备的损伤阈值和天线端口响应概率分布，同样需要考虑耦合过程中所涉及的不确定因素。传统方法通常采用蒙特卡洛数值模拟法获取由于这些不确定性因素导致天线耦合响应的不确定度，然而由于随着不确定性因素数量的增加，其计算量也飞速增长，必须寻求一种高效的性能指标统计方法使得效应评估工作的效率得以提升。引证文件：[1]IEC61000‐2‐10,Electromagneticcompatibility(EMC)Part2‐10:Environment‐DescriptionofHEMPenvironmentConductedDisturbance,1998.[2]IEC61000‐4‐25,Electromagneticcompatibility(EMC)Part4‐25:Testingandmeasurementtechniques‐HEMPimmunitytestmethodsforequipmentandsystems,2001.[3]W.A.Radasky,etc."ModelingofanEMPconductedenvironment."IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,Vol.38,No.3,Aug1996.
技术实现思路
针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术提供一种基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法，能够有效减少计算量，统计结果精度高，运算效率突出，更加符合相关专业评估工作的需求。本专利技术的解决方案如下：该基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法，包括以下步骤：(1)根据天线结构，使用相应的电磁场散射算法，创建天线HEMP耦合响应模型，确定相关输入参数和输出指标，所述相关输入参数包括HEMP波形、天线结构材料参数和空间环境参数；所述输出指标包括天线端口短路电流、负载电流和开路电压中的至少一个指标；(2)基于用户设定的不确定性变量及其服从的统计特性分布类型，根据需要进行统一化转换并使用相对应的多项式基，对耦合的随机响应进行多项式混沌展开；(3)根据不同多项式的类型，通过相应形式的高斯积分获得各多项式的系数，得到天线HEMP耦合响应的解析表达式；(4)根据各多项式的系数，推导计算获得天线HEMP耦合响应的统计特性参数；并且，根据不确定性变量的分布类型，对所述解析表达式运用蒙特卡洛法得到给定置信度区间下的波动范围、以及给定频点或时间点下的概率密度分布函数和累积概率分布函数。进一步的，步骤(1)中所述天线结构材料参数包括天线尺寸、剖分尺寸、天线金属材料导电率和负载。进一步的，步骤(1)中所述空间环境参数包括自由空间相对介电常数。进一步的，步骤(1)中所述HEMP波形(激励场)具体为Bell实验室波形或IEC标准波形。进一步的，步骤(2)中用户设定的不确定性变量包括以下变量中的至少一种：HEMP激励源和天线结构的相对位置参数变量、入射波的入射仰角、方位角和极化角度。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、相较于传统的蒙特卡洛方法，该方法在计算效率上大幅提升，节省的计算时间十分明显，同时精度同蒙特卡洛法相一致。2、该方法具有严谨的数理基础，由于其解析地表示了天线HEMP耦合响应，可以认为给出的时间点上的耦合响应的统计特性分布是严谨的。3、对于服从不同统计特性的不确定性变量，其可以通过统计特性参数之间的相互转换在该天线HEMP耦合响应模型中得以应用。附图说明图1为本专利技术的原理示意图。图2为本专利技术的一个实施例与传统方案(蒙特卡洛法)在准确度及效率上的对比结果。图3为天线时域耦合响应峰值的概率密度函数，其中，(a)体现的指标是短路电流，(b)体现的指标是负载电流。图4为给定置信区间[10％,90％]下天线耦合响应的波动区间预测，其中，(a)体现的指标是短路电流，(b)体现的指标是负载电流。具体实施方式本专利技术着力提高高空电磁脉冲效应不确定度计算效率的提升，基于这一思想，重点构思了以下技术方案：1.确定天线HEMP时域耦合响应模型输入参数和输出指标首先根据天线结构，选择合适的金属体电磁散射计算工具，创建天线HEMP耦合响应模型，确定HEMP耦合响应模型的输入参数，如天线结构尺寸、剖分尺寸、负载、自由空间相对介电常数等模型参数和环境参数；以及HEMP激励场波形选取，如IEC标准波形、Bell实验室波形等具体波形，以及相应的波形参数。确定耦合响应模型输出指标，如天线端口短路电流、负载电流、开路电压等指标选取。2.确定天线HEMP时域耦合过程的随机变量分布针对天线在HEMP环境下的耦合过程，提供了该过程中的不确定性变量及其服从的统计分布类型，使用者可在此处选择需要进行分析的不确定性变量的个数及具体统计特性分布。3.对耦合响应模型进行多项式混沌展开针对天线HEMP耦合过程结合用户在上一步中设置的不确定性变量的个数及统计特性分布，选取与选定不确定变量相对应的多项式类型对耦合随机响应进行展开，其根据多项式的不同类型，通过相应形式的高斯积分获得各多项式的系数。在获得各系数后，通过推导计算获得HEMP天线耦合响应的均值及标准差等统计特性参数。4.求解天线HEMP时域耦合响应的输出指标的统计特性在利用多项式混沌展开法获得天线HEMP耦合响应的解析表达式后，根据不确定性变量的分布类型，对该解析式运用蒙特卡洛法(此时由于解析，蒙卡法效率很高)得到给定置信度区间下的波动范围及给定时间点下的概率密度分布函数和累积概率分布函数。具体来说，本专利技术主要由天线HEMP耦合响应模型、不确定性变量模型以及多项式混沌展开算法构成，其算法流程如图1所示，具体过程如下：1.创建天线HEMP耦合响应模型：其中为高空电磁脉冲下天线耦合过程中存在的不确定性变量向量；ξ1,ξ2...,ξn为不确定性变量，例如HEMP激励源和天线结构的相对位置参数变量、入射波的入射仰角、方位角和极化角度等；为高空电磁脉冲下天线耦合响应输出指标，具体指标如天线端口短路电流、开路电压和负载电流。2.根据不确定性变量服本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据天线结构，使用相应的电磁场散射算法，创建天线HEMP耦合响应模型，确定相关输入参数和输出指标，所述相关输入参数包括HEMP波形、天线结构材料参数和空间环境参数；所述输出指标包括天线端口短路电流、负载电流和开路电压中的至少一个指标；(2)基于用户设定的不确定性变量及其服从的统计特性分布类型，根据需要进行统一化转换并使用相对应的多项式基，对耦合的随机响应进行多项式混沌展开；(3)根据不同多项式的类型，通过相应形式的高斯积分获得各多项式的系数，得到天线HEMP耦合响应的解析表达式；(4)根据各多项式的系数，推导计算获得天线HEMP耦合响应的统计特性参数；并且，根据不确定性变量的分布类型，对所述解析表达式运用蒙特卡洛法得到给定置信度区间下的波动范围、以及给定频点或时间点下的概率密度分布函数和累积概率分布函数。

【技术特征摘要】
1.基于多项式混沌展开的天线高空电磁脉冲耦合响应性能统计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据天线结构，使用相应的电磁场散射算法，创建天线HEMP耦合响应模型，确定相关输入参数和输出指标，所述相关输入参数包括HEMP波形、天线结构材料参数和空间环境参数；所述输出指标包括天线端口短路电流、负载电流和开路电压中的至少一个指标；(2)基于用户设定的不确定性变量及其服从的统计特性分布类型，根据需要进行统一化转换并使用相对应的多项式基，对耦合的随机响应进行多项式混沌展开；(3)根据不同多项式的类型，通过相应形式的高斯积分获得各多项式的系数，得到天线HEMP耦合响应的解析表达式；(4)根据各多项式的系数，推导计算获得天线HEMP耦合响应的统计特性参数；并且，根据不确定性变量的分布类型，对所述解析表达式运用蒙特卡洛法得到给定置信度区间下的波动范围、以及给定频点或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜传报，刘政，毛从光，吴伟，聂鑫，崔志同，吴刚，孙东阳，秦锋，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61