劉子為，劉國(guó)禧，王慶娟

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 珠海 519088）

0 引言

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)、通信技術(shù)等進(jìn)步，無(wú)人艇產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了高速發(fā)展階段。無(wú)人艇一般多為基于某種任務(wù)而進(jìn)行對(duì)應(yīng)目的開(kāi)發(fā)和性能設(shè)計(jì)的、一種在可以在復(fù)雜水面環(huán)境中遠(yuǎn)距離執(zhí)行相關(guān)任務(wù)的機(jī)器人，也可被當(dāng)看成一套復(fù)雜的智能系統(tǒng)，具備環(huán)境感知、目標(biāo)識(shí)別、任務(wù)決策、航行控制等功能。隨著無(wú)人控制技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人艇內(nèi)電子設(shè)備的種類(lèi)、數(shù)量不斷增加、運(yùn)行速度不斷提高，且其艙內(nèi)空間較有人船艇更加狹小，導(dǎo)致艇內(nèi)電氣設(shè)備密度大，電磁環(huán)境更加惡劣，將會(huì)干擾無(wú)人艇平臺(tái)的相關(guān)電子設(shè)備及線纜，進(jìn)而極大地影響系統(tǒng)的性能，更有可能?chē)?yán)重毀壞一些敏感的電子設(shè)備。由于無(wú)人艇應(yīng)用的工況環(huán)境相對(duì)惡劣，在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)須考慮人體舒適度，這就要求無(wú)人艇內(nèi)部設(shè)備、器件等具有更高的可靠性和抗干擾能力。由于無(wú)人員在艇內(nèi)，在航行過(guò)程中，當(dāng)無(wú)人艇內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備受到干擾引起設(shè)備故障時(shí)，將無(wú)法及時(shí)采取人為干預(yù)，可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。這些均要求無(wú)人艇需要具有優(yōu)秀的電磁兼容性能，才能保證其正常航行與作業(yè)。

本文以某型號(hào)無(wú)人艇內(nèi)部發(fā)電機(jī)的輸出電纜線作為干擾源，以線纜傳導(dǎo)作為傳播路徑，以其周邊的單線、同軸線作為敏感源，從而建立線纜串?dāng)_的仿真模型，進(jìn)而分析時(shí)域及參數(shù)仿真結(jié)果。本項(xiàng)目的仿真工作主要基于電磁仿真軟件CST Cable Studio（CST 電纜工作室）完成。CST 線纜工作室是一款專(zhuān)業(yè)線纜級(jí)電磁兼容仿真軟件，基于邊界元法仿真線纜以及周邊三維結(jié)構(gòu)，可以對(duì)真實(shí)工況下由各類(lèi)線型構(gòu)成的數(shù)十米長(zhǎng)線束及周邊環(huán)境進(jìn)行信號(hào)完整性/電磁干擾/電磁敏感分析，即SI/EMI/EMS 分析，能夠解決線纜線束瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)輻照和輻射雙向等問(wèn)題。

1 線纜串?dāng)_概述

從某一條或多條信號(hào)線引入到另一信號(hào)線的近場(chǎng)電磁耦合稱(chēng)之為串?dāng)_，主要為線間的電容性耦合和電感性耦合。對(duì)其他線產(chǎn)生影響的線是一種干擾線，被干擾線影響的線是一種受害線，可以稱(chēng)為一種敏感源。由于這種耦合性能會(huì)在一定程度上影響受害線的正常工作，從某種意義上說(shuō)，盡可能地減少該種耦合值成了專(zhuān)業(yè)人員的研究對(duì)象。

一般來(lái)說(shuō)，有如下幾種方式會(huì)決定了線纜串?dāng)_的強(qiáng)度，分別是：耦合電容大小，干擾線上的信號(hào)頻率大小，受害線上的接地電容大小以及受害線的驅(qū)動(dòng)能力。于是，針對(duì)以上問(wèn)題，可以得到這幾種線纜串?dāng)_的解決方案：一是降低線間產(chǎn)生的耦合電容，即使得線纜之間的距離加大，平行線纜的長(zhǎng)度減?。欢窃黾邮芎€纜的驅(qū)動(dòng)能力，一般情況下線纜串?dāng)_大小隨著受害線的驅(qū)動(dòng)能力值越小而增大，于是可以在接收端增加電容和電阻并聯(lián)接地，然后過(guò)濾干擾信號(hào)，或者可以在電路中安置電壓跟隨器；三是加強(qiáng)受害線的抗干擾性，使得受害線的寬度增加，或者添加屏蔽層等。

2 無(wú)人艇內(nèi)的電磁干擾源與敏感設(shè)備分析

本項(xiàng)目主要研究無(wú)人艇的電磁三要素，即干擾源、干擾路徑以及受擾源。電磁兼容性主要受驅(qū)動(dòng)、電擊、高速信號(hào)等干擾源要素的影響。干擾路徑分為線纜傳導(dǎo)以及空間輻射：線纜傳導(dǎo)即通過(guò)電纜線進(jìn)行傳導(dǎo)，根據(jù)材料對(duì)干擾程度有不同影響；空間輻射即通過(guò)某種介質(zhì)傳導(dǎo)，根據(jù)距離會(huì)對(duì)干擾程度有不同的影響。受擾源包括天線，傳感器，敏感弱點(diǎn)電路等接收信號(hào)的器件。強(qiáng)烈的電磁干擾可能使靈敏的電子設(shè)備因過(guò)載而損壞。

一般能夠產(chǎn)生較大du/dt 和di/dt 的設(shè)備，可被當(dāng)成干擾源。根據(jù)無(wú)人艇內(nèi)部各設(shè)備的種類(lèi)和信號(hào)特點(diǎn)，可以將無(wú)人艇內(nèi)部干擾源可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為電源部分，一類(lèi)為設(shè)備部分。本文以某型號(hào)的電推無(wú)人艇為分析對(duì)象，通過(guò)調(diào)查后確定電源部分的干擾源包括柴油發(fā)電機(jī)、電源充電器/斬波電路等；設(shè)備類(lèi)部分干擾源包括航行控制器（內(nèi)部自帶的全橋、半橋）、工控機(jī)、主控制器（電源可能輸出雜波）、隔離驅(qū)動(dòng)模塊（繼電器等）、動(dòng)力設(shè)備等。無(wú)人艇內(nèi)部CAN 總線、RS486 總線、AD 采集模塊、動(dòng)力控制模塊等，容易受到周?chē)姶艌?chǎng)或?qū)Ь€上的干擾，因而被當(dāng)成敏感設(shè)備。

本文將以該型號(hào)無(wú)人艇艇尾雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜作為干擾源，線纜傳導(dǎo)作為干擾路徑，周?chē)男盘?hào)采集線纜作為受擾源進(jìn)行線纜串?dāng)_仿真與分析。除此之外，本文設(shè)定其他干擾源為理想狀態(tài)，即不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，且無(wú)人艇其他部件工作正常。

3 仿真模型建立

3.1 艇體結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化

線纜周?chē)S結(jié)構(gòu)（金屬）對(duì)線纜串?dāng)_結(jié)果影響較大，為了使得仿真結(jié)果與實(shí)際船艇更加接近，因而首先建立無(wú)人艇艇體三維結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于艇體結(jié)構(gòu)建模，本項(xiàng)目采用艇體設(shè)計(jì)前期的三維圖紙，還原模型的初級(jí)形態(tài)，盡可能地構(gòu)造船頭以及船身，并且還構(gòu)造出了船艇內(nèi)部的各個(gè)艙室的大概位置。

為了簡(jiǎn)化仿真時(shí)間、提升仿真速度，本模型舍去無(wú)人艇的非金屬部分，僅保留艇體金屬部分，其原因是非金屬部分對(duì)電磁干擾的影響非常小，幾乎可以舍去這部分的電磁效應(yīng)。同時(shí)本模型還在艇體結(jié)構(gòu)中的微小縫隙進(jìn)行填補(bǔ)，大大降低了后續(xù)仿真的網(wǎng)格數(shù)量，從而很大程度的提升仿真速度。

艇體三維結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化后，需對(duì)其材料的相關(guān)屬性進(jìn)行定義，由于本艇為鋁合金材料，故需在CST 線纜工作室中對(duì)其電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等材料屬性進(jìn)行定義。金屬材料選為鋁合金，類(lèi)型仿照真實(shí)情況下的可損金屬，電導(dǎo)率為3.56×107 S/m，Mu 值為1.0，其余選為默認(rèn)模式。

3.2 線纜建模

線纜模型建模需要賦予線纜兩個(gè)特征，分別為結(jié)構(gòu)信息和電氣特性。本項(xiàng)目先建立結(jié)構(gòu)信息，包括線纜長(zhǎng)度、路徑、布局、接地等；然后對(duì)建立的線纜路徑段賦予電氣特性，如線纜數(shù)量、類(lèi)型、線徑、材料等，最后將形成完整的線纜模型。

本項(xiàng)目工具實(shí)際情況中的艇尾雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜，即采用16 平電源線，然后在CST 線纜工作室中根據(jù)該線纜的具體尺寸進(jìn)行建模。

為了對(duì)比分析不同線纜類(lèi)型的信號(hào)采集線纜受到尾雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜的串?dāng)_程度，本文分別建立單線與同軸線的信號(hào)采集線纜模型，其剖面圖分別如圖1所示。

圖1 剖面圖

對(duì)于本文研究對(duì)象，根據(jù)在艇內(nèi)的艇尾雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜及周?chē)盘?hào)采集線纜的實(shí)際布線情況，在CST 線纜工作室中按照如上的線纜，然后手動(dòng)添加線纜模型，建成后的線纜在無(wú)人艇三維結(jié)構(gòu)中的位置如圖2所示。

圖2 線纜在無(wú)人艇三維結(jié)構(gòu)中示意圖

3.3 串?dāng)_仿真及分析

本文分別從時(shí)域仿真及參數(shù)仿真兩個(gè)方向，分析艇尾雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜及周?chē)盘?hào)采集線纜的串?dāng)_情況。

3.3.1 時(shí)域仿真

通過(guò)時(shí)域仿真，可以直觀地得到受擾線纜上感應(yīng)到的串?dāng)_電壓值。當(dāng)無(wú)人艇三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化、線纜模型建立完成后，接下來(lái)在CST 線纜工作室中電路圖界面下建立如圖3所示時(shí)域仿真電路。其中電阻值為默認(rèn)的50 Ω，并在激勵(lì)信號(hào)線、傳輸信號(hào)線、近端串?dāng)_信號(hào)線、遠(yuǎn)端信號(hào)串?dāng)_信號(hào)線上添加4 個(gè)探針，分別為P1、P2、P3、P4。

圖3 時(shí)域仿真電路圖

為了更好地模擬實(shí)際情況，在圖3 中Port1 里添加的激勵(lì)源為示波器測(cè)得的艇尾雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜中的實(shí)際信號(hào)，如圖4 上方的曲線，即P1 值所示。該信號(hào)理想狀態(tài)下為12 V 直流輸出，但從圖4 上方的曲線中看出，在實(shí)際工作中該信號(hào)約為10 V，且其上會(huì)疊加上較大的干擾信號(hào)，幅值在±10 V 左右。這種幅值變化大的信號(hào)需要特別注意，這將會(huì)對(duì)周?chē)舾行盘?hào)產(chǎn)生較大干擾。

圖4 信號(hào)采集線纜為單線時(shí)干擾信號(hào)

通過(guò)時(shí)域仿真，可分別得到信號(hào)采集線纜分別為單線與同軸線時(shí)其上的干擾電壓，如圖4、圖5（兩圖中下面的曲線，即P2 曲線值）所示?？梢?jiàn)，當(dāng)信號(hào)采集線纜為單線時(shí)，單線上的干擾電壓達(dá)±5 V 左右，勢(shì)必對(duì)后端對(duì)該信號(hào)的處理產(chǎn)生較大影響，如信號(hào)誤判等，可能會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重后果；而當(dāng)信號(hào)采集線纜為同軸線時(shí)，同軸線上的干擾電壓約為0 V，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生額外的干擾電壓?？梢?jiàn)同軸線的屏蔽效果相較于單線的屏蔽效果好，具有很強(qiáng)的屏蔽性能。

圖5 信號(hào)采集線纜為同軸線時(shí)干擾信號(hào)

3.3.2 S參數(shù)仿真

參數(shù)（Scattering Parameters）是散射參數(shù)，屬于微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)，是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可用于評(píng)估二端口反射信號(hào)和傳送信號(hào)的性能。以二端口網(wǎng)絡(luò)為例，為反向傳輸系數(shù)，也就是隔離。為正向傳輸系數(shù)，也就是增益。為輸入反射系數(shù)，也就是輸入回波損耗，為輸出反射系數(shù)，也就是輸出回波損耗。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)有兩條水管連接在左右兩頭且開(kāi)放不同流速的水時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生左邊的水一部分流到右邊，一部分流回左邊，或者全部流到右邊或全部流到左邊。此時(shí)就可以將這種現(xiàn)象理解成電信號(hào)的輸出結(jié)果。

基于上述定義，對(duì)于線纜線束串?dāng)_分析，以干擾源線纜的輸入信號(hào)端作為Port1，以受擾線纜的其中一端作為Port2而建立二端口網(wǎng)絡(luò)，則代表著干擾源線纜中有多少干擾信號(hào)進(jìn)入了受擾線纜中去。當(dāng)越小，則代表著兩者串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)越小。

在CST 線纜工作室中電路圖界面下建立如圖6所示參數(shù)仿真電路。

圖6 S 參數(shù)仿真電路圖

本文仿真頻率范圍為100 kHz ～200 MHz。圖中Port1為雅馬哈掛機(jī)的輸出線纜一端，其激勵(lì)源同時(shí)域仿真一樣，而Port2 信號(hào)則是采集了線纜一端。為了建立信號(hào)通路，上述兩個(gè)線纜另一端均采用50 Ω 電阻接地的方式。

通過(guò)參數(shù)仿真，可分別得到信號(hào)采集線纜分別為單線與同軸線時(shí)的參數(shù)，如圖7、圖8所示?？梢?jiàn)，在200 MHz 時(shí)，當(dāng)信號(hào)采集線纜為同軸線的參數(shù)約為-50 dB，而信號(hào)采集線纜為單線時(shí)的參數(shù)約為-15 dB，同軸線的參數(shù)小于單線的參數(shù)；這說(shuō)明單線與同軸線之間的串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)更小，同軸線的電氣特性具有更高的電磁抗擾性能。同時(shí)通過(guò)圖7、圖8 比較，可以看出隨著頻率的升高，參數(shù)會(huì)逐漸增加，則意味著隨著頻率的升高，兩個(gè)線纜間的串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)將增加。

圖7 信號(hào)采集線纜為單線時(shí)S21 參數(shù)

圖8 信號(hào)采集線纜為同軸線時(shí)S21 參數(shù)

4 建議

通過(guò)上述仿真分析可知，同軸線的抗干擾能力遠(yuǎn)好于單線，但由于價(jià)格成本較高，在無(wú)人艇設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮線纜所在的電磁環(huán)境、所傳輸信號(hào)的屬性及線纜成本。于是，在實(shí)際情況下的無(wú)人艇內(nèi)部艙室構(gòu)造中，本文認(rèn)為以下線纜布線設(shè)計(jì)和實(shí)施的改進(jìn)方式可以借鑒：

（1）線對(duì)不同線纜的電壓等級(jí)、功率及傳輸信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。先確定無(wú)人艇內(nèi)部線纜的種類(lèi)，而后研究其干擾性以及抗干擾線，對(duì)布線具有積極意義；（2）盡可能分開(kāi)布置不同類(lèi)別的電纜，從源頭阻止線間串?dāng)_問(wèn)題；（3）盡可能屏蔽傳輸高頻及敏感信號(hào)的線纜，或跟換為同軸線纜，且屏蔽層應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)接地；（4）對(duì)于強(qiáng)干擾線纜的周邊布線，盡可能先計(jì)算得到周?chē)木€纜串?dāng)_大小，從而確定周邊線纜線束的布線位置及線纜線束類(lèi)型，以此提高布線水平，減少設(shè)計(jì)成型后布線整改問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文分析了無(wú)人艇內(nèi)干擾源和敏感設(shè)備，采用仿真的方法對(duì)無(wú)人艇內(nèi)部不同種類(lèi)線纜的串?dāng)_問(wèn)題進(jìn)行研究，該方法能夠較準(zhǔn)確、快速地仿真出多種線纜間的串?dāng)_問(wèn)題，對(duì)后續(xù)的無(wú)人艇線纜布局布線及提高無(wú)人艇電磁兼容性能具有指導(dǎo)意義。