SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 V ol.27 No.4 2005 总第27卷，2005年第4期
船舶电磁兼容测试技术
朱志宇，张 冰，刘维亭
（江苏科技大学 电子信息学院，镇江 212003）
摘 要：分析了由电气设备静电放电引起的电磁干扰机理，并利用小波分析的多分辨特性，对叠加噪声后的电磁干扰信号进行了时频分解，准确判断出放电干扰发生的时刻，提取了放电信号，从而完成了对静电放电的电磁兼容分析，为进一步抑制干扰源提供了依据.
关键词：船舶；电磁兼容；电磁干扰；静电放电；多分辨小波
中图分类号：U665.26 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2005) 04-0049-04
Measurement Technique of Electromagnetic Compatibility for Ships
ZHU Zhi-yu, ZHANG Bing, LIU Wei-ting
(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)
Abstract: This paper analyzes the mechanism of electromagnetic interference (EMI) caused by static discharge of electrical equipment. The interference signal added with noise is decomposed into different frequency range using multi-resolution wavelet. The discharge signal is extracted and the time at which discharge interference happens is exactly estimated. As a result, the electromagnetic compatibility (EMC) analysis of static discharge is carried out, that can provide basis for the further control of interference sources.
Key words: ship; electromagnetic compatibility (EMC); electromagnetic interference (EMI); static discharge; multi-resolution wavelet
1 引言
随着科学技术的发展，船舶电子装备的频带越来越宽，而其所处的空间相对狭小，它们的启、停过程很容易产生电磁干扰，使船舶的电磁环境越来越复杂；船上的雷达、无线电等发射电磁能量的装置会对其它电子设备造成电磁干扰（EMI ）；船舶频宽资源有限，大量的设备重复使用某些频段，造成了严重的相互干扰.因此，船舶设计对电磁兼容（EMC ）的要求越来越高[1].
EMC 是通过控制EMI 来实现的，如何测试并抑制干扰源是EMC 研究的重要组成部分[2].如今，EMC 测试已成为EMC 研究中的一个重要研究方向，国外
收稿日期：2004-09-01；修回日期：2005-04-04
已研制出了一些商业化的软件和测试设备，但是主要的技术内容都是保密的[3].我国正在组织技术力量加强EMC 的研究应用，从1994年起开始全面规划和推进我国EMC 标准的制订修订工作，促进EMC 技术的进步和保护电磁环境，以缩短在EMC 测试技术方面与国外存在的差距.
目前EMC 测试研究的主要理论工具是Fourier 分析，但Fourier 分析不适用于突变信号，而电磁干扰往往是含有丰富频率成分的瞬变信号.近年来发展起来的小波理论，在分析信号时具有良好的局部性质[4]，可以聚焦到信号的任意细节上，因而十分适合于瞬变信号和非平稳信号分析，这就为电磁兼容
作者简介：朱志宇（1971-），男，硕士，副教授，主要从事船舶运动控制和自动化研究.
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预测技术提供了新的理论基础.
本文应用小波分析的多分辨特性，分析船舶电子设备之间的电磁干扰状况，对船舶电子设备中具有不同时频特性的干扰源做出EMC 预测分析.
3 船舶电子设备的电磁兼容测试
为了达到系统电磁兼容的目的，需要尽量削弱干扰源，抑制干扰传播途径，降低每个设备的敏感度.因此，在船舶设计和制造过程中，进行电磁干扰的预测分析，是实现电磁兼容的关键，也为进一步防止和控制电磁干扰提供了依据.
本文主要考虑一种船舶常见的EMI 情况，即由电气设备的静电放电引起的EMI ，并应用多分辨小波，对这种EMI 进行时频分析. 3.1 EMI干扰信号的描述
静电放电是一种有害的干扰源.随着设备上的电荷不断积累，可能会产生数千至数万伏，甚至高达1000kV 的电压.当带静电的设备放电时，会产生放电电流，引起短暂的强电磁场，强电磁场可以直接穿透设备，或者通过缝隙、输入输出电缆耦合到敏感电路，损坏电气设备.大多数半导体器件很容易受静电放电干扰而损坏，特别是大规模集成电路器件更为脆弱.因此，静电放电EMI 是EMC 研究的重要内容之一.
在我国《国家电磁兼容规范》的GB/T
2 小波分析及多分辨小波[4]
小波分析能够对信号进行多尺度细化分析，它具有可变的时－频窗口，因此十分适用于分析干扰信号.应用小波分析的多分辨率特性，对干扰信号进行分解，可以将信号划分为多个频带，提取某段频率范围的时频特性，进行频谱分析，从而对设备中具有不同时频特性的干扰源做出EMC 预测分析.
对于函数φ(x ) ∈L 2(R ) ，由{φj,k , k∈Z }生成的闭子空间记为V j ，即：
V j =span j , k k Z ,
j ∈Z （1）
当空间序列{V j }j ∈Z 满足一定的条件[4]时，尺度函数φ生成空间L 2(R ) 中的一个多分辨分析（MRA ），那么根据φ的两尺度关系，有如下的双尺度差分方程：
N −1n =0
ϕ(t ) =2∑h n ϕ(2t −n ) ψ(t ) =2∑g n ϕ(2t −n )
n =02N −1
（2）
17626.2-1998[5]中具体规定了静电放电的波形（见图1），以及静电放电抗扰度实验的要求：对于接触放电，受试设备应能通过±2kV 和±4kV 的试验电压等级；对于空气放电，受试设备应能通过±2kV 、±4kV 和±8kV 的试验电压等级.
从图1可以看出，静电放电波形持续时间短，频谱范围广，是一种典型的非平稳突变信号，因此，用传统的傅立叶频谱分析方法，很难将其与其他干扰区分开来.小波分析良好的局部时频分析能力，使其能够处理瞬变、突变的静电放电信号.
30
60
t /ns
图1 静电放电典型波形
I
其中ψ(t ) 为小波函数. 定义：W j =span {j , k
, k Z } （3）
&W j , j ∈Z （4） 满足：V j +1=V j +
于是对任一x (t ) ∈L (R ) ，假设 P j x (t ) 是x (t ) 在V j
(j )
中的投影，也就是x (t ) 在分辨率j 下的平滑逼近，c k
2
是其离散逼近；D j x (t ) 是x (t ) 在W j 中的投影，它反映了P j-1x (t ) 和
(j )
P j x (t ) 之间的细节差异，而离散值d k 就
2
是小波变换WT x (j,k ) .
由于{V j }是L (R ) 的多分辨分析，因此有：
(j −1) (j −1)
P j −1x (t ) =∑c k φj −1(t ) , c k =（5）
k
P j x (t ) =∑c φj , k (t ) , c
k
(j )
k (j ) k
(j ) k = （6） = （7）
D j x (t ) =∑d ψj , k (t ) , d
k
(j ) k
P j −1x (t ) =P j x (t ) +D j x (t ) （8）
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采用下述公式来模拟静电放电的波形：
x (t ) =Ae −(t −t
0) /τ
只要N 值给定，就可求出Q (e −i ω) ，并进一步求解出Q (e −i ω) 和H (ω) ，最后计算得到尺度系数h n 和小波系数g n
N 值越大，尺度函数和小波函数的正则性将增强，但滤波器也将变得复杂，因此折衷考虑后，在本文的仿真实验中取N =5. 3.3 小波分析尺度的确定
尺度的选择对于小波分析的结果有至关重要的影响，如果尺度选择得过小，则无法描述信号的细节；尺度选择过大，又会造成计算量上升，影响算法的效率.小波分析的尺度采用下述方法确定.如果用每一尺度下小波变换的导数平方和作为判据指标.即令：
WT X (a , τ) =
2
sin[f 0(t −t 0)] （9）
其中，A ，t 0，τ 和f 0分别表示放电的幅值、脉冲起始时刻、衰减时间常数和振荡频率.选择参数为：A =0.5，t 0=800µs ，τ=5µs ，f 0=200kHz.
在放电信号上叠加多个背景噪声，然后对放电信号进行采样，采样频率为1000kHz ，如图2所示，此时，放电信号淹没在噪声中，无法从图中分辨出放电信号发生的时刻.
3.2 Daubeches小波
由多分辨分析给出的重要结果是公式（2）给出的双尺度差分方程，其中h n 和g n 之间的关系是在
6 4 2 0 -2-4-6
0 200
600800
t /µs
图2 叠加噪声后的干扰波形
dt （13）
400
1000
AF (a ) =∑[
τ=0
N −1
dWT X (a , τ) 2
（14） d τ
其中N 为数据点数，当AF (a ) 取最小值时所对应的尺度即为最优尺度a opt ，经过计算后得：a opt =4.
图3给出了干扰信号经过小波变换后的第二层小波细节（尺度＝2），从图中可以观察到t =800µs 的放电信号.
210-1-2
400 600 800 1000
t /µs
图3 小波变换后的第二层小波系数 0
200
ϕ(t ) 和ψ(t ) 彼此正交的条件下得出的，有：
g n =(-1)N h 2N -n -1 （10）为了得到小波的形式，关键是获得实系数h n 和g n 的数值.
本文采用Daubechies 小波，和图2中的信号做点卷积运算，实现对EMI 信号的测试.Daubeches 小波从选择滤波函数H (ω) 入手，得到的尺度函数ϕ (t ) 与子波ψ(t ) 都是紧支撑集，假设H (ω) =∑h n e in ω
n
4 结语
本文分析了由船舶电气设备的静电放电引起电磁干扰的机理，利用小波分析在分析时频信号时所具有的良好的局部性质，根据多分辨思想，对淹没在噪声中的静电放电干扰信号进行了时频分解，将干扰信号划分为多个频带，进行频谱分析，准确判断出了放电干扰发生的时刻，从窄带干扰中提取出了放电信号，从而对设备中的放电干扰源作出了正确的EMC 分析，为进一步抑制干扰源提供了依据.
是三角多项式，系数{h n }是实数，则H (ω) 可表示成如下形式：
1
H (ω) =[(1+e i ω)]N Q (e −i ω) N ∈Z + （11）
2
通常情况下Q (e −i ω) 也取三角函数多项式形式，即：
Q (e
−i ω
2
⎛N −1+
) =∑⎜⎜j j =0⎝
2
N −1j ⎞1−cos ωj
⎟ （12） ⎟(2⎠
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参考文献：
[1] 王振明，龚锦伟等.小艇电磁兼容性设计[J].船舶，
2002，(3)：45～47.
[2] 蔡仁钢.电磁兼容原理、设计和预测技术[M].北京：
北京航空航天大学出版社，1997.
[3] 王禹.电磁兼容技术[J].航空计算技术，2001，31(2)：
58～61.
[4] 杨福生.小波变换的工程分析与应用[M].北京：科学
出版社，1999.
[5] 邱焱，肖雳. 电磁兼容标准与认证[M].北京：北京
邮电大学出版社，2002.
2005年中国船舶工业发展论坛
2005年6月27日，由中国科学技术协会和国防科学技术工业委员会联合主办，中国造船工程学会承办的“中国船舶工业发展论坛”在北京皇家大饭店举行，在上海、广州、大连设分会场，进行电视直播。论坛共收到论文55篇，内容涉及发展战略、政策导向、科技进步、配套发展、风险防范、信息化建设和人力资源等。
大会由中国造船学会理事长黄平涛主持，中国科协书记处书记冯长根致词。下表列出了演讲的内容。
演讲题目
坚持科学发展观，促进船舶工业全面、协调、可持续发展 提高我国船舶出口竞争力，努力成为世界造船强国 充分发挥开发性金融优势，积极支持中国船舶工业的发展 中国制造业科技发展战略
坚持政策性导向，积极推动船舶出口 自主创新与结构调整
军船总体关键技术的发展与思考
国际标准变化与中国船舶工业发展的对策 中石油海洋油气田勘探开发与海洋石油工程技术 中国石化集团进口原油运输现状与展望
造船工业的重要领域—海洋石油工业的过去、现在和未来 中船重工集团公司机遇中发展，改革中奋进 建立现代造船模式是造船企业永恒主题 关于四省区地方造船发展的研究 建设造船强国中的修船发展战略研究 “海运强国”和“造船大国”的战略互动 船舶工业应当加快建立风险预警机制
演讲人
张广钦 国防科工委副主任 魏建国 商务部副部长 刘克崮 国家开发银行副行长 柳百成 中国工程院院士 朱鸿杰 中国进出口银行副行长 胥和平 科技部调研室副主任 姜志军 海军装备研究院院长 李科浚 中国船级社总裁
石 林 中石油集团海洋工程有限公司总经理 段彦修 中石化股份有限公司生产经营管理部副主任李 宁 中国海洋石油总公司工程建设部总经理 方书甲 中国船舶重工集团公司总工程师 周振柏 中国船舶工业集团公司科经委副主任 郁泉兴 中国船舶工业第九设计研究院技术顾问 李正建 中海工业公司经理
贾大山 交通科学研究院水运所运输部主任 曹友生 中国船舶工业经济研究中心副主任
6月28日上午，中国造船学会还召集了各专业委员会、各地方学会出席论坛的代表、学会三刊的代表以及特邀专家，就论坛的成果与建议进行的研讨，同时讨论了学科发展蓝皮书的初稿。
《船舶工程》通讯员 2005年6月28日于北京
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