[发明专利]一种基于三维线圈的野外地空电磁环境模拟装置及方法

权利要求书

1.一种基于三维线圈的野外地空电磁环境模拟装置，其特征在于：包括长方体框架、X轴线圈组、Y轴线圈组、Z轴线圈组、控制信号源和电磁接收装置；

在长方体框架中建立笛卡尔坐标系，X轴和Y轴在水平面，相互垂直，Z轴垂直于X轴和Y轴；X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组分别包括两个匝数相同的线圈，其中，X轴线圈组分别绕设在长方体框架X轴方向的两对称面的边框上，Y轴线圈组分别绕设在长方体框架Y轴方向的两对称面的边框上，Z轴线圈组分别绕设在长方体框架Z轴方向的两对称面的边框上；每匝X轴线圈、Y轴线圈和Z轴线圈的边长与长方体框架边长相同；

X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组的每匝线圈分别与控制信号源相连；电磁接收装置设在长方体框架中心；每匝X轴线圈、Y轴线圈和Z轴线圈的匝数Nx、Ny、Nz、电流大小Ix、Iy、Iz和方向由以下公式计算：

公式(1)-(3)中：μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7；x、y、z表示电磁接收点坐标；I_x、I_y、I_z分别表示X轴线圈、Y轴线圈和Z轴线圈的激励电流大小；N_x、N_y、N_z分别表示X轴线圈、Y轴线圈和Z轴线圈的匝数；l_x、l_y、l_z分别表示长方体框架与轴线平行的边的边长；a_x、a_y、a_z分别为l_x、l_y、l_z的1/2；I_x、I_y和I_z为正值分别表示X轴线圈和Y轴线圈的电流方向为沿着X轴和Y轴方向逆时针，Z轴线圈的电流方向为沿着Z轴方向顺时针；反之则电流方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维线圈的野外地空电磁环境模拟装置，其特征在于：在长方体框架内会形成电磁场均匀空间，均匀空间内各点的磁场误差小于10％，长方体框架的各边长大于等于2.5倍的均匀空间的对应边长；根据公式(1)-(3)计算出的数组X轴线圈、Y轴线圈、Z轴线圈的匝数N_x、N_y、N_z电流大小I_x、I_y、I_z和方向，根据误差计算公式(4)-(6)提取出满足最大误差约束即最大误差小于10％的N_x、N_y、N_z、I_x、I_y、I_z数据组；

公式(4)-(6)中：Er_x、Er_y、Er_z分别表示三分量磁场的最大误差，B_x’、B_y’、B_z’分别表示均匀空间内距离原点最远处的三分量磁场，B_x、B_y、B_z表示要模拟的野外电磁环境三分量磁场。

3.一种基于三维线圈的野外地空电磁环境模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、确定长方体框架尺寸：

根据需要确定需要模拟的电磁场均匀空间的边长尺寸，长方体框架的各边长大于或等于2.5倍的均匀空间的对应边长，建立长方体框架；

步骤二、计算线圈匝数及电流：

分别提取野外待测环境某一点地空电磁环境三分量电磁场B_x、B_y、B_z，根据公式(1)-(3)计算X轴线圈、Y轴线圈和Z轴线圈的匝数Nx、Ny、Nz、电流大小Ix、Iy、Iz和方向；

公式(1)-(3)中：μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7；x、y、z表示电磁接收点坐标；I_x、I_y、I_z分别表示X轴线圈、Y轴线圈、Z轴线圈的激励电流大小；N_x、N_y、N_z分别表示X轴线圈、Y轴线圈、Z轴线圈的匝数；l_x、l_y、l_z分别表示长方体框架与轴线平行的边的边长；a_x、a_y、a_z分别为l_x、l_y、l_z的1/2；

计算得到的I_x、I_y和I_z为正值，分别表示X轴线圈和Y轴线圈的电流方向为沿着X轴和Y轴方向逆时针，Z轴线圈的电流方向为沿着Z轴方向顺时针；I_x、I_y和I_z为负值则电流方向相反；

步骤三、确定线圈匝数及电流：

从步骤二计算出的数组匝数N_x、N_y、N_z电流大小Ix、Iy、Iz和方向中，根据误差计算公式(4)-(6)提取出满足最大误差约束即最大误差小于10％的N_x、N_y、N_z、I_x、I_y、I_z数据组；

公式(4)-(6)中：Er_x、Er_y、Er_z分别表示三分量磁场的最大误差，B_x’、B_y’、B_z’分别表示均匀空间内距离原点最远处的三分量磁场，B_x、B_y、B_z分别表示要模拟的野外电磁环境三分量磁场；

步骤四、建立电磁环境模拟装置：

根据步骤三确定的X轴线圈、Y轴线圈、Z轴线圈的匝数N_x、N_y、N_z将两个X轴线圈分别绕设在长方体框架X轴方向的两对称面的边框上，两个Y轴线圈分别绕设在长方体框架Y轴方向的两对称面的边框上，两个Z轴线圈分别绕设在长方体框架Z轴方向的两对称面的边框上；每匝线圈由接线端子连接，绕设好线圈后，X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组的每匝线圈分别与控制信号源相连，电磁接收装置设在长方体框架中心；通过控制信号源给X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组分别通以大小为I_x、I_y、I_z的电流信号，同时激励，由电磁接收装置接收电磁场信号；

步骤五、模拟电磁环境

根据需要模拟的接收系统在实际野外电磁环境中沿测线方向的三分量磁场B_x、B_y、B_z数据组，重复步骤二的计算公式，其中N_x、N_y、N_z不变，输入不同组B_x、B_y、B_z计算出多组I_x、I_y、I_z，重复步骤三精确提取误差控制范围内的数据组；通过控制信号源向X轴线圈组、Y轴线圈组和Z轴线圈组通以大小为I_x、I_y、I_z的不同电流信号同时激励，进而控制模拟装置中均匀空间及电磁接收装置处的磁场大小，达到模拟接收系统在野外空中移动时电磁环境的效果。