多级发射达到高速时的电磁问题分析

摘 要 为了对多级发射达到高速时的电磁问题进行研究，以使用板状发射体和箱形线圈的多级重接式电磁发射为研究对象，推导了多级线圈电磁场和发射体涡流场的综合作用方程，利用ANSOFT电磁场有限元分析软件建立了三维有限元仿真模型并进行仿真计算。

【关键词】电磁发射 重接式电磁发射 多级发射 电磁场分析

1 多级发射电磁信号处理理论研究

1.1 电磁信号处理概述

多抽样率指的是信号速率的变换，主要有抽取和内插两种方式。抽取是指将原始信号中的某些值抽取出来单独组成一个新信号的变换，内插则是指在原始信号间插入一些新的信号值，使其抽样率升高的变换。从概念上讲实现抽样率的变换有模拟及数字两种方法。其中，模拟方法是一种传统的方法。这种传统方法的过程比较复杂，而且由于量化噪声等的引入，容易造成信号失真。因此人们提出了数字方法――多抽样数字信号处理，所谓数字方法就是无需将信号在数字域和模拟域之间不断的转换，完全用数字处理的方法完成抽样率的转换。

早在 20 世纪 70 年代，国外学者就提出了多抽样率信号处理技术。 70 年代两通道正交镜像滤波器组应用于语音信号的压缩，极大的促进了该技术的发展。但是，由于分析及综合滤波器组，以及混叠误差的存在，信号无法实现准确重建，该技术的应用受到了很大的限制。从此多抽样率数字信号处理得到了众多学者的重视，对该技术进行了进一步研究。 80 年代开始，多抽样率信号处理理论在各个领域得到了迅速发展，各种理论研究成果和应用不断出现，促进了整个信号处理的发展。 20 世纪末，有关混叠消除和信号准确重建的理论得到了极大的发展。

1981 年 Crochiere R.E 和 Rabiner L.R 发表了关于多抽样率信号处理系统中内插与抽取的综述性文章。随后， Vaidyanathan P.P 发表了许多多抽样率信号处理系统方面的著作。从此，多抽样率信号处理领域得到了飞速的发展，特别在设计多抽样率滤波器组方面，涌现了多种滤波器准确重建的形式。还提出了多抽样率理论在多相理论和多抽样率系统在高效率信号压缩高效窄带滤波器的脉冲响应序列的编码新技术以及可调整的多级 FIR 滤波器的设计等一些非传统领域的应用。随着多抽样率信号处理技术研究的进一步发展，从 20 世纪 80 年代初开始，多抽样率处理技术在通信、语音、图像压缩、数字音频系统、统计和自适应信号处理、差分方程的数值解等工程实践中得到广泛的应用。

1.2 抽取过程频域分析

抽取是指将原信号中的某些值抽取出来单独组成一个新的信号的变换过程。一般方法是每隔一定的点数抽出一点，实现均匀抽取。我们把抽样数据每隔 D-1（D 为整数）个抽取一个数称为整数倍抽取，D 称为抽取因子，也称为 D：1 抽取。

2 多级发射达到高速时的电磁分析方法

2.1 多级发射效应的理论研究

从电磁感应理论、涡流效应、电磁发射原理等相关理论入手，在影响横向磁通发射热效应的参数的理论研究的基础上，针对多级电磁发射的特点，重新选择参数对纵向电磁发射进行研究。

2.2 多级发射效应的仿真分析

利用 ANSYS 有限元分析软件，建立多级电磁发射的几何模型，对几何模型加载电流密度模拟多级发射过程。采用单因子变量法对各参数进行逐一分析。即在仿真分析的过程中，仅改变某一参数的值，保持其他参数的值不变，最后比较仿真结果，分析单一参数的作用效果，对各参数的作用效果进行定性的分析。

2.3 纵向发射热效应的实验研究

搭建多级发射实验平台。实验台由 45 号圆试件、发射线圈、电磁发射设备、红外热像仪组成。设计材料在多级发射方式下的电磁发射实验。实验时将发射线圈绕成圆柱形，电磁发射设备产生交变电流通入发射线圈中，将圆钢试件置于圆柱形线圈内部，由于电磁感应效应线圈周围产生交变磁场，在圆钢圆柱面产生涡流，涡流产生的热效应使圆钢圆柱面表面温度升高。电磁发射结束后，通过红外热像仪对圆钢圆柱面拍摄，获得红外热图后，利用红外热像图分析软件获取圆钢表面温度场信息，由此可获得电磁发射的热效应指标的数值。

2.4 建立各参数与发射热效应指标的数学模型

根据多级电磁发射的特点和试件的尺寸重新选取影响发射热效应的参数和水平，并选用两个热效应指标进行建模分析，建立多发射参数与多热效应指标之间的偏最小二乘回归模型。本文考虑的纵向电磁发射参数即偏最小二乘回归法中的自变量。所不同的是，本文考虑的发射热效应指标即因变量有两个。发射实验后，仍将实验结果数据表转换为偏最小二乘回归法的数据表，运用偏最小二乘算法构建各因变量与自变量之间的偏最小二乘关系，建立参数与发射热效应指标之间的数学模型。同样的，为验证模型的准确性，选取参数的组合再次进行电磁发射实验，获取发射热效应指标的观测值。同时，通过已建立的模型获得发射热效应指标的预测值。对比发射热效应指标的观测值和预测值，计算验证误差，通过验证误差的大小判断该数学模型的准确性。

3 实验系统

根据理论研究，研制一套主动式电磁发射检测装置。该装置包括主动调整、发射运动以及速度监测三部分。其中，主动调整部分，传感器感应被测工件的结构信息，经适当控制计算，反馈给原有发射和装置结构，利用机械驱动的方式自动调整传感器探头沿检测装置径向的结构参数、利用改变电路参数的方式改变探头的电参数，改善装置的检测效果，实现自检测、自校正及自补偿功能；发射运动部分，为探头提供稳定的发射运动；速度监测部分，实时监测检测过程中探头的发射速度。

该系统主要由主动调整装置、发射及测速装置、电涡流检测系统组成。其中主动调整装置包括涡流检测装置、控制处理装置、驱动装置三个部分。检测装置检测工件的尺寸、结构等方面的信息，根据系统中建立的数学模型处理，将反馈量反馈给原有发射和结构，自动调整传感器探头沿检测装置径向的结构以及发射线圈的电参数。发射及测速装置为调整好的探头提供发射运动，并在运动的过程中跟踪发射速度的变化。电涡流检测系统包括涡流探伤装置、预处理装置、信号采集处理及综合评估四个部分。涡流探伤装置由振荡源、发射线圈、检测线圈以及待测工件等组成，完成对被测工件的实时主动检测；预处理装置完成检测信号的滤波放大处理，使信号的信噪比提高并易于处理；信号采集处理完成信号的数字化转换及空间位置检测，利用提取算法、解调技术及评估方法完成缺陷的识别。

实验过程中，正弦信号发生器产生一定频率的正弦波作为发射线圈的发射信号，其频率由集肤效应并结合实验来确定。检测线圈首先输出工件的尺寸、结构等信号到控制仪中进行分析处理，然后由控制仪输出信号控制驱动装置以调整涡流探头的结构参数和发射线圈的电参数，使检测线圈能检测到较好的涡流信号，然后启动发射及速度跟踪装置，进行工件缺陷发射。检测信号进入预处理装置-滤波放大电路，然后通过 A/D 采样将信号数字化。利用离散周期信号频谱分析原理对检测信号进行分析，在此基础上确定发射检测信号的采样方案。最后采用多抽样率信号处理方法和能量算子解调法对采集的信号进行处理、重构，完成工件缺陷的识别。

4 结语

本文开展多级电磁发射检测技术及其信号处理系统的实验验证及研究，设计了以计算机测控系统为检测核心的主动式电磁发射检测系统，搭建实验平台。验证了测量模型的正确性，并开展主动调整及发射检测模拟实验，实验结果与仿真结论基本吻合，为相关理论研究提供了有力的支撑。本文所做的分析和仿真，侧重于从发射过程中某一时刻、发射体某一位置电磁状态的角度进行描述，对发射整体过程的描述有待于进一步的研究。

参考文献

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作者简介

万学哲（1971-），男，吉林省桦甸市人。现为国家新闻出版广电总局2024台高级工程师。研究方向为发射机及计算机控制。

作者单位

国家新闻出版广电总局2024台 黑龙江省佳木斯市 154025