本發(fā)明屬于雷電等效電參數(shù)測(cè)試，涉及材料或結(jié)構(gòu)雷電等效電參數(shù)測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

1、材料在雷電作用下的響應(yīng)特性是研究材料抗雷電特性的重要內(nèi)容之一，傳統(tǒng)的方案是對(duì)等效電參數(shù)進(jìn)行求解、測(cè)試材料或結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)函數(shù)，航空航天推薦實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)（aerospace?recommended?practice，arp）5416b-2013里規(guī)定的兩種方法：脈沖注入法及使用掃描頻率測(cè)量法。其中，脈沖注入法是在材料、結(jié)構(gòu)或者導(dǎo)線束上注入雷電脈沖，測(cè)量耦合到材料、結(jié)構(gòu)或?qū)Ь€上的開(kāi)路電壓和短路電流，然后用來(lái)確定傳遞函數(shù)；掃描頻率測(cè)量是利用網(wǎng)絡(luò)分析儀或其他相似的源通過(guò)放大器向屏蔽導(dǎo)線束注入幾安培的電流，然后在內(nèi)線上測(cè)量耦合響應(yīng)。測(cè)量的結(jié)果是響應(yīng)電壓或電流對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的比值，它是頻率的函數(shù)。

2、雖然傳統(tǒng)方法的測(cè)試結(jié)果具有較大優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)方法的應(yīng)用范圍具有如下局限性：（1）現(xiàn)有技術(shù)中，測(cè)量結(jié)果是材料或結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，通常通過(guò)阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量，無(wú)法直接反映材料在瞬態(tài)脈沖（如雷電沖擊）下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。非rlc等效電路參數(shù)的結(jié)果很難直接用于評(píng)估材料特性或匹配線纜終端阻抗，也不可直接作為材料參數(shù)應(yīng)用于仿真之中。（2）波形匹配不足：現(xiàn)有瞬態(tài)測(cè)試方法多采用簡(jiǎn)單階躍或方波激勵(lì)，難以與雷電波形的雙指數(shù)波形響應(yīng)匹配。（3）數(shù)據(jù)非對(duì)齊問(wèn)題：實(shí)際測(cè)試中，輸入輸出波形的時(shí)間序列常因采樣延遲或設(shè)備誤差而無(wú)法對(duì)齊，導(dǎo)致參數(shù)擬合精度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供材料或結(jié)構(gòu)雷電等效電參數(shù)測(cè)試方法，解決了非對(duì)齊時(shí)間序列下的參數(shù)反演問(wèn)題，適用于瞬態(tài)脈沖場(chǎng)景的性能評(píng)估。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，材料或結(jié)構(gòu)雷電等效電參數(shù)測(cè)試方法，具體步驟如下：

3、步驟1、建立等效電路模型：建立被測(cè)材料或結(jié)構(gòu)的等效電路模型，并構(gòu)造等效電路模型的傳遞函數(shù)；

4、步驟2、測(cè)試與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理：向被測(cè)材料或結(jié)構(gòu)注入雙指數(shù)雷電流波形，記錄輸出雷電流波形，對(duì)輸入雷電流波形數(shù)據(jù)和輸出雷電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊處理，擬合獲得雙指數(shù)波形參數(shù)；

5、步驟3、參數(shù)優(yōu)化反演：構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)非線性優(yōu)化算法求解最優(yōu)參數(shù)r，l，c；

6、步驟4、輸出結(jié)果。

7、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

8、步驟1的具體方法為：

9、步驟1.1、建立等效電路模型1

10、等效電路模型1的電路結(jié)構(gòu)為：電阻r串聯(lián)電感l(wèi)，在電阻r和電感l(wèi)的串聯(lián)電路上再并聯(lián)電容c；其中，電路系統(tǒng)輸入端連接電阻r，電路系統(tǒng)的輸出端連接電感l(wèi)；

11、等效電路模型1中電流的測(cè)試方法為：雷電流從輸入端注入到整個(gè)等效電路上，從輸出端測(cè)量輸出電流，為整個(gè)電路上的輸入電流，為電阻r及電感l(wèi)串聯(lián)支路上的輸出電流；

12、步驟1.2、構(gòu)造等效電路模型1的傳遞函數(shù)：

13、（1）；

14、為等效電路模型1的傳遞函數(shù)，為輸入雷電流波形函數(shù)的拉普拉斯變換；為輸出雷電流波形函數(shù)的拉普拉斯變換， s為復(fù)頻率變量， l為電路的等效電感參數(shù)， c為電路的等效電容參數(shù)， r為電路的等效電阻參數(shù)，構(gòu)造等效二次傳遞函數(shù)以匹配雙指數(shù)波形的傳遞函數(shù)：

15、（2）；

16、式中，為自然頻率，為阻尼比，為電路放大系數(shù)，為復(fù)頻率變量。

17、步驟1.1中建立的等效電路模型1替換為等效電路替換模型2：

18、等效電路替換模型2的電路結(jié)構(gòu)為：

19、電阻r串聯(lián)電感l(wèi)，在電阻r和電感l(wèi)的串聯(lián)電路上再并聯(lián)電容c；其中，電路系統(tǒng)輸入端連接電阻r，電路系統(tǒng)的輸出端連接電感l(wèi)；

20、等效電路替換模型2中電流的測(cè)試方法為：

21、雷電流從輸入端注入到整個(gè)等效電路上，從輸出端測(cè)量輸出電流，為整個(gè)電路上的輸入電流，為電容c支路上的輸出電流。

22、步驟1.1中建立的等效電路模型1替換為等效電路替換模型3或等效電路替換模型4：

23、等效電路替換模型3的電路結(jié)構(gòu)為：電阻r串聯(lián)電容c，在電阻r和電容c的串聯(lián)電路上再并聯(lián)電感l(wèi)；其中，電路系統(tǒng)輸入端連接電阻r，電路系統(tǒng)的輸出端連接電容c；

24、等效電路替換模型3中電流的測(cè)試方法為：

25、雷電流從輸入端注入到整個(gè)等效電路上，從輸出端測(cè)量輸出電流，為整個(gè)電路上的輸入電流，為電阻r和電容c串聯(lián)支路上的輸出電流；

26、等效電路替換模型4的電路結(jié)構(gòu)為：電阻r串聯(lián)電容c，在電阻r和電容c的串聯(lián)電路上再并聯(lián)電感l(wèi)；其中，電路系統(tǒng)輸入端連接電阻r，電路系統(tǒng)的輸出端連接電容c；

27、等效電路替換模型4中電流的測(cè)試方法為：雷電流從輸入端注入到整個(gè)等效電路上，從輸出端測(cè)量輸出電流，為整個(gè)電路上的輸入電流，為電感l(wèi)支路上的輸出電流。

28、步驟1.1中建立的等效電路模型1替換為等效電路替換模型5或等效電路替換模型6：

29、等效電路替換模型5的電路結(jié)構(gòu)為：電感l(wèi)串聯(lián)電容c，在電感l(wèi)和電容c的串聯(lián)電路上再并聯(lián)電阻r；其中，電路系統(tǒng)輸入端連接電感l(wèi)，電路系統(tǒng)的輸出端連接電容c；

30、等效電路替換模型5中電流的測(cè)試方法為：雷電流從輸入端注入到整個(gè)等效電路上，從輸出端測(cè)量輸出電流，為整個(gè)電路上的輸入電流，為電感l(wèi)和電容c串聯(lián)支路上的輸出電流；

31、等效電路替換模型6的電路結(jié)構(gòu)為：電感l(wèi)串聯(lián)電容c，在電感l(wèi)和電容c的串聯(lián)電路上再并聯(lián)電阻r；其中，電路系統(tǒng)輸入端連接電感l(wèi)，電路系統(tǒng)的輸出端連接電容c；

32、等效電路替換模型6中電流的測(cè)試方法為：雷電流從輸入端注入到整個(gè)等效電路上，從輸出端測(cè)量輸出電流，為整個(gè)電路上的輸入電流，為電阻r支路上的輸出電流。

33、步驟2的具體方法為：

34、步驟2.1、測(cè)試與數(shù)據(jù)采集：依據(jù)sae?arp?5416a-2013?aircraft?lightning?testmethods標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試并采集輸入雷電流波形數(shù)據(jù)和輸出雷電流波形數(shù)據(jù)；

35、步驟2.2、對(duì)測(cè)試中采集的輸入雷電流波形數(shù)據(jù)和輸出雷電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊處理：通過(guò)插值算法將非對(duì)齊的輸入雷電流波形數(shù)據(jù)和輸出雷電流波形數(shù)據(jù)映射至統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn) tcommon；

36、步驟2.3、輸入輸出數(shù)據(jù)擬合處理：輸入雷電流波形函數(shù)和輸出雷電流波形函數(shù)均為雙指數(shù)波形，具體如下：

37、輸入雷電流波形函數(shù)：

38、（3）；

39、式中：a為輸入雷電流的峰值幅值，和為輸入雷電流測(cè)試波形參數(shù)， t為時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的輸入雷電流波形計(jì)算輸入雷電流波形函數(shù)參數(shù)上升沿時(shí)間和輸入雷電流波形函數(shù)參數(shù)峰值時(shí)間；

40、輸出雷電流波形函數(shù)：

41、（4）；

42、式中：b為輸出雷電流的峰值幅值，且b<a，和為輸出雷電流測(cè)試波形參數(shù)， t為時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的輸出雷電流波形計(jì)算輸出雷電流波形函數(shù)參數(shù)上升沿時(shí)間和輸出雷電流波形函數(shù)參數(shù)峰值時(shí)間。

43、步驟2.3中輸入雷電流波形函數(shù)參數(shù)上升沿時(shí)間、輸入雷電流波形函數(shù)參數(shù)峰值時(shí)間的計(jì)算方法如下：

44、輸入雷電流波形函數(shù)參數(shù)上升沿時(shí)間為雷電流幅值從10%峰值上升到90%峰值的時(shí)間，計(jì)算公式為：

45、（5），

46、輸入雷電流波形函數(shù)參數(shù)峰值時(shí)間為雷電流幅值從0上升到峰值的時(shí)間，計(jì)算公式為：

47、（6）；

48、其中，輸出雷電流波形函數(shù)參數(shù)上升沿時(shí)間、輸出雷電流波形函數(shù)參數(shù)峰值時(shí)間的計(jì)算方法如下：

49、輸出雷電流波形函數(shù)參數(shù)上升沿時(shí)間為雷電流幅值從10%峰值上升到90%峰值的時(shí)間，計(jì)算公式為：

50、（7），

51、輸出雷電流波形函數(shù)參數(shù)峰值時(shí)間為雷電流幅值從0到上升峰值的時(shí)間，計(jì)算公式為：

52、（8）；

53、上述值約束滿足a>b>0，且，；

54、通過(guò)給定、、、、a、b構(gòu)造關(guān)于 α和 β的非線性方程，并采用數(shù)值方法求解。

55、步驟3的具體方法為：

56、步驟3.1、構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

57、輸入信號(hào)：

58、（9）；

59、輸出信號(hào)：

60、（10）；

61、其中為拉普拉斯變換運(yùn)算符；

62、使用均方誤差mse作為波形一致性的指標(biāo)構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

63、（11）；

64、步驟3.2、計(jì)算初始 r0、初始 l0和初始 c0，具體如下：

65、（12），

66、（13），

67、（14），

68、（15），

69、（16）；

70、式中，為自然頻率，為阻尼比，為電路放大系數(shù)；

71、步驟3.3、從初始 r0、初始 l0和初始 c0出發(fā)，通過(guò)非線性最小二乘擬合方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲取最優(yōu)參數(shù)r，l，c。

72、本發(fā)明的有益效果是：

73、（1）本發(fā)明材料或結(jié)構(gòu)雷電等效電參數(shù)測(cè)試方法，提出了一種等效電參數(shù)測(cè)試方法，以符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法獲取雷電輸入與輸出時(shí)域波形，利用插值算法將非對(duì)齊的時(shí)域波形序列構(gòu)造成為對(duì)齊數(shù)據(jù)序列，獲取傳遞函數(shù)；構(gòu)造一個(gè)結(jié)構(gòu)化的等效rlc參數(shù)；應(yīng)用優(yōu)化算法以擬合rlc二階傳遞函數(shù)，使其與測(cè)試的傳遞函數(shù)具有最大相似性；獲取材料或結(jié)構(gòu)的等效電參數(shù)，解決了非對(duì)齊時(shí)間序列下的參數(shù)反演問(wèn)題，適用于瞬態(tài)脈沖場(chǎng)景的性能評(píng)估；

74、（2）本發(fā)明材料或結(jié)構(gòu)雷電等效電參數(shù)測(cè)試方法，對(duì)雷電波特征關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行提取，更貼合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)雙指數(shù)波形高精度參數(shù)提??；通過(guò)插值與優(yōu)化算法結(jié)合，消除時(shí)間偏移誤差，完成非對(duì)齊數(shù)據(jù)適配；在目標(biāo)函數(shù)中嵌入材料或結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)參數(shù)作為約束條件，確保參數(shù)物理真實(shí)性與可用性，本發(fā)明獲取等效電參數(shù)的方法具有直觀性強(qiáng)、適用范圍廣、可直接作為仿真輸入?yún)?shù)等特點(diǎn)。