MEEPとPythonを使った海軍艦艇トップデッキ上のEMC/EMI結合のシミュレーション

イントロダクション:
電磁両立性（EMC）および電磁干渉（EMI）は、現代の艦艇設計において重要な課題です。艦内には多数の電子システム（レーダー、通信、衛星通信、ナビゲーション、制御ユニットなど）が搭載されており、それらが互いに干渉しないよう設計する必要があります。本記事では、オープンソースのFDTDソルバーである MEEP を使って、10×10のソース-ビクティム（Source-Victim）結合マトリックスをシミュレーションする方法を紹介します。

目的:

艦艇トップデッキの簡易モデルを構築
干渉源（ソース）と受信機器（ビクティム）を配置
カップリングマトリックスを使用して干渉の強さを分析
PythonとMEEPを用いて電磁界の強度を可視化

システム構成:

デッキサイズ: 20m x 20m（2次元シミュレーション）
10の干渉源: レーダー、HFラジオ、電源コンバータ、衛星通信、照明、エンジン制御、IFF、ナビゲーション、WiFi、通信バス
10の受信機器: GPS、VHF、レーダー受信機、AIS、ナビディスプレイ、UHF、制御ユニット、テレメトリ、ワイヤレス受信機、CCTV受信機
配置: ソースはデッキの下側、ビクティムは上側に配置

Pythonによるシミュレーション設定:
各ソース位置からガウスパルスを発生させ、各ビクティム位置でEzフィールドを測定し、結合マトリックスを作成します。

import meep as mp
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

fcen = 2.4  # GHz
resolution = 20

# デッキサイズと位置
cell = mp.Vector3(20, 20)
sources_pos = [mp.Vector3(-9 + i*2, -8) for i in range(10)]
victims_pos = [mp.Vector3(-9 + i*2, 8) for i in range(10)]

# デバイス名
source_names = ["レーダー", "HFラジオ", "電源コンバータ", "衛星通信", "照明",
                 "エンジン制御", "IFF", "ナビゲーション", "WiFi", "通信バス"]
victim_names = ["GPS", "VHF", "レーダー受信", "AIS", "ナビ表示",
                 "UHF", "制御ユニット", "テレメトリ", "無線受信", "CCTV受信"]

sv_matrix = np.zeros((10, 10))

# 各ソースをシミュレーション
for i, src in enumerate(sources_pos):
    sim = mp.Simulation(
        cell_size=cell,
        resolution=resolution,
        boundary_layers=[mp.PML(1.0)],
        sources=[mp.Source(mp.GaussianSource(fcen, fwidth=0.5), component=mp.Ez, center=src)]
    )
    sim.run(until=200)
    for j, vic in enumerate(victims_pos):
        field = sim.get_field_point(mp.Ez, vic)
        sv_matrix[i, j] = 20 * np.log10(abs(field) + 1e-10)

マトリックスの可視化:
シミュレーション後にheatmapとして結合マトリックスを描画します。

plt.figure(figsize=(14, 10))
plt.imshow(sv_matrix, cmap="hot", interpolation="nearest")
plt.colorbar(label="結合強度 (dB)")
plt.xticks(np.arange(10), victim_names, rotation=45)
plt.yticks(np.arange(10), source_names)
plt.title("ソース-ビクティム結合マトリックス (10x10)")
plt.xlabel("ビクティム機器")
plt.ylabel("干渉源")
plt.tight_layout()
plt.show()

結果と解釈: