EMPB對艦艇通信系統(tǒng)損傷分析

周 旺，姜 弢

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱 150001)

電磁脈沖彈(EMPB)利用高功率電磁脈沖對裝備等效應物進行攻擊的新式武器，近年來受到多國海軍的重視.從20世紀70年代開始，美國海軍就開始了改進型核爆電磁脈沖彈研究［1－2］.現(xiàn)代海軍裝備集成了眾多復雜電子系統(tǒng)，許多裝備各種飛機、艦船、導彈、雷達和同心結(jié)等通常集搜索、跟蹤、制導于一體，具有電路高度集成化、工作自動化、傳輸信息多樣化和各種軟件高度密集的現(xiàn)代電子設(shè)備特征.其中艦艇通信系統(tǒng)是一個設(shè)備密集、業(yè)務(wù)密集、技術(shù)密集、控制復雜的通信系統(tǒng)，具有多通道、多業(yè)務(wù)、多用戶和綜合控制等技術(shù)特點，它是國防通信的重要組成部分，是指揮、控制和協(xié)調(diào)海上兵力運用的基本手段［3－4］.現(xiàn)代艦艇通信是一個能覆蓋戰(zhàn)區(qū)范圍并能提供一種靈活通用的公共操作環(huán)境的信息傳輸平臺和信息處理平臺，同時也是連接各指揮中心與傳感器和武器系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)的信息網(wǎng)絡(luò).海戰(zhàn)環(huán)境中的艦艇通信設(shè)備，當一定的強度電磁脈沖落入接收通帶內(nèi)時，就會形成不良電磁環(huán)境效應，干擾接收機，輕則影響有用信號的接收，降低信噪比，增加誤碼率;重則使接收機堵塞，甚至發(fā)生燒毀事故.由于以上特點，導致艦艇通信系統(tǒng)成為 EMPB 主要攻擊目標［5－7］.

本文依據(jù)現(xiàn)有的EMPB理論研究基礎(chǔ)，在確定艦艇通信系統(tǒng)易損性前提下，假設(shè)耦合量為百分之百，將電磁脈沖能量距離作為計算指標，研究EMPB對艦艇通信系統(tǒng)損傷機理，并給出仿真分析.

1 艦艇通信系統(tǒng)受EMPB損傷機理

1.1 艦艇通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代艦船通信系統(tǒng)主要由多頻段寬帶天線單元、射頻單元、模塊數(shù)字無線電單元、I/O單元、本地控制和自動數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)艦內(nèi)骨干網(wǎng)等組成，如圖1所示.由于系統(tǒng)采用了不同頻段鏈路間相互組網(wǎng)等寬帶綜合業(yè)務(wù)和全數(shù)字化處理技術(shù)，使艦船通信系統(tǒng)實現(xiàn)了體制標準化、結(jié)構(gòu)模塊化、信道寬帶化、業(yè)務(wù)綜合化、系統(tǒng)數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化，具有高度的靈活性、開放性和完全可編程性.

圖1 艦艇通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 EMPB 組成

EMPB主要由前端能源、高功率微波源、定向輻射天線和控制系統(tǒng)等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.前端能源包括初級能源和脈沖功率系統(tǒng)，是EMPB基礎(chǔ)，用于向高功率微波源提供所需要的高功率機理脈沖(單個或脈沖串);高功率微波源是提供各種類型的高功率微波振蕩器，是EMPB核心，用以在高功率脈沖驅(qū)動下產(chǎn)生高功率微波脈沖;定向輻射天線用以將高功率微波電磁波能量聚集在一個極窄的波束內(nèi)，是微波能量高度密集地直接射向被攻擊目標，對其進行摧毀和殺傷;控制系統(tǒng)用以控制EMPB全系統(tǒng)正常工作，包括對目標瞄準跟蹤.

圖2 EMPB基本組成框圖

1.3 EMPB 損傷機理

EMPB對裝備的損傷機理是基于該裝備中電磁硬度低的元器件和設(shè)備的電場擊穿效應和熱效應，主要是通過電磁脈沖和電磁輻射兩種途徑.其中電磁耦合途徑有“前門”和“后門”兩種途徑.“前門”滲透是指直接通過天線耦合進入電子設(shè)備的正常途徑;“后門”滲透是指通過屏蔽不完善的導線、小孔或縫隙等進入電子設(shè)備的非常規(guī)途徑.當電磁脈沖彈在電子裝備和設(shè)備附近空中爆炸時，其高功率電磁脈沖將以一定的波束寬度和強度對艦載通信系統(tǒng)進行覆蓋.電磁脈沖彈爆炸時產(chǎn)生的高功率脈沖在炸點附近微波密度最大，隨著與炸點距離的增大，密度減少.其對艦船通信系統(tǒng)的損傷主要電磁輻射以平面波形式在通信裝備表面和通信電纜產(chǎn)生耦合效應，耦合能量隨即轉(zhuǎn)變成強電流浪涌，對電子或電器設(shè)備以及連接該系統(tǒng)的其他機器造成破壞.EMPB對裝備的損傷效果取決于對裝備與炸點距離、天線增益、易損部件的功率閾值、通信電纜耦合閾值等.根據(jù)損傷程度，一般將損傷程度劃分4個等級:干擾噪聲的產(chǎn)生、虛假信息的傳入、設(shè)備暫時失靈、永久性損壞.

2 損傷分析

EMPB產(chǎn)生的電磁脈沖，上升前沿極為陡峭，即脈沖隨時間變化劇烈，易被耦合;上升前沿含有豐富頻譜成分，涵蓋艦艇通信系統(tǒng)全部頻段.艦艇通信設(shè)備內(nèi)部集成大量微處理芯片和MOS器件，且系統(tǒng)終端通信電纜的存在，這些都為EMPB攻擊帶來極為便利的條件.典型的電磁脈沖波形呈現(xiàn)雙指數(shù)形式.上升前沿在幾納秒到幾十納秒之間，維持0.1 ～1 μs，峰值一般為5 ×105～ 10 ×105V/m，頻譜資源豐富，一般為1～300 GHz，囊括整個通信頻譜.其波形表達式為根據(jù)圖3分析，EMPB脈沖上升前沿僅2 ns，寬度為10 ns，而峰值場強達到1.65×105V/m，脈沖能量經(jīng)過20 ns即進入消亡期.式(2)為電磁脈沖頻譜模型，根據(jù)頻譜模型仿真得出EMPB功率譜圖4.由圖4可見，EMPB脈沖頻率成分為0～10 GHz，且存有多次諧波狀態(tài)，各諧波的峰值呈現(xiàn)遞減趨勢，遞減速度較快.雖然EMPB能量主要集中在基波和二次諧波上，范圍囊括通信系統(tǒng)所需的大部分頻率范圍，且強度很大，但其他各次諧波毀傷能力不可輕視，一旦通信裝備諧振頻率剛好處于某次諧波，那么對于系統(tǒng)來說，損傷將得到進一步加強.

3 損傷區(qū)域分析

EMPB對于艦艇通信裝備的損傷能力主要體現(xiàn)在爆炸殺傷區(qū)域面積、艦艇通信裝備處獲得的電磁脈沖能量密度、耦合到裝備內(nèi)部的能量.

3.1 殺傷區(qū)域

EMPB爆炸后，脈沖能量將通過天線以一定波束角向艦艇輻射，從而在目標空間中形成一個立體圓椎形損傷面域.由于EMPB多采用搭載式投遞，造成其輻射方先與海平面存在一定角度.如圖5所示，其中:θ為波束角，是考察EMPB毀傷能力的一項重要指標;φ為與海平面夾角;h為炸點處距離海平面高度;錐形輻射在海平面上大致投影成橢圓形，a為該橢圓長半軸、b為短半軸、O為中心點.由圖5可知a，b的表達式為

當φ=90°時，海平面投影區(qū)域呈現(xiàn)圓形，則面積 S=πr2，此時 a=b=2r=2htan(θ/2).

圖5 EMPB損傷區(qū)域概圖

由圖5可知，當夾角一定時，長短軸值隨著波束角的加大呈現(xiàn)上升趨勢，其中長軸值變化較快;當波束角一定時，長短軸值隨著夾角的加大而呈現(xiàn)遞減趨勢，其中也是長軸變化較大.由能量守恒定律可知，過大的損傷面域?qū)⑾魅蹙奂芰肯禂?shù)，常規(guī)EMPB攻擊夾角60～80°，假定EMPB波束角為20°，則此時長軸值在 327.6 ～427.6 m，短軸值在322.3～366.5 m范圍內(nèi)，對于常規(guī)艦艇，能夠達到全部覆蓋.

3.2 電磁能量耦合度

EMPB主要通過通信天線、通信電纜、通信裝備孔隙等處耦合進入系統(tǒng).根據(jù)電磁波傳播理論，電磁脈沖在空間傳播，隨著傳輸距離的增加，其攜帶的能量密度呈衰減趨勢.同時空氣是弱導電媒介物質(zhì)，電磁波能量也會因為在空氣中的反射、折射、吸收、散射等因素而衰減.但對于EMPB這種聚能極強的脈沖，在常規(guī)氣壓條件下，擊穿空氣閾值為1.53 MW/cm2，低空爆炸后很難達到此閾值，同時空氣吸收損耗的能量相對于本身能量來說極其微小，所以本文不考慮空間傳輸損耗.為了能夠全方面顯示電磁脈沖功率密度分布情況，選取圖6中B、C、D及中心 點O等4點，分析EMPB產(chǎn)生電磁脈沖功率密度隨距離變化的分布規(guī)律，根據(jù)先前討論可知，功率密度q滿足如下條件:qD≤q≤qO.根據(jù)電磁場域電磁波理論，可知電磁脈沖功率密度q滿足式(5)

圖6 長短軸隨夾角、波束角變化值

其中:P為EMPB脈沖源輻射功率，G為定向輻射天線增益，R為炸點離艦艇的相關(guān)距離，u為EMPB前段天線輻射效率，g為EMPB定向天線方向性系數(shù)，輻射錐形邊緣區(qū)域的方向性系數(shù)為波束中心值的1/2，即gB=gc=gD=gO/2.其中O點功率密度如式(6)所示，其余邊緣三點類似，不再贅述.

對于某型EMPB在某晴朗平靜海域試爆，利用以上模型，進行不同炸點高度各點能量功率密度仿真分析，參數(shù) P=1 GW，g=10，φ =60°，θ=20°.圖7仿真結(jié)果與理論推導相符，損傷面域內(nèi)的能量功率密度呈遞減趨勢.

3.3 耦合損傷能量

耦合能量

其中:S為艦艇裝備受EMPB攻擊時有效耦合面積，t為有效耦合時長即脈沖持續(xù)時間，q為該處的能量功率密度.這里參數(shù)k即為耦合效率，其特性值與電磁波的特性、裝備受攻擊時狀態(tài)以及電磁加固方式、程度等有關(guān)，耦合效率值的獲取是個相當復雜的過程，需要大量實時試驗數(shù)據(jù)作為依托，本文為了方便討論艦艇通信裝備損傷特點，將通信天線工作時耦合效率設(shè)定為30%，有效接收面積為31.4 m2.通過前面討論模型可知，當 h=900 m，φ=60°，θ=45°，D 點能量功率密度為 qD=182 W/m2，取脈沖持續(xù)時間100 ns，則D點處通信天線耦合到的能量值為 Em=1.69×10－4J.表1是部分電子器件的電磁脈沖損傷閾值.由此推斷，在邊緣D處集成電路、計算機磁芯及雙極晶體三極管都將嚴重損壞，而CMOS和運算放大器將受到一定的干擾.D點為損傷區(qū)域中損壞力度最小處，這意味著一旦艦艇處在該EMPB損傷區(qū)域中，通信裝備損傷更為嚴重.

圖7 海面投影區(qū)域各點能量功率密度隨高度變化曲線圖

4 結(jié)語

EMPB對艦艇通信系統(tǒng)損傷程度主要取決于通信系統(tǒng)電磁損傷閾值和接收到的耦合能量值.通過電磁場與電磁波傳播理論推導出EMPB毀傷區(qū)域模型，結(jié)合艦艇通信系統(tǒng)特征進行了分析與仿真，從而得出結(jié)論:EMPB的損傷面域在空間中呈現(xiàn)傾斜椎體狀，同時投影在海平面上的區(qū)域大致為橢圓;電磁能量功率密度邊緣處小于中心處，同高度平面上中心處為最大值;EMPB對艦艇通信系統(tǒng)損傷主要通過天線耦合，通過電磁加固等手段，降低內(nèi)部元器件的耦合效率，可以極大減少系統(tǒng)受損程度.

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