一種電磁脈沖前門耦合效應(yīng)的事件分解評(píng)估方法

肖金石，任雄偉，樊 強(qiáng)

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部，湖北武漢 430033）

一種電磁脈沖前門耦合效應(yīng)的事件分解評(píng)估方法

肖金石1，任雄偉1，樊 強(qiáng)2

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部，湖北武漢 430033）

電磁脈沖彈是一種利用輻射高功率電磁脈沖干擾/毀傷目標(biāo)電子系統(tǒng)的新概念武器。為計(jì)算電磁脈沖通過前門耦合毀傷目標(biāo)的效能，提出一種基于事件分解的效能評(píng)估方法，按時(shí)間序列將前門耦合－毀傷過程分為彈體爆炸輻射電磁脈沖、大氣傳輸衰減、目標(biāo)系統(tǒng)耦合3個(gè)子事件，分別用不同算法計(jì)算其發(fā)生效能。用該方法對(duì)美國MK84導(dǎo)彈搭載的電磁脈沖彈進(jìn)行評(píng)估，得到具有一定參考價(jià)值的效能評(píng)估值。

事件分解;電磁脈沖;前門耦合

0 引言

作為一種窄帶高功率微波源、單次電感儲(chǔ)能型脈沖功率系統(tǒng)的高功率微波武器［1］，電磁脈沖彈的原理是利用輻射高功率電磁脈沖攻擊目標(biāo)電子系統(tǒng)，通過電磁能量耦合干擾/毀傷目標(biāo)內(nèi)部的電子設(shè)備。按照耦合方式，電磁脈沖的耦合效應(yīng)分為前門耦合和后門耦合2種。前門耦合是指經(jīng)天線、接線柱、收發(fā)機(jī)前門電路等進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)部，是最普遍的一種耦合模式。計(jì)算電磁脈沖前門耦合效應(yīng)，是評(píng)估電磁脈沖彈作戰(zhàn)能力［2－3］的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本文采用基于事件分解的思路計(jì)算電磁脈沖彈的前門耦合毀傷效應(yīng)。為了完成電磁脈沖通過前門耦合毀傷效應(yīng)的評(píng)估，提出一種基于事件分解的思路，即將總事件按時(shí)間順序分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子事件，給出了前門耦合效能評(píng)估的計(jì)算流程。用此方法對(duì)電磁脈沖彈毀傷目標(biāo)事件進(jìn)行事件分解和效能評(píng)估，最終得到具有一定參考價(jià)值的效能評(píng)估值。

總之，在新形勢(shì)下，必須樹立以人為本的理念，強(qiáng)化為學(xué)生服務(wù)的意識(shí)，構(gòu)建有利于推動(dòng)課堂教學(xué)和教學(xué)模式改革，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的現(xiàn)代教學(xué)管理制度和彈性靈活的教學(xué)運(yùn)行機(jī)制。充分體現(xiàn)個(gè)性化、人性化的教育理念，構(gòu)建教師教學(xué)激勵(lì)機(jī)制，尊重教師的個(gè)性風(fēng)格與獨(dú)創(chuàng)精神，保障教師的教學(xué)自主權(quán)，鼓勵(lì)教師錘煉精品課件。通過加強(qiáng)自身教學(xué)語言魅力、課堂設(shè)計(jì)和教學(xué)方法創(chuàng)新，充分體現(xiàn)大學(xué)課堂的專業(yè)魅力，使教師主導(dǎo)與學(xué)生主體在研究性教學(xué)中真正融為一體，對(duì)客觀世界進(jìn)行充滿想象力的探索。

1 事件分解思路

所謂事件分解，就是按照時(shí)間發(fā)生順序?qū)⒛硞€(gè)總事件分解為若干相對(duì)獨(dú)立的子事件，多個(gè)子事件在結(jié)構(gòu)上構(gòu)成串聯(lián)形式，如圖1所示。在具體計(jì)算效能評(píng)估問題時(shí)，可采用不同的方法分別對(duì)各子事件的發(fā)生效能做出評(píng)估，再進(jìn)行綜合的思路。基于事件分解的評(píng)估方法，適用于遵循時(shí)間先后順序發(fā)生的各種事件。

圖1 事件分解及評(píng)估思路Fig.1 Affair-decomposability and evaluation thought

2 前門耦合事件分解

2.1 電磁脈沖彈的輻射原理

電磁脈沖彈由儲(chǔ)能電容器、爆磁壓縮發(fā)生器、脈沖功率調(diào)制器、虛陰極振蕩器和輻射天線等部分組成。其工作原理是，首先由電容器對(duì)爆磁壓縮發(fā)生器充電，爆磁壓縮發(fā)生器利用炸藥的化學(xué)能將前級(jí)的電容輸出電能放大，功率調(diào)制器進(jìn)行阻抗匹配，最后由虛陰極振蕩器產(chǎn)生高功率微波，經(jīng)輻射天線向外輻射。其爆炸原理在時(shí)間順序上構(gòu)成了串聯(lián)關(guān)系。圖2是美國MK 84導(dǎo)彈搭載的電磁脈沖彈結(jié)構(gòu)圖。

圖2 美MK 84導(dǎo)彈搭載的電磁脈沖彈結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch of EMP bomb carried by U.S.MK 84 missile

2.2 前門耦合總事件的分解

前門耦合過程是指電磁脈沖通過接收天線等耦合并對(duì)目標(biāo)造成干擾/毀傷的過程?；谑录纸獾乃悸罚蓪⑶伴T耦合－毀傷總事件分解為電磁脈沖彈輻射電磁波、大氣傳輸衰減和電磁脈沖對(duì)目標(biāo)耦合3個(gè)獨(dú)立的子事件，如圖3所示。

圖3 前門耦合總事件分解圖Fig.3 Front-door coupling affair-decomposability

子事件－3:高功率電磁脈沖對(duì)目標(biāo)耦合過程。計(jì)算依據(jù)為電磁脈沖耦合理論。

式中:Gr為喇叭天線增益;λ為輻射電磁波波長。設(shè)電磁脈沖彈輻射高功率微波頻率為6 GHz，對(duì)應(yīng)微波波長為0.05 m，算得輻射天線增益9.22。

子事件－1:電磁脈沖彈發(fā)生爆炸并向外輻射高功率電磁脈沖。計(jì)算依據(jù)為電磁脈沖彈彈體結(jié)構(gòu)。

3 前門耦合評(píng)估的事件分解方法

基于以上事件分解思路，前門耦合評(píng)估實(shí)施步驟為:在設(shè)置輻射功率等仿真初值基礎(chǔ)上，計(jì)算微波傳輸衰減和輻射功率密度;根據(jù)目標(biāo)天線有效接收面積，計(jì)算經(jīng)天線主瓣耦合的接收功率;根據(jù)毀傷閾值，判斷電磁脈沖彈毀傷典型器件或設(shè)備的作戰(zhàn)能力。計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 前門耦合效能評(píng)估的計(jì)算流程Fig.4 Calculation flow of front-door coupling evaluation

3.1 估算輻射天線的增益

首先計(jì)算輻射天線增益。設(shè)電磁脈沖彈輻射天線是一個(gè)喇叭天線，則其有效面積為

式中:L為喇叭口長邊;d為喇叭口短邊。工作在基模下的天線增益

子事件－2:高功率電磁脈沖大氣傳輸過程。計(jì)算依據(jù)為大氣衰減理論。

晚上，蘇婷婷在收拾床鋪，杰克在刷牙。蘇婷婷問杰克：你知道爸媽今天問我啥了嗎？杰克從衛(wèi)生間探出頭：問你啥？蘇婷婷笑了：問我啥時(shí)候生？杰克說：你已經(jīng)升了，還要再升？蘇婷婷說：不是說升職，是說生孩子！杰克走出衛(wèi)生間，詫異地：你生不生孩子與他們有關(guān)系嗎？蘇婷婷說：中國父母把兒女當(dāng)成他們的一部分，生不生孩子當(dāng)然與他們有關(guān)系。杰克搖搖頭：N O，生不生孩子是咱們的事，與他人沒有關(guān)系。蘇婷婷說：N O，你還不了解中國，所有的事情都與父母有關(guān)系。杰克說：可咱們的事情與父母沒關(guān)系，我爸媽從來不干涉我的。蘇婷婷說：我爸媽可就不一定了。

3.2 計(jì)算與波源不同距離處的功率密度

電磁脈沖在傳輸中滿足電磁波的一般規(guī)律，即功率密度在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遵循以距離平方的倒數(shù)遞減的規(guī)律，表達(dá)式為

式中:S為功率密度;Pr為電磁波源輻射功率;R為爆點(diǎn)與目標(biāo)距離。用式(3）可計(jì)算電磁脈沖彈在不同距離處的輻射功率密度。

首先，成立高校經(jīng)費(fèi)管理專門小組，并以推進(jìn)科研活動(dòng)發(fā)展及經(jīng)費(fèi)管理精細(xì)化為雙重主導(dǎo)，組建專門的管理人員團(tuán)隊(duì)。在管理人員構(gòu)成上面，應(yīng)遵循放管服所要求的服務(wù)性、科學(xué)性與精細(xì)化要求，將財(cái)務(wù)管理負(fù)責(zé)人、科研活動(dòng)負(fù)責(zé)人都納入管理團(tuán)隊(duì)當(dāng)中，同時(shí)也要積極邀請(qǐng)這方面的專家學(xué)者共同參與管理，實(shí)現(xiàn)管理效能均衡，發(fā)揮管理團(tuán)隊(duì)作用。

3.3 計(jì)算電磁脈沖的傳輸衰減

電磁脈沖彈輻射的高功率微波存在著大氣傳輸損耗。不同頻率電磁波對(duì)應(yīng)的大氣吸收衰減率［4］如表1所示。不同距離處的衰減倍數(shù)關(guān)系

式中:α選為衰減率;R為爆炸點(diǎn)與目標(biāo)距離。設(shè)電磁脈沖彈工作頻率為6 GHz，則其大氣吸收衰減僅為0.008 dB/km，用式(4）可計(jì)算不同距離處的衰減倍數(shù)。

表1 不同頻率電磁波的傳輸衰減率Tab.1 Transmission attenuation rate at different frequency

3.4 對(duì)天線的耦合效應(yīng)評(píng)估

5）索緒爾的結(jié)構(gòu)符號(hào)學(xué)強(qiáng)調(diào)符號(hào)與所指的事物之間的雙項(xiàng)關(guān)系，而弗雷格等人在此基礎(chǔ)上加入的意義項(xiàng)，使這雙項(xiàng)關(guān)系變成符號(hào)——意義——事物的三項(xiàng)關(guān)系。詳見參考文獻(xiàn)[25]：361-362.

經(jīng)接收天線耦合是電磁脈沖最典型的一種前門耦合模式。制導(dǎo)頭的接收天線前端框圖如圖5所示，其中晶體混頻器是一個(gè)易受電磁干擾/毀傷的重要器件。當(dāng)高功率微波脈沖進(jìn)入接收天線，能量超過毀傷閾值時(shí)，將損壞微波混頻器或高放，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)造成毀傷。

圖5 制導(dǎo)頭接收天線前端框圖Fig.5 Front-door sketch of receiving antenna

企業(yè)若想實(shí)現(xiàn)外部經(jīng)濟(jì)與內(nèi)部管理的協(xié)調(diào)發(fā)展，又快又好的進(jìn)步，那就必須針對(duì)所存在的問題，必須積極采取措施，進(jìn)行針對(duì)性的處理。企業(yè)可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行公司的經(jīng)濟(jì)管理。

拍攝組圖很有意思。創(chuàng)造出一個(gè)作品的主體可以為這個(gè)作品集帶來更多深度。我喜歡將阿拉斯加的生活背景作為照片故事傳遞給大家，這比單獨(dú)拍攝阿拉斯加異域風(fēng)情的地標(biāo)要豐富多了。

式中:S為目標(biāo)處的功率密度;L為傳輸總損耗;L1為極化損耗;L2為饋線損耗;Aa為接收天線有效面積。

經(jīng)天線主瓣耦合的電磁能量

式中τ為電磁脈沖寬度。但在實(shí)際操作中，電磁脈沖從天線副瓣耦合更為普遍。設(shè)接收天線副瓣電平為L3，則天線接收功率

如教材編者安排的那樣，筆者建議在“思考”前插入一個(gè)練習(xí)，安排針對(duì)基本事實(shí)和推論的兩道小練習(xí)，其中第1題可以是原31頁練習(xí)第1題，第2題可以選擇應(yīng)用定理2解答題，如：

式中:Ps為從副瓣耦合的電磁波功率;Ws為從副瓣耦合的電磁能量。

耦合進(jìn)目標(biāo)的電磁能量主要取決于目標(biāo)接收天

聯(lián)立式(3）～式(9）可求解接收天線耦合的電磁能量。混頻器的毀傷判據(jù)為，燒毀混頻器的額定功率［5］為12W，干擾混頻器的額定功率為1.2W。

電磁脈沖彈仿真初值參數(shù)設(shè)置如下

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

Cl O2是一種強(qiáng)氧化劑，常用作油田高效殺菌劑，同時(shí)具有去除污水中硫化物的作用，主要的除硫機(jī)理是利用其強(qiáng)氧化特性將污水中的H 2 S、FeS等還原性硫化物氧化為可溶于水的硫酸鹽，從而解決污水中高含量H 2 S帶來的管線腐蝕及黑色膠體沉淀問題。同時(shí)，ClO2相較于其他氧化除硫劑，具有很強(qiáng)的p H環(huán)境適應(yīng)性，在p H值為5～9范圍內(nèi)均可高效發(fā)揮除硫作用。

比較兩組護(hù)士在自我管理、護(hù)理滿意度以及護(hù)理質(zhì)量方面的評(píng)分。觀察組護(hù)士各項(xiàng)評(píng)分均優(yōu)于對(duì)照組,差異顯著(P﹤0.05),有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。詳見表1:

輻射功率=280 MW;微波頻率=6 GHz;微波波長=0.05 m;持續(xù)時(shí)間=50 ns;喇叭口短邊=34.8 mm;喇叭口長邊=65 mm;天線半徑=0.05 m;天線效率=0.7;極化損失=－3 dB;前端損失=－2 dB;天線增益=20 dB;耦合效率=0.1。以上天線均指接收天線。

算得電磁脈沖彈在與爆炸點(diǎn)不同距離處的輻射功率密度如圖6所示。線的有效面積。經(jīng)接收天線主瓣的耦合功率為

圖6 電磁脈沖彈的輻射功率密度Fig.6 Radiating power density of EMP bomb

由結(jié)果可知，電磁脈沖彈輻射功率密度在距離爆炸點(diǎn)10 m處的功率密度為205.35 W/cm2，在50 m處的功率密度減小為8.21 W/cm2。隨著作用距離的增大，輻射功率密度以平方關(guān)系迅速衰減。若按“高功率微波武器的打擊效應(yīng)”功率密度級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)［6］評(píng)估電磁脈沖彈毀傷效應(yīng)，可知:選1 W/cm2為干擾作用的上限功率密度閾值，電磁脈沖彈造成“干擾打擊效應(yīng)”的距離約145 m。

根據(jù)以上初值，按照基于事件分解的電磁脈沖彈效能評(píng)估計(jì)算流程，可分別估算電磁脈沖彈干擾/燒毀混頻器所需作用距離，結(jié)果如圖7所示。

圖7 干擾/燒毀混頻器所需作用距離Fig.7 Needed distance to disturb/damage themixer

由結(jié)果可知，干擾目標(biāo)混頻器的所需作用距離應(yīng)不大于180 m，燒毀目標(biāo)混頻器的作用距離應(yīng)不大于54 m?？梢?，與干擾級(jí)別相比，由于燒毀級(jí)別所需的能量閾值更高，電磁脈沖彈的最大作用距離有所減小。

根據(jù)以上初值，計(jì)算電磁脈沖彈對(duì)典型元器件的毀傷效應(yīng)。因元器件吸收電磁能量存在損耗，計(jì)算時(shí)假設(shè)元器件有10%的電磁能吸收率。表2是電磁脈沖彈毀傷CMOS和邏輯卡等典型元器件所需作用距離。

表2 電磁脈沖彈毀傷元器件的作用距離Tab.2 Action distance to damage several kinds of parts

在以上初值條件下，對(duì)破壞閾值為10－5J左右的雙極晶體三極管造成燒毀效應(yīng)，電磁脈沖彈的作用距離為25.4 m。對(duì)其他破壞閾值更小的元器件，作用距離可達(dá)幾百米至上千米。

4 結(jié)語

采用基于事件分解的思路，將“電磁脈沖彈經(jīng)前門耦合毀傷目標(biāo)”總事件分解為“電磁脈沖彈輻射功率”、“電磁脈沖大氣傳輸衰減”和“對(duì)目標(biāo)耦合”3個(gè)子事件，對(duì)電磁脈沖前門耦合效應(yīng)進(jìn)行效能評(píng)估。基于事件分解的評(píng)估方法，對(duì)美國MK 84導(dǎo)彈搭載的電磁脈沖彈前門耦合效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得到造成干擾/燒毀效應(yīng)所需作用距離等有價(jià)值的效能評(píng)估值。值得注意的是，除前門耦合外，電磁脈沖彈毀傷效應(yīng)中還有后門耦合模式，本文并未涉及這部分的計(jì)算。

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An affair-decom posability evaluation method to calculate the front-door coupling effect of electromagnetic pulse

XIAO Jin-shi1，REN Xiong-wei1，F(xiàn)AN Qiang2
(1.College of Electronic Engineering，Naval Univesity of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Training Department，Naval Univesity of Engineering，Wuhan 430033，China）

Electromagnetic pulse(EMP）bomb is a kind of new conceptweapon，which can be used to disturb or damage electronic system by radiating high power electromagnetic pulse.To calculate damage efficiency of high power EMP through front-door coupling，a kind of efficiency evaluation method based on affair-decomposability is raised.Front-door coupling－ damage course is decomposed into three affairs in chronological sequence，which is EMP bomb radiating power，electromagnetic energy transmission and electromagnetic energy coupling into target system.Efficiency of these three affairs is calculated with different algorithms.Finally，type MK 84 electromagnetic pulse bomb of USA is evaluated using thismethod.Some conclusions about efficiency evaluation are gotten.

affair-decomposability;electromagnetic pulse;front-door coupling

TN99

A

1672－7649(2013）03－0129－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.029

2012－05－14;

2012－12－25

肖金石(1981－），男，講師，主要研究方向?yàn)樗矐B(tài)電磁脈沖效應(yīng)、系統(tǒng)工程理論與方法。