雷達對抗裝備抗強電磁脈沖測試方法研究?

（解放軍91404部隊 秦皇島 066001）

1 引言

隨著新技術(shù)不斷投入戰(zhàn)場使用，以高功率微波、電磁炸彈等為代表的新概念武器，能產(chǎn)生極具破壞性的電磁效應(yīng)，通過傳感器天線前門耦合、電器接口后門耦合等方式，對電子信息武器裝備造成不可逆毀傷。目前，電子戰(zhàn)裝備主要以完成偵察支援、有源/無源干擾等任務(wù)為關(guān)注重點，但隨著強電磁脈沖武器的迅猛發(fā)展，電子對抗裝備基于外部他擾的高威脅電磁輻射防護要求日益凸顯，如何客觀評價雷達對抗裝備電磁防護能力變得更加迫切。

2 高功率微波武器

2.1 高功率微波武器毀傷機理

高功率微波武器（HPMW）是一種發(fā)射高功率微波（HPM），直接殺傷、破壞或使目標喪失作戰(zhàn)能力的新概念武器［1］。高功率微波武器工作范圍在30MHz～300GHz之間，功率大于100MW，主要利用強大能量以電磁波的形式對雷達系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)甚至電力系統(tǒng)等設(shè)施進行破壞，從而癱瘓整個指揮、通訊、情報系統(tǒng)。

高功率微波武器既能夠?qū)﹄娮有畔⒀b備產(chǎn)生毀傷，同時也對作戰(zhàn)人員產(chǎn)生一定傷害，具備“軟”、“硬”殺傷能力［2～3］。

高功率微波武器對電子武器裝備毀傷機理主要包括電效應(yīng)和熱效應(yīng)。電效應(yīng)是在傳感器前段通過“前門”耦合，大功率信號對抗燒毀模塊進行沖擊形成損傷，同時也會通過電纜、電連接器等“后門”耦合，在金屬表面和導(dǎo)線產(chǎn)生表面電流，并在終端節(jié)點產(chǎn)生電壓，使電子設(shè)備出現(xiàn)假信號或造成電擊穿。熱效應(yīng)是電子武器裝備表面吸收微波能量，引起過量發(fā)熱，使電子設(shè)備失效或使武器表面的物理形狀變形，甚至直接燒毀［4］。

高功率微波武器對人員毀傷機理主要包括熱效應(yīng)和病效應(yīng)。熱效應(yīng)是人體受到微波輻射后，全身或局部組織受熱導(dǎo)致溫度升高，可致皮膚或內(nèi)部組織嚴重?zé)齻踔了劳?。病效?yīng)是人體受到一定強度微波輻射后，中樞神經(jīng)系統(tǒng)及心血管等系統(tǒng)受到影響，產(chǎn)生神經(jīng)錯亂、記憶力衰退、行為錯誤，甚至致盲、致聾或心肺功能衰竭［5］。

在不同功率密度條件下形成的毀傷效應(yīng)見表1。

表1 不同功率密度條件下的毀傷效應(yīng)

2.2 美俄高功率微波武器發(fā)展

高功率微波武器作戰(zhàn)平臺主要有三種形式，分別是陸基式、?；胶涂栈?。陸基、?；饕苑雷o為主，以車輛、艦船為平臺，用來保護指揮中心、重要基地、機場和艦船等目標。空基式主要是以進攻為主，以飛機、導(dǎo)彈為平臺，攻擊空中、陸地和海上目標［6］。

1）陸基高功率微波武器

陸基高功率微波武器安裝在地面固定設(shè)施或移動車輛上，主要用于攻擊飛機、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、裝甲車輛等，通過對目標定位和跟蹤，發(fā)射高功率微波束進行照射，具有極強的毀傷能力，一般可重復(fù)使用。如美國Phaser高功率微波武器系統(tǒng)能夠擊落無人機蜂群，還能摧毀目標范圍內(nèi)的汽車、坦克、直升機及其他電子設(shè)備。俄羅斯研制的Krasukha-2車載高功率微波干擾系統(tǒng)，可在上百千米外對預(yù)警機實施干擾，Krasukha-4是最新的陸基電子壓制和防護系統(tǒng)，能夠?qū)箲?zhàn)場監(jiān)視機、無人偵察機以及偵察衛(wèi)星等。

還有一種微波武器是主動拒止系統(tǒng)（ADS），功率較低，一般作為非致命武器用于反恐行動。它發(fā)出的微波被人吸收后，會導(dǎo)致人體皮膚的生物反應(yīng)和非致命疼痛。美軍目前將“無聲衛(wèi)士”系統(tǒng)和“警惕鷹”系統(tǒng)一起組成探測網(wǎng)，可用來作為機場或港口機動的遠程防御［7～9］。

2）?；吖β饰⒉ㄎ淦?/p>

?；吖β饰⒉ㄎ淦饕运媾炌?、潛艇和艦載機等海軍裝備為發(fā)射平臺，主要有艦載式和彈載式。艦載式主要裝備在艦船固定設(shè)施上，具有功率高、天線大和作用距離遠等優(yōu)點，對來襲目標可以保證比較高的殺傷概率，主要用來裝備自身的防護。彈載式主要依托艦船等裝備而發(fā)射的高功率微波彈，具有作用距離遠、作戰(zhàn)靈活等優(yōu)點，能夠?qū)罩幸δ繕?，甚至地面重要目標進行遠程打擊，是一種典型的攻防兼?zhèn)湫蜌⑹诛滴淦鳌?/p>

美國海軍已經(jīng)在提康德羅加級導(dǎo)彈巡洋艦上開展了多次微波武器系統(tǒng)試驗，并可利用艦載雷達天線發(fā)射高微波能量，對其改裝后，可作為海基高功率微波武器的發(fā)射系統(tǒng)，以殺傷電子設(shè)備。

3）空基高功率微波武器

空基高功率微波武器以作戰(zhàn)飛機、無人機及導(dǎo)彈等空中飛行器為發(fā)射平臺，具有高機動性、可實現(xiàn)遠距離作戰(zhàn)、效費比高等優(yōu)點，一般分為機載式和彈載式。機載式能夠?qū)罩?、地面及海面目標實施攻擊，主要?yīng)用飛機的近距自衛(wèi)、無人作戰(zhàn)飛機、機載遠距離干擾武器以及聯(lián)合戰(zhàn)機的超視距攻擊等。彈載式是通過在炸彈或?qū)棏?zhàn)斗部上加裝高功率微波發(fā)射系統(tǒng)，將炸藥爆炸的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電磁能，再由微波器件和天線向目標輻射高能微波，以擊穿或燒毀目標中的敏感電子器件。以導(dǎo)彈為微波發(fā)射平臺實現(xiàn)了高機動性，拓展了作戰(zhàn)范圍，能夠?qū)﹃?、海、空等目標實施遠程精確打擊。

美國空軍啟動一個聯(lián)合能力技術(shù)演示驗證項目-反電子設(shè)備高功率微波先進導(dǎo)彈項目（CHAMP），將高功率微波武器系統(tǒng)配裝在巡航導(dǎo)彈上，甚至無人機和第五代戰(zhàn)機，可以實現(xiàn)對陸地目標的全頻譜干擾覆蓋及毀傷打擊，能夠破壞艦船上的大量電子設(shè)備，從而大大降低其戰(zhàn)斗效能，并可以實現(xiàn)對空中目標的超視距干擾和攻擊。

3 高功率微波武器對雷達對抗裝備影響

高功率微波武器對雷達對抗裝備的影響主要有兩種方式：前門耦合和后門耦合。前門藕合通過天線前端進人，主要毀傷限幅器等抗燒毀模塊；后門藕合則是通過一些端口、電纜等饋入，主要對電子器件、電路板、存儲介質(zhì)等產(chǎn)生損傷。

當雷達對抗系統(tǒng)遭受高功率微波武器攻擊時，因為偵察系統(tǒng)需要接收電磁波，因而“前門”始終是敞開的，電磁脈沖通過天線饋入，一般傳感器后端都有抗燒毀模塊，高微波能量首先對限幅器產(chǎn)生沖擊。如果脈沖功率突破限幅器等保護器件防護閾值，就會造成器件損毀。因此，對雷達對抗系統(tǒng)的損傷程度與進入傳感器的能量以及防護器件本身的易損性有關(guān)。

在高功率微波武器發(fā)射的有效功率確定的情況下，進入雷達對抗系統(tǒng)的能量與兩者之間的距離以及天線增益等因素有關(guān)：

式中：Pl為雷達對抗系統(tǒng)接收前端的功率；Gl為雷達對抗系統(tǒng)接收天線增益；Pj為高功率微波武器發(fā)射機功率；Gj為高功率微波武器發(fā)射機天線增益；R為高功率微波武器與雷達對抗系統(tǒng)之間距離；λ為波長。

假設(shè)高功率微波武器功率1GW，X波段，雷達對抗系統(tǒng)接收機天線增益17dBi，可以推算出高功率微波武器在不同距離上形成的功率密度，以及接收機抗燒毀模塊所承受的脈沖功率值，具體見表2。

高功率微波輻射也會通過穿透設(shè)備的各種縫隙、孔洞或電纜接口等“后門”耦合方式進入雷達對抗系統(tǒng)內(nèi)部。當耦合的功率值足夠大時，會對設(shè)備電子元器件、集成電路、存儲介質(zhì)等造成噪聲干擾、高壓擊穿和器件燒毀。不同的電子設(shè)備因其耐壓值的不同有不同的毀傷閾值，“后門”耦合的功率能量很難直接進行量化，一般需要通過試驗的方式進行數(shù)據(jù)采集處理。

表2 高功率微波武器在不同距離處形成的功率密度

通過“前門耦合”和“后門耦合”進入雷達對抗系統(tǒng)的高功率微波能量按其影響效應(yīng)大小大致分為三個等級：第一級，相當于超級干擾系統(tǒng)，高于當前戰(zhàn)場上普遍使用的干擾系統(tǒng)功率，能夠形成壓制干擾；第二級，能夠破壞系統(tǒng)中的電子元器件；第三級，能夠?qū)δ繕思訜嵝纬蓺?0］。

4 雷達對抗裝備電磁防護試驗驗證

雷達對抗裝備單系統(tǒng)電磁防護試驗，從考核內(nèi)容上分為兩個層面，一個是“前門”抗燒毀能力，按指標進行考核；另一個是“后門”抗感應(yīng)能力，按效果進行考核。從考核形式以上可以分為內(nèi)場仿真試驗和外場動態(tài)試驗。

4.1 內(nèi)場仿真試驗

內(nèi)場仿真試驗一般在微波暗室內(nèi)進行，利用高功率微波源形成相應(yīng)強度的高功率脈沖微波，檢驗雷達對抗裝備抗燒毀能力和防電磁感應(yīng)能力。

具體設(shè)備布設(shè)情況見圖1。

圖1 微波暗室設(shè)備布設(shè)圖

在進行脈沖功率強度設(shè)計時，可根據(jù)未來作戰(zhàn)樣式需求進行量化。想定敵人采用巡航導(dǎo)彈方式在距離雷達偵察裝備50m～1000m處爆炸形成高功率電磁脈沖，功率1GW，則在偵察天線口面形成的功率密度為8mW/cm2～3W/cm2。要想考核雷達對抗裝備電磁防護能力，就要利用微波信號源通過功率放大器生成相應(yīng)的功率密度。

在考核電磁防護能力時，通過“前門”耦合的脈沖功率能量，主要反應(yīng)在天線前端限幅器的抗燒毀能力，通常情況下通過到達偵察天線口面的脈沖功率值來反映，一般不直接采用功率密度。微波信號源在偵察機天線口面形成的功率密度和功率之間的的轉(zhuǎn)換關(guān)系見表3。

表3 微波信號源形成的功率密度與功率轉(zhuǎn)換關(guān)系

在內(nèi)場仿真進行試驗設(shè)計時，需要重點關(guān)注幾個要素環(huán)節(jié)：

1）輻射脈沖功率值需要逐步增加，以防設(shè)備器件突然大面積毀傷；

2）在偵察天線口面需要加裝監(jiān)測設(shè)備，用于監(jiān)測脈沖功率；

3）設(shè)備機柜需要安置于屏蔽艙或電磁隔離空間內(nèi)，以防電磁脈沖直接輻射；

4）測試時，轉(zhuǎn)臺需要360°轉(zhuǎn)動，以便全方位檢測；

5）效果評估時，既要檢查限幅器抗燒毀情況，也要檢查機柜內(nèi)部器件損毀情況。

4.2 外場動態(tài)試驗

外場動態(tài)試驗在海上實際環(huán)境下進行，微波信號源需要高功率微波模擬設(shè)備架設(shè)在保障艦船上，通過空間輻射的方式進行。由于電子對抗裝備安裝在實際艦艇上，在全艦電磁防護下，電子對抗裝備的“后門”耦合效應(yīng)更加接近實際。

在外場試驗設(shè)計時，需要重點關(guān)注以下環(huán)節(jié)：

1）高功率微波模擬設(shè)備進行大功率脈沖輻射時，功率需要可控并逐步遞增；

2）艦船上人員需要進行防護，以免遭受輻射危害；

3）艦船上測量保障電子設(shè)備需要考慮防護措施，以免影響數(shù)據(jù)測試記錄。

通過內(nèi)場仿真試驗和外場動態(tài)試驗，基本可以摸清雷達對抗裝備抗電磁輻射能力，同時根據(jù)試驗數(shù)據(jù)也可以指導(dǎo)修訂完善裝備指標論證［11］。

5 結(jié)語

未來戰(zhàn)場上高功率微波武器的使用已引起各國強烈關(guān)注［12］，面對高功率微波武器的威脅，摸清雷達對抗裝備的電磁防護能力底數(shù)是目前我們急需解決的問題。只有在深入關(guān)注高功率微波武器發(fā)展的同時做好電子武器裝備的電磁防護工作，才能提前做好預(yù)防工作，才能在未來戰(zhàn)爭中掌握主動權(quán)。本文介紹的雷達對抗裝備電磁防護能力試驗，對其他電子設(shè)備的電磁防護能力驗證也具有普遍的借鑒應(yīng)用價值。