無人機寬帶高功率電磁脈沖易損性分析*

張江南，何 勇，潘緒超，喬治軍,2，陳 鴻，沈 杰，楊紫淇

(1 南京理工大學智能彈藥技術國防重點實驗室，南京 210094；2 空軍裝備研究院，北京 100085)

0 引言

自從進入21世紀，科學技術的快速發(fā)展，尤其在控制芯片、鋰電池、傳感器以及通訊模塊等產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，電子元器件成本持續(xù)下降，使得無人機(UAV)行業(yè)迅猛發(fā)展。而無人機在戰(zhàn)爭中的應用也極大地推動了相關技術的發(fā)展，美國國防高級研究計劃局(DARPA)的“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”(CODE)項目和低成本無人機“蜂群”技術(LOCUST)項目的順利進展以及英國2016年公布無人機系統(tǒng)戰(zhàn)略增加了該技術實戰(zhàn)應用的可能性，而在發(fā)展無人機技術的同時，許多國家已經(jīng)開始研究和開發(fā)對抗無人機作戰(zhàn)的技術和手段，例如，法國開展了“全球反無人機系統(tǒng)技術和方法的分析與評估”等。在無人機對抗方面，由于寬帶高功率電磁脈沖兼顧了超寬譜強電磁脈沖頻譜覆蓋范圍寬和窄帶高功率微波功率密度高的特點[1-2]，并且對典型電子設備具有較高的后門耦合效率，可在相應頻段范圍內(nèi)對無人機目標產(chǎn)生顯著電磁輻射效應，因此在高功率寬帶電磁脈沖效應、無人機干擾、毀傷等領域具有一定的應用潛力[3-4]。

對于無人機電磁脈沖易損性研究，國外Butin等[5]通過FEKO模擬的屏蔽效能數(shù)據(jù)與測量結果對比，提出了具有有限使用壽命的無人機系統(tǒng)的抗擾度測試研究方法，可為易損性試驗提供借鑒。Torrero等[6]在高EM場強下進行的RF抗擾度測試來評估通用低成本無人機平臺的可靠性。國內(nèi)學者在該方面也做了一定的研究，鄧潘等[7]針對反輻射無人機的系統(tǒng)級電磁毀傷評估的困難，提出綜合運用理論分析、系統(tǒng)仿真和電磁毀傷效應試驗方法。趙妍卉等[8]對電磁脈沖易損性試驗分別采用成敗型和Weibull型單元進行了分析及驗證。孫蓓云等[9]采用信息子空間方法概括介紹了系統(tǒng)級電磁脈沖評估過程。綜上所述，國內(nèi)外學者在電磁毀傷評估方法等相關方面已做了一定程度的研究，為無人機寬帶高功率電磁脈沖易損性的分析奠定了良好的研究基礎，但仍缺少系統(tǒng)化無人機電磁脈沖易損性方面研究，而目前無人機面臨著復雜的電磁環(huán)境[10]，針對寬帶高功率電磁脈沖對無人機電磁易損性[11]問題，進行無人機目標分析，寬帶高功率電磁脈沖分析，無人機目標易損性分析以及易損性試驗研究。

1 目標分析

1.1 無人機結構分析

以四旋翼無人機為研究對象，無人機各旋翼軸分別裝配電機和螺旋槳，電機均裝配電子調(diào)速器。飛行控制系統(tǒng)主要包括：陀螺儀，進行飛行姿態(tài)感知；加速度計，地磁感應飛控；氣壓傳感器，懸停高度粗略控制；超聲波傳感器，低空高度精確控制或避障；光流傳感器，懸停水平位置精確確定；GPS模塊，水平位置高度定位。分電板將供電線路分為4路，包括LED控制、追蹤器、低電壓報警、電機供電等。接收機作為無人機上行數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，主要用來接收遙控器的控制信號，并將控制信號傳遞給飛行控制系統(tǒng)。圖傳、數(shù)傳系統(tǒng)作為無人機下行數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，主要用來無人機圖像數(shù)據(jù)、飛行參數(shù)等數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)無人機結構組成，將無人機劃分為飛控、GPS、接收機、電調(diào)、圖傳等系統(tǒng)模塊。

1.2 無人機功能分析

無人機所承擔的任務主要包括充當軍隊訓練目標、戰(zhàn)術偵察與監(jiān)視、戰(zhàn)場通訊中繼、對敵誘騙、火炮校準、反輻射武器、電子干擾、對地目標作戰(zhàn)、民用特種任務或其他任務等。根據(jù)無人機所能承擔的任務，無人機基本功能包括飛行功能、通訊功能、數(shù)據(jù)傳輸功能等。此外，根據(jù)無人機需完成的特定任務還會具備特定的作戰(zhàn)功能或特種功能，而其功能的完成與其系統(tǒng)結構的組成密不可分。任何子系統(tǒng)的毀傷都將導致其不能完成相應的功能，從而使無人機無法準確完成作戰(zhàn)任務。

1.3 無人機毀傷等級劃分及毀傷模式分析

根據(jù)無人機不同毀傷現(xiàn)象，將無人機毀傷等級劃分為干擾級、失控級以及毀傷級。針對無人機不同毀傷等級對其毀傷模式進行分析。干擾級：無人機在電磁脈沖干擾作用下出現(xiàn)飛行極其不穩(wěn)定，無人機可接收到遙控信號，但在飛行中無法自穩(wěn)，出現(xiàn)持續(xù)性劇烈抖動。電磁脈沖對無人機的姿態(tài)檢測或姿態(tài)解算模塊受到嚴重干擾，其中易受干擾的關鍵部件有飛控主芯片、PPM解碼芯片、GPS、三軸磁力計、空速計以及AD芯片等。失控級：無人機接收機受到嚴重干擾，信號碼解析錯誤，遙控信號無法控制無人機飛行，導致無人機失控飛行。在2.4 GHz通訊技術中，PPM信號受到干擾后其信號占空比改變，解析指令信號發(fā)生錯誤，擾亂控制信號，導致無人機失控。毀傷級：由于電機提供升力扭矩不平衡、扭矩不足或電機停轉(zhuǎn)導致無人機無法維持自身姿態(tài)穩(wěn)定而發(fā)生傾覆墜毀。電子調(diào)速器受到電磁脈沖干擾后，其中三相控制電路的場效應管損壞或無法驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，導致無人機傾覆墜毀。

2 寬帶高功率電磁脈沖分析

2.1 寬帶高功率電磁脈沖分析

寬帶高功率電磁脈沖輻射特性參數(shù)主要包括帶寬、中心頻率、遠場輻射因子等。帶寬是描述寬帶高功率電磁脈沖頻譜特征的一項重要指標，百分比帶寬描述頻譜的3 dB寬度與中心頻率的相對比值，寬帶高功率電磁脈沖百分比帶寬大于1%且小于100%[12]，寬帶高功率電磁脈沖的頻譜呈近似高斯分布，輻射因子表示在電磁脈沖源的輻射天線遠場區(qū)，輻射場電場強度E與距離r成反比關系，兩者乘積為常數(shù)，常用輻射因子來描述寬帶輻射系統(tǒng)的輻射性能，目前已研制的寬帶高功率電磁脈沖輻射系統(tǒng)中，絕大部分系統(tǒng)的中心頻率范圍為200 MHz～1 GHz，輻射因子范圍為0～300 kV[13]。

2.2 電子元器件毀傷分析

寬帶高功率電磁脈沖對電子元器件的毀傷模式主要包括：1)瞬間干擾：主要是指耦合功率較低，等同于系統(tǒng)增加了噪聲或干擾信號，影響電子元器件的正常工作；2)高壓擊穿：主要是指耦合進入電子元器件的電磁能轉(zhuǎn)化成高電壓、大電流引起電子元器件發(fā)生電擊穿；3)器件燒毀：主要是指半導體器件的燒蝕或連線熔斷等；4)微波加溫：由于電子元器件均有一定的工作溫度，若電磁脈沖通過加熱方式使器件溫度超過正常工作的溫度極限，使器件無法正常工作。

通過大量器件閾值試驗可得到閾值數(shù)據(jù)，易損電子元器件電磁脈沖功率毀傷閾值如圖1所示。在易損電子元器件中，微波二極管、CMOSRAM、運算放大器、開關晶體管的功率閾值較低，依次為4×104～1×106W/m2、1×105～1×106W/m2、3×105～3×106W/m2、3×105～3×106W/m2。

圖1 易損電子元器件功率閾值[14]

3 無人機目標易損性分析

3.1 無人機電磁脈沖敏感度分析

無人機接收機作為通訊系統(tǒng)前端，也是電磁脈沖“前門耦合”的主要途徑，其電磁脈沖易損性可采用帶內(nèi)敏感度指標來度量，電磁脈沖敏感度越高，其易損性也越高，以無人機接收機的靈敏度和帶寬作為相應指標參數(shù)。無人機接收機的敏感度Sr用下式表示：

Sr=24+20lgB-10lgR-N

(1)

式中：Sr為無人機接收機電磁敏感度;B為無人機中頻帶寬；R為輸入阻抗；N為接收機靈敏度。接收機靈敏度用下式表示：

N=-114+F+10lgB+D

(2)

式中：F為無人機接收機噪聲系數(shù)；D為信噪比。無人機接收機電磁脈沖敏感度計算結果見表1。

表1 接收機電磁脈沖敏感度

由表1可見，無人機通訊接收的電磁脈沖敏感度最低，導航接收機敏感度最高，電磁脈沖易損性最高。

3.2 無人機寬帶高功率電磁脈沖耦合分析

無人機系統(tǒng)組成繁多，耦合過程復雜，難以對各分系統(tǒng)進行準確的電磁脈沖耦合計算，考慮到各分系統(tǒng)模塊均由電子元器件集成于印制電路板上，故將無人機各系統(tǒng)模塊的集成電路、傳輸線耦合過程等效為印制板微帶線雙導體模型，利用Taylor模型對各系統(tǒng)模塊等效模型進行耦合分析。根據(jù)Taylor[15]的研究，對于長度為l的傳輸線，終端負載為Z1和Z2，以傳輸線上電壓V(x)和電流I(x)為微分變量，寫出相應的頻域傳輸線偏微分方程組為：

(3)

式中：Z′=R′+jωL′，Y′=G′+jωC′，R′、L′、G′、C′分別為傳輸線單位長的電阻、分布電感、電導和分布電容。對于傳輸線激勵模型，R′、G′一般可忽略，即Z′=jωL′，Y′=jωC′。V′s(x)、I′s(x)分別為傳輸線的分布電壓源、分布電流源，可由下式表示：

(4)

(5)

式中：μ=μ0=4π×10-7N·A-2，為真空磁導率。該偏微分方程組的邊界條件為:

V(0)=-Z1I(0),V(l)=Z2I(l)

(6)

設負載電壓和電流響應為VL1、VL2、IL1、IL2，則IL1=-I(0) ，IL2=I(l)，VL1=V(0)，VL2=V(l)。

根據(jù)電磁拓撲理論，負載電壓和電流響應的BLT[16]方程可表示為：

(7)

(8)

(9)

式中：ZC為傳輸線特性阻抗。

(10)

(11)

將其代入邊界條件求得：

(12)

因此，微分方程組(3)解的表達式為

(13)

采用PCB I結構作為耦合計算等效模型。PCB I結構體現(xiàn)了兩條微帶線位于印制板上外表面，兩條寬為w的微帶線位于電路板的一側(cè)，印制板的厚度為h，相對介電常數(shù)為εr，微帶線厚度近似為零，即t=0，特性阻抗為ZC。等效場線耦合模型主要根據(jù)PCB板面積A、布線密度Wd等因素確定。微帶線等效長度為

L=A×Wd

(14)

等效模型的其他參數(shù)w、d、h通過實際測量得到。各部件印制板等效模型參數(shù)見表2。

表2 各部件印制板等效模型參數(shù)

利用Taylor模型對寬帶電磁脈沖輻射在微帶線終端產(chǎn)生的干擾電壓進行分析和計算[17-18]。終端響應電壓可表示為:

(15)

式中：S1和S2與入射電磁波的輻射特性關系密切。采用的激勵源為正弦平面波形式[19]，考慮激勵場是入射平面波的情況，如圖2所示。輻射場由入射角(仰角ψ和方位角φ以及電場向量相對于垂直平面的極化角α)來確定。對于垂直極化入射場，電場向量位于入射平面內(nèi)，并且α=0°。對于水平極化的入射場，其電場垂直于入射平面，并且α=90°。記入射電場的幅值為E0，入射電場極化圖如圖3所示。

在正弦平面波激勵場下，分布電流源、分布電壓源可由下式表示：

(16)

(17)

(18)

(19)

圖2 微帶線雙導體等效耦合模型

圖3 入射電場極化圖

以重復頻率為20 Hz，入射電場幅值E0=15 kV/m寬帶電磁脈沖為例，終端阻抗Z1=50 Ω，Z2=50 Ω，仰角ψ=0°，方位角φ=0～2π，極化角α=45°，對無人機進行系統(tǒng)級等效耦合計算，計算結果如圖4所示。

由耦合計算可知，終端響應電壓峰值情況：飛控為1.28 V，GPS為0.79 V，電調(diào)為0.40 V，接收機為1.03 V，圖傳為0.35 V。結合無人機系統(tǒng)部件電磁敏感度以及電子元器件電磁脈沖毀傷閾值分析，無人機在寬帶高功率電磁脈沖作用下，最易受到干擾毀傷的部件為接收機和GPS。

圖4 寬帶電磁脈沖耦合情況

3.3 目標易損性計算

對于寬帶高功率電磁脈沖輸入?yún)?shù)分別為輻射因子、中心頻率、帶寬、重復頻率，無人機輸入?yún)?shù)包括無人機坐標矩陣、各部件印制板等效模型參數(shù)等，利用耦合計算所得負載終端響應電壓以及無人機電子元器件安全電壓閾值，建立電磁脈沖評估系數(shù)：

(20)

Pk=1-e-ρs

(21)

式中：Pk為無人機部件級毀傷概率。無人機系統(tǒng)級毀傷概率可表示為：

(22)

圖5 無人機系統(tǒng)級毀傷概率曲線

4 試驗研究

4.1 試驗設計

表3 寬帶電磁脈沖輻射源參數(shù)

圖6 效應試驗布局圖

4.2 試驗結果分析

根據(jù)以上試驗設計進行寬帶電磁脈沖輻照試驗。試驗測試結果如圖7、表4所示。

圖7 無人機測試點場強分布

表4 輻照源效應現(xiàn)象

編號單脈沖20Hz電磁脈沖1MHz電磁脈沖現(xiàn)象描述1A/B/C/FA/B/C/E無2無A/B/D/E/F無3無A/B/D/E/FA/B/D/E4A/B/D/EA/B/D/E/FA/B/C/EA:GPS定位數(shù)據(jù)紊亂;B:通訊系統(tǒng)失靈,遙控器操作無效;C:電機轉(zhuǎn)速失調(diào),無人機抖動;D:電機停轉(zhuǎn);E:飛控狀態(tài)數(shù)據(jù)紊亂;F:圖像畫面出現(xiàn)短暫白皙

分析以上3組輻照源輻照試驗結果，對于單脈沖輻照源，由于無人機處于低電量情況下，單脈沖輻照源在5 m處，場強5 kV/m，功率密度為6.63×104W/m2對無人機造成嚴重干擾而失控，而在電量正常情況下，造成電機停轉(zhuǎn)等嚴重失控的50%干擾毀傷場強閾值為20 kV/m，功率密度為1.06×106W/m2，作用距離為2m，主要易損子系統(tǒng)模塊包括：飛控、通訊以及電調(diào)，圖傳系統(tǒng)暫無明顯影響；對于20 Hz重頻輻照源，對無人機的失控級50%干擾毀傷對場強閾值為13 kV/m，功率密度為1.30×105W/m2，作用距離為17.2 m，主要易損子系統(tǒng)模塊包括：飛控、通訊、電調(diào)以及圖傳；1 MHz重頻輻照源，對無人機的失控級50%干擾毀傷場強閾值為1.67 kV/m，功率密度為7.40×103W/m2，作用距離為0.6 m，主要易損子系統(tǒng)模塊包括：飛控、通訊以及電調(diào)，圖傳系統(tǒng)暫無明顯影響。以上3種電磁脈沖輻照源對無人機作用后，對無人機重新上電，無人機均能恢復正常工作，可知3種輻照源均未造成系統(tǒng)模塊內(nèi)部電子元器件擊穿、燒毀等不可逆轉(zhuǎn)性毀傷。

5 結論

通過無人機寬帶高功率電磁脈沖易損性分析可得到以下結論：1)無人機在寬帶高功率電磁脈沖作用下，最易受到干擾毀傷的部件為接收機和GPS；2)由無人機系統(tǒng)級毀傷關系可知，寬帶高功率電磁脈沖重復頻率增加，無人機毀傷場強閾值降低，毀傷概率增大；3)相比單脈沖和1 MHz電磁脈沖，20 Hz電磁脈沖對無人機作用效果最明顯，作用距離最遠。

無人機寬帶高功率電磁脈沖易損性一方面對寬帶高功率電磁脈沖技術的應用有一定的借鑒和參考，具有很強的工程應用價值，另一方面對無人機的寬帶高功率電磁脈沖防護方面也提供一定的理論支持。