一種電磁脈沖前門耦合效應的事件分解評估方法

肖金石，任雄偉，樊 強

(1.海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學 訓練部，湖北武漢 430033）

一種電磁脈沖前門耦合效應的事件分解評估方法

肖金石1，任雄偉1，樊 強2

(1.海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢 430033;2.海軍工程大學 訓練部，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/毀傷目標電子系統的新概念武器。為計算電磁脈沖通過前門耦合毀傷目標的效能，提出一種基于事件分解的效能評估方法，按時間序列將前門耦合－毀傷過程分為彈體爆炸輻射電磁脈沖、大氣傳輸衰減、目標系統耦合3個子事件，分別用不同算法計算其發生效能。用該方法對美國MK84導彈搭載的電磁脈沖彈進行評估，得到具有一定參考價值的效能評估值。

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、單次電感儲能型脈沖功率系統的高功率微波武器［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電子系統，通過電磁能量耦合干擾/毀傷目標內部的電子設備。按照耦合方式，電磁脈沖的耦合效應分為前門耦合和后門耦合2種。前門耦合是指經天線、接線柱、收發機前門電路等進入目標內部，是最普遍的一種耦合模式。計算電磁脈沖前門耦合效應，是評估電磁脈沖彈作戰能力［2－3］的一項重要內容。

本文采用基于事件分解的思路計算電磁脈沖彈的前門耦合毀傷效應。為了完成電磁脈沖通過前門耦合毀傷效應的評估，提出一種基于事件分解的思路，即將總事件按時間順序分解為若干個相對獨立的子事件，給出了前門耦合效能評估的計算流程。用此方法對電磁脈沖彈毀傷目標事件進行事件分解和效能評估，最終得到具有一定參考價值的效能評估值。

總之，在新形勢下，必須樹立以人為本的理念，強化為學生服務的意識，構建有利于推動課堂教學和教學模式改革，培養學生創新能力的現代教學管理制度和彈性靈活的教學運行機制。充分體現個性化、人性化的教育理念，構建教師教學激勵機制，尊重教師的個性風格與獨創精神，保障教師的教學自主權，鼓勵教師錘煉精品課件。通過加強自身教學語言魅力、課堂設計和教學方法創新，充分體現大學課堂的專業魅力，使教師主導與學生主體在研究性教學中真正融為一體，對客觀世界進行充滿想象力的探索。

1 事件分解思路

所謂事件分解，就是按照時間發生順序將某個總事件分解為若干相對獨立的子事件，多個子事件在結構上構成串聯形式，如圖1所示。在具體計算效能評估問題時，可采用不同的方法分別對各子事件的發生效能做出評估，再進行綜合的思路。基于事件分解的評估方法，適用于遵循時間先后順序發生的各種事件。

圖1 事件分解及評估思路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

電磁脈沖彈由儲能電容器、爆磁壓縮發生器、脈沖功率調制器、虛陰極振蕩器和輻射天線等部分組成。其工作原理是，首先由電容器對爆磁壓縮發生器充電，爆磁壓縮發生器利用炸藥的化學能將前級的電容輸出電能放大，功率調制器進行阻抗匹配，最后由虛陰極振蕩器產生高功率微波，經輻射天線向外輻射。其爆炸原理在時間順序上構成了串聯關系。圖2是美國MK 84導彈搭載的電磁脈沖彈結構圖。

圖2 美MK 84導彈搭載的電磁脈沖彈結構圖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目標造成干擾/毀傷的過程。基于事件分解的思路，可將前門耦合－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目標耦合3個獨立的子事件，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:高功率電磁脈沖對目標耦合過程。計算依據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。設電磁脈沖彈輻射高功率微波頻率為6 GHz，對應微波波長為0.05 m，算得輻射天線增益9.22。

子事件－1:電磁脈沖彈發生爆炸并向外輻射高功率電磁脈沖。計算依據為電磁脈沖彈彈體結構。

3 前門耦合評估的事件分解方法

基于以上事件分解思路，前門耦合評估實施步驟為:在設置輻射功率等仿真初值基礎上，計算微波傳輸衰減和輻射功率密度;根據目標天線有效接收面積，計算經天線主瓣耦合的接收功率;根據毀傷閾值，判斷電磁脈沖彈毀傷典型器件或設備的作戰能力。計算流程如圖4所示。

圖4 前門耦合效能評估的計算流程Fig.4 Calculation flow of front-door coupling evaluation

3.1 估算輻射天線的增益

首先計算輻射天線增益。設電磁脈沖彈輻射天線是一個喇叭天線，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。計算依據為大氣衰減理論。

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？杰克從衛生間探出頭：問你啥？蘇婷婷笑了：問我啥時候生？杰克說：你已經升了，還要再升？蘇婷婷說：不是說升職，是說生孩子！杰克走出衛生間，詫異地：你生不生孩子與他們有關系嗎？蘇婷婷說：中國父母把兒女當成他們的一部分，生不生孩子當然與他們有關系。杰克搖搖頭：N O，生不生孩子是咱們的事，與他人沒有關系。蘇婷婷說：N O，你還不了解中國，所有的事情都與父母有關系。杰克說：可咱們的事情與父母沒關系，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律，即功率密度在遠場區遵循以距離平方的倒數遞減的規律，表達式為

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

首先，成立高校經費管理專門小組，并以推進科研活動發展及經費管理精細化為雙重主導，組建專門的管理人員團隊。在管理人員構成上面，應遵循放管服所要求的服務性、科學性與精細化要求，將財務管理負責人、科研活動負責人都納入管理團隊當中，同時也要積極邀請這方面的專家學者共同參與管理，實現管理效能均衡，發揮管理團隊作用。

3.3 計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。不同頻率電磁波對應的大氣吸收衰減率［4］如表1所示。不同距離處的衰減倍數關系

式中:α選為衰減率;R為爆炸點與目標距離。設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）可計算不同距離處的衰減倍數。

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 對天線的耦合效應評估

5）索緒爾的結構符號學強調符號與所指的事物之間的雙項關系，而弗雷格等人在此基礎上加入的意義項，使這雙項關系變成符號——意義——事物的三項關系。詳見參考文獻[25]：361-362.

經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易受電磁干擾/毀傷的重要器件。當高功率微波脈沖進入接收天線，能量超過毀傷閾值時，將損壞微波混頻器或高放，進而對目標造成毀傷。

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

企業若想實現外部經濟與內部管理的協調發展，又快又好的進步，那就必須針對所存在的問題，必須積極采取措施，進行針對性的處理。企業可以從以下幾個方面來進行公司的經濟管理。

拍攝組圖很有意思。創造出一個作品的主體可以為這個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，這比單獨拍攝阿拉斯加異域風情的地標要豐富多了。

式中:S為目標處的功率密度;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。

經天線主瓣耦合的電磁能量

式中τ為電磁脈沖寬度。但在實際操作中，電磁脈沖從天線副瓣耦合更為普遍。設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”前插入一個練習，安排針對基本事實和推論的兩道小練習，其中第1題可以是原31頁練習第1題，第2題可以選擇應用定理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。

耦合進目標的電磁能量主要取決于目標接收天

聯立式(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設置如下

3.5 計算結果分析

Cl O2是一種強氧化劑，常用作油田高效殺菌劑，同時具有去除污水中硫化物的作用，主要的除硫機理是利用其強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，ClO2相較于其他氧化除硫劑，具有很強的p H環境適應性，在p H值為5～9范圍內均可高效發揮除硫作用。

比較兩組護士在自我管理、護理滿意度以及護理質量方面的評分。觀察組護士各項評分均優于對照組,差異顯著(P﹤0.05),有統計學意義。詳見表1:

輻射功率=280 MW;微波頻率=6 GHz;微波波長=0.05 m;持續時間=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不同距離處的輻射功率密度如圖6所示。線的有效面積。經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

由結果可知，電磁脈沖彈輻射功率密度在距離爆炸點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系迅速衰減。若按“高功率微波武器的打擊效應”功率密度級別的標準［6］評估電磁脈沖彈毀傷效應，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”的距離約145 m。

根據以上初值，按照基于事件分解的電磁脈沖彈效能評估計算流程，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

由結果可知，干擾目標混頻器的所需作用距離應不大于180 m，燒毀目標混頻器的作用距離應不大于54 m。可見，與干擾級別相比，由于燒毀級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。

根據以上初值，計算電磁脈沖彈對典型元器件的毀傷效應。因元器件吸收電磁能量存在損耗，計算時假設元器件有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，對破壞閾值為10－5J左右的雙極晶體三極管造成燒毀效應，電磁脈沖彈的作用距離為25.4 m。對其他破壞閾值更小的元器件，作用距離可達幾百米至上千米。

4 結語

采用基于事件分解的思路，將“電磁脈沖彈經前門耦合毀傷目標”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“對目標耦合”3個子事件，對電磁脈沖前門耦合效應進行效能評估。基于事件分解的評估方法，對美國MK 84導彈搭載的電磁脈沖彈前門耦合效應進行計算，得到造成干擾/燒毀效應所需作用距離等有價值的效能評估值。值得注意的是，除前門耦合外，電磁脈沖彈毀傷效應中還有后門耦合模式，本文并未涉及這部分的計算。

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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，FAN 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，主要研究方向為瞬態電磁脈沖效應、系統工程理論與方法。