反輻射無人機的系統級電磁毀傷評估方法*

鄧 潘，陳 衛，樊 祥

(解放軍電子工程學院，合肥 230037)

0 引言

反輻射無人機是反輻射武器的一種，其滯空時間長，可在雷達陣地上空長時間實施空中壓制和攻擊，制導系統具有一定的抗雷達誘餌功能，且雷達反射截面積很小，發動機功率小，紅外特征不明顯，機體尺寸小，用肉眼或光學瞄準系統不容易發現，具有較強的生存能力。因此，對防空雷達具有非常大的威脅，嚴重制約著戰時主戰雷達的作戰效能。電磁脈沖武器是一種通過輻射強電磁脈沖破壞敵方電子設備和武器系統的新概念武器，所攻擊目標包括雷達、通信、導彈、C4ISR系統等電子設備[1]。由于電磁脈沖武器兼具“硬殺傷”和“軟殺傷”作戰觸力，可全天候作戰、攻擊多個目標、且無需精確瞄準，故在區域防空反導應用中更具強大的軍事應用前景，尤其是對抗反輻射無人機和反輻射導彈等雷達制導武器[2]。

1 研究思路

電磁脈沖武器對反輻射無人機的電磁毀傷評估非常困難:

1)電磁脈沖與反輻射無人機系統相互作用的方式是全局的作用，受多種因素影響，且相互作用參數空間是多維的、非線性的，例如頻率、脈寬、功率、作用方向角、傳輸路徑、無人機系統結構及功能特性等等，因此，僅僅依靠實驗途徑研究，實驗費用將不可承受;

2)現有的實驗室實驗條件限制了威脅環境參數的范圍;

3)電磁脈沖對反輻射無人機的毀傷模式及機理復雜。電磁脈沖對反輻射無人機敏感系統的毀傷模式主要分為兩類:一類是物理損傷，表現為電子元件的燒蝕、擊穿等現象;另一類是干擾，表現為瞬時干擾、飽和等。深入研究以上毀傷模式及機理需大量的電磁毀傷效應實驗。

因此，單純利用電磁毀傷效應實驗的方法研究和評估電磁脈沖對反輻射無人機的電磁毀傷不可行。

為此，文中提出綜合運用理論分析、系統仿真和效應實驗等方法進行研究，通過系統分析，建立反輻射無人機的結構模型和功能模型。在結構模型基礎上，采用FDTD模擬仿真電磁脈沖對反輻射無人機的“前門”耦合和“后門”耦合效應及傳播途徑[3]。依據反輻射無人機的功能模型，研究其電磁脈沖毀傷模式及機理，并將反輻射無人機的系統電磁毀傷評估分解為子系統的電磁毀傷評估問題，尤其是關鍵子系統或部件的電磁毀傷評估。對于子系統或部件，主要采用低功率注入式電磁毀傷效應實驗和電路分析的方法，并結合子系統內器件的毀傷模型，構建子系統的電磁毀傷評估模型。最后，結合反輻射無人機的功能模型，采用層次分析法(AHP)構建整個系統的電磁毀傷評估模型，完成對反輻射無人機的系統級電磁毀傷評估。

2 評估方法

圖1為評估方法基本描述，主要有以下幾個方面:

圖1 系統電磁毀傷評估方法描述

1)系統分析

系統分析主要包括系統的幾何結構、系統功能以及系統內子系統的電磁敏感性分析，以建立系統結構模型和功能模型，找出電磁脈沖的“前門”和“后門”耦合通道及其傳播途徑。同時，借助系統功能模型，構建系統電磁毀傷評估的層次化分解結構，并識別其關鍵子系統或關鍵元部件。

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2)耦合分析

在進行具體的電磁毀傷效應實驗之前，必須分析電磁脈沖對反輻射無人機系統的耦合情況及其在系統內的傳播情況，以估計各敏感子系統或部件的輸入端信號參數。其主要通過FDTD在系統分析的基礎上進行仿真來完成。

3)子系統電磁毀傷評估

通過耦合分析可估計耦合或傳播到子系統輸入端的電磁脈沖信號參數，并依據此參數進行多次的低功率注入式電磁毀傷效應實驗，以得出子系統的電磁毀傷特性與電磁脈沖參數的函數關系，進而構建子系統的電磁毀傷評估模型。文中采用了神經網絡算法來構建。

4)系統電磁毀傷評估

系統電磁毀傷評估建立在子系統的電磁毀傷評估基礎上，尤其是關鍵子系統。利用AHP方法可對電磁毀傷評估層次分解結構底層的子系統或元部件的電磁毀傷評估模型進行由下而上的綜合，進而得出反輻射無人機系統的電磁毀傷評估模型。

3 評估流程

電磁脈沖武器對反輻射無人機的電磁毀傷評估是一個從頂層到底層的分解，再從底層到頂層的綜合的過程。圖2為反輻射無人機的電磁毀傷評估流程。

圖2 反輻射無人機的電磁毀傷評估流程

1)反輻射無人機的系統分析

系統分析是反輻射無人機電磁脈沖毀傷評估的第一步，其目的是建立系統結構模型和功能模型。系統結構分析是對反輻射無人機的幾何結構、物理特性進行分析，找出電磁脈沖可能的耦合入口及在系統內部的傳播途徑，這也是模擬仿真電磁脈沖對系統的“前門”耦合和“后門”耦合效應所必須的。

系統功能模型是系統運行方式的描述，其描述了系統執行使命過程中的運行模式，系統部件或子系統在完成系統功能中的作用以及系統運行和子系統或部件之間的關系。系統電磁毀傷的定義依賴于系統的使命，且系統的電磁毀傷與子系統、部件的毀傷有關，尤其是關鍵子系統和部件。只有明確系統功能模型，才能正確分析系統的電磁毀傷模式和機理。此外，系統功能模型也是識別導致系統電磁毀傷的關鍵子系統或元部件的前提。

2)系統電磁毀傷評估分解結構

依據系統功能模型，按照從上至下的順序，可對反輻射無人機的電磁毀傷評估問題進行層次分解，圖3為層級式反輻射無人機系統電磁毀傷評估分解結構，其底層結構為關鍵子系統或無部件電磁毀傷評估。

圖3 反輻射無人機電磁毀傷評估分解結構

3)電磁脈沖耦合、傳播研究與仿真

反輻射無人機的被動雷達制導系統為電磁脈沖提供了“前門”耦合通道，而機件連接縫、孔縫等為電磁脈沖提供了“后門”耦合通道。在對反輻射無人機的幾何結構、物理特性進行分析的基礎上，采用FDTD對電磁脈沖的“前門”和“后門”耦合以及電磁脈沖在系統內的傳播進行仿真計算，從而對傳播途徑上的電場強度進行預測、估計，分析系統中電磁敏感元件、子系統及其輸入端電磁脈沖參數。

4)關鍵子系統或部件的電磁脈沖毀傷效應實驗

關鍵子系統或部件的電磁脈沖毀傷效應實驗是系統電磁毀傷評估的基礎，主要通過低功率電磁脈沖注入法實現對元部件或電子線路的毀傷效應實驗，并進行毀傷診斷，以獲得相應的毀傷閾值數據。由于效應物的毀傷閾值需通過多種參數條件下的毀傷效應實驗獲取，實驗損耗性很大，為減少實驗費用，采用“均勻設計”實驗方法[4]對效應實驗參數進行選取，以降低實驗次數。

5)關鍵子系統或部件電磁毀傷評估模型構建

電磁毀傷效應具備典型的統計特性，其特征空間是多維的、非線性的。通過4)獲得關鍵子系統或部件的毀傷效應數據，采用BP神經網絡算法對效應實驗數據進行處理[5]，從而獲得關鍵子系統或部件的電磁毀傷評估模型。

6)系統電磁毀傷評估模型構建

綜合利用反輻射無人機的結構模型和功能模型，對系統電磁毀傷評估分解結構的各要素進行權重分配，突出關鍵子系統或元部件的電磁毀傷評估在系統級電磁毀傷評估中的重要性。依據反輻射無人機系統電磁毀傷評估分解結構，采用基于多領域專家的AHP方法[6]對各子系統或部件的電磁毀傷評估模型進行加權聚合，構建反輻射無人機系統的電磁毀傷評估模型。圖4為反輻射無人機系統電磁毀傷評估流程。

7)系統級電磁毀傷實驗及評估模型修正

對反輻射無人機進行系統級電磁毀傷實驗，并通過系統電磁毀傷評估模型進行毀傷預測，對比結果，以對系統的電磁毀傷評估模型進行修正。系統級電磁毀傷實驗通常采用輻照式。受限于實驗條件和經費，系統級效應實驗次數非常有限。

圖4 反輻射無人機電磁毀傷評估流程

4 結語

反輻射無人機的系統級電磁毀傷評估非常困難，不能僅僅依靠電磁毀傷效應實驗來完成。文中提出綜合運用理論分析、系統仿真和電磁毀傷效應實驗等方法進行研究，采用系統分析方法構建了系統的結構模型和功能模型，在對關鍵子系統或部件進行注入式電磁毀傷效應實驗的基礎上，對系統的電磁毀傷進行仿真、評估。這樣，既有效保證了對反輻射無人機的電磁毀傷評估的準確性，又大大降低了研究成本，減小了研究對實驗條件的苛刻要求，具備很強的操作性，在課題研究中取得了較好的效果。

[1]陳棟，許黎明.高功率微波武器對C4ISR系統毀傷效應研究[J].裝備環境工程，2010，7(2):48－50.

[2]方有培.電磁脈沖武器對抗反輻射導彈的研究[J].航天電子對抗，2002(5):9－13.

[3]黃雋，費奇志，張浩然.電磁脈沖武器對軍機座艙后門耦合效應及軟殺傷分析[J].海軍航空工程學院學報，2011，26(1):5 －10.

[4]楊志強，李平，黃文華.基于“均勻設計”的HPM效應試驗參數選取[J].戰術導彈技術，2010(4):23－26.

[5]方進勇，張治強，黃文華，等.集成電路高功率微波易損性預測評估模型[J].強激光與粒子束，2009，21(4):565－568.

[6]陳衛，鄧潘，樊祥.一種新的高能激光武器反導能力評估方法[J].彈箭與制導學報，2012，32(4):191－194.