EMPB对舰艇通信系统损伤分析

周 旺，姜 弢

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

电磁脉冲弹(EMPB)利用高功率电磁脉冲对装备等效应物进行攻击的新式武器，近年来受到多国海军的重视.从20世纪70年代开始，美国海军就开始了改进型核爆电磁脉冲弹研究［1－2］.现代海军装备集成了众多复杂电子系统，许多装备各种飞机、舰船、导弹、雷达和同心结等通常集搜索、跟踪、制导于一体，具有电路高度集成化、工作自动化、传输信息多样化和各种软件高度密集的现代电子设备特征.其中舰艇通信系统是一个设备密集、业务密集、技术密集、控制复杂的通信系统，具有多通道、多业务、多用户和综合控制等技术特点，它是国防通信的重要组成部分，是指挥、控制和协调海上兵力运用的基本手段［3－4］.现代舰艇通信是一个能覆盖战区范围并能提供一种灵活通用的公共操作环境的信息传输平台和信息处理平台，同时也是连接各指挥中心与传感器和武器系统高效运转的信息网络.海战环境中的舰艇通信设备，当一定的强度电磁脉冲落入接收通带内时，就会形成不良电磁环境效应，干扰接收机，轻则影响有用信号的接收，降低信噪比，增加误码率;重则使接收机堵塞，甚至发生烧毁事故.由于以上特点，导致舰艇通信系统成为 EMPB 主要攻击目标［5－7］.

本文依据现有的EMPB理论研究基础，在确定舰艇通信系统易损性前提下，假设耦合量为百分之百，将电磁脉冲能量距离作为计算指标，研究EMPB对舰艇通信系统损伤机理，并给出仿真分析.

1 舰艇通信系统受EMPB损伤机理

1.1 舰艇通信系统结构

现代舰船通信系统主要由多频段宽带天线单元、射频单元、模块数字无线电单元、I/O单元、本地控制和自动数字网络系统舰内骨干网等组成，如图1所示.由于系统采用了不同频段链路间相互组网等宽带综合业务和全数字化处理技术，使舰船通信系统实现了体制标准化、结构模块化、信道宽带化、业务综合化、系统数字化和通信网络化，具有高度的灵活性、开放性和完全可编程性.

图1 舰艇通信系统结构

1.2 EMPB 组成

EMPB主要由前端能源、高功率微波源、定向辐射天线和控制系统等设备组成，系统结构如图2所示.前端能源包括初级能源和脉冲功率系统，是EMPB基础，用于向高功率微波源提供所需要的高功率机理脉冲(单个或脉冲串);高功率微波源是提供各种类型的高功率微波振荡器，是EMPB核心，用以在高功率脉冲驱动下产生高功率微波脉冲;定向辐射天线用以将高功率微波电磁波能量聚集在一个极窄的波束内，是微波能量高度密集地直接射向被攻击目标，对其进行摧毁和杀伤;控制系统用以控制EMPB全系统正常工作，包括对目标瞄准跟踪.

图2 EMPB基本组成框图

1.3 EMPB 损伤机理

EMPB对装备的损伤机理是基于该装备中电磁硬度低的元器件和设备的电场击穿效应和热效应，主要是通过电磁脉冲和电磁辐射两种途径.其中电磁耦合途径有“前门”和“后门”两种途径.“前门”渗透是指直接通过天线耦合进入电子设备的正常途径;“后门”渗透是指通过屏蔽不完善的导线、小孔或缝隙等进入电子设备的非常规途径.当电磁脉冲弹在电子装备和设备附近空中爆炸时，其高功率电磁脉冲将以一定的波束宽度和强度对舰载通信系统进行覆盖.电磁脉冲弹爆炸时产生的高功率脉冲在炸点附近微波密度最大，随着与炸点距离的增大，密度减少.其对舰船通信系统的损伤主要电磁辐射以平面波形式在通信装备表面和通信电缆产生耦合效应，耦合能量随即转变成强电流浪涌，对电子或电器设备以及连接该系统的其他机器造成破坏.EMPB对装备的损伤效果取决于对装备与炸点距离、天线增益、易损部件的功率阈值、通信电缆耦合阈值等.根据损伤程度，一般将损伤程度划分4个等级:干扰噪声的产生、虚假信息的传入、设备暂时失灵、永久性损坏.

2 损伤分析

EMPB产生的电磁脉冲，上升前沿极为陡峭，即脉冲随时间变化剧烈，易被耦合;上升前沿含有丰富频谱成分，涵盖舰艇通信系统全部频段.舰艇通信设备内部集成大量微处理芯片和MOS器件，且系统终端通信电缆的存在，这些都为EMPB攻击带来极为便利的条件.典型的电磁脉冲波形呈现双指数形式.上升前沿在几纳秒到几十纳秒之间，维持0.1 ～1 μs，峰值一般为5 ×105～ 10 ×105V/m，频谱资源丰富，一般为1～300 GHz，囊括整个通信频谱.其波形表达式为根据图3分析，EMPB脉冲上升前沿仅2 ns，宽度为10 ns，而峰值场强达到1.65×105V/m，脉冲能量经过20 ns即进入消亡期.式(2)为电磁脉冲频谱模型，根据频谱模型仿真得出EMPB功率谱图4.由图4可见，EMPB脉冲频率成分为0～10 GHz，且存有多次谐波状态，各谐波的峰值呈现递减趋势，递减速度较快.虽然EMPB能量主要集中在基波和二次谐波上，范围囊括通信系统所需的大部分频率范围，且强度很大，但其他各次谐波毁伤能力不可轻视，一旦通信装备谐振频率刚好处于某次谐波，那么对于系统来说，损伤将得到进一步加强.

3 损伤区域分析

EMPB对于舰艇通信装备的损伤能力主要体现在爆炸杀伤区域面积、舰艇通信装备处获得的电磁脉冲能量密度、耦合到装备内部的能量.

3.1 杀伤区域

EMPB爆炸后，脉冲能量将通过天线以一定波束角向舰艇辐射，从而在目标空间中形成一个立体圆椎形损伤面域.由于EMPB多采用搭载式投递，造成其辐射方先与海平面存在一定角度.如图5所示，其中:θ为波束角，是考察EMPB毁伤能力的一项重要指标;φ为与海平面夹角;h为炸点处距离海平面高度;锥形辐射在海平面上大致投影成椭圆形，a为该椭圆长半轴、b为短半轴、O为中心点.由图5可知a，b的表达式为

当φ=90°时，海平面投影区域呈现圆形，则面积 S=πr2，此时 a=b=2r=2htan(θ/2).

图5 EMPB损伤区域概图

由图5可知，当夹角一定时，长短轴值随着波束角的加大呈现上升趋势，其中长轴值变化较快;当波束角一定时，长短轴值随着夹角的加大而呈现递减趋势，其中也是长轴变化较大.由能量守恒定律可知，过大的损伤面域将削弱聚集能量系数，常规EMPB攻击夹角60～80°，假定EMPB波束角为20°，则此时长轴值在 327.6 ～427.6 m，短轴值在322.3～366.5 m范围内，对于常规舰艇，能够达到全部覆盖.

3.2 电磁能量耦合度

EMPB主要通过通信天线、通信电缆、通信装备孔隙等处耦合进入系统.根据电磁波传播理论，电磁脉冲在空间传播，随着传输距离的增加，其携带的能量密度呈衰减趋势.同时空气是弱导电媒介物质，电磁波能量也会因为在空气中的反射、折射、吸收、散射等因素而衰减.但对于EMPB这种聚能极强的脉冲，在常规气压条件下，击穿空气阈值为1.53 MW/cm2，低空爆炸后很难达到此阈值，同时空气吸收损耗的能量相对于本身能量来说极其微小，所以本文不考虑空间传输损耗.为了能够全方面显示电磁脉冲功率密度分布情况，选取图6中B、C、D及中心 点O等4点，分析EMPB产生电磁脉冲功率密度随距离变化的分布规律，根据先前讨论可知，功率密度q满足如下条件:qD≤q≤qO.根据电磁场域电磁波理论，可知电磁脉冲功率密度q满足式(5)

图6 长短轴随夹角、波束角变化值

其中:P为EMPB脉冲源辐射功率，G为定向辐射天线增益，R为炸点离舰艇的相关距离，u为EMPB前段天线辐射效率，g为EMPB定向天线方向性系数，辐射锥形边缘区域的方向性系数为波束中心值的1/2，即gB=gc=gD=gO/2.其中O点功率密度如式(6)所示，其余边缘三点类似，不再赘述.

对于某型EMPB在某晴朗平静海域试爆，利用以上模型，进行不同炸点高度各点能量功率密度仿真分析，参数 P=1 GW，g=10，φ =60°，θ=20°.图7仿真结果与理论推导相符，损伤面域内的能量功率密度呈递减趋势.

3.3 耦合损伤能量

耦合能量

其中:S为舰艇装备受EMPB攻击时有效耦合面积，t为有效耦合时长即脉冲持续时间，q为该处的能量功率密度.这里参数k即为耦合效率，其特性值与电磁波的特性、装备受攻击时状态以及电磁加固方式、程度等有关，耦合效率值的获取是个相当复杂的过程，需要大量实时试验数据作为依托，本文为了方便讨论舰艇通信装备损伤特点，将通信天线工作时耦合效率设定为30%，有效接收面积为31.4 m2.通过前面讨论模型可知，当 h=900 m，φ=60°，θ=45°，D 点能量功率密度为 qD=182 W/m2，取脉冲持续时间100 ns，则D点处通信天线耦合到的能量值为 Em=1.69×10－4J.表1是部分电子器件的电磁脉冲损伤阈值.由此推断，在边缘D处集成电路、计算机磁芯及双极晶体三极管都将严重损坏，而CMOS和运算放大器将受到一定的干扰.D点为损伤区域中损坏力度最小处，这意味着一旦舰艇处在该EMPB损伤区域中，通信装备损伤更为严重.

图7 海面投影区域各点能量功率密度随高度变化曲线图

4 结语

EMPB对舰艇通信系统损伤程度主要取决于通信系统电磁损伤阈值和接收到的耦合能量值.通过电磁场与电磁波传播理论推导出EMPB毁伤区域模型，结合舰艇通信系统特征进行了分析与仿真，从而得出结论:EMPB的损伤面域在空间中呈现倾斜椎体状，同时投影在海平面上的区域大致为椭圆;电磁能量功率密度边缘处小于中心处，同高度平面上中心处为最大值;EMPB对舰艇通信系统损伤主要通过天线耦合，通过电磁加固等手段，降低内部元器件的耦合效率，可以极大减少系统受损程度.

［1］中国船舶重工集团公司.海军武器装备与海战环境概论［M］.北京:海军出版社，2007.

［2］周壁华，陈 彬，石立华.电磁脉冲及其工程防护［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［3］贾 春.电磁脉冲弹的杀伤能力［J］.火力与指挥控制，2006，31(8):53－55.

［4］谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波［M］.3版.北京:高等教育出版社，1999.

［5］张兴华，张建华，尹成友.高功率微波武器及其应用［M］.北京:解放军出版社，2003.

［6］高攸纲，吕英华.电磁场对屏蔽电缆的影响［M］.北京:人民邮电出版社，1988.

［7］颜克文，阮成礼，吴多龙.通信系统的强电磁脉冲环境下的电磁防护［J］.装备环境工程，2008，5(3):76－91.