高空核电磁脉冲照射下车辆表面感应电流研究

王 伟，解旭彤，胡 宽，王 雯

(西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071)

随着通信、雷达、电子对抗等技术的迅速发展，越来越多由敏感电子元器件组成的电子设备及系统被集中在一个有限的狭窄空间里来应用于国防、电力、航空及现代生活的各个领域[1]。虽然电子设备的性能得到了提升显著，但电磁兼容问题也变得尤为突出[2-3]。高空核电磁脉冲(High-altitude Nuclear Electromagnetic Pulse，HEMP)可对敏感设备造成严重的损害，从而破坏或摧毁电子信息平台，对战场环境造成严重干扰，其已成为现代信息战的首选武器[4]。高空核电磁脉冲的破坏作用主要体现在：(1)对人员的杀伤力；(2)通过破坏武器系统中的电子设备对各种武器系统的破坏，使其丧失作战效能；(3)对隐身武器进行攻击[5]。由于高空核电磁脉冲具有辐射范围广、强度大、频谱宽等特点，会在车辆表面某些位置形成强感应电流分布，可对分布其中的设备造成严重危害[6]。以往对高空核电磁脉冲照射下车辆表面感应电流的研究主要集中在定性分析和总结变化规律等方面。本文通过仿真手段研究车辆表面感应电流在核电磁脉冲环境下的响应情况，并获取相关数据，然后以此为基础进行分析、归纳、总结，为HEMP照射下车辆电磁防护提供数据支撑。所得车辆表面电流响应情况及理论分析与文献[7]中仿真结果具有相同的趋势，获得的仿真结果对电磁脉冲防护具有一定的实际工程意义。

1 脉冲模型建立

高空核电磁脉冲是在高空核爆炸(一般约定爆炸高度为30 km)过程中由瞬发射线引起的瞬态电磁波传播，在地面附近可将其作为平面波处理[8]。迄今为止，HEMP波形表达式已有很多不同的标准。一般HEMP场强可以用双指数解析函数近似表达

E(t)=E0k(e-at-e-βt)

(1)

式中k是修正系数；E0是场强峰值；a表征脉冲前沿参数；β表征脉冲后沿参数。高空核电磁脉冲波形的具体参数，目前国际上有多个已发布的标准，从Bell实验室波形，再到IEC和DOD波形，可以看出标准变化的基本趋势是脉冲前沿变快、脉宽变窄[9]，各参数具体数值如表所示。

美军标MIT-STD-461G和我国标准GJB-151B-2013都沿用了IEC6100发布的高空核电磁脉冲的波形，波形时域图和频域图如图1和图2所示。

高空核电磁脉冲电场强度峰值很高，脉冲上升时间很短，为纳秒量级，而波形下降较为平缓。快速变换的信号可能对电子设备造成很大损害[10]。下文中，利用该标准脉冲波形进行仿真分析。

2 车辆电磁模型建立

建立车辆电磁模型如图3所示。

为了提高仿真的高效性并优化仿真效果，本研究去除部分对仿真精确度影响较小的车辆结构和部件[11-12]，图3为简化和修正后的车辆电磁模型。为了方便研究，本文选取45°斜入射HEMP水平极化波照射。

一般来说，电磁环境是指某些区域内所有电磁现象的总和[13]，不同电磁环境中最基本的是电磁计算数据，目前常用的电磁计算方法是时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)和传输线法[14]。FDTD方法具有计算思路清晰、通用性强、并行计算能力强等优点；而传输线法可以简化复杂结构，模拟开放场的无限自由空间[15]。利用电磁拓扑的概念，将整个复杂的电子信息系统分解为几个小区域，整体仿真取决于这些相关部分[16]。本文采用基于FDTD方法的CST电磁仿真软件，模拟战场环境下高空核电磁脉冲对装甲车车辆表面的电磁效应。

3 仿真分析

选取45°斜入射HEMP波从正面、侧面、后面3个方向分别进行照射，将得到的仿真结果以及不同频点下车辆表面感应电流的最大值绘制成曲线图，如图5所示。

图5中，A、B、C分别为侧面照射、后面照射、正面照射时车辆表面感应电流最大值曲线图。可以看出0～30 MHz范围内，侧面照射时车辆表面感应电流最大值远大于后方照射及正面照射，峰值为1.82×103 A·m-1。

对0～30 MHz内不同频点的车辆表面感应电流分布情况进行对比，发现侧面照射时车辆表面感应电流最大值远高于其它两个照射方向的峰值区域集中在炮管位置。

移除炮管部位，其它条件不变，从侧面对车辆进行照射，结果如图6所示。

A为正常情况下车辆表面感应电流最大值曲线图，B为移除炮管后，侧面照射时车辆表面感应电流最大值曲线图。对比可知，HEMP波从侧面照射炮管部位，在0～30 MHz范围内会感应出远大于其它部位的表面电流。

这是因为侧面照射时，炮管相当于炮塔平面的突起部位，感应电流在炮管、炮塔及车体平面连接处流动并相互叠加，故感应电流值远大于其它区域。该结果与已知电磁兼容理论符合。

炮管部位一般不安装电子设备，属于非敏感区域，但感应电流值远大于其它部位，对研究工作存在较大的干扰作用。因此，在下面研究中去除炮管进行仿真。

图7为去除炮管后，不同照射方向的车辆表面感应电流最大值曲线图。车辆除一些细小结构外，基本为左右对称结构，故在180°范围内选取五个方向进行照射，研究车辆表面感应电流随方向的变化情况。实验中，A为正面照射，E为后方照射，A～E间依次相差45°。

通过对不同照射方向、不同频点的车辆表面感应电流分布进行对比研究，发现不同位置的车辆表面感应电流差异明显：峰值区域集中在不同车体平面连接处，棱角处及平面凸起处，而平面区域的感应电流较其它区域小，即车辆表面感应电流大小与照射方向车辆表面结构的复杂度呈正相关变化。

本文车辆电磁模型中，侧面照射的炮管部位为全车最复杂的表面结构。去除炮管后不同照射方向的峰值电流远小于有炮管时侧面照射的峰值电流也验证了这点。炮管属于非敏感区域，而车辆重点防护的敏感区域均位于车辆平面上，而平面区域的表面感应电流小于去除炮管后照射方向的峰值电流，不同照射方向的峰值电流又远小于正常情况下侧面照射的峰值电流，故可以把正常情况下侧面照射的峰值电流作为本车电磁防护的最大感应电流参考值，即1.82×103A·m-1。

不同照射方向的车辆表面感应电流最大值曲线呈现波浪形变化，但整体变化趋势一致，即在频段内整体呈现连续下降趋势。由图2可知，HEMP电场强度随频率增大不断减小，两者随频率呈现正相关变化。波源电磁能量主要集中在0～40 MHz范围内，得到的车辆表面感应电流最大值曲线图中，电磁能量也集中在0～40 MHz频段内，因此0～40 MHz属于重点防护频域。

4 结束语

HEMP会在车辆表面形成强感应电流，车辆表面感应电流大小与照射方向车辆表面结构的复杂度呈正相关变化，在炮管部位有远高于其它部位的感应电流。本文中，车辆最大感应电流参考值为1.82×103A·m-1，重点防护频段为0～40 MHz。本文通过仿真分析核电磁脉冲下车辆表面电流的分布情况，为HEMP照射下车辆电磁防护提供了依据，具有一定的参考价值。