高空核電磁脈沖照射下車輛表面感應電流研究

王 偉，解旭彤，胡 寬，王 雯

(西安電子科技大學 電子工程學院,陜西 西安 710071)

隨著通信、雷達、電子對抗等技術的迅速發(fā)展，越來越多由敏感電子元器件組成的電子設備及系統(tǒng)被集中在一個有限的狹窄空間里來應用于國防、電力、航空及現(xiàn)代生活的各個領域[1]。雖然電子設備的性能得到了提升顯著，但電磁兼容問題也變得尤為突出[2-3]。高空核電磁脈沖(High-altitude Nuclear Electromagnetic Pulse，HEMP)可對敏感設備造成嚴重的損害，從而破壞或摧毀電子信息平臺，對戰(zhàn)場環(huán)境造成嚴重干擾，其已成為現(xiàn)代信息戰(zhàn)的首選武器[4]。高空核電磁脈沖的破壞作用主要體現(xiàn)在：(1)對人員的殺傷力；(2)通過破壞武器系統(tǒng)中的電子設備對各種武器系統(tǒng)的破壞，使其喪失作戰(zhàn)效能；(3)對隱身武器進行攻擊[5]。由于高空核電磁脈沖具有輻射范圍廣、強度大、頻譜寬等特點，會在車輛表面某些位置形成強感應電流分布，可對分布其中的設備造成嚴重危害[6]。以往對高空核電磁脈沖照射下車輛表面感應電流的研究主要集中在定性分析和總結變化規(guī)律等方面。本文通過仿真手段研究車輛表面感應電流在核電磁脈沖環(huán)境下的響應情況，并獲取相關數(shù)據(jù)，然后以此為基礎進行分析、歸納、總結，為HEMP照射下車輛電磁防護提供數(shù)據(jù)支撐。所得車輛表面電流響應情況及理論分析與文獻[7]中仿真結果具有相同的趨勢，獲得的仿真結果對電磁脈沖防護具有一定的實際工程意義。

1 脈沖模型建立

高空核電磁脈沖是在高空核爆炸(一般約定爆炸高度為30 km)過程中由瞬發(fā)射線引起的瞬態(tài)電磁波傳播，在地面附近可將其作為平面波處理[8]。迄今為止，HEMP波形表達式已有很多不同的標準。一般HEMP場強可以用雙指數(shù)解析函數(shù)近似表達

E(t)=E0k(e-at-e-βt)

(1)

式中k是修正系數(shù)；E0是場強峰值；a表征脈沖前沿參數(shù)；β表征脈沖后沿參數(shù)。高空核電磁脈沖波形的具體參數(shù)，目前國際上有多個已發(fā)布的標準，從Bell實驗室波形，再到IEC和DOD波形，可以看出標準變化的基本趨勢是脈沖前沿變快、脈寬變窄[9]，各參數(shù)具體數(shù)值如表所示。

美軍標MIT-STD-461G和我國標準GJB-151B-2013都沿用了IEC6100發(fā)布的高空核電磁脈沖的波形，波形時域圖和頻域圖如圖1和圖2所示。

高空核電磁脈沖電場強度峰值很高，脈沖上升時間很短，為納秒量級，而波形下降較為平緩。快速變換的信號可能對電子設備造成很大損害[10]。下文中，利用該標準脈沖波形進行仿真分析。

2 車輛電磁模型建立

建立車輛電磁模型如圖3所示。

為了提高仿真的高效性并優(yōu)化仿真效果，本研究去除部分對仿真精確度影響較小的車輛結構和部件[11-12]，圖3為簡化和修正后的車輛電磁模型。為了方便研究，本文選取45°斜入射HEMP水平極化波照射。

一般來說，電磁環(huán)境是指某些區(qū)域內(nèi)所有電磁現(xiàn)象的總和[13]，不同電磁環(huán)境中最基本的是電磁計算數(shù)據(jù)，目前常用的電磁計算方法是時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)和傳輸線法[14]。FDTD方法具有計算思路清晰、通用性強、并行計算能力強等優(yōu)點；而傳輸線法可以簡化復雜結構，模擬開放場的無限自由空間[15]。利用電磁拓撲的概念，將整個復雜的電子信息系統(tǒng)分解為幾個小區(qū)域，整體仿真取決于這些相關部分[16]。本文采用基于FDTD方法的CST電磁仿真軟件，模擬戰(zhàn)場環(huán)境下高空核電磁脈沖對裝甲車車輛表面的電磁效應。

3 仿真分析

選取45°斜入射HEMP波從正面、側面、后面3個方向分別進行照射，將得到的仿真結果以及不同頻點下車輛表面感應電流的最大值繪制成曲線圖，如圖5所示。

圖5中，A、B、C分別為側面照射、后面照射、正面照射時車輛表面感應電流最大值曲線圖?？梢钥闯?～30 MHz范圍內(nèi)，側面照射時車輛表面感應電流最大值遠大于后方照射及正面照射，峰值為1.82×103 A·m-1。

對0～30 MHz內(nèi)不同頻點的車輛表面感應電流分布情況進行對比，發(fā)現(xiàn)側面照射時車輛表面感應電流最大值遠高于其它兩個照射方向的峰值區(qū)域集中在炮管位置。

移除炮管部位，其它條件不變，從側面對車輛進行照射，結果如圖6所示。

A為正常情況下車輛表面感應電流最大值曲線圖，B為移除炮管后，側面照射時車輛表面感應電流最大值曲線圖。對比可知，HEMP波從側面照射炮管部位，在0～30 MHz范圍內(nèi)會感應出遠大于其它部位的表面電流。

這是因為側面照射時，炮管相當于炮塔平面的突起部位，感應電流在炮管、炮塔及車體平面連接處流動并相互疊加，故感應電流值遠大于其它區(qū)域。該結果與已知電磁兼容理論符合。

炮管部位一般不安裝電子設備，屬于非敏感區(qū)域，但感應電流值遠大于其它部位，對研究工作存在較大的干擾作用。因此，在下面研究中去除炮管進行仿真。

圖7為去除炮管后，不同照射方向的車輛表面感應電流最大值曲線圖。車輛除一些細小結構外，基本為左右對稱結構，故在180°范圍內(nèi)選取五個方向進行照射，研究車輛表面感應電流隨方向的變化情況。實驗中，A為正面照射，E為后方照射，A～E間依次相差45°。

通過對不同照射方向、不同頻點的車輛表面感應電流分布進行對比研究，發(fā)現(xiàn)不同位置的車輛表面感應電流差異明顯：峰值區(qū)域集中在不同車體平面連接處，棱角處及平面凸起處，而平面區(qū)域的感應電流較其它區(qū)域小，即車輛表面感應電流大小與照射方向車輛表面結構的復雜度呈正相關變化。

本文車輛電磁模型中，側面照射的炮管部位為全車最復雜的表面結構。去除炮管后不同照射方向的峰值電流遠小于有炮管時側面照射的峰值電流也驗證了這點。炮管屬于非敏感區(qū)域，而車輛重點防護的敏感區(qū)域均位于車輛平面上，而平面區(qū)域的表面感應電流小于去除炮管后照射方向的峰值電流，不同照射方向的峰值電流又遠小于正常情況下側面照射的峰值電流，故可以把正常情況下側面照射的峰值電流作為本車電磁防護的最大感應電流參考值，即1.82×103A·m-1。

不同照射方向的車輛表面感應電流最大值曲線呈現(xiàn)波浪形變化，但整體變化趨勢一致，即在頻段內(nèi)整體呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢。由圖2可知，HEMP電場強度隨頻率增大不斷減小，兩者隨頻率呈現(xiàn)正相關變化。波源電磁能量主要集中在0～40 MHz范圍內(nèi)，得到的車輛表面感應電流最大值曲線圖中，電磁能量也集中在0～40 MHz頻段內(nèi)，因此0～40 MHz屬于重點防護頻域。

4 結束語

HEMP會在車輛表面形成強感應電流，車輛表面感應電流大小與照射方向車輛表面結構的復雜度呈正相關變化，在炮管部位有遠高于其它部位的感應電流。本文中，車輛最大感應電流參考值為1.82×103A·m-1，重點防護頻段為0～40 MHz。本文通過仿真分析核電磁脈沖下車輛表面電流的分布情況，為HEMP照射下車輛電磁防護提供了依據(jù)，具有一定的參考價值。