核電磁脈沖對導(dǎo)航接收系統(tǒng)輻照效應(yīng)研究

黃 欣，陳亞洲，王玉明，張慶龍

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)重點實驗室， 石家莊 050000)

1 引言

高空核爆炸是一種爆炸高度高于30 km、具有大規(guī)模毀傷破壞效應(yīng)的物理爆炸過程，實驗證明核爆產(chǎn)生的高空核電磁脈沖(High altitude nuclear electromagnetic pulse，HEMP)能使數(shù)千千米以內(nèi)的電子裝備和系統(tǒng)遭到干擾和破壞。國外各科研機構(gòu)高度重視武器和電子信息裝備的核電磁脈沖毀傷和防護機理研究工作，針對強電磁脈沖攻擊下電路中敏感電子器件的失效模式、損傷機理和能量耦合方式進行了廣泛研究。國內(nèi)方面，西北核技術(shù)研究所、中國工程物理研究院等相關(guān)科研單位對半導(dǎo)體器件、集成電路器件及電子設(shè)備的強電磁脈沖毀傷效應(yīng)進行了大量研究，并取得了一定成果。

近年來，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)航接收系統(tǒng)作為接收、處理、解算導(dǎo)航信號的關(guān)鍵部分，其性能好壞直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)定位、授時等各項用戶服務(wù)質(zhì)量。隨著用頻裝備日益增加，空間電磁環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)航接收系統(tǒng)在高強度復(fù)雜電磁環(huán)境下極易受到干擾甚至損毀。目前，國內(nèi)外對衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的電磁效應(yīng)研究主要集中于連續(xù)波干擾和部分強電磁脈沖干擾，連續(xù)波干擾下導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁敏感度閾值和捕獲跟蹤性能以及導(dǎo)航接收機內(nèi)部強電磁脈沖能量的耦合途徑已得到了廣泛研究。但針對核電磁脈沖輻照效應(yīng)，特別是對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁效應(yīng)試驗研究較少。因此，開展HEMP對導(dǎo)航接收系統(tǒng)電磁輻照干擾研究具有重要意義。

本文基于HEMP快電磁脈沖模擬裝置，搭建了核電磁脈沖對導(dǎo)航接收系統(tǒng)的模擬試驗平臺，設(shè)計了輻照效應(yīng)試驗方法，以接收天線和導(dǎo)航接收機為受試對象，經(jīng)過重復(fù)試驗得出HEMP輻照下導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁效應(yīng)現(xiàn)象；最后，結(jié)合對比試驗和電磁仿真分析HEMP輻射場對導(dǎo)航系統(tǒng)的具體能量耦合途徑，為增強導(dǎo)航接收系統(tǒng)的抗電磁干擾性能提供參考。

2 HEMP對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)輻照效應(yīng)試驗

2.1 試驗配置與方法

..HEMP模擬系統(tǒng)

核武器爆炸在釋放巨大能量的同時，產(chǎn)生不同形式的殺傷破壞效應(yīng)和放射性核輻射污染，對自然環(huán)境和人類造成不可逆的危害，因此利用實際核爆產(chǎn)生的HEMP進行電磁輻照試驗不具可行性。模擬系統(tǒng)試驗條件單一、測試方便、結(jié)果便于分析，為研究HEMP環(huán)境下的導(dǎo)航接收機響應(yīng)提供了可能。實際核爆試驗中測得HEMP波形可近似擬合為雙指數(shù)函數(shù)，其解析函數(shù)表達式為

()=(e--e-)

(1)

式中：為HEMP峰值場強，為峰值修正系數(shù)，、影響脈沖峰值、前沿、后沿、半寬等參數(shù)。HEMP時域波形及其歸一化頻譜如圖1、圖2所示，可以直觀看出HEMP峰值場強極高，脈沖前沿上升時間短，頻帶覆蓋范圍較寬，能量值主要集中在200 M以下的頻段。

圖1 HEMP時域波形曲線

圖2 HEMP歸一化頻譜曲線

參照我國GJB 151B—2013中RS105試驗采用的IEC雙指數(shù)脈沖波形標準，研制了HEMP模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)由核電磁脈沖源和電磁場傳輸裝置組成，如圖3所示。 核電磁脈沖源采用雙邊充電的Marx發(fā)生器，用于產(chǎn)生脈沖電壓對介質(zhì)或電容充電，利用交流電整流后得到的直流電源給多級并聯(lián)的電容器充電，在間隙～依次被電壓擊穿后再切換成串聯(lián)結(jié)構(gòu)放電實現(xiàn)輸出極高的電壓脈沖。電磁場傳輸裝置采用垂直極化有界波模擬器，上極板采用金屬線柵，特性阻抗為180 Ω。

圖3 HEMP模擬裝置示意圖

..北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)屬于用戶設(shè)備部分，用以接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，獲取必要的導(dǎo)航定位信息和觀測信息。接收系統(tǒng)主要包括導(dǎo)航接收天線、導(dǎo)航接收機及計算機數(shù)據(jù)監(jiān)測端。

導(dǎo)航接收天線采用右旋圓極化微帶天線，內(nèi)部包含濾波器及低噪放模塊。接收天線將衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號轉(zhuǎn)換成電信號，對環(huán)境噪聲及部分射頻干擾信號進行初步濾波，再經(jīng)低噪放模塊放大微弱導(dǎo)航信號，降低噪聲干擾，提高導(dǎo)航信號輸出信噪比。

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導(dǎo)航接收機單元主要功能是對經(jīng)過放大和下變頻處理的導(dǎo)航接收信號進行跟蹤、處理和解算，圖4為接收機內(nèi)部信號處理流程框圖。天線接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，在射頻芯片內(nèi)與本振混頻輸出中頻信號，經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)字中頻信號輸出至基帶芯片，在相關(guān)器內(nèi)進行解擴解調(diào)以實現(xiàn)載波剝離和偽碼剝離，最終得到導(dǎo)航信號中攜帶的導(dǎo)航電文。

計算機數(shù)據(jù)監(jiān)測端通過RS232電纜連接導(dǎo)航接收機，完成導(dǎo)航電文、定位經(jīng)緯度、偽距、速度等導(dǎo)航信息的接收。軟件界面顯示衛(wèi)星實時載噪比，作為導(dǎo)航接收機工作性能評判指標之一，實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)可視化。結(jié)合實際導(dǎo)航接收系統(tǒng)中計算機監(jiān)測端數(shù)據(jù)串口差異，為盡量保證試驗完整性，本文共選取3種不同類型監(jiān)測計算機完成核電磁脈沖試驗研究。A類計算機為筆記本，無RS232串口，需通過USB轉(zhuǎn)232的串口轉(zhuǎn)接線轉(zhuǎn)出串口；B類計算機為筆記本，有獨立232串口，可直接通過數(shù)據(jù)線與接收機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；C類計算機為臺式機，有獨立232串口。

圖4 接收機內(nèi)部信號處理流程框圖

..試驗方法

研究核電磁脈沖效應(yīng)時，本文采用實驗室模擬的方法，借助HEMP模擬系統(tǒng)產(chǎn)生核電磁脈沖進而開展導(dǎo)航接收系統(tǒng)的輻照效應(yīng)試驗研究。試驗配置如圖5所示，主要包括HEMP模擬系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)、導(dǎo)航信號模擬器、同軸線纜及數(shù)據(jù)傳輸線等。將產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號的導(dǎo)航信號模擬器、發(fā)射天線和計算機監(jiān)測端放置于HEMP輻照區(qū)外；導(dǎo)航接收系統(tǒng)中的接收天線和接收機置于輻照工作內(nèi)，調(diào)整發(fā)射天線位置，使得接收機正常接收模擬導(dǎo)航信號。設(shè)置播發(fā)的模擬導(dǎo)航信號功率，使衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號與本地實際接收衛(wèi)星的載噪比一致，計算機監(jiān)測端界面如圖6所示。調(diào)整HEMP模擬裝置中高壓脈沖源火花隙開關(guān)的氣體壓強，通過改變放電間隙來控制脈沖輸出電壓以達到輻射區(qū)域額定場強值。進行單次核電磁脈沖放電試驗，記錄試驗現(xiàn)象；間隔10 s再進行下一次放電測試，一組測試10次，共完成3組重復(fù)試驗，觀察并記錄導(dǎo)航接收機載噪比和監(jiān)測計算機狀態(tài)變化。

圖5 HEMP輻照試驗配置框圖

圖6 監(jiān)測軟件界面

2.2 試驗結(jié)果與分析

試驗共選用3種不同類型計算機作為數(shù)據(jù)監(jiān)測終端。A類計算機為筆記本，無RS232串口，需通過USB轉(zhuǎn)232的串口轉(zhuǎn)接線轉(zhuǎn)出串口；B類計算機為筆記本，有獨立232串口，可直接通過數(shù)據(jù)線與接收機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；C類計算機為臺式機，有獨立232串口。HEMP輻照試驗測試結(jié)果如表1所示。

表1測試結(jié)果表明：導(dǎo)航接收系統(tǒng)中不同計算機監(jiān)測端的抗電磁脈沖干擾性能存在較大差異。在73 kV/m 的HEMP強輻照下，數(shù)據(jù)監(jiān)測終端為臺式機C時能保證導(dǎo)航系統(tǒng)正常工作，且監(jiān)測衛(wèi)星載噪比未出現(xiàn)大幅度降低，只存在1～2 dB的衰減，而當監(jiān)測設(shè)備為筆記本A和筆記本B時均出現(xiàn)了異常。

表1 導(dǎo)航系統(tǒng)HEMP輻照測試結(jié)果

在試驗結(jié)束后重啟導(dǎo)航接收機和上位計算機監(jiān)測軟件，仍能正常進行衛(wèi)星導(dǎo)航信號的實時定位解算，可知HEMP強干擾下導(dǎo)航接收系統(tǒng)內(nèi)部敏感器件并未出現(xiàn)永久性的毀傷，只存在短暫的信號或電壓擾動。

表2 HEMP場強增大后臺式機測試結(jié)果

由表2可以看出：電磁脈沖輻照能量值大小會影響臺式機工作性能。在HEMP輻射場強增大后，臺式機C開始出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，說明較大的電磁能量耦合進入內(nèi)部電路系統(tǒng)，并造成了系統(tǒng)供電電壓不穩(wěn)，但從整體來看，導(dǎo)航接收系統(tǒng)中的計算機監(jiān)測端為臺式機時的抗電磁脈沖干擾能力要明顯優(yōu)于筆記本電腦。

3 電磁能量耦合途徑分析

HEMP能量耦合到電子系統(tǒng)內(nèi)部的途徑有通過天線的 “前門”耦合，也有通過孔縫的“后門”耦合，或者通過接收機暴露在外的電源線、數(shù)據(jù)端口等耦合進入內(nèi)部電路，下面對可能的電磁耦合途徑逐一分析。試驗用導(dǎo)航接收機周身為全封閉的金屬殼體，通過孔縫耦合進入的空間輻射電磁能量較小，對接收機工作性能影響可以忽略，此處不予考慮。在HEMP的單次電磁脈沖輻射下，導(dǎo)航接收機能正常開機工作，表明接收機供電電壓并未受電磁脈沖波形影響。下面主要考慮接收天線耦合與數(shù)據(jù)傳輸端口的能量耦合。

3.1 天線耦合

為探究電磁脈沖能量的具體耦合途徑，首先將導(dǎo)航接收機移至HEMP輻射區(qū)域外，受試設(shè)備調(diào)整為單獨的導(dǎo)航信號接收天線。重復(fù)上述試驗步驟與方法，在3種不同計算機設(shè)備監(jiān)測下，導(dǎo)航系統(tǒng)定位功能均未受影響。改變接收天線放置位置，使其所受輻射場強增大，在電磁脈沖輻照下導(dǎo)航接收系統(tǒng)仍能正常工作，由此得知通過接收天線耦合進入的核電磁脈沖輻射場能量不足以造成數(shù)據(jù)傳輸中斷和計算機重啟，天線耦合并非HEMP能量的主要耦合途徑。

為進一步驗證該結(jié)論的可靠性，利用電磁仿真軟件CST-MWS構(gòu)建HEMP輻照導(dǎo)航接收天線簡化模型，探究在HEMP平面波激勵下天線末端能量耦合情況。將HEMP設(shè)置為激勵源，波形參數(shù)與試驗輻照波形保持一致。導(dǎo)航天線建模為右旋圓極化貼片天線，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為2.2的Rogers RT5880高頻線路板。為保證天線接收端口耦合響應(yīng)電壓達到最大，電場極化方向與天線匹配，均為右旋極化。圖7所示為HEMP垂直輻照接收天線仿真模型。圖8為HEMP輻照下天線末端感應(yīng)電壓隨HEMP輻射場強變化情況。

圖7 HEMP輻照天線仿真模型示意圖

圖8 HEMP輻照下天線末端感應(yīng)電壓曲線

由圖8可知：接收天線末端感應(yīng)電壓隨著HEMP輻照場強的增大大致呈線性變化趨勢，在HEMP場強高達90 kV/m條件下，天線末端耦合電壓峰值仍小于30 V，再經(jīng)過前端限幅、濾波作用，耦合進入系統(tǒng)內(nèi)部電路的電磁能量不足以對敏感器件造成干擾。本質(zhì)上講，接收天線就是一個能量轉(zhuǎn)換器，將空間輻射的電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流或者導(dǎo)波，具有其特定的工作頻段。圖2可以清晰看出：HEMP的輻射能量主要集中于200 MHz以下，與天線的工作頻段不匹配，在高能量的脈沖輻射下大部分電磁能量并不能耦合進入天線，因而對導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部電子設(shè)備幾乎不造成影響。

3.2 數(shù)據(jù)串口耦合

排除HEMP對導(dǎo)航接收天線的輻照干擾效應(yīng)，現(xiàn)將分析重點轉(zhuǎn)向由數(shù)據(jù)傳輸線至數(shù)據(jù)串口的傳導(dǎo)干擾耦合。暴露于HEMP輻射場內(nèi)的傳輸線在強電磁場輻照下易感應(yīng)出瞬變高電壓，直接由監(jiān)測端和接收端之間的導(dǎo)電通路耦合至數(shù)據(jù)串口進而影響系統(tǒng)內(nèi)部電路正常供電電壓。將位于輻射場內(nèi)部的傳輸線及數(shù)據(jù)串口進行金屬屏蔽網(wǎng)包裹，并且采用嚴格的金屬接地措施。再次對導(dǎo)航接收系統(tǒng)進行HEMP輻照，由試驗結(jié)果可知，輻射場強達到最大時3種不同類型計算機依然能完成數(shù)據(jù)收發(fā)和監(jiān)測工作，表明傳輸線耦合為導(dǎo)航接收系統(tǒng)工作異常的主要原因。

傳輸線終端的開路電壓由式(2)給出，

(2)

式中：=2sin，=1為HEMP的時間衰減常數(shù)，(,)為方向性函數(shù)，感應(yīng)電壓主要取決于電磁脈沖的入射場幅值大小、入射仰角和方位角、線纜距地平面高度以及傳輸線自身的衰減常數(shù)。

在HEMP輻照試驗中，沒有獨立232串口的筆記本A和有獨立232串口的計算機B分別出現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)不更新和電腦重啟現(xiàn)象，進一步分析其原因：

1) A類筆記本需要轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)出串口，在強電磁脈沖輻射場下，當電磁能量傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)232芯片時，串口芯片的內(nèi)部電路感應(yīng)出尖峰脈沖電壓而導(dǎo)致芯片停止正常工作，阻隔了能量向上位計算機的傳輸，同時也使導(dǎo)航接收機輸出的實時衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)無法傳輸至軟件監(jiān)測端，導(dǎo)致監(jiān)測端出現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)不更新現(xiàn)象。

2) B類和C類計算機出現(xiàn)重啟現(xiàn)象，是因為接收機與計算機直接通過RS232串口線纜連接，當傳輸線中的HEMP耦合電磁能量達到一定強度很容易通過串口引腳直接傳導(dǎo)至上位機電腦端，引起短暫的電壓供電異常，電壓紊亂從而導(dǎo)致電腦出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1) 利用核電磁脈沖源模擬系統(tǒng)設(shè)計開展了HEMP對某型北斗接收系統(tǒng)的輻照效應(yīng)試驗研究，在以IEC為波形標準的雙指數(shù)脈沖輻照下，不同類型的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端出現(xiàn)了不同的效應(yīng)現(xiàn)象，受試對象不同會極大影響試驗結(jié)果。

2) 接收天線處于HEMP工作區(qū)域，導(dǎo)航系統(tǒng)正常工作，電磁脈沖信號對導(dǎo)航接收機性能無明顯干擾效應(yīng)，主要因為HEMP能量集中頻段與接收天線工作頻段不重合，導(dǎo)致大部分電磁能量無法耦合進入接收天線，天線耦合不是HEMP能量進入接收機的主要途徑。

3) HEMP輻照下的導(dǎo)航接收系統(tǒng)電磁干擾能量主要來自傳輸線耦合。干擾能量以感應(yīng)電壓形式傳輸至數(shù)據(jù)串口，不同傳輸結(jié)構(gòu)下的干擾效應(yīng)不同。在73 kV/m場強輻照下，無RS232串口的筆記本出現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)不更新的現(xiàn)象，是由于轉(zhuǎn)232串口轉(zhuǎn)換器阻隔了能量與導(dǎo)航數(shù)據(jù)向上位計算機的傳輸。有RS232串口的筆記本在HEMP干擾下出現(xiàn)電腦重啟現(xiàn)象，電磁脈沖能量耦合進入電子設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)致電腦供電電壓紊亂以致電腦重啟。

4) 以臺式機作為數(shù)據(jù)監(jiān)測終端時的導(dǎo)航接收系統(tǒng)抗電磁脈沖干擾能力整體高于以筆記本作為數(shù)據(jù)監(jiān)測終端的情況，但在增大輻射場強后仍出現(xiàn)重啟效應(yīng)，下一步應(yīng)重點開展數(shù)據(jù)串口的HEMP防護工作。