一种电磁脉冲前门耦合效应的事件分解评估方法

肖金石，任雄伟，樊 强

(1.海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033;2.海军工程大学 训练部，湖北武汉 430033）

一种电磁脉冲前门耦合效应的事件分解评估方法

肖金石1，任雄伟1，樊 强2

(1.海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033;2.海军工程大学 训练部，湖北武汉 430033）

电磁脉冲弹是一种利用辐射高功率电磁脉冲干扰/毁伤目标电子系统的新概念武器。为计算电磁脉冲通过前门耦合毁伤目标的效能，提出一种基于事件分解的效能评估方法，按时间序列将前门耦合－毁伤过程分为弹体爆炸辐射电磁脉冲、大气传输衰减、目标系统耦合3个子事件，分别用不同算法计算其发生效能。用该方法对美国MK84导弹搭载的电磁脉冲弹进行评估，得到具有一定参考价值的效能评估值。

事件分解;电磁脉冲;前门耦合

0 引言

作为一种窄带高功率微波源、单次电感储能型脉冲功率系统的高功率微波武器［1］，电磁脉冲弹的原理是利用辐射高功率电磁脉冲攻击目标电子系统，通过电磁能量耦合干扰/毁伤目标内部的电子设备。按照耦合方式，电磁脉冲的耦合效应分为前门耦合和后门耦合2种。前门耦合是指经天线、接线柱、收发机前门电路等进入目标内部，是最普遍的一种耦合模式。计算电磁脉冲前门耦合效应，是评估电磁脉冲弹作战能力［2－3］的一项重要内容。

本文采用基于事件分解的思路计算电磁脉冲弹的前门耦合毁伤效应。为了完成电磁脉冲通过前门耦合毁伤效应的评估，提出一种基于事件分解的思路，即将总事件按时间顺序分解为若干个相对独立的子事件，给出了前门耦合效能评估的计算流程。用此方法对电磁脉冲弹毁伤目标事件进行事件分解和效能评估，最终得到具有一定参考价值的效能评估值。

总之，在新形势下，必须树立以人为本的理念，强化为学生服务的意识，构建有利于推动课堂教学和教学模式改革，培养学生创新能力的现代教学管理制度和弹性灵活的教学运行机制。充分体现个性化、人性化的教育理念，构建教师教学激励机制，尊重教师的个性风格与独创精神，保障教师的教学自主权，鼓励教师锤炼精品课件。通过加强自身教学语言魅力、课堂设计和教学方法创新，充分体现大学课堂的专业魅力，使教师主导与学生主体在研究性教学中真正融为一体，对客观世界进行充满想象力的探索。

1 事件分解思路

所谓事件分解，就是按照时间发生顺序将某个总事件分解为若干相对独立的子事件，多个子事件在结构上构成串联形式，如图1所示。在具体计算效能评估问题时，可采用不同的方法分别对各子事件的发生效能做出评估，再进行综合的思路。基于事件分解的评估方法，适用于遵循时间先后顺序发生的各种事件。

图1 事件分解及评估思路Fig.1 Affair-decomposability and evaluation thought

2 前门耦合事件分解

2.1 电磁脉冲弹的辐射原理

电磁脉冲弹由储能电容器、爆磁压缩发生器、脉冲功率调制器、虚阴极振荡器和辐射天线等部分组成。其工作原理是，首先由电容器对爆磁压缩发生器充电，爆磁压缩发生器利用炸药的化学能将前级的电容输出电能放大，功率调制器进行阻抗匹配，最后由虚阴极振荡器产生高功率微波，经辐射天线向外辐射。其爆炸原理在时间顺序上构成了串联关系。图2是美国MK 84导弹搭载的电磁脉冲弹结构图。

图2 美MK 84导弹搭载的电磁脉冲弹结构图Fig.2 Sketch of EMP bomb carried by U.S.MK 84 missile

2.2 前门耦合总事件的分解

前门耦合过程是指电磁脉冲通过接收天线等耦合并对目标造成干扰/毁伤的过程。基于事件分解的思路，可将前门耦合－毁伤总事件分解为电磁脉冲弹辐射电磁波、大气传输衰减和电磁脉冲对目标耦合3个独立的子事件，如图3所示。

图3 前门耦合总事件分解图Fig.3 Front-door coupling affair-decomposability

子事件－3:高功率电磁脉冲对目标耦合过程。计算依据为电磁脉冲耦合理论。

式中:Gr为喇叭天线增益;λ为辐射电磁波波长。设电磁脉冲弹辐射高功率微波频率为6 GHz，对应微波波长为0.05 m，算得辐射天线增益9.22。

子事件－1:电磁脉冲弹发生爆炸并向外辐射高功率电磁脉冲。计算依据为电磁脉冲弹弹体结构。

3 前门耦合评估的事件分解方法

基于以上事件分解思路，前门耦合评估实施步骤为:在设置辐射功率等仿真初值基础上，计算微波传输衰减和辐射功率密度;根据目标天线有效接收面积，计算经天线主瓣耦合的接收功率;根据毁伤阈值，判断电磁脉冲弹毁伤典型器件或设备的作战能力。计算流程如图4所示。

图4 前门耦合效能评估的计算流程Fig.4 Calculation flow of front-door coupling evaluation

3.1 估算辐射天线的增益

首先计算辐射天线增益。设电磁脉冲弹辐射天线是一个喇叭天线，则其有效面积为

式中:L为喇叭口长边;d为喇叭口短边。工作在基模下的天线增益

子事件－2:高功率电磁脉冲大气传输过程。计算依据为大气衰减理论。

晚上，苏婷婷在收拾床铺，杰克在刷牙。苏婷婷问杰克：你知道爸妈今天问我啥了吗？杰克从卫生间探出头：问你啥？苏婷婷笑了：问我啥时候生？杰克说：你已经升了，还要再升？苏婷婷说：不是说升职，是说生孩子！杰克走出卫生间，诧异地：你生不生孩子与他们有关系吗？苏婷婷说：中国父母把儿女当成他们的一部分，生不生孩子当然与他们有关系。杰克摇摇头：N O，生不生孩子是咱们的事，与他人没有关系。苏婷婷说：N O，你还不了解中国，所有的事情都与父母有关系。杰克说：可咱们的事情与父母没关系，我爸妈从来不干涉我的。苏婷婷说：我爸妈可就不一定了。

3.2 计算与波源不同距离处的功率密度

电磁脉冲在传输中满足电磁波的一般规律，即功率密度在远场区遵循以距离平方的倒数递减的规律，表达式为

式中:S为功率密度;Pr为电磁波源辐射功率;R为爆点与目标距离。用式(3）可计算电磁脉冲弹在不同距离处的辐射功率密度。

首先，成立高校经费管理专门小组，并以推进科研活动发展及经费管理精细化为双重主导，组建专门的管理人员团队。在管理人员构成上面，应遵循放管服所要求的服务性、科学性与精细化要求，将财务管理负责人、科研活动负责人都纳入管理团队当中，同时也要积极邀请这方面的专家学者共同参与管理，实现管理效能均衡，发挥管理团队作用。

3.3 计算电磁脉冲的传输衰减

电磁脉冲弹辐射的高功率微波存在着大气传输损耗。不同频率电磁波对应的大气吸收衰减率［4］如表1所示。不同距离处的衰减倍数关系

式中:α选为衰减率;R为爆炸点与目标距离。设电磁脉冲弹工作频率为6 GHz，则其大气吸收衰减仅为0.008 dB/km，用式(4）可计算不同距离处的衰减倍数。

表1 不同频率电磁波的传输衰减率Tab.1 Transmission attenuation rate at different frequency

3.4 对天线的耦合效应评估

5）索绪尔的结构符号学强调符号与所指的事物之间的双项关系，而弗雷格等人在此基础上加入的意义项，使这双项关系变成符号——意义——事物的三项关系。详见参考文献[25]：361-362.

经接收天线耦合是电磁脉冲最典型的一种前门耦合模式。制导头的接收天线前端框图如图5所示，其中晶体混频器是一个易受电磁干扰/毁伤的重要器件。当高功率微波脉冲进入接收天线，能量超过毁伤阈值时，将损坏微波混频器或高放，进而对目标造成毁伤。

图5 制导头接收天线前端框图Fig.5 Front-door sketch of receiving antenna

企业若想实现外部经济与内部管理的协调发展，又快又好的进步，那就必须针对所存在的问题，必须积极采取措施，进行针对性的处理。企业可以从以下几个方面来进行公司的经济管理。

拍摄组图很有意思。创造出一个作品的主体可以为这个作品集带来更多深度。我喜欢将阿拉斯加的生活背景作为照片故事传递给大家，这比单独拍摄阿拉斯加异域风情的地标要丰富多了。

式中:S为目标处的功率密度;L为传输总损耗;L1为极化损耗;L2为馈线损耗;Aa为接收天线有效面积。

经天线主瓣耦合的电磁能量

式中τ为电磁脉冲宽度。但在实际操作中，电磁脉冲从天线副瓣耦合更为普遍。设接收天线副瓣电平为L3，则天线接收功率

如教材编者安排的那样，笔者建议在“思考”前插入一个练习，安排针对基本事实和推论的两道小练习，其中第1题可以是原31页练习第1题，第2题可以选择应用定理2解答题，如：

式中:Ps为从副瓣耦合的电磁波功率;Ws为从副瓣耦合的电磁能量。

耦合进目标的电磁能量主要取决于目标接收天

联立式(3）～式(9）可求解接收天线耦合的电磁能量。混频器的毁伤判据为，烧毁混频器的额定功率［5］为12W，干扰混频器的额定功率为1.2W。

电磁脉冲弹仿真初值参数设置如下

3.5 计算结果分析

Cl O2是一种强氧化剂，常用作油田高效杀菌剂，同时具有去除污水中硫化物的作用，主要的除硫机理是利用其强氧化特性将污水中的H 2 S、FeS等还原性硫化物氧化为可溶于水的硫酸盐，从而解决污水中高含量H 2 S带来的管线腐蚀及黑色胶体沉淀问题。同时，ClO2相较于其他氧化除硫剂，具有很强的p H环境适应性，在p H值为5～9范围内均可高效发挥除硫作用。

比较两组护士在自我管理、护理满意度以及护理质量方面的评分。观察组护士各项评分均优于对照组,差异显著(P﹤0.05),有统计学意义。详见表1:

辐射功率=280 MW;微波频率=6 GHz;微波波长=0.05 m;持续时间=50 ns;喇叭口短边=34.8 mm;喇叭口长边=65 mm;天线半径=0.05 m;天线效率=0.7;极化损失=－3 dB;前端损失=－2 dB;天线增益=20 dB;耦合效率=0.1。以上天线均指接收天线。

算得电磁脉冲弹在与爆炸点不同距离处的辐射功率密度如图6所示。线的有效面积。经接收天线主瓣的耦合功率为

图6 电磁脉冲弹的辐射功率密度Fig.6 Radiating power density of EMP bomb

由结果可知，电磁脉冲弹辐射功率密度在距离爆炸点10 m处的功率密度为205.35 W/cm2，在50 m处的功率密度减小为8.21 W/cm2。随着作用距离的增大，辐射功率密度以平方关系迅速衰减。若按“高功率微波武器的打击效应”功率密度级别的标准［6］评估电磁脉冲弹毁伤效应，可知:选1 W/cm2为干扰作用的上限功率密度阈值，电磁脉冲弹造成“干扰打击效应”的距离约145 m。

根据以上初值，按照基于事件分解的电磁脉冲弹效能评估计算流程，可分别估算电磁脉冲弹干扰/烧毁混频器所需作用距离，结果如图7所示。

图7 干扰/烧毁混频器所需作用距离Fig.7 Needed distance to disturb/damage themixer

由结果可知，干扰目标混频器的所需作用距离应不大于180 m，烧毁目标混频器的作用距离应不大于54 m。可见，与干扰级别相比，由于烧毁级别所需的能量阈值更高，电磁脉冲弹的最大作用距离有所减小。

根据以上初值，计算电磁脉冲弹对典型元器件的毁伤效应。因元器件吸收电磁能量存在损耗，计算时假设元器件有10%的电磁能吸收率。表2是电磁脉冲弹毁伤CMOS和逻辑卡等典型元器件所需作用距离。

表2 电磁脉冲弹毁伤元器件的作用距离Tab.2 Action distance to damage several kinds of parts

在以上初值条件下，对破坏阈值为10－5J左右的双极晶体三极管造成烧毁效应，电磁脉冲弹的作用距离为25.4 m。对其他破坏阈值更小的元器件，作用距离可达几百米至上千米。

4 结语

采用基于事件分解的思路，将“电磁脉冲弹经前门耦合毁伤目标”总事件分解为“电磁脉冲弹辐射功率”、“电磁脉冲大气传输衰减”和“对目标耦合”3个子事件，对电磁脉冲前门耦合效应进行效能评估。基于事件分解的评估方法，对美国MK 84导弹搭载的电磁脉冲弹前门耦合效应进行计算，得到造成干扰/烧毁效应所需作用距离等有价值的效能评估值。值得注意的是，除前门耦合外，电磁脉冲弹毁伤效应中还有后门耦合模式，本文并未涉及这部分的计算。

［1］KOPP C.The electromagnetic bomb-a weapon of electrical mass destruction［EB/OL］，http://www.cs.monash.edu.au/carlo/，1997/2008.

［2］贾春，刘环宇.电磁脉冲弹的杀伤能力［J］.火力与指挥控制，2006，31(8）:53 －55，58.

JIA Chun，LIU Huan-yu.Killing ability of EMPW［J］.Fire Control and Command Control，2006，31(8）:53 －55，58.

［3］肖金石，刘文化，张世英，等.爆磁压缩电磁脉冲弹的杀伤能力分析与仿真［J］.弹道学报，2009，21(1）:91－94，102.

XIAO Jin-shi，LIU Wen-hua，ZHANG Shi-ying，et al.Analysis and simulation on killing ability of cascaded flux compression electromagnetic pulse bomb［J］.Journal of Ballistics，2009，21(1）:91 －94，102.

［4］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，2003.27 －35.

ZHANG Xing-hua，ZHANG Jian-hua，YIN Cheng-you.High powermicrowave weapon and application［M］.Beijing:PLA Press，2003.27 －35.

［5］D.C施莱赫.信息时代的电子战［M］.北京:信息产业部第二十九所，2000.146 －160.

SHILAHE D C.Electronic warfare in information time［R］.Beijing:Information Industrial Ministry，2000.146 －160.

［6］邢召伟，周东方，邵颖，等.高功率微波在抗击巡航导弹中的应用［J］.信息工程大学学报，2006，7(1）:28 －30，37.

XING Zhao-wei，ZHOU Dong-fang，SHAO Ying，et al.Application of high power microwave to attacking cruise missile［J］.Journal of Information Engineering University，2006，7(1）:28 －30，37.

An affair-decom posability evaluation method to calculate the front-door coupling effect of electromagnetic pulse

XIAO Jin-shi1，REN Xiong-wei1，FAN Qiang2
(1.College of Electronic Engineering，Naval Univesity of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Training Department，Naval Univesity of Engineering，Wuhan 430033，China）

Electromagnetic pulse(EMP）bomb is a kind of new conceptweapon，which can be used to disturb or damage electronic system by radiating high power electromagnetic pulse.To calculate damage efficiency of high power EMP through front-door coupling，a kind of efficiency evaluation method based on affair-decomposability is raised.Front-door coupling－ damage course is decomposed into three affairs in chronological sequence，which is EMP bomb radiating power，electromagnetic energy transmission and electromagnetic energy coupling into target system.Efficiency of these three affairs is calculated with different algorithms.Finally，type MK 84 electromagnetic pulse bomb of USA is evaluated using thismethod.Some conclusions about efficiency evaluation are gotten.

affair-decomposability;electromagnetic pulse;front-door coupling

TN99

A

1672－7649(2013）03－0129－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.029

2012－05－14;

2012－12－25

肖金石(1981－），男，讲师，主要研究方向为瞬态电磁脉冲效应、系统工程理论与方法。