电磁脉冲弹的战场威力仿真评估

进行了仿真分析，得到了有益的结论，为雷达前门电磁防护设计提供了一定的理论依据．
关键词：电磁脉冲弹；杀伤模型；耦合能量；毁伤阈值
中图分类号：TN95
文献标志码：A
文章编号：2095-5839(2014)01-0010-04
信 息 时 代 微 电 子 技 术 的 发 展 日 新 月 异 ，使 得电 子 设 备 集 成 度 越 来 越 高 ，同 时 面 临 来自电磁 攻击 的 威 胁 也 越 来 越 大 ． 近 年 来 ，雷 达 兵部队装 备正 值 更 新 换 代 ，对 于 新 装 备 抗 强 电 磁 脉冲防护 的问 题 ，既 要 做 好 来 自 前 门 主 要 是 天 线 的电磁脉 冲 威 胁 ，更 要 关 注 来 自 于 后 门 尤 其 是 拖 线 、门 窗 孔 缝 洞 以 及 连 接 处 的 电 磁 威 胁 和 防 护 [1] ． 电 磁 脉冲弹是一种利用炸药爆炸压缩磁通量的方法 产生 高 功 率 电 磁 脉 冲 ，并 通 过 微 波 天 线 将能量释 放到敌方武器装备所在区域的电磁脉冲武器． 文 献 [2] 给 出 了 电 磁 脉 冲 弹 垂 直 投 放 时 对 雷 达 天 线 阵 面 耦 合 能 量 的 数 值 分 析 ；文 献 [3] 对 雷 达 的 前 门 耦 合 防 护 、后 门 耦 合 防 护 方 面 进 行 深 入 研 究 ；文 献 [4] 对 天 线 系 统 的 耦 合 效 应 进 行 仿 真 研 究 ． 而 本 文 将 从 电 磁 脉 冲 弹 的 组 成 、杀 伤 能 力 ， 构建杀伤模型并对两种特殊状态下天线阵面耦 合能量进行仿真分析．
1 电磁脉冲弹的组成及杀伤能力
爆炸点 Ａ

电 磁 脉 冲 弹 由 初 级 能 源 ( 核 能 、化 学 能 、炸
药)、脉 冲 发 生 器、高 功 率微波发生器、控制系统和 定向辐射天线组成[5]，如 图 1 所 示 ．
核能 化学能 炸药
脉冲 发生器
高能 高功率 控制 天 目
压缩 微波 系统 线 标
电子束 发生器
由 图 4 可 知 ，随 着 爆 炸 高 度 的 增 加 ，B、O、 D、C 4 点 的 功 率 密 度 和 场 强 振 幅 都 是 递 减 的 ，且 在 战 场 评 估 电 磁 脉 冲 弹 的 威 力 时 应 当 以 EC 、qC ( 最 小) 为参考点进行评估．当爆炸高 度 为 1 km 时 ， C 点 的 场 强 振 幅 为 2.096 kV/m，功 率 密 度 达 到
β/2)/h
ý ïï
EC = (60PGC)1 2/AC = (30PGB)1 2 sin(α -β/2)/h þ
(3)
qB
=
PGB 4πAB2
=
PGB sin2α 4πh2
qO
=
PGO 4πAO2
=
PGB
sin2(α + β/2) 8πh2
qD
=
PGD 4πAD2
=
PGB sin2α cos2(β/2) 8πh2
(2)
式 中 ，P 电 磁 脉 冲 弹 的 辐 射 功 率 ；G 为 电 磁 脉 冲
弹 的 天 线 增 益 ；R 为 被 攻 击 目 标 与 电 磁 脉 冲 弹 爆
炸点的距离．在图 2 所示阴影区域取波束中心
点 B 和 边 缘 点 O、D、C ，且 由 空 间 辐 射 区 域 的 波
束 中 心 增 益 是 边 缘 上 的 2 倍 ，则 可 以 推 导 出 B、
(b) β = 60° 时 不 同 爆 炸 高 度 的 辐 射 面 积 图 3 电磁脉冲弹爆炸辐射面积仿真结果
由 图 3 可 知 ，α = 60° 时 ，辐 射 范 围 的 面 积 随
着 爆 炸 高 度 的 升高而增大，且 波 束 角 β 越 大 辐 射
面 积 越 大 ；β = 60° 时 ，辐 射 范 围 的 面 积 随 着 爆 炸
效应
10-8~10-6
雷 达 和通信设备产生强干 扰，设备不能正 常工作
10- 2 ~102
可使雷达接收系统和信号处理设备中的电 子元器件失效或烧毁
10 ~102
高频率微波辐射形成的瞬变电磁场可使金 属 表 面 产 生 感 应 电 流 ，破 坏 各 种 敏 感 元 器 件
103~104
强烈的电磁场作用引起系列非线性效应， 短时间内使目标受高热而破坏
第1期
蒋 伟，等：电磁脉冲弹的战场威力仿真评估
11
积的大小分别为
a = h[cot(α -β/2) -cot(α + β/2)] ü
b = 2h tan(β/2)/ sin α
ï
ý
(1)
ï
S = πab
þ
2.2 仿真评估
对 式 (1) 进 行 Matlab 仿 真 ，仿 真 结 果 如 图 3
所示．
qC
=
PGC 4πAC 2
=
PGB
sin2(α -β/2) 8πh2
ü ï ï ï ý ï ï ï þ
(4)
假 设 电 磁 脉 冲 弹 的 辐 射 功 率 P=10 GW ，微 波
天 线 增 益 G=10 ，图 4 是 电 磁 脉 冲 弹 在 α=60° 、β=
30° 时 不 同 爆 炸 高 度 下 各 点 的 场 强 振 幅 和 功 率
第 28 卷 第 1 期 2014 年 2 月
空军预警学院学报 Journal of Air Force Early Warning Academy
Vol.28 No.1 Feb. 2014
DOI: 10.3969/j.issn.2095-5839.2014.01.003
电磁脉冲弹的战场威力仿真评估
蒋 伟， 余明友， 王 光， 余 娟
（空军预警学院, 武汉 430019）
摘 要：为了研究电磁脉冲弹对雷达等电子设备的杀伤规律和耦合方式，构建了电磁脉冲弹的杀伤模型，仿
真计算了目标区域的覆盖面积、目标点的功率密度和场强振幅．理论分析和实例计算结果表明，电磁脉冲弹的作
用效果与爆炸高度、波束角和倾角有关．最后对在目标区域边缘点两种特殊状态下的雷达天线阵面的耦合能量
12
空军预警学院学报
2014 年
0.058 27 W/cm2 ，可 使 雷 达 接 收 系 统 和 信 号 处 理 设 备中的电子元器件失效或烧毁．
表 2 一定功率密度时的临界爆炸高度
干扰 强度
弱干扰 弱干扰 强干扰 强干扰 杀伤性
功率密度 /(W/cm2)
10-8 10-6 10-2
1 10
临 界爆炸高度/km
前门 耦合
后门 耦合
图 1 电磁脉冲弹的系统组成
电磁脉冲弹的杀伤能力与爆炸时的辐射功 率 、自 身 的 一 些 特 性 ( 波 头 时 间 、带 宽 、脉 冲 持 续
ｈ
Ｅ
Ｏ
ｂ ａ
Ｃ
Ｇ
Ｂ
Ｄ
图 2 电磁脉冲弹的杀伤模型
在 战 场 电 磁 脉 冲 弹 爆 炸 时 ，其 杀 伤 区 域 图
形 是 不 规 则 的 ，因 此 在 构 建 模 型 时 可 以 假设阴影
表 3 元器件毁伤的能量阈值
器件名称
损伤程度
能 量 阈值/J
集成电路 计算机磁芯记忆器
微波二极管 双极晶体三极管
运算放大器
电路失常 记忆消除
损坏 损坏 损坏
4 × 10-10 5 × 10-8 2 × 10-6~5 ×10-4 1 × 10-5~1 × 10-4 2 × 10-3~5 ×10-3
假设电磁脉冲弹爆炸时产生的能量在目标
高 度 的 升高而增大，且倾角 α 越大 辐 射 面 积 越 小 ．
忽 略 电 磁 脉 冲 的 空 间 衰 减 ，且 假 设 能 量 在
辐射 空 间 内 是 均 匀 分 布 的 ，则 电 磁 脉 冲 的场强振 幅 和 功 率 密 度 [6] 表 示 为
} E = (60PG)1 2/R
q = PG/(4πR2)
3 雷达的前门威胁仿真评估
电磁脉冲弹对雷达等电子设备的破坏原理 就像 近 距 离 的 雷 电 一 样 ，爆 炸 产 生 的 强 电磁脉冲 可以通过前门和后门 2 种途径进入电子设备． 天线 作 为 雷 达 对 外 开 放 的 通 道 ，极 易 受 到强电磁 脉冲的影响．电磁脉冲弹的作用效果不仅与目 标点的功率密度有关 ，还 与 耦 合 进 入 到 电子器件 的能量以及电子设备的毁伤阈值有关，表 3 采用文 献 [8] 的 部 分 结 果 ，给 出 了 一 些 元 器 件 毁 伤 的 能 量 阈值．
Ｃ
Ｇ
Ｂ
Ｄ
(a) 天线 背对辐射斜圆锥
表 2 是不同功率密度下的临界爆炸高度． 当 功 率 密 度 在 0.01~1 μW/cm2 时 为 弱 干 扰 ，在 0.01~1 W/cm2 时 为 强 干 扰 ，超 过 10 W/cm2 时 将 对 电子设备造成杀伤性．且分析表 2 中的结果可 知 当 爆 炸 高 度 位 于 2.41~ 4.45 km 时 ，可 使 雷 达 设 备 中 的 电 子 元 器 件 失 效 或 烧 毁 ；当 在 0.141 km 高 度以 下 爆 炸 时 ，会 给 整 个 杀 伤 区 域 的 电 子设备造 成软杀伤或硬杀伤．
ｑＢ ｑＯ ｑＤ ｑＣ ６７
(b)Biblioteka Baidu功率密度
图 4 不同高度爆炸下各点的场强振幅和功率密度
实 验 研 究 表 明 ，当 辐 射 功 率 密 度 达 到 一 定 数 值 时 ，会 产 生 相 对 应 的 作 用 效 果 [7] ，如 表 1
所示．
表 1 电子设备对不同功率密度电磁脉冲的效应
功率密度 /(W/cm2)
2 杀伤模型及仿真评估
2.1 杀伤模型 假 设 电 磁 脉 冲 弹 由 巡 航 导 弹 搭 载 ，并 与 地
面 保 持 倾 角 α ，在 炸 弹 爆 炸 后 ，微 波 天 线 以 一 定 的 波 束 角 β 向 目 标 区 域 辐 射 电 磁 波 ，在 目 标 空 间 形 成 一 个 立 体 的 圆 锥 形 辐 射 区 域 ，杀 伤模型如 图 2 所 示 ． 图 2 中 电 磁 脉 冲 弹 在 A 点 爆 炸 ，离 地 面 的 高 度 为 h ，AB 为 波 束 的 中 心 线 ． 阴 影 区 域 为 电 磁 脉 冲 弹 的 杀 伤 范 围 ，其 面 积 大 小 由 高 度 h、 倾 角 α 、波 束 角 β 决 定 ．
时 间 、频 率 等 )、爆 炸 点 与 目 标 的 距 离 、目 标 内 部 器 件 的 毁 伤 阈 值 有 关 ．根 据 不 同 目 标 的特性 ，本 文 将 从 电 磁 脉 冲 弹 爆 炸 时 的 杀 伤 区 域、目标点处 的功率密度和场强振幅以及耦合进目标的能量 这 3 个方面对其杀伤能力进行仿真分析．
B
O
D
C
4460 3840 3125 2410
446
382 312 241
4.45 3.80 3.12 2.41
0.445 0.38 0.31 0.24
0.141 0.12 0.11 0.075
式 中 ，Gr 为 雷 达 天 线 的 增 益 ，λ 为 雷 达 电 磁 波 的 波长．
爆炸点 Ａ

ｈ
Ｅ
Ｏ ｂａ
密度．
场强振幅 ／（ｋＶ／ｍ）
４．０ ３．５ ３．０ ２．５ ２．０ １．５ １．０ ０．５
０１
２３４５ 爆炸高度 ／ｋｍ
(a) 场强振幅
ＥＢ ＥＯ ＥＤ ＥＣ ６７
功率密度 ／（Ｗ／ｃｍ２）
０．２０ ０．１８ ０．１６ ０．１４ ０．１２
０．１０ ０．０８ ０．０６
０．０４ ０．０２
０１
２３４５ 爆炸高度 ／ｋｍ
O、D、C 4 点的 场 强 振 幅 和 功 率 密 度 为
EB = (60PGB)1 2/AB = (60PGB)1 2 sin α/h
ü
EO = (60PGO)1 2/AO = (30PGB)1 2 sin(α + β/2)/h ïï
E
D
=
(60PG
D)1
2
/AD
=
(30PG
B)1
2
sin
α
cos(
点 处 的 功 率 为 Pt ，能 量 为 Q ，进 入 目 标 的 耦 合 率 为 100% ，则 有 ：Pt = qSm ，耦 合 能 量 Q = Ptτ ( τ 为
区 域 为 椭 圆 形 ，其 长 轴 和 短 轴 分 别 为 OC、DE ，大
小 用 a、b 表 示 ． 根 据 模 型 推 导 出 长 轴 、短 轴 和 面
收稿 日 期 ：2013-12-16 作者 简 介 ：蒋 伟 (1989-)，男， 硕 士 生， 主 要 从 事 战 场 电 磁 环 境 分 析 与 防 护 研 究 .
１０
＝６０
８
＝４５
影响范围面积 ／ｋｍ２
６
４
２
０ ２００ ４００ ６００ ８００ １０００ 爆炸高度 ／ｍ
(a) α = 60° 时 不 同 爆 炸 高 度 的 辐 射 面 积
影响范围面积 ／ｋｍ２
３０
＝６０
２５
＝４５
２０
１５
１０
５
０ ２００
４００ ６００ ８００ １０００ 爆炸高度 ／ｍ