有界空间中超大功率超宽带电磁脉冲的传播特性分析

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1、上海交通大学工学硕士学位论文第一章引言第一章引言1.1研究背景和意义现代战争已经从过去的三维战争发展为海、陆、空、电磁四维战争，其中电磁领域的较量在以高科技为主的现代战争中显得越来越重要。电磁较量已不再局限于通信和探测领域，越来越多的电磁对抗、电磁防护技术已经广泛应用现代战争中。这在2003年3月美国发动的伊拉克战争中，得到了充分的体现。自从超大功率超宽带电磁脉冲（Ultra-HighpowerandUltra-WidebandElectromagneticPulse）武器正式登上了历史舞台，引起了军事技术研究者的极大关注。电磁

2、脉冲是一种瞬变电磁现象，其时域波形一般具有陡峭的前沿，且脉冲宽度较窄在频域方面则覆盖了较宽的频带。核爆炸产生的电磁脉冲，峰值场强极高，上升时间极短，其能量很大，作用范围广，对各种军用和民用的电子、电气设备与系统构成了严重威胁。而随着超大功率超宽带电磁脉冲武器的出现，以及军用电子、电气设备的微电子化，使其对于电磁脉冲的敏感性和易损性日趋严重。有源型的电磁脉冲辐射主要以高功率微波辐射的形式出现，而电磁脉冲弹实际上也是高功率微波武器的一种，高功率微波武器的辐射频率通常在300MHz-30GHz范围内，输出峰值功率在兆瓦量级，可以暂时性

3、干扰或永久性损坏重要的传感器，毁坏关键的电子元器件，使电子线路失效、中断或遭到破坏，使计算机系统暂时混乱或遭到彻底毁坏。从国外发展超大功率超宽带电磁脉冲的过程看，国外对发展超大功率超宽带电磁脉冲是极其慎重的，主要开展了两部分实际工作。一部分工作是研制超大功率超宽带电磁脉冲源，另一部分工作是超大功率超宽带电磁脉冲效应，即电子系统在超大功率超宽带电磁脉冲照射下的反应。与常规的电子干扰相比，超大功率超宽带电磁脉冲有以下两点优势：一、干扰功率约提高一个数量级，是现有雷达功率的上千倍，因而具第1页上海交通大学工学硕士学位论文第一章引言有更

4、强的干扰能力；二、常规的电子干扰的任务是扰乱、欺骗或影响对方电子设备，使其暂时失效，而超大功率超宽带电磁脉冲是影响电子设备本身，它不仅能干扰对方电子设备的正常工作，还能烧毁其电子元器件、集成电路、计算机芯片等造成对方电子设备的永久损伤，因而具有更大的攻击力。在很多超大功率超宽带电磁脉冲环境中，需要考虑电磁脉冲沿海面和地面的传播。例如在海面战争中，舰船之间的超大功率超宽带电磁脉冲攻击，其发出的电磁脉冲能量大部分是沿着海平面传播的（见图1.1），由于海水的高损耗及色散特性，此时舰船之间的电磁攻击必须考虑海面对电磁脉冲的影响。图1-1

5、海上电磁对抗示意图Fig.1-1Electromagneticinterferenceonthesea在电磁脉冲的近地面传播问题中，若考虑地面的粗糙面散射的特性，电磁脉冲与地面之间的相互作用问题将会非常复杂。一般情况下，只有当一个或两个通讯点离地面足够高时（与波长相比），地面才可以看作理想导电平面，而当通讯点离地面很近时，地面就不能看作理想导电平面。在零阶近似下，可将地面看作有耗导电平面。借鉴近地偶极子辐射的求解思路，将地面近似等效成一个阻抗平面，其中等效阻抗中包含了介电常数、土壤电导率和脉冲频率等信息，这样就充分考虑到了实际地

6、面的特性，为更加真实的模拟近地面的传播问题提供了好的途径。第2页上海交通大学工学硕士学位论文第一章引言1.1论文的主要工作本论文主要研究的内容。第二章详细阐述了各种超大功率超宽带电磁脉冲的表述形式及业内公认的各种标准，给出了一些典型的超大功率超宽带脉冲的表达公式。第三章介绍了一种有效计算近地面偶极子辐射问题的精确镜像算法，其中特别包括关键索末菲尔德类型积分的快速算法，并给出了大量数值验证，证明该算法的有效性和高精度性。第四章主要研究了电磁脉冲沿近地面的衰减特征，在本报告的最后部分将近地偶极子辐射理论推广到实际天线的计算中，并获得

7、了部分实际天线沿地面辐射场的衰减特征，对于工程设计和电磁对抗起到了一定的指导意义。最后总结了论文的研究成果，提出存在的问题和不足以及进一步的研究目标。第3页上海交通大学工学硕士学位论文第二章超大功率超宽带电磁脉冲波形第二章超大功率超宽带电磁脉冲波形1.1双指数脉冲[1-3]高空核爆一般高于30km，（文献[1]约定为不低于100km），其电磁脉冲参数是核爆炸主要效应参数之一，电场时域波形示于图2.1，包括3个部分[2]：第一部分（早期）为E，是核爆炸瞬发γ激励的康普顿电子运动产生的，这个过程大约持续11μs；第二部分(中期)包括

8、E和E，在1∼100μs之间，散射γ激励产生的场占主2,a2,b要成分，记作E（散射γ信号），在1∼10ms之间，电场主要由高能中子和空气分2,a子的非弹性碰撞产生的γ激励贡献，记为E（中子γ信号）；第三部分（晚期）在1s2,b到数百s之间，是各种空间碎片和空气