反辐射无人机的系统级电磁毁伤评估方法*

邓 潘，陈 卫，樊 祥

(解放军电子工程学院，合肥 230037)

0 引言

反辐射无人机是反辐射武器的一种，其滞空时间长，可在雷达阵地上空长时间实施空中压制和攻击，制导系统具有一定的抗雷达诱饵功能，且雷达反射截面积很小，发动机功率小，红外特征不明显，机体尺寸小，用肉眼或光学瞄准系统不容易发现，具有较强的生存能力。因此，对防空雷达具有非常大的威胁，严重制约着战时主战雷达的作战效能。电磁脉冲武器是一种通过辐射强电磁脉冲破坏敌方电子设备和武器系统的新概念武器，所攻击目标包括雷达、通信、导弹、C4ISR系统等电子设备[1]。由于电磁脉冲武器兼具“硬杀伤”和“软杀伤”作战触力，可全天候作战、攻击多个目标、且无需精确瞄准，故在区域防空反导应用中更具强大的军事应用前景，尤其是对抗反辐射无人机和反辐射导弹等雷达制导武器[2]。

1 研究思路

电磁脉冲武器对反辐射无人机的电磁毁伤评估非常困难:

1)电磁脉冲与反辐射无人机系统相互作用的方式是全局的作用，受多种因素影响，且相互作用参数空间是多维的、非线性的，例如频率、脉宽、功率、作用方向角、传输路径、无人机系统结构及功能特性等等，因此，仅仅依靠实验途径研究，实验费用将不可承受;

2)现有的实验室实验条件限制了威胁环境参数的范围;

3)电磁脉冲对反辐射无人机的毁伤模式及机理复杂。电磁脉冲对反辐射无人机敏感系统的毁伤模式主要分为两类:一类是物理损伤，表现为电子元件的烧蚀、击穿等现象;另一类是干扰，表现为瞬时干扰、饱和等。深入研究以上毁伤模式及机理需大量的电磁毁伤效应实验。

因此，单纯利用电磁毁伤效应实验的方法研究和评估电磁脉冲对反辐射无人机的电磁毁伤不可行。

为此，文中提出综合运用理论分析、系统仿真和效应实验等方法进行研究，通过系统分析，建立反辐射无人机的结构模型和功能模型。在结构模型基础上，采用FDTD模拟仿真电磁脉冲对反辐射无人机的“前门”耦合和“后门”耦合效应及传播途径[3]。依据反辐射无人机的功能模型，研究其电磁脉冲毁伤模式及机理，并将反辐射无人机的系统电磁毁伤评估分解为子系统的电磁毁伤评估问题，尤其是关键子系统或部件的电磁毁伤评估。对于子系统或部件，主要采用低功率注入式电磁毁伤效应实验和电路分析的方法，并结合子系统内器件的毁伤模型，构建子系统的电磁毁伤评估模型。最后，结合反辐射无人机的功能模型，采用层次分析法(AHP)构建整个系统的电磁毁伤评估模型，完成对反辐射无人机的系统级电磁毁伤评估。

2 评估方法

图1为评估方法基本描述，主要有以下几个方面:

图1 系统电磁毁伤评估方法描述

1)系统分析

系统分析主要包括系统的几何结构、系统功能以及系统内子系统的电磁敏感性分析，以建立系统结构模型和功能模型，找出电磁脉冲的“前门”和“后门”耦合通道及其传播途径。同时，借助系统功能模型，构建系统电磁毁伤评估的层次化分解结构，并识别其关键子系统或关键元部件。

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2)耦合分析

在进行具体的电磁毁伤效应实验之前，必须分析电磁脉冲对反辐射无人机系统的耦合情况及其在系统内的传播情况，以估计各敏感子系统或部件的输入端信号参数。其主要通过FDTD在系统分析的基础上进行仿真来完成。

3)子系统电磁毁伤评估

通过耦合分析可估计耦合或传播到子系统输入端的电磁脉冲信号参数，并依据此参数进行多次的低功率注入式电磁毁伤效应实验，以得出子系统的电磁毁伤特性与电磁脉冲参数的函数关系，进而构建子系统的电磁毁伤评估模型。文中采用了神经网络算法来构建。

4)系统电磁毁伤评估

系统电磁毁伤评估建立在子系统的电磁毁伤评估基础上，尤其是关键子系统。利用AHP方法可对电磁毁伤评估层次分解结构底层的子系统或元部件的电磁毁伤评估模型进行由下而上的综合，进而得出反辐射无人机系统的电磁毁伤评估模型。

3 评估流程

电磁脉冲武器对反辐射无人机的电磁毁伤评估是一个从顶层到底层的分解，再从底层到顶层的综合的过程。图2为反辐射无人机的电磁毁伤评估流程。

图2 反辐射无人机的电磁毁伤评估流程

1)反辐射无人机的系统分析

系统分析是反辐射无人机电磁脉冲毁伤评估的第一步，其目的是建立系统结构模型和功能模型。系统结构分析是对反辐射无人机的几何结构、物理特性进行分析，找出电磁脉冲可能的耦合入口及在系统内部的传播途径，这也是模拟仿真电磁脉冲对系统的“前门”耦合和“后门”耦合效应所必须的。

系统功能模型是系统运行方式的描述，其描述了系统执行使命过程中的运行模式，系统部件或子系统在完成系统功能中的作用以及系统运行和子系统或部件之间的关系。系统电磁毁伤的定义依赖于系统的使命，且系统的电磁毁伤与子系统、部件的毁伤有关，尤其是关键子系统和部件。只有明确系统功能模型，才能正确分析系统的电磁毁伤模式和机理。此外，系统功能模型也是识别导致系统电磁毁伤的关键子系统或元部件的前提。

2)系统电磁毁伤评估分解结构

依据系统功能模型，按照从上至下的顺序，可对反辐射无人机的电磁毁伤评估问题进行层次分解，图3为层级式反辐射无人机系统电磁毁伤评估分解结构，其底层结构为关键子系统或无部件电磁毁伤评估。

图3 反辐射无人机电磁毁伤评估分解结构

3)电磁脉冲耦合、传播研究与仿真

反辐射无人机的被动雷达制导系统为电磁脉冲提供了“前门”耦合通道，而机件连接缝、孔缝等为电磁脉冲提供了“后门”耦合通道。在对反辐射无人机的几何结构、物理特性进行分析的基础上，采用FDTD对电磁脉冲的“前门”和“后门”耦合以及电磁脉冲在系统内的传播进行仿真计算，从而对传播途径上的电场强度进行预测、估计，分析系统中电磁敏感元件、子系统及其输入端电磁脉冲参数。

4)关键子系统或部件的电磁脉冲毁伤效应实验

关键子系统或部件的电磁脉冲毁伤效应实验是系统电磁毁伤评估的基础，主要通过低功率电磁脉冲注入法实现对元部件或电子线路的毁伤效应实验，并进行毁伤诊断，以获得相应的毁伤阈值数据。由于效应物的毁伤阈值需通过多种参数条件下的毁伤效应实验获取，实验损耗性很大，为减少实验费用，采用“均匀设计”实验方法[4]对效应实验参数进行选取，以降低实验次数。

5)关键子系统或部件电磁毁伤评估模型构建

电磁毁伤效应具备典型的统计特性，其特征空间是多维的、非线性的。通过4)获得关键子系统或部件的毁伤效应数据，采用BP神经网络算法对效应实验数据进行处理[5]，从而获得关键子系统或部件的电磁毁伤评估模型。

6)系统电磁毁伤评估模型构建

综合利用反辐射无人机的结构模型和功能模型，对系统电磁毁伤评估分解结构的各要素进行权重分配，突出关键子系统或元部件的电磁毁伤评估在系统级电磁毁伤评估中的重要性。依据反辐射无人机系统电磁毁伤评估分解结构，采用基于多领域专家的AHP方法[6]对各子系统或部件的电磁毁伤评估模型进行加权聚合，构建反辐射无人机系统的电磁毁伤评估模型。图4为反辐射无人机系统电磁毁伤评估流程。

7)系统级电磁毁伤实验及评估模型修正

对反辐射无人机进行系统级电磁毁伤实验，并通过系统电磁毁伤评估模型进行毁伤预测，对比结果，以对系统的电磁毁伤评估模型进行修正。系统级电磁毁伤实验通常采用辐照式。受限于实验条件和经费，系统级效应实验次数非常有限。

图4 反辐射无人机电磁毁伤评估流程

4 结语

反辐射无人机的系统级电磁毁伤评估非常困难，不能仅仅依靠电磁毁伤效应实验来完成。文中提出综合运用理论分析、系统仿真和电磁毁伤效应实验等方法进行研究，采用系统分析方法构建了系统的结构模型和功能模型，在对关键子系统或部件进行注入式电磁毁伤效应实验的基础上，对系统的电磁毁伤进行仿真、评估。这样，既有效保证了对反辐射无人机的电磁毁伤评估的准确性，又大大降低了研究成本，减小了研究对实验条件的苛刻要求，具备很强的操作性，在课题研究中取得了较好的效果。

[1]陈栋，许黎明.高功率微波武器对C4ISR系统毁伤效应研究[J].装备环境工程，2010，7(2):48－50.

[2]方有培.电磁脉冲武器对抗反辐射导弹的研究[J].航天电子对抗，2002(5):9－13.

[3]黄隽，费奇志，张浩然.电磁脉冲武器对军机座舱后门耦合效应及软杀伤分析[J].海军航空工程学院学报，2011，26(1):5 －10.

[4]杨志强，李平，黄文华.基于“均匀设计”的HPM效应试验参数选取[J].战术导弹技术，2010(4):23－26.

[5]方进勇，张治强，黄文华，等.集成电路高功率微波易损性预测评估模型[J].强激光与粒子束，2009，21(4):565－568.

[6]陈卫，邓潘，樊祥.一种新的高能激光武器反导能力评估方法[J].弹箭与制导学报，2012，32(4):191－194.