舰载相控阵雷达对火工品安全影响∗

张 旭 马志刚 邱立军 杨祥红

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.海军装备部 北京 100841）

1 引言

为有效地应对海上舰艇编队在复杂电磁干扰环境下来自多方位的武器威胁，抗击空中、海上多方向、多批次饱和攻击，各国海军相继发展了舰载相控阵雷达。如美国“提康德洛加”级导弹巡洋舰“宙斯盾”武器系统AN/SPY-1相控阵雷达，法国戴高乐号核动力航空母舰ARABEL相控阵雷达，日本朝雾级导弹驱逐舰OPS-24有源相控阵雷达等［1］。舰载相控阵雷达是海上信息战的重要信息来源，可担负警戒、跟踪、火控、导航、舰载机的引导以及气象探测等多项任务，使舰艇技术性能和作战性能得到显著提高。同时，舰载相控阵雷达也使舰船电磁环境更加复杂化，其强大的电磁能量输出对舰载弹药电火工品安全也带来了潜在威胁和风险。因此，研究舰载相控阵雷达特点，分析其对电火工品作用机理和效能，对提高弹药火工品的使用安全，减少盲目性，最大限度消除安全隐患有着重要的作用和军事意义。

本文以舰载相控阵雷达为单一辐射源，以简化的舰船模型为研究基础，采用FEKO、ANSYS HFSS电磁仿真软件，从单一因素入手，建立舰船电磁环境，着重分析舰载相控阵雷达电磁环境对电火工品作用过程，确定典型风险状态和参数，给出仿真分析结果。分析过程对多因素、多任务条件下复杂舰船电磁环境对电火工品安全性影响研究有一定的借鉴作用。

2 舰载相控阵雷达电磁环境

随着现代海战技术的发展，舰载雷达性能的优劣对整个作战起到至关重要的作用。舰载相控阵雷达集搜索、识别、跟踪、制导和探测等功能于一体，具有良好的抗干扰性能和工作可靠性，因此，美国、俄罗斯、法国、英国、日本等国竞相研制并装备了舰载相控阵雷达，以提高水面舰艇的作战能力。典型的相控阵雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、数据处理机和显示器组成。不同于机械式雷达，相控阵雷达的天线由许多辐射单元排列而成，而各个单元的馈电相位由计算机灵活控制，形成在空中可移动的波束，从而实现电扫描［2］。

以“宙斯盾”作战系统为例，其主传感器是洛克希德·马丁公司研制的S（3.1GHz～3.5GHz）波段AN/SPY-1三坐标多功能相控阵雷达。每一部AN/SPY-1雷达包含4部直径3.7m、共4350个单元的天线，峰值功率5MW，平均功率32kW。该天线呈45°倾斜安装在舰船的上层结构［3］。

为研究舰载相控阵雷达对弹药火工品的作用机理，在FEKO的CADFEKO环境中建立简化舰船模型［4］，主要尺寸分别为长160m，宽20m，高37m，结构如图1所示。四部天线分别置于模型中部四棱台的四个平面上，设工作频率为S波段中间值3GHz，各个天线俯仰角及方位角均为0°。

为确定舰载相控阵雷达电磁场分布特性，利用FEKO CADFEKO仿真环境，在舰船模型的前、后、左、右分别放置一个平面波作为天线激励源，如图2所示。激励源参数设置如表1所示。

表1 平面波激励波参数设置

由于舰船具有电大尺寸和特电大尺寸三维目标特性，本文采用多层快速多极子技术（MLFMM）进行天线电磁环境仿真。

MLFMM技术是电磁场仿真软件FEKO的核心算法［5］，也是水面舰艇短波电磁环境仿真预测的理论基础。

快速多极子方法的数学基础是矢量加法定理，其原理是将目标表面离散得到子目标分组，根据任意两个子目标间互耦关系的不同，自身组和相邻组采用直接矩量法计算，非相邻组采用聚合-转移-配置方法计算。

多层快速多极子方法（MLFMM）则是快速多极子方法在多层级结构中的推广应用。采用多层分区计算，逐层聚合、逐层转移，逐层配置、嵌套递推。对于三维结构，用一个立方体包围目标，第一层得到8个子立方体。随着层数增加，每个子立方体再细分为8个更小的子立方体，直到最细层满足要求为止。

多层快速多极子技术（MLFMM）基于分层的数组算法，能比矩量法（MOM）更快地解决复杂的高频问题，具有计算内存少、精度高、收敛较快等特点［6］，因此，本文船体采用MLFMM法求解混合积分方程（CFIE）进行计算。

由于雷达频率（freq）较高，舰船模型尺寸较大（以驱逐舰为仿真背景），以边长为λ/6划分网格，网格数超过570 000 000，数量太过巨大，远远超出一般PC机计算能力，故本文设缩放系数sf为0.001，相应的波长采用λ=c0/freq/sf形式，其中c0为光速。电磁场3D分布结构如图3所示，甲板平面电磁场2D分布如图4所示，甲板平面电磁场极坐标分布如图5所示。

由FEKO的POSTFEKO近场仿真结果可知，在舰面区域范围内，当Y轴值分别取0.25m、12.75m时，场强沿X轴（舰船纵轴）分布如图6所示。

为直观了解相控阵天线在舰面区域场强分布情况，对3GMHz频率信号进行了近场分析。由于甲板平面电磁场分布密集度高、强度大且分布变化较大，本文仅列出了该部分水平面典型位置场强分布值。相控阵雷达工作时舰面近场场强分布如图7所示。

场强分布图中明显的波纹形状变化，是由相邻雷达的副瓣相互干涉形成的。由以上仿真结果可以看出，舰上相控阵雷达同时工作时，舰船甲板部区域场强值较高，部分区域强值最大可达到25kV/m。

GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》中规定的“电磁辐射对军械危害的外部电磁环境”要求如表2所示［7］。

表2 舰船甲板上工作的外部电磁环境

对比分析可知，在整个甲板区域存在较高的场强，大部分区域电场强度远大于表2所规定的露天区域临界电平值水平，因而应避免雷达主波束直接照射武器装备。在开展相控阵天线对火工品安全影响分析时，考虑到舰载装备主要布置于舰船中部附近，则应以场强值不小于10kV/m作为火工品电磁信号照射源，重点研究其对电火工品作用机理，并进行风险评估。

3 电磁环境对电火工品作用机理

电火工品主要由管壳、加强帽、电极塞、桥丝、起爆药、猛炸药及引线等组成［8］。电火工品基本结构如图8所示。

电磁辐射对电火工品的危害能量传输有两种方式：一是通过直接的电气通道以传导方式注入电磁辐射能量；二是通过空间电磁辐射以电磁波形式输入电磁能量。实际使用过程中，电火工品通常是暴露在周围的电磁场中，所以绝大多数电磁危害是通过电磁波形式进行的。电磁波对电火工品的影响主要以电流的形式通过脚线作用于桥丝换能元件，使桥丝换能元件产生感应电流导致热积累［9］。电磁环境中火工品响应过程如图9所示。

分析计算时，首先考虑电火工品可能的使用结构状态和发火模式，并将其表征为适当的天线。可将图8电火工品基本结构等效为环形接收天线，并设接收天线的有效孔径为Ae。设Pˉ0为火工品引线附近（等效接收天线处）电磁场平均功率密度，则火工品所接收到的电磁辐射功率为

式中：Pr为接收天线接收到的电磁辐射功率（W）；Pˉ0为接收天线处的平均功率密度（W/m2）；Ae为接收天线的有效孔径（m2）。

A火工品等效天线有效孔径表达式为［10］

天线方向系数DF的取值与L/λ有关：

式中：A为火工品实际环路面积（m2）；RT为火工品电磁辐射阻抗的电阻分量（Ω）；L为火工品等效环路周长（m）；λ为电磁波波长（m）。

发射机天线在火工品接收天线处所成电磁辐射场的功率密度为［11］

式中：Pt为发射机输出功率（W）；Gt为发射天线的增益；d为电火工品与发射机天线之间距离（m）；Pˉ0为电火工品所在位置的功率密度（W/m2）。

在仿真分析模型建立中，火工品脚线结构按实际几何模型进行建模，由于换能元尺度很小，其具体几何模型暂不考虑，在仿真计算中考虑其阻抗效应，将其简化为有一定电阻的元件。

本文着重对火工品引线附近（即等效接收天线处）接收到的电磁耦合能量在桥丝上所产生的电磁感应电流进行仿真分析。

4 电火工品电磁模型及仿真分析

本文选择某通用型电火工品为建模对象，在充分了解火工品组成、结构、材料等特征的基础上，首先建立物理模型，并依据电磁特性参数（相对介电常数和磁导率等）构建火工品电磁模型。对电火工品组件在频率范围0.1MHz～40GHz内电磁响应进行仿真分析，获得了频率与桥丝电响应曲线。

4.1 火工品电磁模型建立

某通用型电火工品由本体组件、点火药柱、发火头组件、电连接器组件、电发火头、焊桥电极塞、滤波器、壳体、保护帽、导线等部分组成，结构相对复杂。

火工品部件物理建模示意见图10。

将待检测材料压制成圆柱形状，利用平板电极将其接入到材料阻抗分析仪或者矢量网络分析中，通过端口的S参数，以及电极距离、圆柱直径等结构参数，获得材料的相对介电常数和磁导率。测量的基本布置如图11所示。

依据电火工品结构参数以及材料电磁参数，基于ANSYS HFSS电磁场仿真软件建立相关材料的数据库，同时获得电火工品的仿真模型。

4.2 电磁响应仿真分析

基于ANSYS HFSS仿真软件建立的仿真模型，同时建立仿真的边界范围［12］。由于本文采用外部激励场建立最终桥丝电流响应的方式。因此在仿真边界条件设置的过程中采用的是辐射边界条件。外部激励设置如图12所示。求解器设置如图13所示。

通过仿真获得了电火工品在频率范围0.1MHz-40GHz内其内部桥丝感应电流情况如图14所示。

5 结语

通过仿真获得了某通用型电火工品在频率范围0.1GHz～40GHz内其内部桥丝感应电流情况。从仿真数据来看，当外部激励场为1V/m时，在桥丝上感应的最大电流达到或接近2mA，大部分频率上感应电流都在0.5mA以下。感应电流较大的频率范围主要出现在25GHz以上。

综合相控阵雷达天线工作时电磁分布值分析可知，当相控阵雷达工作时，在舰船甲板范围内，局部会有10kV/m以上电场分布，并在电火工品上产生接近20A的感应电流，远大于电火工品安全电流范围值，对电火工品安全构成严重影响。因此，必须从雷达工作时间控制和舰载装备电火工品电磁防护等多方面进行综合考虑，将风险降低到最小限度。

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