强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2019年第10期

• 网电对抗下的复杂电磁环境再认识

  唐朝京,

  分析了复杂电磁环境的主要因素，阐述了网电攻击造成的复杂电磁环境，深入分析了这种欺骗式复杂电磁环境可能对预警雷达造成的危害，并探讨了加强雷达预警系统网电安全的防护措施，提出了关于网电对抗下复杂电磁环境的三点思考。

• 航天器空间静电效应研究进展

  胡小锋, 张建平, 许滨,

  航天器在轨运行过程中面临的空间环境复杂多变，高能电子、等离子体环境、低气压、大温差等环境因素会引起航天器发生静电带电和放电效应，对航天器的安全运行造成严重影响。基于国内外试验数据和案例分析了空间环境引起的航天器故障，从数值仿真软件、地面模拟技术、强场诱发放电以及防护技术等方面介绍了空间环境作用下航天器充放电效应研究进展，对我国目前研究差距和未来研究方向进行了展望。研究表明：我国航天器充放电效应防护技术研究取得了进步，下一步重点针对空间站、深空探测、探月工程等新任务，进一步拓展空间环境作用下航天器充放电效应机理和防护新技术研究，为提升我国航天器的安全性和可靠性提供技术支撑。

• 车辆强电磁脉冲环境适应性研究

  秦风, 蔡金良, 曹学军, 马弘舸,

  近年来，随着大量用频设备的广泛应用，使得空间电磁环境日益复杂。复杂多变的电磁环境不仅会影响车辆的运用效能，而且会威胁车辆的生存能力。电磁环境对车辆的影响不可低估，尤其是强电磁脉冲，其破坏能力远远超过一般的电子干扰，会引起车辆的电子、电气元件的失效或损伤，严重影响着车辆机动与安全性能的有效发挥。将以某车辆为对象，较为系统地介绍车辆可能遭遇的强电磁脉冲环境、强电磁脉冲防护思路、车辆电磁环境效应分析以及采取的具体防护加固措施，以期提升车辆强电磁环境适应能力。

• 环氧树脂基碳纳米复合电磁屏蔽材料研究

  李克训, 马江将, 张泽奎, 马晨, 贾琨, 刘伟, 张捷, 李静, 王东红,

  基于碳纳米材料有序结构优异的结构与功能特点，研究了其在新型电磁防护材料中的应用，结合环氧树脂与碳纳米有序结构在电磁屏蔽效能和力学性能方面表现出的显著优势，论述了环氧树脂基碳纳米管复合电磁屏蔽材料和碳纳米管有序纳米结构研究，通过电磁仿真优化设计构筑三维导电网络结构，得出8~12 GHz电磁波段屏蔽效能≥82.96 dB的理想结构模型，为环氧树脂基碳纳米复合电磁屏蔽材料研究开发提供了指导，有利于该新型电磁屏蔽材料在国防、国民经济各领域的应用。

• 超高避雷针系统接闪效能的数值评估

  万浩江, 魏光辉, 陈亚洲, 潘晓东, 卢新福,

  针对目前超高避雷针系统日趋增多但现行标准又难以对其整体接闪效能进行有效评价的现状，基于亚网格技术发展了一种地物装置接闪效能数值评估方法，建立了超高避雷针系统接闪效能的数值评估模型，并对典型超高避雷针系统的接闪效能进行了数值评估实验，结果表明：超高避雷针系统接闪器顶端接闪概率最大，但其上部其他区域也可能遭受雷电的侧击，且接闪器上部遭受侧击的概率会随着侧击点高度的增加而增大。此外，雷击强度或雷云荷电强度对超高避雷针系统接闪器上各部分的接闪概率也有影响。雷击强度或雷云荷电强度越小，接闪器顶端的接闪概率越低，相应地接闪器上遭受侧击的概率越大，且侧击点的覆盖范围也会随之逐渐向接闪器的下部扩展。

• 雷达信号环境测量系统的设计与测试

  许雄, 吴若无, 韩慧, 郝晓军, 王华兵, 曾勇虎, 汪连栋,

  针对复杂电磁环境特性认知与可视化的现实应用需求，设计了一套基于分层认知概念的雷达信号环境测量系统，实现了对外界多个雷达辐射源信号参数的感知测量，同时以二维坐标形式对测量过程中的各种物理量进行了分层可视化展示。该系统的设计实现期望能够为电磁环境感知、分析提供一种有效的技术方案参考。

• 瞬变等离子体微波诊断初步研究

  闫二艳, 杨浩, 郑强林, 鲍向阳, 胡海鹰, 何琥, 刘忠,

  采用微波诊断技术对气压300 Pa，S波段HPM条件下形成的低温、弱电离、非均匀和强碰撞大气等离子体特性参数开展了初步诊断研究。获取了9~15 GHz连续波穿过HPM等离子体区域的透射波形，并对波形进行了归一化处理；通过不同频率微波的透射特性，假设等离子体电子数密度分布呈Epstein分布，分析了可能的电子数密度最大值。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、阻断信息链等方面的应用提供了重要的技术支撑。

• 基于TLP建模的系统级静电放电效应仿真

  陈强, 徐可, 陈真真, 陈星,

  系统级静电放电(ESD)效应仿真可以在电子系统进行测试之前进行有效的静电放电效应防护，缩短研发周期。根据传输线脉冲测试(TLP)结果，对瞬态电压抑制(TVS)二极管和芯片引脚进行spice行为建模，结合ESD脉冲源的等效电路模型，PCB板的S参数模型，采用场路协同技术完成了系统级静电放电效应的仿真。针对一个典型的电子系统，在IEC 61000-4-2 ESD应力作用下，完成了一款开关芯片防护电路的仿真，并对电路进行了加工、放电测试，仿真与测试芯片引脚的电压波形吻合良好，验证了该仿真方法的有效性。

• 基于CP-FDTD的复杂细缝屏蔽效能分析方法

  刘强, 徐勇, 孟雪松, 郑宇腾, 闫丽萍, 周海京,

  围绕强电磁脉冲的细缝“后门”耦合问题，介绍了基于CP-FDTD的细缝屏蔽效能分析高效数值模拟方法。在证明CP-FDTD准确性的基础上，从入射电磁场极化方向、入射角度和计算效率三个方面进行了详细分析，验证了CP-FDTD在处理工程复杂细缝电磁脉冲耦合时的适用性。通过将CP-FDTD算法集成于自主研发软件JEMS-FDTD，形成可以高效分析工程复杂细缝屏蔽效能的数值模拟方法，并应用于工程部件细缝结构的屏蔽效能分析。

• 宽带电磁图像卷积神经网络盲恢复方法研究

  朱艳菊, 谢树果, 李元豪, 张娴,

  在利用抛物反射面对电磁干扰源成像过程中，由于系统衍射受限及成像频带较宽，导致干扰源成像模糊，分辨率低，难以分辨，不同频率不同区域干扰源所成图像分辨率不同，采用已有超分辨算法难以提高分辨率。为了实现宽带电磁图像的盲复原, 应用卷积神经网络的方法。网络训练是直接输入模糊图像，不假设任何特定的模糊和噪声模型情况下，重建出高质量图像。实验和仿真结果证明了卷积神经网络盲恢复方法在宽频带不同成像区域下表现了优于其他盲恢复算法的优势。

• 基于抛物方程的海陆环境信号时延与到达角估计

  张东民, 廖成, 邓小川, 冯菊,

  针对复杂海陆环境中的无线信号传播预测问题，研究了适用于抛物方程的信号时延与到达角估计方法。将自由空间中抛物方程轴向波前信号视为本地副本信号，然后利用信号的自相关特性，将接收信号与副本信号进行互相关运算，最后通过相关函数的峰值检索，得到脉冲信号在复杂环境中传播的附加时延。采用数值算例，验证了该方法的正确性和有效性。此外，采用多重信号分类算法，由抛物方程构建接收阵列的协方差矩阵，并对其进行特征值分解，然后利用信号子空间和噪声子空间的正交性，实现复杂环境中的信号到达角估计。仿真结果表明，相比于传统的平面波谱方法，该方法具有更高的多径分辨率。基于上述方法，并结合数字地图，在典型的海陆环境中进行了仿真实验，分析了蒸发波导对脉冲信号传播时延和到达角的影响。

• 北斗用户机复杂电磁环境适应性试验评估方法

  余辉, 梁高波, 耿琳莹, 魏勋,

  为精确评价北斗用户机复杂电磁环境适应能力, 在分析北斗用户机工作机理及易攻击性的基础上, 构建了北斗用户机面临的战场复杂电磁环境, 进行了电磁干扰对北斗用户机信号捕获、跟踪环节影响的仿真和评估方法研究, 得到了某型北斗用户机定位成功率和通信成功率与电磁环境复杂度的关系, 对北斗用户机的推广应用具有重要的借鉴意义。

• JEMS-FDTD软件在电磁脉冲区域传播数值模拟中的应用

  鲍献丰, 李瀚宇, 伍月千, 周海京,

  电磁脉冲区域传播数值模拟是电磁环境效应分析的重要环节, 面临空间尺度巨大、多辐射源、复杂地貌等技术挑战。本文介绍了三维时域全波电磁模拟并行软件JEMS-FDTD的研制进展。在大规模并行计算FDTD方法的基础上结合自适应网格技术, 研制了一种适应于大区域电磁脉冲传播的高效时域全波计算方法。并基于该技术实现了千km2级城市电磁脉冲区域传播的数值模拟, 获取了全空间的时域电磁场信息, 验证了软件在电磁脉冲区域传播仿真应用中的可行性。

• 基于输出误差模型的B-Dot传感器标定方法

  王可, 段艳涛, 李炎新, 李少磊,

  B-dot传感器因其频带宽, 体积小以及良好的稳定性而广泛应用于电磁脉冲(EMP)测量。任何理论模型与实际情况之间都存在差异, 因此B-dot传感器必须在实验室环境下进行标定。针对传统的时域标定方法存在的弊端, 提出一种基于输出误差(OE)模型的频域标定方法。该方法利用单输入单输出的OE模型传递函数来表征B-dot传感器的频响特性, 然后通过部分线性回归求得传感器实际工作的频率范围的灵敏度系数。经验证, 该方法能够有效避免因阻抗突变引起的过冲或振铃现象对标定精度的影响。

• 物理隔离网络电磁漏洞研究

  刘文斌, 丁建锋, 寇云峰, 王梦寒, 宋滔,

  物理隔离网络的电磁攻击手段, 其主要目标是建立与外部互联网的隐蔽连接通道。近年来跨越物理隔离网络的方法和工具被陆续公开, 相应的分析方法和检测手段也逐步被国内外安全团队提出。掌握漏洞才能掌握网络安全的主动权, 对比网络安全漏洞, 电磁漏洞定义为能对设备或系统造成损害的电磁因素。以物理隔离网络为例, 电磁漏洞主要指的是网络的硬件和系统缺陷, 利用这些缺陷可以直接建立或通过植入恶意软件建立能突破物理隔离的电磁信号的信息收、发隐蔽通道。通过广泛的漏洞挖掘与验证, 从物理信号类型、信息传递方向、信号生成与作用机理、漏洞利用方式以及漏洞检测方法上提出物理隔离网络电磁漏洞分类方法; 通过综合借鉴网络安全漏洞、电磁信息安全检测、物理隔离隐蔽通道等领域的研究方法, 提出电磁漏洞的研究方法; 从深化主动检测、群智漏洞挖掘、网络电磁安全融合、大数据监测等角度, 提出了物理隔离网络电磁漏洞库的建立方法。

• 临近空间高功率微波辐照放电试验技术

  杨浩, 闫二艳, 郑强林, 石小燕, 鲍向阳, 胡海鹰, 刘忠,

  随着高功率微波技术的发展, 电子设备面临强电磁辐射攻击的威胁越来越严重, 对电子设备的防护加固提出了更高要求, 临近空间飞行器及其放电效应是目前较少考虑的环节, 且缺少相应的环境试验条件。文章提出了一种将临近空间气体环境与高功率微波电磁环境相结合的方法, 在柱形真空罐内壁布置吸波材料, 使用MW级S波段微波源及辐射聚焦系统在腔室中心形成强电磁辐射区, 以便开展相关辐照放电试验研究。针对脉冲微波强场监测, 通过光纤电场探头测量小信号连续波的方式进行等效传递, 中心场强最高超过2kV/cm。利用该试验装置可开展临近空间电子学系统在高功率微波辐照下的放电击穿研究, 对薄弱环节分析及防护加固提供帮助。

• 聚龙一号装置的强电磁干扰对PDV的影响研究

  王贵林, 张朝辉, 孙奇志, 杨雯捷, 计策, 丰树平,

  光子多普勒测速系统(PDV)常采用全光纤模式, 操作方便, 已成为材料超高压动态实验获取动力学特性的重要诊断技术。测速范围和精度与光电传感器和数据采集仪器有关, 激光到达靶面后返回光电转换器, 速度由多普勒引起的频率变化直接解读。聚龙一号装置是开展材料动态实验的重要平台, 放电电流峰值5~8MA, 0~100%上升时间300~750ns。在装置放电过程中, 靶室和大厅中的强电磁干扰可以达到10~300MHz, 当干扰耦合进返回光信号后, 导致速度剖面解读困难。采用聚四氟乙烯绝缘膜和导电铝膜包覆测速探针很好地抑制了强电磁干扰信号对光信号的干扰, 大大提高了速度测量数据的有效性。

• 一种传导电磁泄漏源的等效模型研究

  丁桥, 程磊, 李雨锴,

  在网络作战体系中, 电磁泄漏探测是敌对双方都十分重视的领域。电磁泄漏探测分为主动探测和被动探测两种, 其中主动探测由发射源对外发射信号, 通过检测具体位置处的信号特征, 得到被测设备、系统或网络的泄漏信息或其它特征信息。针对一种主动传导电磁泄漏发射源进行分析, 结合其工作机理和具体的试验现象, 提出了对应的等效模型。该等效模型按工作频率的高低, 分为高频等效天线模型和低频等效电路模型两类, 通过理论分析了该模型的准确性, 通过电路仿真验证了等效模型的正确性。通过该模型研究, 可以为后续电磁泄漏探测的数据分析提供有力的分析手段。

• 基于ARMA模型的受损限幅器模型建立方法

  杨晓炜, 张海,

  针对限幅器遭受功能或物理损伤而发生的非线性效应, 给出了一种基于信号分析的受损限幅器非线性效应研究新视角, 并从该视角出发, 提出了模型建立方法。该方法首先测得受损限幅器幅频响应序列, 将其转化为零均值实平稳序列; 然后计算该序列的自相关函数和偏相关函数, 估计自回归滑动平均(ARMA)模型的阶数; 最后采用最小二乘法估计出模型的表达式, 并采用最终预测误差(FPE)准则对该表达式进行校验。试验结果和理论分析验证了该方法的良好效果。

• 硅基单片式复合晶体管的结构参数对高功率微波损伤效应的影响

  靳文轩, 柴长春, 刘彧千, 吴涵, 杨银堂,

  建立了三种不同结构的硅基单片式复合晶体管(由T1和T2两个晶体管构成)的二维电热模型，研究了高功率微波对不同结构的硅基单片式复合晶体管的损伤效应的影响。获得了不同器件结构下导致复合晶体管损伤的损伤功率阈值和损伤能量阈值分别与脉宽的关系。结果表明，当复合晶体管的总体尺寸不变而T2和T1晶体管的面积比值更大时需要更多的功率和能量来损伤器件。通过分析器件内部电场、电流密度和温度分布的变化，得到了复合晶体管的结构对其微波损伤效应的影响规律。对比发现，三种结构的复合晶体管的损伤点均位于T2管的发射极附近，随着T2和T1晶体管面积比的增大，电场、电流密度和温度在器件内部的分布将变得更加分散。此外，在发射极处增加外接电阻Re，研究表明损伤时间随发射极电阻的增大而增加。因此可以得出结论，适当改变器件结构或增加外接元件可以增强器件的抗微波损伤能力。晶体管的仿真毁伤点与实验结果一致。

• 圆柱腔体光电输运的蒙特卡罗模拟

  孙会芳, 张玲玉, 董志伟, 周海京,

  应用三维并行蒙特卡罗程序JMCT, 计算了特征温度分别为1, 3, 5, 8keV的黑体谱X射线入射到铝、二氧化硅、金的表面的背散射光电产额和电子能谱, 并与文献结果进行对比, 验证了程序的正确性, 进而针对系统电磁脉冲(SGEMP)研究中的典型几何结构——金属圆柱腔体, 模拟计算了其在黑体谱X射线照射下的光电输运过程, 用温度为1keV、注量为1J/m2的黑体谱X射线平行照射圆柱腔侧面, 半个侧面发射光电子, 计算得出了和方位角相关的不同面上发射光电子的光电产额、能谱分布和角分布, 结果表明掠入射的X射线会产生更高的光电产额; 光电子的发射角分布都基本符合余弦角分布的规律。

• 一种新型宽带吸收频率选择表面

  强宇, 周东方, 刘起坤, 姚振宁,

  提出了一种新型的频率选择表面, 该结构具有良好的高频透射性能和较低频带的宽带吸收性能。吸收频率选择表面结构由有损层和带通层组成。通过等效电路法的分析, 有损层应该在通带内产生并联谐振, 因此给出了具体的等效电路模型并在ADS中进行了验证。在有损层的设计中, 在金属交叉贴片中加载两个电阻使其分为两部分实现了并联谐振。带通层利用无损耗槽型频率选择表面实现。仿真结果表明, 在12.75GHz时只有0.7dB的插入损耗, 并且实现了4.8GHz到11.2GHz的宽带吸收。最后, 制作了实物并进行了测试, 实验结果与仿真结果吻合得很好。