大型双板导波天线对核电磁脉冲传输损耗和畸变特性

大型导波核电磁脉冲模拟器可为系统级装备试验提供自由空间辐照环境。针对此类模拟器常用的双板导波天线可能存在的传输损耗和波形畸变问题,以电磁仿真软件和算例对比分析研究了3种主要的影响因素,包括土壤的介电损耗及其抑制、前锥板向平行板转折的结构不连续、线栅阵列代替金属板的缝隙泄漏。研究结果表明:对上下极板等宽的情形,土壤损耗可使电压传输效率降低25%以上;适当展开下极板宽度可屏蔽土壤损耗;上极板转折处的结构不连续可导致平行段试验空间内电场呈现双峰交叠、幅度降低、波形畸变等特征;最大线间距0.3 m不会导致前沿显著变化。作为工程应用案例,设计了前锥长度60 m、顶高15 m、下极板拓宽3 m、由100根线栅阵列构成上极板的导波天线,试验空间超过20 m×20 m×10 m,实现了前沿2.5~3.0 ns双指数脉冲的无损耗、无畸变传输。

半导体桥火工品电磁响应及其防护技术仿真研究

为了研究半导体桥(SCB)火工品在连续电磁波、核电磁脉冲环境下的响应特性及防护技术,采用COMSOL仿真软件建立了SCB组件仿真模型,分别研究了并联瞬态电压抑制(TVS)二极管前后SCB组件在连续电磁波、核电磁脉冲照射状态下的感应电流和桥区温度的变化。结果表明:场强为1 200 V·m~(-1)、频率为1.15 GHz的连续电磁波以及上升时间为5 ns、半高宽为24 ns、幅值为10 k V·m~(-1)的核电磁脉冲照射,均可能使SCB桥区温度高于常用起爆药的作用温度,从而导致SCB火工品意外发火;并联TVS二极管对连续电磁波、核电磁脉冲均起到较好的防护效果,连续电磁波照射下SCB的感应电流峰值衰减率大于64.79%,核电磁脉冲照射下SCB桥区最高温度衰减率为54.34%。

核电磁脉冲中非电离辐射作用于人体的电磁场和温度场仿真

采用国际电工委员会制定的双指数脉冲波形模拟核电磁脉冲,分析脉冲波形主要谐波分量的幅值、频谱及相位。在多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立偶极子天线模型及人体三维模型,通过电磁场与热场耦合模块,求解人体组织中感应电场强度、磁场强度、比吸收率(Specificabsorptionratio,SAR)和温度场分布。将结果与国际非电离辐射防护委员会(International commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定的《限制电磁场暴露导则》进行比较。结果表明:人体距离暴露源1 km时,感应电场强度、磁场强度、局部最大SAR值和平均SAR值分别为88.8 V/m、0.58 A/m、0.66 W/kg、0.011W/kg。感应电场强度和磁场强度超过了ICNIRP规定限制59.8V/m和0.22A/m。但在10km处,电场、磁场、局部最大SAR值和平均SAR值都满足安全限制。人体组织中温度升高主要集中在大脑处,暴露时间为6min时,温升为0.2171℃,符合ICNIRP规定的局部温升2℃和核心温升1℃限值的要求。本研究结果为核电磁脉冲环境中人体遭受电磁暴露的健康风险安全评估提供了一定的科学依据。

基于TEM喇叭的电磁脉冲辐射天线优化设计

针对TEM喇叭天线终端反射大、低频辐射效率低的问题,对其进行了仿真优化设计。采用时域分析方法,分析了端部加载电阻与背部加载电阻的低频补偿方法,对TEM喇叭天线的尺寸、极板顶角等结构参数进行了优化,采用末端卷边结构,提升了辐射场的峰值场强与脉宽。根据仿真优化结果,研制了长度2.5 m、天线极板间张角45°、天线极板顶角45°的TEM喇叭天线,通过实测验证了仿真结果。结果表明,加载电阻可以有效降低反射,背部加载电阻方式的峰值场强和脉宽比端部加载电阻高,且采用4个电阻并联加载的效果较好;适当增加天线长度、极板顶角以及极板间夹角可以提高天线辐射性能。该研究结果为TEM喇叭天线在辐射式核电磁脉冲试验系统的应用提供了参考。

NEMP三站时差法定位理论误差分析

通过核电磁脉冲(NEMP)进行核爆探测具有探测距离远、速度快、受天侯影响小等优点。但由于电磁脉冲传播速度快,定位精度一直是核电磁脉冲探测面临的主要问题。通过对定位误差的计算和分析,不仅可以给出电磁脉冲核爆探测的定位精度,而且对电磁脉冲核爆探测时的测站布局、电路设计、数据处理方法等有一定的参考价值。该文推导了NEMP三站时差法定位理论误差计算公式。根据公式,对不同的基线夹角、不同的时差精度、不同的基线长所对应的定位误差进行了计算,并绘出了定位误差分布图。

采用最优集成学习的小样本电磁脉冲信号分类

闪电与核爆电磁脉冲分类是核检测系统中的关键问题,其主要难点便是其正负样本不均衡程度可达到104,因此我们提出了一种名为SMALLBAG的集成学习分类方法。针对小样本问题,通过对少数类样本进行数据增强和多数类样本重采样的方法重新构建新的训练数据集,分别提取时域、频域、小波域的特征以表征信号。针对样本不均衡问题,提出了基于新采样数据集的集成学习方案,减少样本不均衡影响同时提高分类准确率。该模型能够在保证准确率的同时保证实时性要求,试验结果显示识别准确率可达99.99%,测试速度为每个样本0.67 ms。

基于自适应信号分解特征集成学习的电磁脉冲识别方法

为准确高效地识别核爆电磁脉冲(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)和闪电电磁脉冲(lightning electromagnetic pulse,LEMP),提出一种基于自适应信号分解和集成学习的识别分类方法。首先,针对样本不均衡问题,利用数据扩增方法对数据集进行预处理;然后,采用希尔伯特-黄变换对NEMP和LEMP分别进行自适应信号分解;其次,对分解信号提取其在时域、频域和小波域的特征;最后,对提取特征采用集成学习算法进行识别分类。试验结果表明,该方法在实测数据上的准确率能够达到99.99%以上,LEMP信号的误报率低于万分之一。

高空核电磁脉冲与双层损耗土壤下线缆的耦合响应研究

针对双层土壤下线缆在复杂电磁环境中的电磁防护,采用了电磁波在介质中的传输理论,推导出电磁脉冲透过双层土壤的透射系数表达式,根据该表达式计算出双层土壤下线缆的激励电场,然后结合传输线方程计算出线缆的感应电流,对比CST软件仿真的结果,验证了双层土壤透射系数表达式的有效性。在此基础上研究了上层介质厚度、湿度、环境以及布线深度对埋地线缆上感应电流的影响。结果表明,上层介质厚度对线缆的感应电流影响较小,但上层介质的湿度、环境以及布线深度对线缆的感应电流影响较大。

高空核爆电磁脉冲入射情形下航空母舰上鞭状天线耦合特性分析

[目的]在考虑海面影响的情况下,研究大型舰船上鞭状天线在高空核爆电磁脉冲(HEMP)入射下的感应电流与脉冲入射角度和天线位置的关系。[方法]考虑海面的影响,采用半空间时域有限差分法(FDTD),用细导线算法解决由于精细结构导致的计算网格量巨大、效率低下的问题,用集总元件FDTD算法计算天线后面负载对感应电流的影响,采用基于多点接口(MPI)的并行算法提高计算效率。[结果]计算结果表明:在HEMP入射的情形下,某航空母舰模型上鞭状天线的感应电流与天线位置和入射角度等有关;典型情形下天线端口处的感应电流峰值为5.6 A。[结论]进一步分析表明,天线端口处感应电流的大小主要取决于天线位置,与脉冲的入射角关系不大。所做研究为大型舰船脉冲电磁波入射情形下的感应电流计算分析提供了算法基础,为舰船电磁兼容问题分析提供理论支撑。

屏蔽室线缆滤波器雷电防护性能评估

加装滤波器是抑制屏蔽室电源线和信号线传导干扰的常见方式之一。为研究屏蔽室线缆滤波器雷电冲击下的防护性能,分别进行了六种型号信号线滤波器和五种型号电源线滤波器不同等级的雷电脉冲注入试验。通过监测滤波器输出端残余电流,并测量滤波器输出线和壳体之间的绝缘电阻来评估其防护效果。试验表明:信号线和电源线滤波器雷电脉冲注入时的残余电流多数大于同等级核电磁脉冲注入时的残余电流;电源线滤波器在雷电脉冲注入时的残余电流峰值可达上千安培,传统线缆滤波器对雷电脉冲和核电磁脉冲传导干扰的防护能力有限;试验中应重点关注滤波器的非线性效应,特别是高等级电流注入时残余电流低于限定值而低等级电流注入时残余电流超出限定值的情况。

核电厂核辐射监测系统误报警问题分析及对策

核电设备的安全性要求极高,为解决核电厂核辐射监测(KRT)系统实际工况下的误报警问题,在实验室环境下搭建了KRT系统抗瞬态脉冲干扰试验最小系统,提出了带有集总电容C的模拟测试方案,并从不同端口开展了电磁干扰注入试验。试验结果表明:模拟测试方案的抗扰度测试结果低于GB/T 17626.4-2018测试方案,较低的干扰等级就能触发KRT系统误报警;KRT系统的敏感设备为本地信号处理显示单元(LPDU)及其探头回路,LPDU敏感端口为探头线端口及主机接地端口,两端口的电磁瞬态最低抗扰等级分别为220 V、270 V。安装及运维工程师现场操作时,要充分保护敏感回路,防止引入干扰;设备厂商应结合实际工况开展电磁抗扰试验,以使试验结果对于核电厂关键设备的安全运行及维护更有指导意义。

天基核爆电磁脉冲探测技术发展

天基核爆电磁脉冲(Nuclear Electromagnetic Pulse,NEMP)探测可用于全球实时核爆核查,具有灵敏度高、定位精确和响应迅速等优势。本文从NEMP特征及其天基探测实现两个方面分析了大气层核爆和高空核爆激发NEMP的区别,重点阐述了NEMP传播穿过电离层到达卫星轨道后的波形特征、射频(Radio Frequency,RF)探测系统的发展历程,以及空间RF信号的观测成果,并指出现阶段开展天基NEMP探测存在的难点和搭建天基NEMP探测网络的应用价值。

基于时域特征分布的核爆电磁脉冲识别算法

为解决近区核爆电磁脉冲(NEMP)与闪电电磁脉冲(LEMP)的识别问题,提出一种500 km内的时域自动识别算法,并详细介绍了关键环节的具体实现过程。对于多站接收到的同源电磁脉冲(EMP)信号,通过场强阈值触发和波形相关运算结合,确定各条波形时域分析的起始点;根据1000 km处各站直达波和反射波的时差估算电离层高度,以此高度计算时域分析的截止点。定义4个特征参数来表征该段时间范围内的波形特征,并通过对大量的LEMP样本进行统计,得到各个特征参数的分布特性,结合实测NEMP波形的特征参数,制定一套NEMP自动识别算法。实测数据验证结果显示,该算法可有效排除99%以上的LEMP干扰,并有效识别近区范围内的NEMP波形。

辐射式核电磁脉冲模拟器TEM喇叭天线

针对辐射式核电磁脉冲模拟器采用TEM喇叭天线作为辐射天线时低频辐射能力有限的问题,对板型和线型两种基本形式的TEM喇叭天线进行了分析。在采用线型TEM喇叭天线以减轻模拟器重量的基础上,在天线末端采用螺旋线结构,并增加屏蔽板回路,构造了一种新型TEM喇叭天线。结果表明:与普通线型TEM喇叭天线相比,该新型天线较大地提高了低频辐射性能,可使近场波形脉宽提高7ns左右,峰值场强提高了1kV/m左右;通过增大螺旋线半径和提高螺旋线密度可以提高峰值场强,增加近场波形脉宽;通过屏蔽板回路可以降低反射波纹的波峰从而改善近场波形。

小波计盒分形维数核爆电磁脉冲信号模糊识别

为了在现有禁核试验条件下开展核爆电磁脉冲探测技术研究,对实测的非均匀采样核爆电磁脉冲数据进行阈值检波、直流剔除、滤波、插值和归一化处理后,采用小波分析提取信号第四尺度小波系数能谱熵、第一尺度和第四尺度小波系数计盒分形维数特征值,在统计分析的基础上分别建立其专用隶属度函数;利用模糊识别理论,对核爆电磁脉冲信号和作为主要探测干扰信号源的闪电电磁脉冲信号进行了模糊识别,获得了总识别率为99.41%的识别效果。

核电磁脉冲环境中传输线的电磁干扰

高空核电磁脉冲环境将在传输线上产生电磁干扰,会威胁与之相连的电子设备的安全。为了在理论上对传输导线在核电磁脉冲环境下的响应电流进行分析从而得到电流的响应规律,采用传输线计算模型,在电磁脉冲环境为正入射,地面为有耗介质时,计算了地面附近平行铺设的导线在两端短路、两端接高阻、一端接地一端接电阻、两端接不同电阻等4种状态下的电流响应;并研究了感应电流的幅值、上升沿、半高宽以及电阻上电压降等参数在导线长度增加时的变化情况,结果表明这些参数随传输线长度的变化均有最大值,而且电流幅值随传输线离地高度降低趋于减小。

地面附近的高空核爆电磁脉冲环境

主要研究在高空核爆的双指数类型电磁脉冲平面波入射时,地面附近的电磁脉冲环境。计算给出了在不同入射波状态,不同地表介质电气特性和距地面不同高度等条件下的电磁脉冲环境参数,归纳了一些规律性认识。结果显示:地面附近的电场会随距地面高度的不同而发生显著的变化,对于水平场分量,其反射场总是试图抵消入射场,而对于垂直场分量,其反射场叠加在入射场上,使得地面附近的垂直场强幅值一般大于入射波场强幅值;当入射波仰角增大时,合成电场波形的脉冲宽度会变宽;地表介质的电气特性参数不同也会对地面附近电场的波形和幅值造成一定的影响。

纳秒级高压快脉冲发生器的研制

为了研究电力系统中不断产生的特快速瞬态过电压(VFTO)对电工绝缘材料的影响,设计了一台用于模拟VFTO的快脉冲发生器,其输出波形要求:上升时间<50ns、峰值电压达1000kV。该发生器由Marx发生器、负载测试腔及中间连接段组成。Marx采用正负充电电路,包括10个0.015μF/100kV的塑壳电容器、6个火花隙放电开关。负载端并联一个500Ω的大电阻,以加快输出高压脉冲的振荡衰减速度,降低设备绝缘要求,从而使Marx结构紧凑化,减小放电回路电感。同时,Marx发生器中的电容器和火花开关采用特殊的折返式布线形式,进一步减小放电回路电感。还给出了快脉冲发生器的设计方案,Pspice仿真结果表明:在负载实际变动范围内,当输出电压为1000kV时,上升时间在23～28ns之间变动,满足要求。

核爆与雷电电磁脉冲识别

用经验模态分解和分形分析相结合的方法对核爆和雷电电磁脉冲信号进行了识别研究。计算了核爆和雷电电磁脉冲原始信号的盒维数,以及原始信号经验模态分解后前4阶固有模态分量(IMF)的盒维数。用最近邻法对核爆和雷电进行了识别,实验结果表明:原始信号经验模态分解后一阶、二阶IMF盒维数的识别率要略高于三阶、四阶IMF盒维数的识别率;原始信号盒维数的识别率高于经验模态分解后各阶IMF盒维数的识别率;二维和三维特征的识别率要高于一维特征的识别率,另外二维和三维特征的识别率更加趋于稳定,并且三维特征的识别率都在90%以上。

核电磁脉冲在岩土介质中的传播研究

综述了对非铁磁性、线性、各向同性介质中核电磁脉冲传播规律研究方面的一些成果。通过建立康普顿电流模型 ,采用 FDTD法 ,对地面核爆炸 SREMP数值分析的结果表明 ,厚度为几十米以上的具有一定导电性的岩土介质层 ,对于电磁脉冲峰值场强的衰减可达一个量级以上 ,且使脉冲上升沿变缓。采用两种模型对 HEMP的入地传播问题进行计算分析 ,将电磁脉冲模拟器架设于隧道顶上作试验研究 ,得出了类似的结论。