張耀輝,何為,李躍波,謝彥召,楊杰
(1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710049; 2.軍事科學(xué)院 國(guó)防工程研究院, 河南 洛陽(yáng) 471023)
地面核爆源區(qū)電磁脈沖(SREMP)是一種效應(yīng)非常強(qiáng)烈的電磁脈沖,其磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)上百高斯,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)毫秒以上,主頻譜分布在1~100 kHz[1-2].SREMP產(chǎn)生的低頻強(qiáng)磁場(chǎng)不僅能夠直接對(duì)暴露的電磁敏感設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p傷,而且對(duì)巖土介質(zhì)的穿透能力極強(qiáng),能夠穿透巖土層進(jìn)入到地下工程內(nèi)部,對(duì)工程內(nèi)部的電子設(shè)備與系統(tǒng)造成干擾和損傷,嚴(yán)重威脅了地下工程的安全[3-6]。
開(kāi)展工程內(nèi)部SREMP場(chǎng)環(huán)境研究是進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),目前研究方法多以數(shù)值計(jì)算為主。周璧華等[7]提出了地面爆電磁脈沖效應(yīng)評(píng)估方法,石立華等[8]提出了利用連續(xù)波等效測(cè)試來(lái)評(píng)估導(dǎo)電材料脈沖響應(yīng)的模型估計(jì)方法。SREMP效應(yīng)研究存在的主要問(wèn)題是試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)較為缺乏,尤其是針對(duì)工程整體的較大尺度模擬測(cè)試系統(tǒng)。此外在工程參數(shù)的計(jì)算選取上,多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,而針對(duì)不同的工程介質(zhì),大地電導(dǎo)率σ等參數(shù)有著較大的差別;同時(shí)考慮到大地的色散特性,在SREMP頻段范圍內(nèi)使用單一的電導(dǎo)率參數(shù)容易帶來(lái)較大的計(jì)算誤差,對(duì)電磁效應(yīng)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)造成影響。在大地等效電導(dǎo)率反演計(jì)算方面,Liu 等[9]研究了地磁暴頻段大地等效參數(shù)的計(jì)算方法,Makki等[10]通過(guò)垂直單極子天線研究了近地的大地等效電導(dǎo)率,IEEE標(biāo)準(zhǔn)IEEE 356—2020給出了通過(guò)廣播信號(hào)測(cè)試大地等效電導(dǎo)率的方法[11]。上述大地電導(dǎo)率反演方法多利用地波傳播信道的模型,考慮了大地地形條件、土壤介質(zhì)類型等因素的影響,適用于較大尺度大地等效電導(dǎo)率的反演計(jì)算。對(duì)于地下工程而言,其被覆層類型多樣,在進(jìn)行工程內(nèi)部電磁環(huán)境評(píng)估時(shí),需要針對(duì)該工程尺寸范圍內(nèi)的大地介質(zhì),進(jìn)行大地等效電導(dǎo)率參數(shù)的反演。
本文設(shè)計(jì)了基于連續(xù)波等效測(cè)試的SREMP效應(yīng)等效測(cè)試系統(tǒng),研究影響該測(cè)試系統(tǒng)的相關(guān)因素。基于線天線近地磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,開(kāi)展了SREMP典型頻點(diǎn)大地等效電導(dǎo)率的反演研究。該試驗(yàn)系統(tǒng)和計(jì)算方法可針對(duì)不同工程的大地介質(zhì)條件,得出不同頻點(diǎn)處的工程內(nèi)電磁環(huán)境,為地下工程SREMP場(chǎng)環(huán)境評(píng)估提供數(shù)值參考。
測(cè)試是開(kāi)展電磁環(huán)境評(píng)估的重要手段,對(duì)于地下工程等較大尺寸空間的SREMP場(chǎng)環(huán)境評(píng)估,采用脈沖源和有界波模擬器的方案不容易實(shí)現(xiàn),目前多采用頻域法進(jìn)行[12-13]。借助空間廣播信號(hào)作為平面波源,通過(guò)檢測(cè)工程內(nèi)外的信號(hào)強(qiáng)度,研究工程整體的電磁脈沖屏蔽效能。但由于空間廣播信號(hào)頻段較少,且信號(hào)幅度不夠穩(wěn)定等因素的影響,造成利用該方法的測(cè)試評(píng)估效果不甚理想。本文提出基于連續(xù)波等效測(cè)試的SREMP效應(yīng)等效測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,利用低頻連續(xù)波信號(hào)源發(fā)出SREMP頻段范圍內(nèi)的連續(xù)波信號(hào),通過(guò)與工程尺度相近的大型低頻線天線將該信號(hào)輻射出去,使用弱磁場(chǎng)測(cè)試設(shè)備可對(duì)地下空間內(nèi)外的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,進(jìn)行該地下工程的SREMP場(chǎng)環(huán)境評(píng)估,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 SREMP效應(yīng)等效測(cè)試系統(tǒng)
在待測(cè)試工程上方平行架設(shè)一根線天線,線天線架設(shè)高度為1 m以內(nèi),天線長(zhǎng)度與工程尺度基本一致。根據(jù)線天線理論,考慮到設(shè)計(jì)成本和可實(shí)現(xiàn)性,采用對(duì)稱振子方案設(shè)計(jì)該線天線。連續(xù)波信號(hào)源接入天線的饋電端,可輸出頻率1~100 kHz可調(diào)的正弦連續(xù)波信號(hào),其最大功率為1 000 W,弱磁場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的最低靈敏度為皮特斯拉量級(jí)。
測(cè)試系統(tǒng)中低頻連續(xù)波信號(hào)源自身的工作穩(wěn)定性、可靠性等因素對(duì)測(cè)試系統(tǒng)影響較大,該信號(hào)源目前沒(méi)有成熟產(chǎn)品,需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。該連續(xù)波信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案如圖2所示,直接數(shù)字頻率合成(DDS)信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后進(jìn)入功率放大模塊。由于低頻測(cè)試天線工作在1~100 kHz范圍,信號(hào)源功放輸出模塊需要在較寬頻段范圍內(nèi)與天線進(jìn)行匹配,擬采用基于傳輸線變壓器的分段阻抗匹配技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。低頻信號(hào)源通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)控制板實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的輸出。

圖2 低頻連續(xù)波信號(hào)源設(shè)計(jì)方案圖
功率放大器是該信號(hào)源的重要部分,擬采用線性放大電路的技術(shù)路線,采用3級(jí)放大的技術(shù)方案。如圖3所示,射頻(RF)信號(hào)接入到功率放大器,第1級(jí)選用小功率高增益的線性管,以實(shí)現(xiàn)較高的增益,第2、第3級(jí)選用推挽式功放管設(shè)計(jì)。在功放控制電路部分,溫度過(guò)熱保護(hù)選擇溫度繼電器,安裝在熱源附近進(jìn)行檢測(cè),駐波保護(hù)選擇定向耦合器進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)比較器進(jìn)行控制。對(duì)于功率平坦度的控制,設(shè)計(jì)中增加自動(dòng)功率控制(APC)電路,實(shí)現(xiàn)不同頻段下的穩(wěn)定功率輸出。RF信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后可通過(guò)天線硬件接口(ANT)發(fā)射出去。圖3中VCC表示線性管外接電壓,BPDT、FPDT為典型二極管型號(hào)。

圖3 低頻連續(xù)波信號(hào)源功率放大器方案
對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)中的線天線,其工作頻率為1~100 kHz,此時(shí)測(cè)試距離在幾百米以內(nèi)時(shí),測(cè)試距離均遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng),可認(rèn)為滿足近區(qū)場(chǎng)條件,此時(shí)線電流近區(qū)P點(diǎn)處的感應(yīng)磁場(chǎng)[14-17]可近似為
(1)
式中:a為線天線的長(zhǎng)度;I為線天線上的電流;ψ為波矢量。
電磁波在地下傳播時(shí),考慮到大地介質(zhì)中的衰減,此時(shí)球面波矢量ψ可表示為
(2)
式中:k為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播常數(shù);r為傳播距離;γ為電磁波在有耗介質(zhì)中的衰減常數(shù)。
以線天線中點(diǎn)為原點(diǎn),電流流向?yàn)閤軸,垂直于大地向上方向?yàn)閦軸,建立如圖4所示的空間直角坐標(biāo)系。設(shè)天線長(zhǎng)度為a,電流在x軸的分布為I(x),則電流I可表示為

圖4 線天線傳播坐標(biāo)系
I=I(x)·ex|x∈(-a/2,a/2),
(3)
式中:ex為線電流在x軸方向的分量。
測(cè)試點(diǎn)P點(diǎn)選取為地下空間的一點(diǎn),設(shè)P點(diǎn)坐標(biāo)為(xP,yP,d),d為測(cè)試點(diǎn)處的z軸坐標(biāo),則線電流元與測(cè)試點(diǎn)距離r為
(4)
此時(shí)
(5)
式中:er為測(cè)試點(diǎn)與線天線上點(diǎn)的距離向量;ex、ey、ez分別為距離向量在x軸、y軸、z軸方向的分量。
代入(1)式中,可得該測(cè)試點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為



(dey-yPez)·dx.
(6)
由(6)式可知,在該空間直角坐標(biāo)系下,線電流沿天線傳播時(shí),地面上的磁場(chǎng)只有垂直于導(dǎo)線的方向分量Hy和Hz.

此處取連續(xù)波源饋電功率取最大1 000 W,接口阻抗為50 Ω,此時(shí)天線饋電電流為4.47 A.深度d取100 m,磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)為天線中點(diǎn)正下方。選取典型的大地參數(shù)(電導(dǎo)率σ=0.003 S/m,相對(duì)介電常數(shù)εr=4),在非磁性地層中,大地磁導(dǎo)率可認(rèn)為等于真空中的磁導(dǎo)率,此時(shí)取真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μ0H.
改變天線長(zhǎng)度,分別取計(jì)算頻率f為1 kHz、10 kHz、64 kHz典型頻點(diǎn)處天線長(zhǎng)度與總磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同天線長(zhǎng)度對(duì)近區(qū)場(chǎng)特性的影響
由計(jì)算結(jié)果可知,隨著天線長(zhǎng)度的增加,地下空間磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之增加,但天線長(zhǎng)度增加到一定數(shù)值后,近區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度存在一個(gè)飽和值。隨著計(jì)算頻率的增加,近區(qū)場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之降低,當(dāng)f=64 kHz、天線長(zhǎng)度在1 000 m以內(nèi)時(shí),100 m深度處磁感應(yīng)強(qiáng)度為100 pT以內(nèi)。
取連續(xù)波源饋電功率為1 000 W,接口阻抗為50 Ω,此時(shí)天線饋電電流為4.47 A.天線長(zhǎng)度取1 000 m,計(jì)算頻率f=10 kHz,深度d取100 m、200 m、400 m,εr=4,大地電導(dǎo)率σ分別取0.001 S/m、0.01 S/m、0.1 S/m、1 S/m,分別研究不同大地電導(dǎo)率條件下天線地下感應(yīng)場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同地質(zhì)環(huán)境對(duì)天線近區(qū)場(chǎng)特性的影響
由圖6計(jì)算結(jié)果可知:隨著大地電導(dǎo)率的提高,近區(qū)場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之衰減;地下測(cè)試深度越深,磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之減小。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,對(duì)于電導(dǎo)率大于0.01 S/m(黏土、濕土等)的地貌,當(dāng)線天線長(zhǎng)度范圍為1 000 m以內(nèi)時(shí),考慮到本項(xiàng)目采用弱磁場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的敏感度(幾皮特斯拉級(jí)),該類天線對(duì)于地下工程的有效探測(cè)距離約為地下200 m.
在研究SREMP對(duì)地下工程效應(yīng)評(píng)估時(shí),需已知大地等效電導(dǎo)率σ和等效介電常數(shù)εe參數(shù),根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)εe的取值在以下范圍內(nèi)[18]:

σ∈(0.000 1 S/m, 0.1 S/m).
(7)
測(cè)試點(diǎn)布置方案如圖7所示,本文選取地面上線天線沿y軸方向不同距離的n個(gè)測(cè)試點(diǎn)P1~Pn,通過(guò)研究不同測(cè)點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減規(guī)律,結(jié)合時(shí)域有限差分(FDTD)計(jì)算方法對(duì)該工程尺度范圍內(nèi)σ的取值進(jìn)行擬合和反演。

圖7 線天線近區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試圖
從電磁波傳播機(jī)制上來(lái)看,線天線上電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量到達(dá)地面上測(cè)點(diǎn)處主要基于兩個(gè)途徑:一是經(jīng)過(guò)空氣傳播直接到達(dá)測(cè)點(diǎn)處;二是經(jīng)過(guò)大地介質(zhì)衰減、反射后到達(dá)測(cè)試點(diǎn)。第2個(gè)過(guò)程電磁波的傳播顯然會(huì)受到大地等效電導(dǎo)率的影響。此外,從工程實(shí)現(xiàn)角度而言,在大地上表面上測(cè)試磁感應(yīng)強(qiáng)度可以根據(jù)不同距離選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn),從而可為FDTD數(shù)值擬合提供了多組數(shù)據(jù),如果在地下工程內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試,由于對(duì)同一工程而言其深度是固定的,從而只能測(cè)得一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試值,無(wú)法滿足反演擬合的條件。
根據(jù)上述測(cè)試點(diǎn)布置方案,在高頻結(jié)構(gòu)仿真(HFSS)軟件中對(duì)該線天線和大地模型進(jìn)行建模。具體設(shè)置為:天線長(zhǎng)度a=100 m,以對(duì)稱陣子線天線的中間位置為饋電點(diǎn),固定大地的相對(duì)介電常數(shù)為4,對(duì)天線分別通以頻率f為1 kHz、10 kHz、64 kHz的正弦波電流,線電流大小為1 A,改變大地電導(dǎo)率σ,分別取0.001 0 S/m、0.010 0 S/m、0.100 0 S/m.


表1 HFSS軟件中不同測(cè)試點(diǎn)的HHFSS計(jì)算值

采用迭代法分別改變?chǔ)业娜≈担瑥摩?0.000 1 S/m開(kāi)始,每次遞增0.000 1 S/m,直至σ=0.1 S/m為止。對(duì)于不同的σ值,求出10個(gè)測(cè)試點(diǎn)H′HFSS(i)和H′FDTD(i)的均方誤差:
(8)
均方誤差值最小的σ0即為該工程測(cè)試點(diǎn)的大地等效電導(dǎo)率。依據(jù)上述方法,分別對(duì)HFSS軟件中設(shè)定的3組參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,求出每組數(shù)據(jù)的均方誤差,并迭代選出σ0的取值,f=10 kHz時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。圖8中σ表示HFSS軟件中設(shè)定的大地電導(dǎo)率取值,σ0表示通過(guò)FDTD程序采用迭代法求出的大地等效電導(dǎo)率數(shù)值。

圖8 f=10 kHz時(shí)大地等效電導(dǎo)率設(shè)定值與反演計(jì)算值
按照上述求解均方誤差最小的方法,分別對(duì)HFSS軟件計(jì)算得出的磁場(chǎng)強(qiáng)度值代入進(jìn)行反演計(jì)算,結(jié)果如表2所示。表2中Δσ為大地電導(dǎo)率反演誤差。

表2 大地電導(dǎo)率反演計(jì)算值σ0與設(shè)定值σ對(duì)比
由對(duì)比結(jié)果可知,使用該計(jì)算模型和大地等效電導(dǎo)率反演方法,可在SREMP頻段內(nèi)較為準(zhǔn)確地反演出大地等效電導(dǎo)率。
選取某工程上方布置該測(cè)試系統(tǒng),加工長(zhǎng)度為100 m的樣品天線,如圖9所示。調(diào)整連續(xù)波信號(hào)源的輸出功率,功率設(shè)置為10 W,天線接口阻抗為50 Ω.分別選取1 kHz、10 kHz、64 kHz作為典型測(cè)試頻點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)為天線中軸線(y軸)上的點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)選擇10個(gè),測(cè)試距離s為10~100 m,各測(cè)試點(diǎn)之間間隔為10 m.

圖9 樣品天線測(cè)試圖
分別測(cè)試不同測(cè)點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試值By和Bz,圖10為s=30 m時(shí)不同頻點(diǎn)處By和Bz測(cè)試曲線。

圖10 不同頻點(diǎn)處By和Bz測(cè)試曲線(s=30 m)


表3 樣品天線不同距離處總磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試值
基于上述反演方法,將不同距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行歸一化處理,并代入FDTD程序進(jìn)行計(jì)算,以f=64 kHz為例,測(cè)試值與計(jì)算值的擬合關(guān)系如圖11所示。由圖11可知,當(dāng)σ=0.003 S/m時(shí),均方誤差S最小,表明此時(shí)測(cè)試值與計(jì)算值從大地衰減規(guī)律上最為接近,則σ=0.003 S/m可作為該工程尺度范圍內(nèi)大地介質(zhì)的等效電導(dǎo)率。

圖11 總磁感應(yīng)強(qiáng)度FDTD計(jì)算值與測(cè)試值(σ=0.003 S/m)
基于上述FDTD計(jì)算模型,利用反演求出的大地等效電導(dǎo)率,進(jìn)一步推算在該頻點(diǎn)處一定深度的地下工程內(nèi)部場(chǎng)環(huán)境。取f=64 kHz,計(jì)算參數(shù)設(shè)置保持不變,大地介電常數(shù)為4.0,大地電導(dǎo)率為0.003 S/m,為保證計(jì)算程序不發(fā)散,時(shí)間步長(zhǎng)取值為33.3 ns.將計(jì)算數(shù)值除以大地電導(dǎo)率反演計(jì)算中的歸一化比例系數(shù),可得出一定深度處的實(shí)際磁感應(yīng)強(qiáng)度,地下深度為100 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 地下空間100 m處天線近區(qū)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算
由圖12可知,在連續(xù)波信號(hào)源功率為10 W時(shí),由于土壤介質(zhì)衰減的影響,y軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值遠(yuǎn)大于z軸方向取值,距離地面以下100 m處y軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度量值約為4 pT左右。
依據(jù)地下工程實(shí)際尺度,將線天線長(zhǎng)度設(shè)置為3 000 m,輻射源功率設(shè)置為最大1 000 W.其余參數(shù)保持不變,計(jì)算地下100 m和200 m空間內(nèi)y軸方向和z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,如圖13所示。

圖13 3 000 m長(zhǎng)度天線在地下空間的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算
由計(jì)算結(jié)果可知,在100 m和200 m地下深度時(shí),y軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于z軸方向的值。當(dāng)d=200 m時(shí),z軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度值為皮特斯拉量級(jí),表明該測(cè)試系統(tǒng)使用最大功率饋電時(shí),對(duì)于該試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)處的工程介質(zhì)條件,d=200 m為該系統(tǒng)可測(cè)試的工程深度極限。
使用測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值反演計(jì)算相結(jié)合的方法,可得出不同深度地下工程在不同頻點(diǎn)處內(nèi)外的磁感應(yīng)強(qiáng)度值,為工程整體的SREMP效應(yīng)研究提供參考。在進(jìn)行SREMP場(chǎng)效應(yīng)評(píng)估時(shí),以大地上方的SREMP時(shí)域波形參數(shù)為參考值進(jìn)行傅里葉變換,選定SREMP頻段范圍內(nèi)的多個(gè)典型頻點(diǎn)信號(hào),重復(fù)以上工作得出其衰減規(guī)律,之后采用傅里葉反變換的方法,可獲知該工程深度內(nèi)的SREMP時(shí)域波形特征,并為工程內(nèi)電子信息設(shè)備效應(yīng)研究提供參考。
本文設(shè)計(jì)了地面爆電磁脈沖效應(yīng)等效測(cè)試系統(tǒng),對(duì)線天線近區(qū)磁場(chǎng)的特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算,開(kāi)展了SREMP頻段內(nèi)典型頻點(diǎn)大地等效電導(dǎo)率的反演研究。得出以下主要結(jié)論:
1)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可有效模擬SREMP對(duì)地下工程整體的效應(yīng)。
2)將工程上方的被覆層介質(zhì)作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮,基于FDTD程序計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,可開(kāi)展SREMP頻段大地等效電導(dǎo)率的反演工作,經(jīng)過(guò)典型算例驗(yàn)證了該種反演方法的準(zhǔn)確性。
3)下步可考慮開(kāi)展針對(duì)非均勻介質(zhì)的SREMP頻段大地等效電導(dǎo)率的研究工作。