CCD成像设备在强电磁脉冲环境下的效应实验研究

强电磁脉冲普遍存在于高能激光、X光装置和未来战场等环境中,这种恶劣的环境会对电子学设备,尤其是承载特定任务而无法增加屏蔽手段的光学成像设备造成严重威胁。选用数码相机和分立的电荷耦合器件(CCD)摄像系统作为典型的效应物,开展了光学成像设备在不同强电磁脉冲环境下的效应实验研究。通过实验观察到了成像设备功能异常、成像质量下降甚至端口部件烧毁等效应。对实验中观察到的效应及其发生的电磁场环境数据进行总结分析,提出了应用于特定环境阈值下设备的失效概率,即概率阈值的概念来衡量设备在恶劣环境下的生存状态的观点,并给出了CCD成像系统的概率阈值曲线,最后对此类型实验的开展和效应数据处理方法进行了探讨。本研究结果能为成像设备在强电磁环境下的状态评估及防护技术研究提供数据支撑和参考依据。     

面向超短波接收机射频前端的电磁脉冲效应仿真与效应分级方法

针对接收机射频前端在电磁脉冲环境作用下的电磁损伤过程模拟问题,以超短波接收机为具体研究对象,基于超外差式接收机电路功能模型,采用Verilog-a和SPICE网表联合建模方法,建立了射频前端低噪声放大器（LNA）电磁脉冲效应仿真模型(Extended LNA Model),并通过S参数仿真和瞬态仿真验证了LNA电磁脉冲效应模型具备正常功能仿真能力;为验证该模型的电磁脉冲损伤模拟能力,以标准电磁脉冲波形作为激励,以偶极子天线作为简化的天线前门耦合通道,在不同强度电磁脉冲作用下,接收机中频电路信号输出表现出了无影响、干扰、损毁的电磁脉冲效应过程,说明了建模方法的有效性;最后以EMP-天线耦合电压峰值作为阈值指标,分析得到了超短波接收机不同电磁脉冲效应等级对应的电压峰值阈值数据。     

基于GSM的数据采集与控制系统

基于GSM的数据采集与控制系统有着广阔的应用前景和巨大的经济价值。其技术是“数字地球”、“数字黄河”等大型项目中的一项重要技术。其结构如图1所示，系统由智能传感器、GSM短信息收发子系统、集中监控中心构成。     

工控机的电磁脉冲效应

针对某工控机系统进行了电磁脉冲辐照效应试验。该工控机包括主机、键盘、鼠标、液晶显示器及相关电源和通信、控制线缆。电磁脉冲模拟设备采用PTEM-180模拟器，产生的电磁脉冲前沿约6ns，半宽度约300ns。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加, 损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

高空电磁脉冲作用下电力系统主要效应模式分析

随着电网智能化和整体规模的提高,现代电力系统越来越容易受到高空电磁脉冲的威胁,一旦关键环节故障将有可能导致连锁反应,造成大面积停电。而针对不同的电力设备,其效应模式和威胁等级也有所不同,需要进行分类和分级研究。根据电力设备在电磁脉冲作用下的不同效应模式,将其分为SCADA系统与继电保护设备,变压器、互感器等线圈类设备,线路与设备避雷器与其他设备,并分析了其效应机理。然后考虑高空电磁脉冲威胁下电力设备存在多种效应等级,介绍了不同效应分类方法以及多等级效应评估模型。最后综合考虑易损性和重要性以及系统间的级联影响,分别梳理总结了在E1和E3作用下电力系统的故障链模式。     

单片机系统在核电磁脉冲辐照下的效应研究

核电磁脉冲（NEMP）、雷电电磁脉冲（LEMP）和高功率微波（HPM）等强电磁脉冲对单片机系统具有很强的干扰和破坏作用。为研究它们对单片机系统的各种效应,利用GTEM室产生的核电磁脉冲,对单片机系统进行了辐照效应实验。实验表明,单片机系统在强电磁脉冲作用下,会出现“死机”、重启动、通讯出错等现象。基于实验,讨论了单片机系统的各种效应产生的原因。     

单片机系统在核电磁脉冲辐照下的效应研究

 核电磁脉冲（NEMP）、雷电电磁脉冲（LEMP）和高功率微波（HPM）等强电磁脉冲对单片机系统具有很强的干扰和破坏作用。为研究它们对单片机系统的各种效应,利用GTEM室产生的核电磁脉冲,对单片机系统进行了辐照效应实验。实验表明,单片机系统在强电磁脉冲作用下,会出现“死机”、重启动、通讯出错等现象。基于实验,讨论了单片机系统的各种效应产生的原因。     

封装结构强电磁脉冲多物理效应并行计算程序研制

介绍了自主研发的强电磁脉冲多物理效应并行计算程序JEMS-CDS-System的情况,该程序采用时域有限元方法,基于JAUMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡。通过算例测试表明,该程序对于键合线的电-热-应力失效过程的最高温度与范式等效应力计算结果与COMSOL软件计算结果吻合较好;SiP功率放大模块的热-应力耦合天河2高性能计算平台并行计算结果表明,该程序在CPU1024核时,具有38.1%并行效率。     

无人机收发信机快沿电磁脉冲效应研究

为了探究快沿电磁脉冲(FRTEMP)对无人机收发信机的损伤效应,以某型无人机收发信机为研究对象,通过快沿双指数脉冲Marx源与GTEM室模拟产生快沿电磁脉冲对收发信机进行辐照实验。以收发信机是否损坏无法工作为收发信机是否受到电磁脉冲损伤的判别依据,同时进一步检测收发信机内部电路具体损坏器件。实验结果表明,快沿电磁脉冲能够造成无人机收发信机损坏,得到了导致无人机收发信机损坏的快沿电磁脉冲场强阈值。对损坏的无人机收发信机进行机理分析和检测,结果表明,本振电路损坏导致收发信机无法输出工作信号,而锁相环是导致本振无法工作的的关键原因,通过定位到具体受损器件可以进行进一步脉冲防护工作以及为易损器件加装防护提供基础。     

核安保典型系统电磁脉冲效应试验研究

高空电磁脉冲(HEMP)是一种能够通过场线或孔缝耦合到各种电子电气设备内部的暂态电磁波,该电磁能量会对正常工作的电子电气设备造成干扰甚至永久性损伤。为了确保关键部门的安保系统能够在电磁脉冲环境下正常工作,有必要针对安保系统进行电磁脉冲效应试验,分析该种类型系统在电磁脉冲环境下的薄弱环节和生存能力。针对核安保典型系统拓扑结构,搭建了电磁脉冲辐照试验和脉冲电流注入试验平台,并通过试验获取了报警分机、门禁主机、报警中心端等核安保典型系统关键部件的电磁脉冲效应阈值和效应现象。进一步结合各部件的电路原理分析了关键部件的失效机理,总结了核安保典型系统的薄弱环节,为后续安保系统的防护加固设计提供数据支撑。     

线缆系统电磁脉冲效应测量系统研制和试验

分析了实验室瞬态X射线产生的系统电磁脉冲(SGEMP)效应测试所面临的技术问题,提出了解决方法、措施以及实验室模拟瞬态X射线的SGEMP模拟试验方法。通过电子屏蔽、电磁屏蔽、光电隔离、信号对称提取等特殊技术处理,解决了SGEMP效应模拟试验方法和测量系统抗X射线、抗电磁辐射等技术问题,并在大型瞬态X射线模拟源上,测出了瞬态X射线辐照时金属腔内线缆的SGEMP效应波形及幅值。     

线缆系统电磁脉冲效应测量系统研制和试验

分析了实验室瞬态X射线产生的系统电磁脉冲(SGEMP)效应测试所面临的技术问题,提出了解决方法、措施以及实验室模拟瞬态X射线的SGEMP模拟试验方法。通过电子屏蔽、电磁屏蔽、光电隔离、信号对称提取等特殊技术处理,解决了SGEMP效应模拟试验方法和测量系统抗X射线、抗电磁辐射等技术问题,并在大型瞬态X射线模拟源上,测出了瞬态X射线辐照时金属腔内线缆的SGEMP效应波形及幅值。     

圆柱腔内系统电磁脉冲的数值模拟

应用3维全电磁粒子模拟程序研究腔体的内SGEMP,作为校验,模拟计算了光电子由圆柱腔体端面向内发射的SGEMP模型,并与文献结果进行了对比;使用该程序对圆柱腔体的3维内SGEMP进行模拟研究,得出注量为100 J/m²,特征温度为2 keV的黑体谱X射线,垂直入射高为4.5 cm、半径为7.5 cm的圆柱腔体侧面时,发射电流为20 A,产生的电场最高可达150 kV/m,磁场高达3.0×10⁻⁵ T。并对不同X射线注量下的电荷和电场分布情况进行了初步研究。     

电磁脉冲在实验室等离子体中传播时间的实验研究

利用矢量网络分析仪，对频域9—11 GHz的电磁脉冲在实验室稳态无磁场等离子体中传播时间的问题进行了实验研究.实验发现当等离子体密度在0.65—1.43×10¹¹ cm^-3范围内时，电磁脉冲通过该等离子体传播的时间将会小于该电磁脉冲在真空中传播同样距离所需要的时间，在密度约为1.10×10¹¹ cm^-3时，这两个时间差会出现一个极值.进一步的研究表明在此密度范围内，非磁化Xe等离子体中的电磁波色散关系将不再成立. 关键词： 电磁脉冲 脉冲传播时间 等离子体密度 色散关系     

直流固态继电器电磁脉冲失效模式实验研究

采用电流注入法对某型直流固态继电器输入端与输出端的电磁脉冲损伤机制及失效模式进行了实验研究,结果表明：输入端注入电磁脉冲信号时,输出端会产生误动作,并可造成输入电路中三极管BE节产生短路损伤,导致输入端施加控制信号时输出端无法导通;输出端注入电磁脉冲信号时,可造成输出电路中MOSFET管的栅极和漏极产生短路损伤,导致输出端短路。     

基于电磁感应的脉冲功率发生器试验研究

为了验证基于电磁感应原理的脉冲发生器的可行性,设计了一种小型脉冲发生器试验模型。对发生器的初始磁场与磁芯转变过程进行了分析与计算,建立了发生器的等效电路模型,并结合试验测量的负载电阻电压得出发生器的感应电压。设计的发生器整体直径约70 mm,长度约85 mm,其中磁芯直径为25 mm,长度为25 mm,提供初始磁场的永磁体厚度为10 mm,试验得出发生器感应电压峰值为784.5 V,与理论计算结果基本吻合,验证了发生器的可行性。     

基于电磁感应的脉冲功率发生器试验研究

为了验证基于电磁感应原理的脉冲发生器的可行性,设计了一种小型脉冲发生器试验模型。对发生器的初始磁场与磁芯转变过程进行了分析与计算,建立了发生器的等效电路模型,并结合试验测量的负载电阻电压得出发生器的感应电压。设计的发生器整体直径约70mm,长度约85mm,其中磁芯直径为25mm,长度为25mm,提供初始磁场的永磁体厚度为10mm,试验得出发生器感应电压峰值为784.5V,与理论计算结果基本吻合,验证了发生器的可行性。     

多腔体复杂系统电磁脉冲耦合统计特性

以双腔体级联系统为实验对象,测量了系统的输出端感应电压,对实验结果进行统计分析,并与随机拓扑模型计算结果进行对比,两者基本吻合,验证了随机拓扑模型的适用性;利用该模型计算分析了不同脉冲参数及不同拓扑结构条件下多混沌腔体复杂系统的电磁耦合统计特性。研究表明,脉冲宽度和脉冲个数与概率峰值处的感应电压均存在一定的谐振特性,且脉冲频率越低,脉冲的耦合效率越高,采用串型的拓扑结构更加有利于系统的防护和加固。     

系统电磁脉冲一维边界层的数值模拟

应用准第一性原理的PIC程序对系统电磁脉冲(SGEMP)一维边界层进行数值模拟,研究无限大介质板发射单一能量为2 keV、发射率为3.3×10²⁰ m^-2·s^-1的光电子,发射角分布为余弦角分布,且平板上留下等量正电荷时的SGEMP效应,得出稳态后电子所能到达的最大距离约在5.8~7.5 cm之间振荡;发射表面z=0处的电荷密度在(6.0~9.0)×10^－6 C/m³之间振荡;表面电场值在50~55 kV/m之间振荡;边界层达到准稳态的时间约为14.0 ns。将稳态模拟结果和理论估算结果进行对比,模拟结果较理论结果更加准确、形象地反映出SGEMP一维边界层的形成过程及稳态结构。