5高空电磁脉冲环境的描述、辐射参数

5.2HEMP在地面作用范围

水利水电标准规范范本图4高空核爆炸产生早期HEMP图解

高空核爆炸时，HEMP在地面的作用范围取决于爆炸高度和爆炸当量。在作用范围内不同位置处 现测到的电场信号差别非常大（比如峰值、上升时间、持续时间或是极化方向），例如，对北半球的高空核 爆炸，最大峰值电场（记为Emax）出现在爆心地面投影点的南面，高达50kV/m（该值取决于爆高以及爆 炸当量）。图5描述了早期HEMP在地球表面作用范围的切向半径与爆高（HOB)的关系。例如，爆高 50km时，早期HEMP在地面的作用半径为800km；爆高500km时，作用半径为2500km。图6所示 为不同爆高下，早期HEMP在地面作用范围内峰值场强的变化。

图5HEMP在地球表面作用范围切向半径与爆炸高度的关系

5.3HEMP时域波形

5.3.1早期HEMP时域波形

图6中的A、B、C三个不同位置处的早期HEMP时域波形如图7所示。由于早期HEMP在地面 不同位置处的人射波形变化大，且爆点位置无法预测，所以将构造一个普适的HEMP时域波形，该波形 需保留近投影点处电场波形的上升时间以及最大峰值范围内的峰值。所有位置处电场波形的包络，就 是一个极端情况下的普适波形。国际上根据早期HEMP作用范围内所有电场频域波形的傅里叶变换 包络，构造了一个更实际可、民用的普适电场波形，即参数为2.5ns/23ns的脉冲波形。

图6爆炸地面投影点在北纬30° 100km~500km范围内，地面上 峰值电场的典型变化（该数据适用于爆炸 为士万吨级或更大的情况）

综上所述，自由空间内的早期HEMP电场波形如式（1)：

E，一电场强度，单位为伏每米（V/m）； 时间，单位为秒（s）。 根据式（1)作图8a)和图8b)，其中图8a)显示的是脉冲的上升前沿特性；图8b)显示脉冲的后沿特 性。由于图8a)和图8b)中的波形包含了任一早期HEMP的特征，所以此波形可认为是标准波形。该 脉冲波形的峰值为50kV/m，10%～90%上升前沿为2.5ns，峰值时间为4.8ns，半高宽为23ns。该早 期HEMP波形的能注量为0.114J/m

需要强调的是，早期HEMP是一个入射场，而在上面的讨论并没有考虑地面的反射，关于地面反射 的情况见5.7。由于入射电场极化方向垂直于电磁波的传播方向和地磁场方向，因此早期HEMP在地 面作用范围的切点处，电场的局部垂直分量在爆点的地磁东侧和西侧达到最大，而在南侧和北侧为0。 由于爆点的位置未知，电场的垂直和水平分量可按式（2）定义：

关于6m的值参见图8c）。

）0ns~10ns（脉冲上升前沿）

图8早期HEMP情况（电场部分）

5.3.2中期HEMP波形

中期HEMP幅值在10V/m～100V/m范围内，持续时间在0.1μs至0.01s之间。与早期HEMF 类似，中期HEMP也可定义为相同极化方向的人射场。在经过地球的反射之后，电场水平分量很小，基 本是垂直极化。 中期HEMP在自由空间内的电场时域波形如式（3）

式中： E2电场强度，单位为伏每米(V/m）； 一时间，单位为秒（s）。 图10展示了上述电场波形，波形峰值为100V/m，脉冲半高宽为693μs，能注量为0.0133J/m

中： E2—电场强度，单位为伏每米（V/m）； 一时间，单位为秒（s）。 图10展示了上述电场波形，波形峰值为100V/m，脉冲半高宽为693us，能注量为0.0133J/m

5.3.3晚期HEMP

晚期HEMP是由磁流体动力学效应产生的，在地球内产生的电场约为儿十毫伏每米，持级

s到1000s之内.水平极件

电场场强单位为V/m，时间单位为S。上述波形如图9所示，图中α。是大地电导率。对其他大地 电导率， E:~

电场场强单位为V/m，时间单位为S。上述波形如图9所示，图中α。是大地电导率。对其他大地 电导率， E:~

9晚期HEMP标准波形

图9中，波形的峰值场强为38mV/m， ，正脉冲宽度20S，负脉冲宽度130S。

5.3.4完整的标准HEMP电场时域波形

图10所示为上述3种不同时期的HEMP电场波形的总和。需要强调的是：E，（t)和E2（t)是入射 波，具有相同的极化方向；而E（t）是地球内部感应的电场，水平极化

图10完整的HEMP标准时域波形

当电磁波频率f大于1.6kHz，距离源30km（源区高度，参见图4)外，下述著名的远场准则成立 见式（7）]：

C一光速。 对于HEMP，上式在爆后100μs内都成立。因此，将图10中100μs前的HEMP电场波形除以 Z。=120元Q后就可以得到磁场波形。这样，由式（1)可得到入射磁场的峰值见式（8)：

[EMP，上式在爆后100μs内都成立。因此，将图10中100μs前的HEMP电场波形除以 2后就可以得到磁场波形。这样，由式（1)可得到入射磁场的峰值见式（8）：

E。1—电场强度，单位为伏每米(V/m)； Z。阻抗，单位为欧姆(Q)； H。磁场强度，单位为安培每米（A/m）

5.5HEMP幅值谱和能量注量谱

Ho1 50000 132.6 2. 120元 .（8

多数典型的HEMP能量收集器都是频率选择的。因此，务必获得HEMP的能量频谱。对上面得 到的HEMP电场时域波形进行傅里叶变换后就能得到电场频域波形如式（9)：

.............................(9

对于式（1)、式（3)、式（5)及式（6)中的一般解析形式的时域波形，其傅里叶变换的解析形式如 式（10）：

E.(f)=7 E0m*km(b. (2元f+a.)(i2元f+bm）)

相位偏移角（对于E，和E2*Φ=0;E，和E，9=2元f)。 图11所示为HEMP电场的幅值密度频谱，E1、E，、E，分别代表3个不同时间段的HEMP。

描述了各频点的能量密度，例如当f>10"Hz，远场区

Z。=120元02。 在频域内对式（11)作积分，可以得到早期HEMP电场E，的能量注量如式（12）：

图11HEMP各成分的幅值频谱

S(f) =2IE()

S(f) =2IE(f) Z.

W=s(f)·dfW,=s(f)·df （12

图12所示为早期HEMP电场能量注量在频域内的变化曲线。从图中可以看出：10°Hz处，能量注 量为2%；而在10°Hz处约为98%，即有96%的能量沉积在10"Hz～10°Hz频率范围内。这说明，早期 HEMP的主要能量集中在0.1MHz到100MHz频率范围内

图12早期HEMP部分能量注量，从f=10Hz到f

从图11中可以看出，分别当f<10*Hz和f<1Hz时，E2、E：的幅值谱高于E，的幅值谱。除此 之外，E?和E：的总能量注量仅有0.013J/m"，而E，的总能量注量有0.144J/m。中期和晚期HEMH 的能量注量相较于早期的可以忽略不计 然而，需要强调的是：由“天线”接受并传导至“敏感器件”的电磁场能量不仅仅依赖于总的入射能量 注量WT。因为在系统内部电子设备上感应的电压和电流还受耦合机制、系统拓扑结构、阻抗匹配的影 响：而在电网中电子设备上感应的电压和电流还受介质击穿后的后续电流的影响。

节能标准规范范本5.6早期、中期和晚期HEMP的影响权重

由于中期和晚期HEMP的幅值小，因此在公开的文献资料中，中期和晚期HEMP效应经常被忽 略。相较于早期HEMP50000V/m的电场峰值，中期的100V/m和晚期的40mV/m可忽略不计。 在某些情况下上述推论是有依据的，特别是当“敏感”系统（分系统，设备）的物理尺寸较小（即耦合 区域小）时，例如车辆等移动设备。这种情况下只能耦合高频部分的HEMP。然而，从源（电磁场）到敏 感设备的耦合机制是与频率相关的。 根据图11，HEMP频谱给出早、中和晚期HEMP的影响权重时，还需要考虑耦合机制。若某敏感 系统物理尺寸很大（如电力系统或是很长的通信线路），或者是连接在通信线路上的一个很小的器件时， 就需要考虑中期和晚期HEMP的作用了

当早期或是中期HEMP入射到地面时，部分电磁脉冲能量穿过空气和地面的界面，其余的会反射 如图13所示

图13入射波、反射波和折射波的说明

图14水平电场总场一入射波和地面反射波之和（早期HEMP）

图15所示为高度和土壤电导率相同时，不同入射仰角时的水平电场总场

图16a)和图16b)所对应的分别是土壤电导率不同和深度不同时，早期HEMP在地下传播时的水 平电场总场

图16早期HEMP在地下传播时的水平电场总场

上面的例子很好地显示了地面对入射电场的影响。当进行HEMP波形的分析和实验时玻璃钢管标准，需要考虑 电磁波的反射和透射