雷達后門電磁脈沖防護概述

曹 帥，曾清平

（空軍雷達學院，武漢430019）

0 引 言

信息時代微電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，使得電子設(shè)備集成度越來越高，同時面臨來自電磁攻擊的威脅也越來越大。近年來，雷達部隊裝備正值更新?lián)Q代，對于新裝備抗強電磁脈沖防護的問題，既要做好來自前門主要是天線的電磁脈沖威脅，更要關(guān)注來自于后門尤其是拖線、門窗孔縫洞以及連接處的電磁威脅和防護。

1 電磁脈沖產(chǎn)生的機理

目前電磁脈沖的產(chǎn)生有自然發(fā)生和人為產(chǎn)生2種：一是自然發(fā)生的，主要是雷電電磁脈沖，稱之為浪涌；二是人為產(chǎn)生，主要有核爆炸電磁脈沖、高功率微波和超寬帶短脈沖。

1.1 雷電電磁脈沖（LEMP）

雷電是自然大氣中的超強、超長放電及伴隨發(fā)生的發(fā)光和發(fā)聲現(xiàn)象，是自然電磁干擾源最強的放電現(xiàn)象。雷電對于電子設(shè)備的損壞效應包括雷電的直擊效應和雷電流引起的次級效應，即雷電電磁脈沖。雷電電磁脈沖的產(chǎn)生是一個雷雨云的生成、起電和放電過程的伴隨產(chǎn)物，但更需關(guān)注的是雷電的放電過程，雷雨云的放電表現(xiàn)出來的閃電可以分為云閃和地閃。當局部大氣電場達到104V／cm時，云中帶電霧滴間因空氣介質(zhì)擊穿而放電并發(fā)出光，此為云閃；而地閃是大氣與地面間的放電現(xiàn)象，其過程可以概括為預擊穿、梯級先導、連接、回擊、箭式先導、后續(xù)回擊等。一次閃電含有上萬個脈沖放電過程，它們向周圍空間輻射高頻和甚高頻能量，從而產(chǎn)生雷電電磁脈沖。LEMP主要成分分布在低頻段，隨頻率升高而遞減，0～5kHz的諧波電流幅值較大；大于7.5kHz的幅值下降，頻率越高，幅值越低。波頭越陡，高次諧波越豐富；波尾越長，低頻分量越豐富［1］。

1.2 核爆炸電磁脈沖（NEMP）

核爆炸有地面（下）核爆炸、中低空核爆炸和高空核爆炸。任何形式的核爆炸都會產(chǎn)生電磁脈沖，只是形式有所不同。100km以上的高空核爆炸脈沖強度更大，高頻成分更多，覆蓋區(qū)域更廣，故造成的傷害更大。核爆炸釋放出極強的γ射線，它與大氣等物質(zhì)發(fā)生作用，出現(xiàn)光電效應、康普頓效應和電子對效應。占主要作用的康普頓效應產(chǎn)生徑向往外運動的高速康普頓電子流，從而使爆點附近缺少電子，遠處電子又過剩，形成了一個徑向電場。由于該電場的作用，出現(xiàn)與康普頓電流相抗衡的回電流，即歐姆電流，最后達到一定的穩(wěn)定值。由于大氣密度隨高度的變化，及其他非對稱性因素，使得康普頓電流和歐姆電流不是球?qū)ΨQ，它們在隨時間變化的過程中激勵出向外輻射的高能電磁脈沖，即高空核爆炸脈沖（HEMP）。

NEMP能量強度大，百萬噸級別高空核爆以電磁脈沖形式釋放的能量達到1011J量級；峰值場強極高，電場強度可達（104～105）V／m，磁感應強度可達10mT；上升時間短，核電磁脈沖上升至峰值的時間為1～5ns，上升時間的典型數(shù)據(jù)為10－8s；頻譜寬，覆蓋了從超長波直至微波低端，大約在0～200MHz的整個頻段，從而對無線電通信、導航和廣播等系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成了嚴重威脅；覆蓋半徑大，幾乎可以說，高空爆炸時，地球上凡能看到爆點的地方皆能受到電磁脈沖的影響等特點。同時NEMP擁有系統(tǒng)電磁脈沖（SGEMP）與內(nèi)電磁脈沖（IEMP）效應，因此核電磁脈沖能夠進入到屏蔽罩里面去，從而對腔體內(nèi)的電子系統(tǒng)也造成干擾和損傷。這是核電磁脈沖獨具的特性，其他已知的電磁脈沖都不能進到屏蔽罩里去。

1.3 高功率微波（HPM）和超寬帶（UWB）短脈沖

HPM主要有2種不同的發(fā)生原理：一是由電能通過二極管轉(zhuǎn)換成電子束，電子束通過束－波相互作用器件轉(zhuǎn)換成微波，微波由天線發(fā)射出去；二是由電能在天線上直接轉(zhuǎn)換成微波，再發(fā)射出去［2］；而UWB作為電磁脈沖武器使用，不需要利用二極管去產(chǎn)生電子束和經(jīng)波導一類電磁結(jié)構(gòu)去產(chǎn)生微波，而是利用超快電路直接激勵的方法去產(chǎn)生納秒級超短脈沖，從而獲得超寬帶電磁輻射輸出抑或是通過某些器件的規(guī)則設(shè)計將炸彈爆炸的化學能轉(zhuǎn)變成電磁能，以該電磁能激勵彈內(nèi)的微波源，從而發(fā)射出相應波段的電磁波。

兩者作為電磁脈沖武器形式并沒有嚴格的界限，最大峰值功率也達到了GW量級；頻譜更寬，覆蓋了從100MHz～50GHz的頻段；雖然脈沖發(fā)射能量比之LEMP和NEMP相對低，但是高頻成分則更豐富，發(fā)射手段也靈活，發(fā)射效率高，功耗小。

2 電磁脈沖對雷達后門的危害

所謂雷達的“后門”就是雷達方艙門、窗、散熱孔間的縫隙、拖線通道和密封用的金屬導管以及通信接口等。由于雷達后門物理構(gòu)造的特殊性，各個器件是互相獨立且屏蔽的，故雷達后門電磁脈沖防護顯得更為復雜。電磁脈沖對雷達后門的危害一方面包含對雷達系統(tǒng)器件的干擾或損傷，另一方面也包含了通過雷達后門耦合進入的電磁脈沖能量對操作人員戰(zhàn)斗力的影響。

2.1 后門耦合的途徑和形式

電磁脈沖通過雷達后門耦合的主要途徑有：對電線、電纜及連接處的耦合和傳導；對縫、孔、洞的耦合及管道、框架的結(jié)構(gòu)耦合；對設(shè)備殼體及導電介質(zhì)的穿透。耦合形式有輻射耦合和傳導耦合。輻射耦合指電磁脈沖能量以電磁輻射方式對系統(tǒng)形成的耦合；傳導耦合則是指電磁脈沖能量以電壓或電流形式通過金屬導體或元件（如電容器、變壓器）對系統(tǒng)形成的耦合。實際上，電磁脈沖對電子、電力系統(tǒng)形成的耦合是一個復雜的物理過程，因此，輻射耦合和傳導耦合往往交織在一起，難以截然分開［3］。

2.2 對雷達系統(tǒng)的損傷機理

當電磁脈沖的功率密度為0.01～1μW／cm2時，可強烈干擾相應頻段的雷達、通信、器件、設(shè)備的正常工作；為0.01～1W／cm2時，可使雷達接收系統(tǒng)和信號處理設(shè)備中的電子元器件失效或燒毀；為10～100W／cm2時，高頻率微波輻射形成的瞬變電磁場可使金屬表面產(chǎn)生感應電流，通過拖線、電纜及連接處和各種開口、管道或縫隙孔窗耦合到雷達方艙內(nèi)部，破壞各種敏感元件，如傳感器和電子元器件，使元器件產(chǎn)生狀態(tài)反轉(zhuǎn)、擊穿，出現(xiàn)誤碼、記憶信息抹掉等，強大的電磁輻射會使整個通信網(wǎng)絡(luò)失控，這是因為大脈沖功率超過敏感元器件的額定值，設(shè)備會因過載而造成永久性毀傷；為103～104W／cm2時，強烈的電磁場作用引起系列非線性效應，短時間內(nèi)使目標受高熱而破壞，甚至能夠提前引爆導彈中的戰(zhàn)斗部或炸藥。具體可歸結(jié)為以下幾種效果：

（1）電效應

電磁脈沖源形成的強電場電壓使電子器件半導體（MOS）電路的柵氧化層或金屬化線間造成介質(zhì)擊穿，致使電路失效；在金屬表面形成的強大的感應電流可直接燒毀雷達方倉內(nèi)部電子器件、計算機芯片和集成電路，而且會對系統(tǒng)自檢儀器和敏感器件的工作可靠性造成影響。

（2）磁效應

電磁脈沖引起的強電流可以產(chǎn)生強磁場，使電磁能量直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，從而干擾雷達、通信、敵我識別和計算機網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

（3）瞬時干擾和浪涌效應

電磁脈沖產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓、過電流或“浪涌”效應能使器件或電路的性能參數(shù)劣化、誤碼、邏輯混亂、功能紊亂或完全失效；也可能形成累積效應，埋下潛在的危害，使電路或設(shè)備的可靠性降低，在以后的運作中隨時會產(chǎn)生誤動作。

（4）熱效應

熱效應可以分為微波加熱和絕熱燒毀。前者是微波使金屬、含水介質(zhì)升溫，從而產(chǎn)生的高溫導致器件的功能下降甚至燒毀；絕熱燒毀是在高頻、高功率脈沖作用下，在微秒或納秒量級時間內(nèi)完成的一種瞬時絕熱積累，可瞬時引起易燃、易爆氣體等物品燃燒爆炸，也可以使微電子器件、電磁敏感電路過熱或輸入保護電阻燒毀，造成局部熱損傷，導致電路性能變壞或失效。

2.3 對人員的傷害機理

這一殺傷機理分為“非熱效應”和“熱效應”。非熱效應指當電磁脈沖能量強度低時，使雷達的操縱人員、通信人員和指揮人員等的生理功能紊亂（如煩躁、頭痛、記憶力減退、神經(jīng)錯亂以及心臟功能衰竭等）。當功率密度達到13mW／cm2時，各戰(zhàn)斗人員的工作狀態(tài)會發(fā)生明顯變化，導致戰(zhàn)斗效能下降。熱效應指在高頻率電磁脈沖能量作用下，人的皮膚灼熱，眼白內(nèi)障，皮膚內(nèi)部組織嚴重燒傷和致死等；當功率密度為0.5W／cm2，單個脈沖釋放的能量達到20J／cm2時，會造成人體皮膚輕度燒傷；當功率密度為20W／cm2時，照射2s可造成三度燒傷；當功率密度為80W／cm2時，僅1s就可使人喪命［4］。

3 時域有限差分（FDTD）法

時域有限差分法是求解麥克斯韋微分方程的直接時域方法［5］，其主要思想是把Maxwell方程在空間、時間上離散化，用差分方程代替一階偏微分方程，求解差分方程組，從而得出各網(wǎng)格單元的場值。FDTD空間網(wǎng)格單元上電場和磁場各分量的分布如圖1所示。由Yee單元網(wǎng)格可以看到，電場與磁場分量在空間交叉放置，相互垂直。電場分量位于每條棱邊的中心，而磁場分量位于每個面的中心，每個電場（磁場）分量都有4個磁場（電場）分量環(huán)繞。可以說，Yee單元網(wǎng)格的建立是“把數(shù)學關(guān)系、物理含義和物理規(guī)律巧妙地結(jié)合在一個差分單元中［6］”，應用這種方式可以在時間軸上逐步推進地求解空間電磁場的分布情況。

圖1 直角坐標系統(tǒng)下FDTD Yee單元網(wǎng)格及場關(guān)系

FDTD是分析解決瞬態(tài)響應問題的較好方法，特別適于處理具有復雜幾何形狀和復雜環(huán)境的情形，例如薄板和細導線以及各類天線問題等。只要計算機具有處理足夠多FDTD單元的能力，計算的精度可達到任何要求。

3.1 FDTD的離散遞推形式

結(jié)合Maxwell方程的物理意義和Yee單元的處理方式，F(xiàn)DTD方法主要是處理2個旋度方程，即：

式中：ε為介質(zhì)介電系數(shù)，單位為F／m；μ為磁導系數(shù)，單位為H／m；σm為導磁率，單位為Ω／m；σ為電導率，單位為S／m。

在直角坐標系下的Yee單元對上兩式的偏微分標量方程進行中心差分離散，并引入fn（i，j，k）表示E或H某一分量在空間某時刻的值，即：

最后得到FDTD的離散遞推形式［5］：

以上是x分量的時間推進計算公式，其他分量類似。

3.2 數(shù)值色散和穩(wěn)定性條件

由于網(wǎng)格抽樣的間斷性和數(shù)值離散化的處理，使得Yee單元網(wǎng)格空間自身會產(chǎn)生非物理性的色散現(xiàn)象。為了減小數(shù)值色散，在選取空間網(wǎng)格尺度時，應滿足δ＝λmin／N，其中δ＝ min（Δx，Δy，Δz），N≥10，λmin為時域信號波群的最小波長值。顯然，減小網(wǎng)格的尺度可以減小數(shù)值色散，但同時也會引起計算量的增大，因此要綜合考慮，權(quán)衡利弊。

3.3 吸收邊界條件

由于計算機容量的限制，F(xiàn)DTD計算只能在有限區(qū)域進行。為了能模擬開域電磁過程，在計算區(qū)域的截斷邊界處必須給出吸收邊界條件［5］。

應用比較廣泛的是Mur吸收邊界條件，以及后來的完全匹配層（PML）吸收邊界條件和各向異性完全匹配層（UPML）吸收邊界條件。當然還有其他各種吸收邊界條件，如廖氏吸收邊界條件，超吸收邊界條件等，各有優(yōu)劣，在應用中應根據(jù)計算空間、時間和精度的權(quán)衡靈活選擇使用。

4 雷達后門的工程防護思路

后門防護技術(shù)的目的就是要將大功率的電磁信號屏蔽在外。從電磁防護“最不利的原則”出發(fā)，重點關(guān)注那些對地面雷達系統(tǒng)威脅最為嚴重的強電磁脈沖環(huán)境。通過對電磁脈沖能量的反射、吸收、隔離和泄放，使電磁脈沖大部分能量被抵擋在雷達系統(tǒng)之外或是將進入系統(tǒng)的電磁脈沖能量衰減到設(shè)備能夠承受的程度是實施電磁脈沖防護的主要思路。

4.1 接口防御

接口部分是比較薄弱的環(huán)節(jié)，通信和電源接口一般必須滿足調(diào)節(jié)器所需的電氣安全指標要求，這些接口通常利用隔離變壓器加以保護，其額定電壓從幾百伏到大約2～3kV。

很明顯，一旦由變壓器、電纜脈沖放電器或屏蔽提供的保護功能被破壞，只要幾十伏的電壓就能給計算機和通信設(shè)備造成很大的破壞。

網(wǎng)絡(luò)里的電纜本身也是一個能有效傳播電磁影響的媒介，從而使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備受到損壞。對于遠距離或要求高速信號傳輸?shù)目刹捎霉饫|，對于近距離低速信號采用紅外接口方式。這樣可切斷金屬導線的電磁效應，保證電子設(shè)備不受電磁、浪涌等干擾的破壞。

另外，還有一種防御技術(shù)就是熱離子技術(shù)（即真空管設(shè)備），此技術(shù)比固體技術(shù)（即晶體管）在受電磁武器影響后更能恢復原有工作狀態(tài)。因此，一種能夠最佳損毀固態(tài)計算機和接收機的武器只會對應用熱離子技術(shù)的裝置產(chǎn)生很小的損壞或毫無損毀，除非使用合適的武器，否則，便不會對這些目標產(chǎn)生硬的電氣殺傷。

4.2 孔縫洞窗及拖線防御

不同用途、電平的線、弱電線與強電線等要分開，不能平行，元器件和電路的連線應盡量短，關(guān)鍵的元件、電路和走線要加屏蔽，同時盡量減少暴露部分，減少接收電磁脈沖的能量。在系統(tǒng)出入口即拖線端口采用電涌保護器件，防止峰流或峰壓的涌入，同時注意濾波器件的安放位置在保護器件之后，對電磁脈沖進行反射或是吸收，消除因電流電壓的突變引起的防護電路不穩(wěn)定的后果。

為了提高系統(tǒng)面臨電磁攻擊后的存活概率，采用高電導、磁導材料和專門的電磁加固，進行多級保護和屏蔽，但要注意滿足系統(tǒng)電磁兼容性要求，屏蔽保護的設(shè)置必須是在系統(tǒng)級基礎(chǔ)上。對于孔縫洞窗的防御，電磁屏蔽存在2個難點：一是保證屏蔽體的導電連續(xù)性；二是不能有穿過整個防護目標的導體。故一般來說對于孔縫洞窗的屏蔽防御主要注意以下兩點：一是增加導電接觸點，減小縫隙寬度；二是合理選擇并使用電磁密封襯墊以進行適當?shù)淖冃慰刂啤?/p>

4.3 電路設(shè)計及回避法

采用足夠冗余度和故障跨越的拓撲結(jié)構(gòu)，在多個節(jié)點和線路受到電磁打擊造成無法正常工作的情況下，系統(tǒng)仍能正常工作；采用時間鑒別或?qū)﹄娐酚|發(fā)要求的設(shè)計，通過網(wǎng)絡(luò)響應、邏輯設(shè)計，達到避開電磁脈沖影響或者對于外來瞬時干擾不響應。

回避法的指導思想是在有電磁脈沖干擾的瞬間，設(shè)備暫停工作，待脈沖過后設(shè)備恢復正常工作?；乇馨z測能引起干擾且任務(wù)失效的電磁場和存在瞬變故障危險時中斷信號處理。

回避的具體方法有很多種，例如利用鐵氧體磁芯在輸入電壓超過一定值時就飽和這一特性，實現(xiàn)回避。應把磁芯設(shè)計成對所希望的信號電平是不飽和的。當變壓器的初級線圈感應到的電磁脈沖瞬變信號超過極限值時磁芯飽和，這就限制了次級電壓的電平。待瞬變信號消失后，電路又恢復正常工作。對于輻射干擾容易敏感的設(shè)備，如果檢測到的強度足以引起邏輯變化的電磁場，就通過閉鎖所有輸入端，將操作程序返回到最近一個安全點進行系統(tǒng)回避。在一個指定的時間延遲之后復原到需要的位置，并修正已過去的時間而重新開始工作。也可以用并行信號處理來實施回避。就是利用一個加固了的對快速瞬變的電磁脈沖不響應的慢速數(shù)字處理機和一未加固的快速處理機。通常系統(tǒng)在快速處理機控制下工作，假如出現(xiàn)電磁脈沖，工作暫時轉(zhuǎn)向加固的慢速處理機。電磁脈沖消失后又轉(zhuǎn)向快速處理機。

5 結(jié)束語

筆者認為目前我國電磁防護發(fā)展可有以下思路：一是在加緊研究電磁防護的同時積極發(fā)展電磁脈沖武器反導，用己方的電磁脈沖武器擊毀敵方的電磁脈沖武器平臺；二是盡快出臺兵器系統(tǒng)級電磁防護標準。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制信息權(quán)已經(jīng)成為克敵制勝的重要手段之一［3］，集大量高度集成化微電子設(shè)備的雷達是保障戰(zhàn)場信息的核心，然而卻面臨著電磁軟、硬攻擊的嚴重威脅。加強電磁防護新技術(shù)理論研究和實驗，努力提高雷達在復雜電磁環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)效能，對于未來高強度信息戰(zhàn)爭主動權(quán)的把握有著重大的意義。

［1］陳亞洲，劉尚合.雷電電磁場的空間分布［J］.高電壓技術(shù)，2003，29（1）：1－5.

［2］丁武.高功率微波發(fā)生器原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［3］周璧華，陳彬，石立華.電磁脈沖及其工程防護［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

［4］袁俊.國外微波武器及其發(fā)展［J］.中國航天，2001（5）：42－45.

［5］葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法.第2版［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

［6］呂英華.計算電磁學的數(shù)值方法［M］.北京：清華大學出版社，2006.