通用雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估及其防護技術(shù)

夏明飛，馬颯颯，夏明旗

（1．軍械工程學(xué)院軍械技術(shù)研究所，河北石家莊 050003；2．總裝備部北京軍代局駐447廠軍代室，內(nèi)蒙古包頭 014033）

通用雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估及其防護技術(shù)

夏明飛1，馬颯颯1，夏明旗2

（1．軍械工程學(xué)院軍械技術(shù)研究所，河北石家莊 050003；2．總裝備部北京軍代局駐447廠軍代室，內(nèi)蒙古包頭 014033）

針對目前雷達(dá)裝備面臨高功率微波武器、電磁脈沖等復(fù)雜電磁環(huán)境的威脅，首先介紹了電磁脈沖對雷達(dá)裝備的作用機理和強電磁脈沖對雷達(dá)的耦合途徑，其次闡述了高功率電磁環(huán)境下雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估方法，在效應(yīng)評估的基礎(chǔ)上，通過研究雷達(dá)裝備在電磁環(huán)境下的加固原理、加固技術(shù)及加固度要求等，建立裕度防護方法，運用到雷達(dá)裝備加固方案中，提高電磁生存能力。

電磁脈沖；電磁效應(yīng)評估；電磁防護

高技術(shù)信息化戰(zhàn)爭中，實現(xiàn)信息獲取、傳輸、交換和應(yīng)用一體化是決定成敗的關(guān)鍵因素之一。作為數(shù)字化部隊一體化信息系統(tǒng)主要載體的通用雷達(dá)裝備，其系統(tǒng)的安全性、可靠性及作戰(zhàn)效能的發(fā)揮程度，強烈地依賴于所處的電磁環(huán)境。隨著高功率微波武器、電磁脈沖彈等電磁脈沖武器的出現(xiàn)，現(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，雷達(dá)裝備的電磁生存能力將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通用雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估與防護研究，對增強我軍綜合電子信息系統(tǒng)的電磁防護能力，具有重要的軍事意義和顯著的經(jīng)濟效益。

1 電磁脈沖對雷達(dá)裝備的作用機理

強電場效應(yīng)：在電磁脈沖源形成的數(shù)十千伏強電場作用下，不僅可以使武器裝備中金屬氧化物半導(dǎo)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；還可以對武器系統(tǒng)自檢儀器和敏感器件的工作可靠性造成影響。

“浪涌沖擊”效應(yīng)：電磁輻射引起的浪涌干擾，可以對信息化設(shè)備造成電噪聲、電磁干擾，使其產(chǎn)生誤動作或功能失效。強電磁脈沖及其“浪涌”效應(yīng)對武器裝備還會造成硬損傷。既可以使器件或電路的性能參數(shù)降低或完全失效，也可以形成累積效應(yīng)，埋下潛在的危害，形成的潛在性失效，使電路或設(shè)備的可靠性降低。

磁效應(yīng)：磁脈沖引起的強電流可以產(chǎn)生強大的磁場，使電磁能量直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，干擾電子設(shè)備的正常工作。美國通用研究公司的仿真證明，一定強度的磁場作用下，能夠使無屏蔽的計算機會產(chǎn)生誤動作，甚至造成硬件損傷。

絕熱效應(yīng)：高功率電磁脈沖產(chǎn)生的熱效應(yīng)一般是在微秒或納秒量級完成的，可以近似看作是一種絕熱過程。這種局部的絕熱積累效應(yīng)可以使武器系統(tǒng)中的微電子器件熔融、電磁敏感電路過熱，造成局部熱損傷，導(dǎo)致電路性能下降或失效。

微波加溫效應(yīng)：在高功率微波照射下，還可造成電子設(shè)備溫度升高而影響其正常工作。

2 強電磁脈沖對雷達(dá)的耦合途徑

EMP武器對器件的破壞原理就像近距離的雷電一樣，極強的電磁脈沖通過“前門”和“后門”2種途徑進(jìn)入電子設(shè)備?！扒伴T”是指雷達(dá)對外開放的通道——天線。強電磁脈沖的前門耦合，主要從天線主瓣耦合和副瓣耦合兩方面?！昂箝T”是指設(shè)備雷達(dá)裝備的導(dǎo)線、動力電纜、電話線、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞等，駐波能量通過它們耦合進(jìn)設(shè)備內(nèi)而造成破壞。

3 高功率電磁環(huán)境下雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估方法

基于電磁拓?fù)淅碚摚?］，把雷達(dá)裝備電子系統(tǒng)分解為多個獨立的子系統(tǒng)，建立子系統(tǒng)內(nèi)各子空間的電磁交互作用拓?fù)淠Ｐ秃拖到y(tǒng)電磁屏蔽拓?fù)鋱D；運用圖論相關(guān)算法對拓?fù)鋱D進(jìn)行分析和計算，尋找系統(tǒng)的敏感端口與敏感部件；綜合利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、故障樹等相關(guān)數(shù)學(xué)理論，將各子系統(tǒng)的效應(yīng)評估拓?fù)浜铣蔀檎w效應(yīng)評估模型，并進(jìn)行仿真計算與實驗驗證。對于計算方法無法解決的效應(yīng)參數(shù)可以通過實驗測試獲取，再利用非線性回歸估計理論分析測試數(shù)據(jù)以得到效應(yīng)參數(shù)。當(dāng)實驗測試獲取的數(shù)據(jù)量較少時，可采用小子樣理論分析以期獲得相應(yīng)的效應(yīng)參數(shù)。雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估途徑如圖1所示。

圖1 雷達(dá)裝備電磁環(huán)境效應(yīng)評估途徑

4 電磁防護加固方法與技術(shù)

在效應(yīng)評估的基礎(chǔ)上，通過研究雷達(dá)裝備在電磁環(huán)境下的加固原理、加固技術(shù)及加固度要求等，建立裕度防護方法，運用到雷達(dá)裝備加固方案中，提高電磁生存能力。

4．1 加固原理

加固策略可分為兩種：控制耦合和降低敏感度?？刂岂詈纤玫碾姶欧雷o技術(shù)主要有濾波、接地、屏蔽及其綜合技術(shù)。其中屏蔽是解決外界電磁場對系統(tǒng)干擾最有效的手段之一，它和濾波也是較適用雷達(dá)的電磁防護技術(shù)［2］。

屏蔽技術(shù)包括屏蔽體和屏蔽材料，但是無論何種屏蔽技術(shù)，對于雷達(dá)來說，由于天線必須處于工作狀態(tài)，將使雷達(dá)始終處于弱屏蔽狀態(tài)下。因此，要基于弱屏蔽條件，來建立雷達(dá)的防護加固技術(shù)。濾波技術(shù)是借助濾波器，使系統(tǒng)要求的信息頻率之外的電磁脈沖能量不能進(jìn)入的技術(shù)。對于普通干擾源，由于其發(fā)出的干擾電磁脈沖的頻譜往往比接收信號的頻譜寬的多，采用濾波措施可以限制接收系統(tǒng)的頻帶以抑制無用的干擾，即可提高接收器的信噪比。

4．2 加固技術(shù)

電磁輻射可以經(jīng)過兩大通路耦合進(jìn)系統(tǒng)，通常稱之為前門和后門。對于前門來說，有兩種選擇，限制前門天線或傳感器的耦合和限制耦合能量傳播到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)量。第1種選擇實際是降低入口的有效面積；第2種選擇實際是降低入口和系統(tǒng)內(nèi)部敏感組件之間的耦合。就大部分前門加固手段來說是采用濾波器和限幅器或者二者之一。

對于大多數(shù)系統(tǒng)，后門加固最有效的方法是屏蔽。后門屏蔽加固方法有“局部加固防護”和“系統(tǒng)壁壘防護”。局部加固法主要為被認(rèn)為特別敏感或使命要緊的設(shè)備提供有限防護。系統(tǒng)壁壘法是用一層或多層屏蔽把電磁環(huán)境和系統(tǒng)內(nèi)部隔離開，它適合于高價值系統(tǒng)。

4．3 確定加固度要求的方法

對系統(tǒng)的電磁加固要求，包括以下幾個方面：

1）與系統(tǒng)及其使命有關(guān)的電磁環(huán)境描述；2）系統(tǒng)的功能與物理描述；3）對入射場如何有效地耦合到系統(tǒng)前門和后門界面的了解；4）對器件和子系統(tǒng)在電磁環(huán)境下敏感度的了解。

圖2表示如何用這些信息確定需要多強的加固，以滿足系統(tǒng)的需要。

對于關(guān)鍵使命組件，通過取組件敏感度閾值與在該組件上的應(yīng)力水平之比確定加固裕度。實際上，對于關(guān)鍵組件通過用組件敏感度閾值除以沿組件和系統(tǒng)表面進(jìn)入口之間感興趣通道的傳輸損耗和進(jìn)入口的有效面積，即可確定系統(tǒng)的強度。然后，該強度除以系統(tǒng)表面上的電磁環(huán)境應(yīng)力得到加固裕度，即

圖2 確定加固度要求的方法

基于組件敏感度確定系統(tǒng)加固要求的方法見圖3。

圖3 用組件敏感度確定系統(tǒng)加固要求

裕度防護由整體裕度的確定、裕度的最優(yōu)分配、模塊間裕度的關(guān)聯(lián)3部分組成。整體裕度的確定涉及：根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)特性確定雷達(dá)防護等級；各種型號雷達(dá)在戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的閾值。裕度的最優(yōu)分配是指，根據(jù)雷達(dá)整體裕度，利用多目標(biāo)最優(yōu)化分配理論確定各模塊的裕度。模塊間裕度的關(guān)聯(lián)是指雷達(dá)的各個模塊相互間的影響與聯(lián)系對各個模塊裕度的作用大小。

5 結(jié) 語

通過研究強電磁脈沖作用機理，構(gòu)建雷達(dá)的功能參數(shù)回歸估計模型及與外加電磁源交互作用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，提出雷達(dá)在電磁環(huán)境下總體效應(yīng)評估方法。通過研究基于電磁拓?fù)涞摹熬植考庸谭雷o”和“系統(tǒng)壁壘防護”，建立弱屏蔽條件下的雷達(dá)裕度防護方法。在效應(yīng)評估和防護技術(shù)研究基礎(chǔ)上，提出抗強電磁脈沖加固方案，實施加固設(shè)計，以提高雷達(dá)裝備在高功率電磁環(huán)境下的生存能力，最大限度地保持和發(fā)揮武器裝備的作戰(zhàn)效能。

［1］ 謝鵬浩，劉尚和，譚志良．典型雷達(dá)系統(tǒng)的電磁拓?fù)涑醪椒治觯跩］．現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（2）：17－19．

［2］ 趙炳秋，湯仕平，萬海軍．電磁輻射對艦載導(dǎo)彈危害及防護技術(shù)研究［J］．艦船電子工程，2009，29（8）：199－202．

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1008－1542（2011）12－0145－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：李 穆

夏明飛（1976－），男，吉林梅河人，工程師，碩士，主要從事電子裝備性能測試與故障診斷方面的研究。