高功率微波車輛迫停的效應(yīng)機(jī)理分析

鄢振麟，許建軍，肖開(kāi)奇

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都　610036)

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高功率微波車輛迫停的效應(yīng)機(jī)理分析

鄢振麟，許建軍，肖開(kāi)奇

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610036)

通過(guò)分析車輛電子控制單元輸出的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)和燃油噴射信號(hào)波形在高功率微波輻射條件下的演變過(guò)程,闡明了高功率微波致使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的原因。研究結(jié)果表明,電子控制單元受到微波輻射擾亂后,點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)生意外丟失,燃油噴射信號(hào)脈沖重復(fù)周期迅速縮短,造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)噴入過(guò)量燃油,火花塞無(wú)法點(diǎn)燃油氣混合物,迫使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降甚至熄火。通過(guò)分析車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理,提出了根據(jù)監(jiān)測(cè)車體輻射電磁信號(hào)獲取車輛易受攻擊的敏感頻段的試驗(yàn)思路。

高功率微波;車輛迫停;電子控制單元(ECU);電磁脈沖;電磁輻射

高功率微波技術(shù)經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展,在微波攻擊武器、高功率雷達(dá)、功率輸送、等離子體加熱和高能粒子束加速等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。近年來(lái),高功率微波技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于重要場(chǎng)所安全保衛(wèi)和警用安防等領(lǐng)域?；诟吖β饰⒉夹g(shù)研制的車輛迫停系統(tǒng)可應(yīng)用于要害部位防止沖擊哨卡、隨行車隊(duì)保護(hù)和追緝嫌疑人員車輛等多種場(chǎng)合,具有快速部署、攻擊隱蔽、無(wú)附帶性損傷和多目標(biāo)攻擊等特點(diǎn),將成為未來(lái)公共安全裝備發(fā)展的重要力量。

目前高功率微波車輛迫停系統(tǒng)主要有兩種體制,分別是寬帶和窄帶體制。寬帶車輛迫停系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)脈沖壓縮產(chǎn)生超高壓脈沖并作用于高氣壓氣體開(kāi)關(guān)。超高壓電脈沖擊穿氣體開(kāi)關(guān)后,產(chǎn)生射頻脈沖并通過(guò)天線輻射,形成ns級(jí)高功率電磁脈沖。典型的寬帶體制代表產(chǎn)品如圖1(a)和(b)所示[2]。圖1(a)為美國(guó)Eureka公司的微波迫停系統(tǒng),該系統(tǒng)的輸出頻率為350MHz～1350MHz,Marx發(fā)生器輸出電壓為640kV,脈沖重復(fù)頻率為100Hz,單個(gè)脈沖能量達(dá)130J。圖1(b)為德國(guó)DIEHL公司車輛迫停產(chǎn)品,系統(tǒng)輸出峰值功率為4GW,脈沖重復(fù)頻率為60Hz,中心頻率為350MHz,3dB帶寬為50MHz,最大輻射脈沖串持續(xù)時(shí)間為180s,針對(duì)具備電子引擎控制的75%的車輛的迫停距離為3m～15m。窄帶高功率微波車輛迫停系統(tǒng)研制單位主要有美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室(ARL)和英國(guó)e2v公司。圖1(c)為美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室研制的用于公路執(zhí)法車上機(jī)動(dòng)使用的車輛迫停系統(tǒng),據(jù)報(bào)道該系統(tǒng)采用了峰值功率為2MW的微波功率源,輻射天線增益為13dB,等效輻射功率約為40MW[3]。圖2(d)為英國(guó)e2v公司最近研制的RF Safe-Stop System工程樣機(jī),未披露具體參數(shù)信息。國(guó)內(nèi)研制車輛迫停系統(tǒng)的單位主要有中國(guó)工程物理研究院和中國(guó)電科29所,其中中國(guó)工程物理研究院研制的寬譜電磁脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)[4-6]為:Marx發(fā)生器輸出電壓達(dá)500kV,脈沖重復(fù)頻率為20Hz,輻射因子為195kV,中心頻率為200MHz,頻譜寬度為37%。

圖1　國(guó)外代表性的車輛迫停系統(tǒng)[2-3]

關(guān)于車輛迫停領(lǐng)域的文獻(xiàn)報(bào)道主要集中于系統(tǒng)的主要性能及參數(shù),而針對(duì)作用對(duì)象(即車輛)的研究報(bào)道并不多見(jiàn)[7-8]。本文旨在分析高功率微波對(duì)車輛擾亂的效應(yīng)機(jī)理,通過(guò)測(cè)定車載電子控制單元(ECU)輸出信號(hào),闡明了高功率微波攻擊車輛致其熄火的原因。通過(guò)分析車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理,同步監(jiān)測(cè)車體輻射電磁信號(hào),獲取車輛易受攻擊的敏感頻段的重要數(shù)據(jù),有利支撐車輛迫停系統(tǒng)的研制工作。

1　高功率微波輻射對(duì)ECU的擾亂效應(yīng)

高功率微波一般通過(guò)“前門(mén)”和“后門(mén)”耦合到電子系統(tǒng),當(dāng)耦合信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)一定閾值后可造成電子系統(tǒng)的擾亂或損傷。高功率微波輻射導(dǎo)致車輛發(fā)動(dòng)機(jī)熄火效應(yīng)屬于“后門(mén)”耦合方式,即通過(guò)汽車引擎蓋下方的散熱孔縫耦合上脈沖電場(chǎng)并作用于連接ECU的連接電纜使其感應(yīng)脈沖電壓,當(dāng)感應(yīng)的脈沖電壓超過(guò)擾亂閾值后將造成ECU輸出控制信號(hào)嚴(yán)重紊亂,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。圖2給出了微波輻射對(duì)車輛電子系統(tǒng)(主要是ECU)擾亂的主要過(guò)程,其中ECU輸出的燃油噴射信號(hào)和點(diǎn)火信號(hào)的紊亂是致使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的直接原因。

圖2　微波輻射致使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的攻擊過(guò)程

車輛迫停系統(tǒng)攻擊的主要對(duì)象為車載ECU,因此有必要研究ECU的主要構(gòu)成。圖3為車載ECU的功能簡(jiǎn)要框圖,傳感器部分主要包括凸輪軸位置傳感器、空氣流量傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、車速傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器和氧傳感器,這些傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)提供給ECU決策并使執(zhí)行器進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。需要說(shuō)明的是,圖3僅給出本文工作涉及的ECU功能,因此執(zhí)行器部分只描述了點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)和燃油噴射信號(hào)。

圖3　車載ECU功能簡(jiǎn)要框圖

采用高速數(shù)字示波器順序觸發(fā)模式下獲取了某型車輛ECU輸出的40個(gè)燃油噴射信號(hào)脈沖重復(fù)周期數(shù)據(jù),如圖4所示。從圖4中可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)在正常怠速情況下,燃油噴射信號(hào)的脈沖重復(fù)周期PRI約為140ms～150ms。而當(dāng)車輛受到高功率微波脈沖攻擊后,脈沖重復(fù)周期劇烈下降并發(fā)生無(wú)規(guī)律波動(dòng),數(shù)據(jù)變化范圍為6ms～44ms。這說(shuō)明車輛受到微波攻擊后,ECU輸出的燃油噴射信號(hào)數(shù)量大幅增加,造成了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)空燃比遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到正常水平,氣缸內(nèi)油氣混合物中燃油含量過(guò)高,燃燒不充分,車輛尾部排出大量黑煙。

圖4　ECU輸出燃油噴射信號(hào)脈沖重復(fù)周期的變化

試驗(yàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)了ECU在高功率微波攻擊前后輸出的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào),其中橫坐標(biāo)為50ms/格,縱坐標(biāo)為5V/格,結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為車輛正常怠速情況下ECU輸出的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào),脈沖重復(fù)周期約40ms。受微波攻擊后,點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)生意外丟失的現(xiàn)象,如圖5(b)中虛線框和橢圓形指示位置所示。結(jié)合圖4中數(shù)據(jù)可以推斷,ECU受微波攻擊后,單位時(shí)間內(nèi)輸出的燃油噴射信號(hào)數(shù)量大幅增加,而同時(shí)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)數(shù)量無(wú)規(guī)律減少,氣缸內(nèi)燃油噴射過(guò)量。而當(dāng)氣缸內(nèi)燃油含量超過(guò)一定值后,火花塞無(wú)法點(diǎn)燃油氣混合物,造成發(fā)動(dòng)機(jī)被迫熄火。

圖5　ECU輸出的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)的變化(a)正常怠速;(b)受微波攻擊后

圖6給出ECU中凸輪軸位置傳感器信號(hào)的示波器截圖波形,橫坐標(biāo)為0.5ms/格,縱坐標(biāo)為5V/格,脈沖幅值為3.9V,脈沖重復(fù)周期約0.4ms。本文受試車輛凸輪軸位置傳感器屬于霍爾效應(yīng)傳感器,它通過(guò)采集曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并傳輸至ECU,以便ECU確定點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻。脈沖重復(fù)周期的大小反映了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。當(dāng)車輛受到高功率微波攻擊后,凸輪軸位置信號(hào)的脈沖重復(fù)周期迅速增大,同時(shí)脈沖幅值未發(fā)現(xiàn)顯著變化,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降并難以維持穩(wěn)定,車載儀表盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指針在低速位置附近的劇烈抖動(dòng)。當(dāng)受試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)被高功率微波輻射攻擊至熄火后,凸輪軸位置傳感器信號(hào)消失。

圖6　ECU的凸輪軸位置傳感器信號(hào)

2　車輛敏感頻段測(cè)試

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí),通過(guò)火花塞周期性的擊穿產(chǎn)生電火花從而點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的油氣混合物。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)主要由蓄電池、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、分電器、點(diǎn)火線圈、高壓阻尼線和火花塞組成,其等效電路如圖7所示[9]。次級(jí)線圈產(chǎn)生的高壓擊穿火花塞后,次級(jí)電路中的電容迅速放電。由于放電時(shí)間較短和電流較大,放電過(guò)程形成的干擾電流通過(guò)點(diǎn)火線圈傳導(dǎo)至高壓阻尼線和控制線等線束,形成寬頻帶的強(qiáng)烈電磁輻射,這是車輛電磁兼容設(shè)計(jì)中的難題[10-12]。本文試驗(yàn)利用監(jiān)測(cè)車輛自身輻射的電磁信號(hào)來(lái)評(píng)估微波攻擊造成的點(diǎn)火系統(tǒng)工作狀態(tài)變化,從而獲取車輛的易受攻擊的敏感頻段數(shù)據(jù)。

圖7　點(diǎn)火系統(tǒng)的等效電路[9]

為了精確接收車輛的輻射信號(hào),排除環(huán)境的雜亂頻譜信號(hào)的干擾,試驗(yàn)在微波暗室中進(jìn)行,測(cè)試原理框圖如圖8所示。車輛輻射的信號(hào)由ETS 公司93146型標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)周期天線接收,經(jīng)3dB功分器后分別輸入Rohde&Schwarz 公司RTO1044型數(shù)字示波器和安捷倫公司E4408B型頻譜儀。

圖8車輛電磁輻射信號(hào)測(cè)試框圖

試驗(yàn)選取了某型車作為效應(yīng)對(duì)象,在正常怠速情況下輻射信號(hào)的時(shí)域波形如圖9(a)所示,波形峰峰值約90mV,脈沖寬度約25ns。對(duì)應(yīng)的頻譜如圖9(b)所示,可以看出低端頻率主要集中于60MHz左右,高端頻率主峰為753MHz左右。

圖9　車輛電磁輻射信號(hào)的時(shí)域波形(a)和頻譜(b)

為了定量測(cè)試車輛的敏感頻段,試驗(yàn)框圖如圖10所示。試驗(yàn)儀器主要包括Rohde&Schwarz信號(hào)源、Amplifier Research射頻功率放大器和標(biāo)準(zhǔn)天線。通過(guò)改變輻射信號(hào)的輸出頻率(其中本次試驗(yàn)頻率范圍為300MHz～4GHz,信號(hào)源設(shè)置為慢速掃頻模式)測(cè)試車輛自身輻射信號(hào)的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)車輛受到某些敏感頻段(主要位于L和S波段)的信號(hào)攻擊時(shí),由于敏感頻段的干擾信號(hào)作用于車輛孔縫和線束的耦合效率較高,導(dǎo)致ECU輸出的點(diǎn)火信號(hào)受到嚴(yán)重干擾。車輛輻射信號(hào)的波形峰值發(fā)生大幅減小,輻射信號(hào)的頻譜分布未發(fā)現(xiàn)顯著改變,儀表盤(pán)指示的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指針抖動(dòng)并下降。當(dāng)敏感頻段的干擾信號(hào)持續(xù)攻擊3s以上,發(fā)動(dòng)機(jī)被迫熄火。

圖10效應(yīng)試驗(yàn)框圖

3　結(jié)束語(yǔ)

在高功率微波輻射條件下,車輛電子控制單元輸出的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)和燃油噴射信號(hào)波形發(fā)生顯著改變,點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)生意外丟失,燃油噴射信號(hào)脈沖重

復(fù)周期迅速縮短,直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混入過(guò)量燃油,火花塞無(wú)法使油氣混合物成功點(diǎn)燃,迫停發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降甚至熄火。本文通過(guò)分析了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理,提出采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車體輻射電磁信號(hào)的試驗(yàn)方法,可獲取車輛易受攻擊的敏感頻段數(shù)據(jù)。深入理解微波輻射擾亂車輛電子系統(tǒng)的效能過(guò)程及試驗(yàn)測(cè)定車輛的敏感頻段對(duì)于工程研制車輛迫停系統(tǒng)具有重要參考價(jià)值。后續(xù)需要針對(duì)多種典型車輛的敏感頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定、分析和梳理,形成效應(yīng)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù),為研制車輛迫停系統(tǒng)的頻段選擇方面提供重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

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Mechanism Analysis of High Power Microwave for Stopping Vehicles

YAN Zhen-lin, XU Jian-jun, XIAO Kai-qi

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036, China)

Mechanism of engine forced stall by high power microwave radiation is clarified by analyzing the evolutionary process of fuel injector and ignition signal outputted by electronic control unit. Experimental results suggest that accidental loss of ignition signals occurs under the condition of microwave radiation disruption. The pulse repetition interval of fuel injector signals also rapidly decreases. Because excess gasoline is ejected into engine cylinder, mixture of gasoline and air cannot be ignited by spark plug, and the engine speed is forced slowdown until completely stop. The principle of ignition system of engine is analyzed. Measured method of frequency susceptibility for vehicle engine is proposed by monitoring the emitted electromagnetic signal of the engine.

high power microwave; system of stopping vehicles; electronic control unit; electromagnetic pulse; electromagnetic radiation

1673-3819(2016)04-0134-04

2016-06-11

2016-07-01

鄢振麟(1984-),男,江西南豐人，博士,工程師,研究方向?yàn)楦吖β饰⒉ā?/p>

許建軍(1974-),男,博士,高級(jí)工程師。

TN12；U467.5

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.027

肖開(kāi)奇(1962-),男,博士,研究員。