美國水面艦船電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)淺析

李超，吳垚，袁犇

?

美國水面艦船電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)淺析

李超1，吳垚2，袁犇3

（1. 海軍裝備研究院，上海 200235；2. 92602 部隊，上海 201900；3. 91656部隊， 上海）

為了提高強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)能力，必須面對雷電、核電磁脈沖高功率微波的挑戰(zhàn)。首先分析了水面艦船電磁脈沖能量的耦合方式和途徑，包括“前門”耦合，“后門”耦合，并在此基礎(chǔ)上分析了國外水面艦船，主要是美國水面艦船強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)及要求，為我國水面艦船的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制訂提供技術(shù)參考。

電磁脈沖；標(biāo)準(zhǔn)分析；水面艦船

強(qiáng)電磁脈沖是一種瞬變電磁現(xiàn)象，也是一種寬頻段、高功率的電磁環(huán)境。強(qiáng)電磁脈沖可以由雷電等自然現(xiàn)象產(chǎn)生，也可以由核武器或電磁脈沖武器等產(chǎn)生[1]。

電磁脈沖對武器裝備尤其是電子信息裝備破壞性極大，可能造成通信癱瘓、指揮失靈、性能下降甚至喪失等，直接影響武器裝備的戰(zhàn)斗效能發(fā)揮和戰(zhàn)場生存能力。水面艦船作為海上主要作戰(zhàn)平臺，具有高科技電子信息裝備十分密集的顯著特點[2]。平臺內(nèi)安裝有大量復(fù)雜的各種電子設(shè)備[3]、電氣設(shè)備和作戰(zhàn)武器系統(tǒng)。一艘典型水面艦船上的電子設(shè)備包括幾十臺發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，幾十副以上的通訊和雷達(dá)天線等。研究表明，一旦遭受敵方電磁脈沖武器的打擊，艦船上的眾多天線[4]、電纜和管道等金屬導(dǎo)體就可能收集到巨大的電磁脈沖能量，使與這些導(dǎo)體相連的電子、電氣系統(tǒng)被干擾甚至損壞，從而導(dǎo)致艦船的作戰(zhàn)性能降級甚至喪失作戰(zhàn)能力[5]。因此為了提高水面艦船強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)能力，就需要針對雷電脈沖、核電磁脈沖、高功率微波和超寬帶強(qiáng)電磁脈沖等類型的強(qiáng)干擾威脅，分析外軍主要是美軍水面艦船電磁脈沖能量的耦合方式和途徑[6]，對國內(nèi)外水面艦船防護(hù)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)要求開展研究。

1 水面艦船電磁脈沖能量耦合方式和途徑

任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的耦合途徑（或傳輸通道）。通常有兩種耦合方式：一種是傳導(dǎo)耦合，另一種是輻射耦合[7]。

傳導(dǎo)耦合必須在干擾源和敏感電子設(shè)備之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個連接鏈路傳到敏感設(shè)備，發(fā)生干擾破壞現(xiàn)象。輻射耦合是指干擾信號通過空間傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間輻射。常見的輻射耦合有三種：干擾信號被天線接收，稱為天線耦合；空間輻射干擾信號經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)耦合，稱為場對線的耦合；兩根平行導(dǎo)線之間的高頻信號感應(yīng)，稱為線對線耦合。

輻射耦合是指電磁脈沖能量以電磁輻射方式通過空間對系統(tǒng)形成的耦合。其耦合方式主要有電磁脈沖對天線的耦合、對電纜等長導(dǎo)體的耦合、對孔洞與縫隙的耦合等。傳導(dǎo)耦合則是指電磁脈沖能量以電壓或電流形式通過金屬導(dǎo)體或元件（如電容器、變壓器）對系統(tǒng)形成的耦合。

水面艦船屬于大型金屬結(jié)構(gòu)，它暴露在電磁場中就成為輻射能量的接收器。當(dāng)電磁脈沖沖擊到一艘艦艇時，某些輻射能量通過艙口、通道、窗口及縫隙直接穿透至甲板下隔艙。其中大部分接收到的脈沖能量通過艦上天線、外部電纜、管道等進(jìn)入內(nèi)部的電子系統(tǒng)，并耦合到電線、電纜、設(shè)備附件上，使敏感電子設(shè)備突然承受到較大的沖擊電流，從而干擾甚至損壞C4ISR系統(tǒng)和電氣設(shè)備，導(dǎo)致水面艦船作戰(zhàn)性能降級甚至喪失作戰(zhàn)能力。

在電磁脈沖環(huán)境中運行的電子、電力系統(tǒng)，電磁脈沖能量可通過各種途徑進(jìn)入系統(tǒng)，這些進(jìn)入途徑主要有：天線或起天線作用的長導(dǎo)體和環(huán)狀導(dǎo)體對電磁能量的收集；電線、電纜的耦合與傳導(dǎo)；對設(shè)備殼體的穿透；通過金屬殼體上縫、孔、洞的耦合；金屬框架、管道等的結(jié)構(gòu)耦合。

通常電磁脈沖能量進(jìn)入水面艦船內(nèi)部的途徑有：通信、雷達(dá)天線；船艙外部的電力、信號電纜和波導(dǎo)；對艦船殼體和設(shè)備殼體的穿透；通過艙口、通道、窗口及縫隙進(jìn)入艦船內(nèi)部；通過通風(fēng)管等金屬管道進(jìn)入艦艇內(nèi)部。電磁脈沖進(jìn)入水面艦船內(nèi)部的耦合途徑如圖1所示。

圖1 電磁脈沖能量進(jìn)入水面艦船的耦合途徑

水面艦船暴露在電磁脈沖環(huán)境中，電磁脈沖能量進(jìn)入艦艇內(nèi)部的途徑是多方面的，由于艦面上層建筑復(fù)雜，電磁脈沖潛在的進(jìn)入部位非常多。美國海軍在研究水面艦船電磁脈沖防護(hù)與加固技術(shù)時進(jìn)行了全艦電磁脈沖試驗，并對電磁脈沖能量進(jìn)入水面艦船內(nèi)部的耦合途徑進(jìn)行了分析。圖2給出了美國“宙斯盾”巡洋艦“安吉奧”艦（USS Anzio，CG68）作戰(zhàn)系統(tǒng)中電磁脈沖潛在的進(jìn)入部位。從圖2中可以看出，這些潛在進(jìn)入部位主要是作戰(zhàn)系統(tǒng)的雷達(dá)、通信天線，以及艙面、側(cè)舷武器開孔處。

對于水面艦船艦載電子、武器系統(tǒng)來說，電磁脈沖進(jìn)入的耦合途徑又分為“前門”和“后門”兩種途徑。“前門”指設(shè)備的天線，“后門”指設(shè)備的連接電纜、機(jī)殼或屏蔽箱體上的洞孔等。

圖2 “安吉奧”艦作戰(zhàn)系統(tǒng)中電磁脈沖潛在的進(jìn)入部位

“前門”耦合是指電磁脈沖能量直接通過天線進(jìn)入包含有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的系統(tǒng)。通信、雷達(dá)及電子對抗設(shè)備的天線是“前門”耦合的主要對象。其天線的功能是將能量耦合進(jìn)設(shè)備，這就為電磁脈沖能量進(jìn)入設(shè)備并造成破壞提供了有效的途徑。天線是用來收集能量的，艦載C4ISR系統(tǒng)艙面上的天線都具備這種作用。

“前門”耦合一般是單通道耦合，接收天線一般具有方向性和通頻帶，與天線相匹配的傳輸線、低通或高通濾波器也只能傳輸一定頻率的信號。因此，只有當(dāng)電磁脈沖信號的頻率落在接收天線的帶寬內(nèi)，耦合功率最強(qiáng)。電磁脈沖信號頻率落在接收天線帶寬外時，耦合功率一般很??；頻率在通頻帶上時，耦合能量按頻率的平方關(guān)系迅速下降；頻率在通頻帶以下時，按頻率的四次方關(guān)系迅速下降。

由于高功率微波覆蓋范圍廣，并且傳播到海面上的水面艦船處時為平面波的形式，場強(qiáng)峰值沒有變化，基本上沒有方向性。艦載電子、武器系統(tǒng)的天線一般都裝有保護(hù)器件，用于限制進(jìn)入天線的電磁能量。例如一般雷達(dá)接收機(jī)的前部都裝有開關(guān)和限幅器以保護(hù)后面的電路，但是由于電磁脈沖是場強(qiáng)非常高、時間非常短（納秒級）的窄脈沖，一般保護(hù)器件對外界電磁能量的響應(yīng)時間超過電磁脈沖通過時間，因此對其抑制作用很小，電磁脈沖能量可以直接通過天線端保護(hù)器件直接進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部[8]。

“前門”（天線）是電磁脈沖能量進(jìn)入水面艦船艦載電子、武器系統(tǒng)的一個最主要的途徑。天線吸收的電磁脈沖能量可以直接毀壞天線接收設(shè)備，也可以通過天線進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，破壞系統(tǒng)內(nèi)部的電子元器件，從而破壞系統(tǒng)的功能。

“后門”耦合是指電磁脈沖能量通過電子設(shè)備外殼的開口與縫隙進(jìn)入設(shè)備，或在設(shè)備之間的連接電纜上產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾信號。

水面艦船艦載電子、武器系統(tǒng)“后門”耦合電磁脈沖能量的方式主要有以下幾種。

1）傳導(dǎo)耦合方式。電磁脈沖能量耦合至水面艦船甲板的外部信號電纜上，這些電纜直接與艦艇艙室內(nèi)部的電子設(shè)備相連，耦合能量直接進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。電磁脈沖能量耦合至水面艦船甲板的外部電力電纜上，通過電力系統(tǒng)進(jìn)入艙室內(nèi)部的電子設(shè)備。

2）輻射耦合方式。電磁脈沖能量通過艙口、通道、窗口及縫隙輻射進(jìn)入或穿透艦艇殼體進(jìn)入艦艇艙室內(nèi)。這些輻射進(jìn)入的能量又通過設(shè)備上的開孔、縫隙進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。

3）交叉耦合方式。電磁脈沖能量耦合在艦艇甲板外部電力、信號電纜上，進(jìn)入艙室后這些電纜輻射電磁脈沖能量，通過輻射和傳導(dǎo)耦合方式進(jìn)入艙室內(nèi)其他電子設(shè)備內(nèi)部。通過艙口、通道、窗口及縫隙輻射進(jìn)入或穿透艦艇殼體進(jìn)入艦艇艙室內(nèi)的電磁脈沖能量，耦合至信號或電力電纜上，通過傳導(dǎo)方式耦合進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部。

“后門”耦合是多通道耦合：耦合強(qiáng)度與孔縫的數(shù)目、尺寸、形狀以及截止的頻率有關(guān)，電磁脈沖信號在耦合的過程中可能出現(xiàn)“共振增強(qiáng)”的現(xiàn)象；通過等效天線（偶極子和磁極子）將高頻能量耦合到低頻電路中；通過“整流”或“互調(diào)”將射頻信號變換成“視頻脈沖”或帶寬信號，該信號傳遍整個電子系統(tǒng)而發(fā)生作用，在傳輸過程中因寄生諧振可能會在電路中產(chǎn)生頻率等于兩個或多個基頻、諧波之和或差的信號。

水面艦船內(nèi)各種電子設(shè)備的機(jī)箱，大部分是用金屬板材加工組合而成的。由于技術(shù)水平的限制和功能的需要，存在孔縫是難免，有的還要在殼體上開口。如各種操作平臺的顯示器、通風(fēng)散熱窗口、操作顯示窗口、電源、信號的出入口、各種表頭顯示觀察窗口、燈座、開關(guān)和操作按鍵安裝孔、接縫處的縫隙等，這些孔隙是電磁脈沖能量進(jìn)入的重要途徑。另外，艦艇上線纜分布非常廣泛?？梢姟昂箝T”耦合具有相當(dāng)?shù)钠毡樾訹9]。

從水面艦船的結(jié)構(gòu)和敏感電子設(shè)備的布置特點來看，艦載電子、武器系統(tǒng)中的敏感電子設(shè)備置于甲板以下封閉的金屬艙室內(nèi)，其中重點敏感設(shè)備艙室為屏蔽艙室。另一方面，艦面甲板上露天電力、信號等電纜均為屏蔽電纜，因此電磁脈沖能量難以直接通過“后門”耦合途徑進(jìn)入敏感設(shè)備內(nèi)部，主要通過艦面布置的天線（“前門”）耦合進(jìn)入敏感設(shè)備內(nèi)部。

2 國外水面艦船強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求分析

美國在水面艦船強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域開展研究時間長、成果多，標(biāo)準(zhǔn)相對全面。因此對美國艦船強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的分析有助于我們了解和借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，更好地制定適合我國的水面艦船電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 雷電電磁脈沖防護(hù)要求標(biāo)準(zhǔn)

涉及水面艦船雷電電磁脈沖防護(hù)要求的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)主要是MIL-STD-464C《電磁環(huán)境效應(yīng)要求和方法》，該標(biāo)準(zhǔn)的5.5條為雷電要求。

系統(tǒng)在雷電的直接和間接效應(yīng)下，均需滿足其工作性能要求。軍械在暴露狀態(tài)下經(jīng)受近距雷擊或在封存狀態(tài)下經(jīng)受直接雷擊之后，應(yīng)滿足其工作性能要求。軍械在經(jīng)受暴露狀態(tài)下直接雷擊的期間及之后，仍需保證安全。表1提供了與直接雷擊引起的間接效應(yīng)相關(guān)的雷電環(huán)境數(shù)據(jù)，表2適用于近距雷擊環(huán)境。符合性應(yīng)通過系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和部件（如結(jié)構(gòu)和天線罩）級試驗、分析或其組合來驗證[10]。

表1 雷電間接效應(yīng)波形參數(shù)

表2 雷電間接效應(yīng)波形特征

2.2 核電磁脈沖防護(hù)要求標(biāo)準(zhǔn)

涉及水面艦船核電磁脈沖防護(hù)要求的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)主要包括：MIL-STD-464C《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》、MIL-STD-461F《設(shè)備與分系統(tǒng)電磁干擾控制要求》。464C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用于艦船平臺的核電磁脈沖防護(hù)要求，461F標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用于艦載設(shè)備和分系統(tǒng)的核電磁脈沖防護(hù)要求。

1）MIL-STD-464C《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》中5.6條規(guī)定的電磁脈沖要求如下：系統(tǒng)在承受電磁脈沖環(huán)境以后，需要滿足其工作性能要求。相應(yīng)的電磁環(huán)境有不同的類別，且在MIL-STD-2169《高空電磁脈沖環(huán)境》中有定義。僅在訂購方有明確要求時，該條件才適用。符合性應(yīng)通過系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備級試驗、分析或其組合來驗證MIL-STD-2169標(biāo)準(zhǔn)為秘密級標(biāo)準(zhǔn)，其要求限值波形未對外公布，MIL-STD-464C給出了可供參考的核電磁脈沖環(huán)境要求，如圖3所示。

圖3 核電磁脈沖環(huán)境要求

2）MIL-STD-461F《設(shè)備與分系統(tǒng)電磁干擾控制要求》中5.21條為RS105瞬態(tài)電磁場輻射敏感度，其條文規(guī)定：當(dāng)設(shè)備或分系統(tǒng)安裝在加固（屏蔽）的平臺或設(shè)施的外部時，RS105適用于水面艦船、潛艇、陸軍飛機(jī)（包括機(jī)場維護(hù)工作區(qū)）、海軍飛機(jī)和海軍地面上的設(shè)備和分系統(tǒng)殼體。訂購方有規(guī)定時，RS105既適用于上述平臺中只預(yù)定使用于非金屬平臺上的設(shè)備，也適用于空間系統(tǒng)平臺上的設(shè)備。對于陸軍飛機(jī)上用于安全目的的關(guān)鍵性安全設(shè)備或分系統(tǒng)，當(dāng)其安裝在外部時，RS105也適用。當(dāng)按該標(biāo)準(zhǔn)中圖2-3所示試驗信號的波形和幅度進(jìn)行試驗時，受試設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值，或超出單個設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差。至少施加5個脈沖，重復(fù)頻率步重復(fù)頻率不超過1個脈沖/min。

2.3 高功率微波防護(hù)要求標(biāo)準(zhǔn)

涉及水面艦船高功率微波防護(hù)要求的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)主要是MIL-STD-464C《電磁環(huán)境效應(yīng)要求和方法》，該標(biāo)準(zhǔn)的5.4條規(guī)定了高功率微波防護(hù)要求。

系統(tǒng)在承受窄帶或?qū)拵Ц吖β饰⒉ㄖ?，仍需滿足其工作性能要求。利用經(jīng)過諸如《Capstone Threat Assessment Report》權(quán)威驗證的具有威脅的源數(shù)據(jù)，并基于系統(tǒng)工作情況、方案和任務(wù)要求，訂購方需提供系統(tǒng)可適用的場級和高功率微波脈沖特性。僅在訂購方有明確要求時，該條件才適用。符合性應(yīng)通過系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備級試驗、分析或其組合來驗證。

3 結(jié)語

國外水面艦船強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)及要求的分析能為我國水面艦船的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)提供一定的技術(shù)參考，對我國水面艦船的抗強(qiáng)電磁脈沖標(biāo)準(zhǔn)制訂具有較好的借鑒作用。

[1] RADASKY W A, BAUM C E, WIK M W. Introduction to the Special Issue on High-Power Electromagnetics and Intentional Electromagnetic Interference[J]. IEEE Trans Electromagn Compat, 2004, 46(3): 314-321.

[2] 鄭生全, 吳曉光, 朱英富. 艦船平臺強(qiáng)電磁脈沖威脅與防護(hù)要求[J]. 微波學(xué)報, 2010, 35(8): 101-106.

[3] JOSEPH R M, RONALD J C. Modeling of Army Research Laboratory EMP Simulators[J]. IEEE Trans NS, 1993, 40(6): 1967-1976.

[4] 顏克文, 阮成禮, 吳多龍. 通信系統(tǒng)在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下的電磁防護(hù)[J]. 裝備環(huán)境工程, 2008, 5(3): 76-80.

[5] GARCIA E. Electromagnetic Aompatibility Uncertainty, Risk, and Margin Management[J]. IEEE Trans Electrom- agn Compat, 2010, 52(1): 3-10.

[6] 楊繼坤, 牛龍飛, 李進(jìn), 等. 艦船系統(tǒng)級強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)試驗與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2016, 44(1): 22-26.

[7] MENG Cui, CHENG Yu-sheng, LIU Shun-kun. Numerical Simulation of Early-time High Altitude Electromagnetic Pulse[J]. Chinese Journal of Physics, 2003, 12(12): 484-488.

[8] 李小偉, 孫鳳杰. 系統(tǒng)級電磁脈沖模擬源輻照試驗方法[J]. 信息與電子工程, 2012, 10(5): 551-553.

[9] 陳煒峰. 電磁脈沖模擬器及其應(yīng)用研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2007.

[10] JUMP M E, EMBERSON W C. Ship Eleetromagnetic Pulse Survivability Trial[J]. Naval Engineers Journal, 1991, 10(3): 136-140.

Protective Standards for Electromagnetic Pulse of American Surface Ship

LI Chao, WU Yao, YUAN Ben

(1.Naval Academy of Armament, Shanghai 200235, China; 2.92602 Unit of the PLA, Shanghai 201900, China; 3.91656 Unit of the PLA, Shanghai, China)

To improve the protective capability of strong electromagnetic pulse, the challenges of the thunder, nuclear electromagnetic pulse (EMP) must be faced. The coupling mode and way for EMP power of surface ship was analyzed, include front gate coupling and back gate coupling. Based on this analysis, the standard and requirement on EMP protection of surface ship were analyzed. It provides an effective reference to make our own EMP protective standards.

electromagnetic pulse (EMP); standards analysis; surface ship

TJ83

A

1672-9242(2018)03-0071-05

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.015

2017-10-18；

2017-11-03

李超（1984—），男，湖南湘潭人，碩士，工程師，主要研究方向為電子信息系統(tǒng)、射頻識別、標(biāo)準(zhǔn)化。