外軍水面艦艇電磁兼容發(fā)展研究*

徐亞光 毛建舟

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

電 磁 兼 容 性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)［1]。

它包括兩層含義：一是設(shè)備、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計的工作性能，且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級；二是設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來不可接受的電磁干擾［2]。

艦船電磁兼容就是指運(yùn)用合理的措施使艦船上的設(shè)備、電引爆武器、燃油、人體等在所處的電磁環(huán)境中不引起電磁危害和避免系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)不允許的性能降低的最優(yōu)狀況。

隨著信息化武器裝備的快速發(fā)展，武器裝備的電磁兼容問題越來越引起人們的關(guān)注。海軍是信息化武器高度密集的軍種，尤其艦艇是承載大量信息化武器裝備的海上作戰(zhàn)平臺，對電磁頻譜依賴性大，電磁兼容問題更為突出。若不能很好解決這一問題，將制約海軍戰(zhàn)斗力的發(fā)展。美、俄等國是海軍大國，擁有數(shù)量眾多的海軍艦艇，他們非常重視艦船電磁環(huán)境的研究和控制，研究外軍電磁兼容技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢對我海軍水面艦艇電磁兼容研究具有借鑒和啟示意義［3]。

2 外軍水面艦艇電磁兼容現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家海軍非常重視電磁兼容問題，投入了大量人力、財力，建立專門機(jī)構(gòu)深入開展研究，使電子設(shè)備（系統(tǒng)）對惡劣多變的電磁環(huán)境的適應(yīng)能力不斷得到改善。特別是美國海軍，其電磁兼容管理水平和技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位。

2.1 規(guī)劃管理機(jī)制健全

美國國防部組建了聯(lián)合頻譜中心（Joint Spectrum Center），以便改善電磁環(huán)境效應(yīng)的整個控制，將潛在的干擾危害區(qū)劃分為5大范圍，每一范圍需根據(jù)其自身的解決辦法作一個詳細(xì)的分析。該5個范圍分別是平臺間的電磁干擾、平臺內(nèi)的電磁干擾、現(xiàn)用商品研制設(shè)備的電磁干擾（EMI）、武器和軍械系統(tǒng)以及頻譜管理等［4]。

美國海軍建立統(tǒng)一的管理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)——特別戰(zhàn)術(shù)電磁系統(tǒng)執(zhí)行委員會，全面負(fù)責(zé)海軍艦船電磁兼容工程，對電磁兼容管理有明確的政策。美國海軍海上系統(tǒng)司令部，是美國海軍艦船技術(shù)保障工作的主要組織者和主要實(shí)施機(jī)構(gòu)。在其中一個工程處，專門設(shè)置一個機(jī)構(gòu)叫艦船電磁兼容改進(jìn)項目組，它負(fù)責(zé)整個海軍艦船電磁兼容性技術(shù)的具體規(guī)劃管理。對艦艇干舷部的設(shè)計，美國早在20世紀(jì)80年代初就在海上系統(tǒng)司令部專門建立了一個干舷部綜合設(shè)計工程委員會（TIDEI），負(fù)責(zé)提出新艦設(shè)計和艦艇現(xiàn)代化改裝時干舷部的工程設(shè)計方案。海軍內(nèi)部成立一個包括論證、設(shè)計、建造和驗收、維修保障、使用等部門的人員組成的海軍電磁兼容咨詢委員會。這個委員會負(fù)責(zé)討論、建議、提供所有的電磁兼容方面的技術(shù)咨詢，它同時也鑒別和檢查潛在的、實(shí)際的電磁干擾，并推薦解決的方法［5]。

美軍為保障現(xiàn)役艦艇電磁兼容性，采用定期對現(xiàn)役艦艇進(jìn)行電磁兼容性復(fù)測或檢查的方法，實(shí)現(xiàn)了在使用過程中對艦艇電磁環(huán)境的全過程實(shí)施控制管理。第七艦隊的橫須賀基地在其修理設(shè)施的系統(tǒng)準(zhǔn)備、檢查和鑒定業(yè)務(wù)范圍中，就專門包含電磁干擾的內(nèi)容，它屬于太平洋艦隊維修中心的海軍中級維修部門。美國海軍要求每艘艦艇必須配有電磁干擾控制軍官，并規(guī)定其職責(zé)是保持艦船總體電磁兼容的完整性。

俄海軍艦艇天線林立，電磁兼容問題突出。為了有效控制艦艇電磁干擾，俄海軍在裝備設(shè)計和制造部門的幫助下，通過試驗，為主戰(zhàn)艦艇配有艦艇電磁兼容戰(zhàn)斗文書。文書對艦艇雷達(dá)工作扇面、功率、頻率等指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)定，對同型艦艇編隊的方位、距離等要求均詳細(xì)量化。文書由艦艇電子戰(zhàn)軍官保管，供艦長作戰(zhàn)、訓(xùn)練時決策使用。

2.2 設(shè)計理念和方法先進(jìn)

美國海軍要求電磁兼容工作從裝備研制初期開始，貫穿于壽命期的始終。明確電磁兼容工作階段劃分、工作內(nèi)容和職責(zé)。這些在美國海軍指令指示及標(biāo)準(zhǔn)中得到體現(xiàn)（如MIL-HDBK-237）。

國外在20世紀(jì)70年代就十分重視EMC預(yù)測與分析的研究，一些發(fā)達(dá)國家的研究部門在采用物理仿真的同時，開展了EMC數(shù)學(xué)建模工作。到80年代后期，已研制開發(fā)了多種艦船電磁設(shè)計工具（或軟件），用于分析處理現(xiàn)代艦船總體設(shè)計中的電磁干擾問題，并建立了大型的數(shù)據(jù)庫中心，為預(yù)測分析服務(wù)。90年代，著重于電磁工程設(shè)計中計算機(jī)圖形技術(shù)、三維顯像技術(shù)和電磁計算方法研究。

綜觀電磁兼容性技術(shù)發(fā)展，大致分為以下三個階段：1）問題解決法，出現(xiàn)干擾問題再解決，這是在發(fā)展早期采用的方法；2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，這是經(jīng)過一定時間實(shí)踐后所采用的主要方法；3）系統(tǒng)法，應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)計算機(jī)技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為指導(dǎo)，對未來的電磁兼容性控制目標(biāo)進(jìn)行不斷地優(yōu)化預(yù)測設(shè)計，同時對整個設(shè)計建造過程實(shí)施控制管理，提高了效費(fèi)比，這是目前最為科學(xué)的方法。［6]

美國海軍已走過了問題解決法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法階段，目前主要采用先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計法。美國海軍以大型的數(shù)據(jù)庫為支撐，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模，采用先進(jìn)的電磁設(shè)計工具和可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁兼容仿真設(shè)計。目前國外先進(jìn)的艦船電磁數(shù)字仿真系統(tǒng)由美國海軍海上系統(tǒng)司令部與洛克威爾公司聯(lián)合開發(fā)研制的艦船電磁工程設(shè)計軟件和歐洲IDS公司的“Ship EDF”艦船電磁設(shè)計平臺等。

2.3 試驗及評估手段完善

美國擁有多個用于不同試驗?zāi)康碾姶偶嫒輰?shí)驗室，可以開展從設(shè)備級、系統(tǒng)級到總體級的電磁兼容性研究和檢測，可以有效解決驗證、評估、驗收問題。

位于美國馬里蘭州的美國海軍航空兵作戰(zhàn)中心擁有超過15個電磁環(huán)境效應(yīng)（E3）的試驗設(shè)施和場地，主要從事海軍和空軍的電磁環(huán)境效應(yīng)研究、開發(fā)、試驗和評估工作。包括電磁環(huán)境效應(yīng)工程分析、試驗計劃、傳導(dǎo)試驗、故障診斷、推薦切實(shí)可行的解決方法以及研究和改進(jìn)試驗技術(shù)等。有了上述試驗條件，保證了美國海軍武器裝備具備抵御強(qiáng)電磁威脅的能力。

如美國海軍航空兵，其規(guī)模最大的電波暗室體積為55m×55m×18m，可容納波音707飛機(jī)進(jìn)行整機(jī)試驗。此外，還建有技術(shù)先進(jìn)的混響室。測試精度高、功率大，其測試頻率20Hz～40GHz，產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)高達(dá)1000V/m。擁有對復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究、開發(fā)測試以及評估的能力。對裝艦的設(shè)備除了進(jìn)行常規(guī)的電磁兼容檢測外，還可進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖、雷擊和靜電放電等考核。在設(shè)備強(qiáng)場考核方面，可以將設(shè)備、導(dǎo)彈等受試件整體“浸入”在一個寬頻段、寬區(qū)域和高場強(qiáng)的電磁環(huán)境中進(jìn)行考核。美國國軍標(biāo)MIL-STD-461D明確提出了設(shè)備或分系統(tǒng)需要在10KHz～40GHz頻段內(nèi)進(jìn)行電場輻射敏感度試驗的規(guī)定，即：海軍水面艦船甲板上設(shè)備（包括武備）要求承受200V/m的場強(qiáng)外，還要進(jìn)行50kV瞬變電磁場輻射敏感度試驗。美國海軍可以在海上對艦船抗核電磁脈沖能力進(jìn)行試驗和考核［7]。

3 外軍水面艦艇電磁兼容技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 功能集成

功能集成是將不同功能集中使用同一天線或天線陣列實(shí)現(xiàn)，從很大程度上減少了所須安裝天線的數(shù)量。功能集成涉及所集成設(shè)備的整合以及協(xié)調(diào)，需要總體設(shè)計部門根據(jù)艦船總體的性能指標(biāo)對集成設(shè)備的功能和指標(biāo)進(jìn)行把握控制。

美國海軍研究局早在1995財年就著手實(shí)施先進(jìn)多功能射頻概念計劃，采取共用寬帶陣列天線、信號與數(shù)據(jù)處理、信號發(fā)生和顯示硬件，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)在內(nèi)的多種RF功能一體化，擬將洛馬公司的高波段多功能接收陣列、雷聲公司的低波段多功能接收陣列、諾斯羅普。格魯曼公司高波段發(fā)射陣列和低波段接收陣列進(jìn)行集成，將雷達(dá)電子戰(zhàn)和通信功能集成到一套天線中。2004年11月，美國海軍實(shí)驗室宣布，AMRFS（多功能射頻系統(tǒng)）已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在6GHz～18GHz范圍內(nèi)的集成功能，并將繼續(xù)開展第二階段工作，研究如何利用寬帶隙放大器技術(shù)和數(shù)字合成技術(shù)，以進(jìn)一步提高功率和效率［8]。

通過綜合射頻技術(shù)，利用分布式多功能射頻孔徑取代艦艇上大量分散的射頻傳感器，采用開放式、可重構(gòu)、模塊化、共形化的射頻系統(tǒng)，結(jié)合軟件上的功能控制和資源管理，以實(shí)現(xiàn)艦艇上雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信和導(dǎo)航的功能綜合。功能主要由軟件定義，顯著降低了升級成本，射頻系統(tǒng)共用，降低了專用備件的數(shù)量，功能一體化減少了操作和維護(hù)人員。通過更加智能和靈活的頻率管理，加強(qiáng)了電子干擾和兼容性問題的控制。

3.2 空間集成

空間集成技術(shù)實(shí)際上是隔離法的一種演化發(fā)展，即使用特殊技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的空間集中布置，同時保證各設(shè)備的正常工作。

空間集成技術(shù)的代表當(dāng)屬集成桅桿技術(shù)。集成桅桿是將電子設(shè)備的集成天線或獨(dú)立天線封裝在具有頻率選擇復(fù)合材料制成的桅桿內(nèi)。集成天線桅桿技術(shù)的原理在于應(yīng)用八角形橫截面組成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由雷達(dá)波吸收材料構(gòu)件制造的。天線桅桿的基本結(jié)構(gòu)就是由鋼制柵格和包覆它的雷達(dá)波吸收材料構(gòu)件組成。桅桿頂配置有旋轉(zhuǎn)的多功能雷達(dá)。下面是電子支援測量天線、電子干擾發(fā)射機(jī)、UHF和VHF通信天線，以及I波段和E/F波段導(dǎo)航雷達(dá)，所有這些都裝在傳感器的殼內(nèi)。桅桿的每一段是制成標(biāo)準(zhǔn)模塊形式的，按安裝的傳感或通信設(shè)備的特點(diǎn)在里面進(jìn)行了個別改裝。集成桅桿結(jié)構(gòu)的頻選材料是由滲有導(dǎo)電石墨合成材料構(gòu)成（頻率選擇的表面層是合成材料的一個層面）。導(dǎo)電層有陣列小孔，這些小孔對電磁波起到頻選、濾波的作用。因為通帶很窄，所以能對封裝在里面的天線有效地屏蔽掉除本身工作頻率外顯示高雷達(dá)反射截面的所有頻率［9]。

美國DDG1000新型驅(qū)逐艦裝備固定四面陣天線的多功能相控陣?yán)走_(dá)，采用先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)（AMRFS），將雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等設(shè)備按照頻率相同或相近進(jìn)行射頻集成，并按照頻率高低自上而下布置在上層建筑側(cè)壁上。Vosper Thornycroft公司早在1998年12月就已將完成的設(shè)備交付給英國防御評估研究局，第一階段試驗內(nèi)容包括研究頻率選擇表面層殼體在天線發(fā)射時的效果，研究在頻率選擇表面材料后面產(chǎn)生的熱效應(yīng)，以及波形和從集成天線桅桿設(shè)計得到改善的EMC試驗。第二階段試驗將有實(shí)尺度集成天線桅桿的結(jié)構(gòu)以及在英國防御評估研究局新船上的海上試驗。海上試驗將評估有關(guān)的設(shè)計和集成天線桅桿的工作情況，也將進(jìn)一步定量改善傳感器的特性，減少波瓣，改善EMC和降低維修經(jīng)費(fèi)等問題。英國的CVF型新航母的封閉式桅桿將各種雷達(dá)、通信天線設(shè)計成平面式或球形陣列天線，封裝在桅桿內(nèi)［10]。

3.3 EMC預(yù)測仿真技術(shù)

計算機(jī)仿真和虛擬技術(shù)可以在艦船設(shè)計初期對艦上一些電磁現(xiàn)象或電磁干擾的機(jī)理進(jìn)行仿真模擬，便于對干擾源、干擾途徑的分析和確定。有助于在設(shè)計階段對干擾源進(jìn)行控制和解決，從而解決了傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)難以解決的多參數(shù)（或變量）復(fù)雜的電磁干擾問題，特別適應(yīng)于大噸位、多設(shè)備、電磁環(huán)境非常復(fù)雜的現(xiàn)代艦船的電磁兼容設(shè)計。積極主動地預(yù)防電磁干擾和電磁兼容的設(shè)計方法，是現(xiàn)階段電磁兼容研究的重要方法，也是電磁兼容未來發(fā)展的主要方向。電磁兼容數(shù)字仿真，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真計算。據(jù)資料報道，美國海軍用于艦艇外部通信系統(tǒng)設(shè)計的EMC測試、散射、反射的軟件已達(dá)到實(shí)用的水平，可滿足工程應(yīng)用的要求［11]。

3.4 EMC試驗技術(shù)

電磁兼容技術(shù)的發(fā)展離不開試驗技術(shù)?？傮w、系統(tǒng)級安全裕量，電磁場對人員、武器裝備、燃油的危害效應(yīng)和抗核電磁脈沖效應(yīng)試驗等方面尤為值得關(guān)注。新型測量儀表、儀器設(shè)備的開發(fā)研制和新技術(shù)在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用，試驗設(shè)備和設(shè)施體現(xiàn)出寬頻帶、高場強(qiáng)的特點(diǎn)。為滿足軍用裝備發(fā)展的需要，必須建立相應(yīng)的檢測手段。EMC試驗技術(shù)向自動化、集成化方向發(fā)展［12]。

4 結(jié)語

為了適應(yīng)我國海軍艦艇裝備信息化建設(shè)和戰(zhàn)略任務(wù)的轉(zhuǎn)移，電磁兼容技術(shù)必須同步跟上，以適應(yīng)新的作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)能力和新武器裝備的需求。電磁兼容性將是制約艦艇編隊作戰(zhàn)能力發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)。因此，開展戰(zhàn)場電磁環(huán)境效應(yīng)研究，加強(qiáng)武器裝備電磁危害的防護(hù)，提高武器裝備在未來戰(zhàn)場上的生命力，在海軍艦船總體設(shè)計中是至關(guān)重要的。通過研究國外海軍艦艇總體電磁兼容設(shè)計技術(shù)，了解國外海軍電磁兼容技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我海軍艦艇電磁兼容技術(shù)的發(fā)展具有很大的借鑒和啟示意義。