某型電臺(tái)的HEMP 輻照效應(yīng)試驗(yàn)及電磁損傷評(píng)估方法研究

盧治鋼 陳岳承 劉樹中 崔燕舞 王濤

（中國(guó)人民解放軍32203 部隊(duì), 華陰 714200）

引 言

電磁環(huán)境效應(yīng)、電磁易損性等均是設(shè)備系統(tǒng)的固有屬性，由產(chǎn)品的基本原理、結(jié)構(gòu)、布局、工藝、加載條件等決定[1-2]. 高空核爆電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)由于場(chǎng)強(qiáng)大、瞬時(shí)破壞力強(qiáng)，可以對(duì)電臺(tái)類設(shè)備造成威脅[3-4]. 核電磁脈沖的時(shí)域波形呈雙指數(shù)波的形式，核電磁場(chǎng)和電臺(tái)系統(tǒng)相互作用過程中，多種耦合通道效應(yīng)疊加，加上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能本身比較復(fù)雜，要定量表征系統(tǒng)效應(yīng)，無論采用數(shù)值計(jì)算的方法還是采用試驗(yàn)的方法，都面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5]. 電臺(tái)類設(shè)備屬于典型的通信指揮設(shè)備，HEMP 下的電臺(tái)易損性評(píng)估難點(diǎn)具體表現(xiàn)在：強(qiáng)電磁環(huán)境和系統(tǒng)非線性失效存在較大的不確定性，難于預(yù)計(jì)；系統(tǒng)電學(xué)參數(shù)多，難以全部獲得；HEMP試驗(yàn)成本高，風(fēng)險(xiǎn)大[4,6].

目前常用的評(píng)估方法有故障樹法和基于貝葉斯統(tǒng)計(jì)的故障樹法，兩者的核心都是建立易損性故障樹模型，通過試驗(yàn)獲取底事件的失效概率，根據(jù)各系統(tǒng)間的“與”“或”關(guān)系，得到系統(tǒng)的失效概率[7].2016 年劉鈺等[8]針對(duì)電子系統(tǒng)電磁脈沖(electromagnetic pulse, EMP)易損性評(píng)估問題，提出了基于分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(hierarchical Bayesian network,HBN)的電子系統(tǒng)EMP 易損性評(píng)估模型建模方法，并以某電子機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)EMP 易損性評(píng)估問題為例說明了建模和計(jì)算過程. 2018 年孫曉穎等研究了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的敏感度評(píng)估方法[9]，通過從概率角度考慮所有不確定參量來提高評(píng)估準(zhǔn)確性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性；同年又提出一種基于HBN 的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)EMP 敏感度評(píng)估方法[10]，并對(duì)評(píng)估方法進(jìn)一步進(jìn)行了驗(yàn)證. 2019 年Liu 等將聯(lián)合先驗(yàn)概率密度函數(shù)與基于貝葉斯公式的似然函數(shù)相結(jié)合，提出了一種基于貝葉斯方法的多狀態(tài)元件易損性評(píng)估方法[11]，可以得到這些參數(shù)的聯(lián)合后驗(yàn)概率密度函數(shù)，并從實(shí)際驗(yàn)證了狀態(tài)概率函數(shù)的估計(jì)比單一的狀態(tài)概率估計(jì)更為實(shí)用. 2020 年劉鈺等基于HBN 模型及貝葉斯信息融合算法建立了電子系統(tǒng)EMP 易損性評(píng)估模型及易損性信息融合算法[12]，研究了某星用模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的EMP 易損性評(píng)估問題，獲得子系統(tǒng)及系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的易損性后驗(yàn)分布.

易損性評(píng)估過程中通常需要綜合運(yùn)用各種試驗(yàn)和計(jì)算方法獲得必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13-16]，因此，研究電臺(tái)類電磁易損性評(píng)估對(duì)于統(tǒng)一規(guī)劃和指導(dǎo)易損性評(píng)估流程中的系統(tǒng)分析、試驗(yàn)、計(jì)算以及數(shù)據(jù)融合等各項(xiàng)工作具有重要意義. 本文在系統(tǒng)敏感特性分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于故障樹模型的易損性評(píng)估算法，并采用此方法對(duì)電臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了易損性分析，給出了電臺(tái)設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的易損性失效概率.

1 基于故障樹模型的易損性評(píng)估算法設(shè)計(jì)

算法首先對(duì)電臺(tái)的結(jié)構(gòu)與敏感特性進(jìn)行分析；然后設(shè)計(jì)電臺(tái)系統(tǒng)的敏感性評(píng)估方法；最后利用綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)效應(yīng)現(xiàn)象，建立故障樹模型，獲得最終評(píng)估結(jié)果.

1.1 電臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

超短波電臺(tái)具有通信頻帶寬、容量大、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[17]，是近距離無線電通信廣泛使用的主要裝備. 選用車載超短波歐訊SG-7 200 型電臺(tái)，其系統(tǒng)功能、組成、工作原理均具有超短波電臺(tái)典型特征，可作為典型效應(yīng)物開展電磁易損性試驗(yàn)研究工作. 采用兩臺(tái)車載超短波電臺(tái)構(gòu)成試驗(yàn)系統(tǒng)，其中一臺(tái)作為被試系統(tǒng)，一臺(tái)作為陪試系統(tǒng).

電臺(tái)系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1 所示，由電臺(tái)主機(jī)、話筒、天線、電壓及話筒線、電源線、天線連接線組成.試驗(yàn)中主要考慮天線、電源線和話筒線的耦合電流及整系統(tǒng)的功能效應(yīng).

圖1 電臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖Fig. 1 Radio system structure

1.2 總體流程評(píng)估

本次試驗(yàn)借鑒給出敏感性評(píng)估試驗(yàn)流程的IEC標(biāo)準(zhǔn)，完成電臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)EMP 易損性評(píng)估. 評(píng)估流程主要分為四個(gè)階段：子系統(tǒng)和設(shè)備表征階段、系統(tǒng)分析階段、系統(tǒng)試驗(yàn)階段和易損性評(píng)估階段. 具體實(shí)現(xiàn)方法如圖2 所示.

圖2 系統(tǒng)級(jí)EMP 易損性試驗(yàn)評(píng)估流程圖Fig. 2 Flowchart of system-level electromagnetic pulse vulnerability test assessment

在系統(tǒng)表征階段，判斷系統(tǒng)敏感性數(shù)據(jù)是否已具備，如已具備可直接開展評(píng)估，如不具備則進(jìn)行下一階段；系統(tǒng)分析階段是對(duì)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，拆解為分系統(tǒng)，選擇重要測(cè)試點(diǎn)或耦合測(cè)點(diǎn)；系統(tǒng)試驗(yàn)階段將綜合運(yùn)用低幅度輻照(連續(xù)波和脈沖波)以及高水平試驗(yàn)等各種試驗(yàn)方法獲取所需的評(píng)估數(shù)據(jù)；評(píng)估階段則是建立故障樹模型，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)效應(yīng)現(xiàn)象，獲得最終評(píng)估結(jié)果.

1.3 電臺(tái)系統(tǒng)故障樹模型建立

根據(jù)電臺(tái)結(jié)構(gòu)分析，建立電臺(tái)系統(tǒng)的故障樹模型，如圖3 所示. 可以看到，子系統(tǒng)和單元之間都是邏輯“或”關(guān)系，即針對(duì)整系統(tǒng)失效的頂事件，任何一個(gè)單元或子系統(tǒng)的失效均將導(dǎo)致整系統(tǒng)失效. 若單元對(duì)系統(tǒng)功能有重大影響，其失效能夠引起整系統(tǒng)部分或全部喪失，稱為“功能關(guān)鍵”單元. 單元都是系統(tǒng)正常工作必不可少的組成部分，均為關(guān)鍵子系統(tǒng)或組件.

圖3 電臺(tái)系統(tǒng)的故障樹模型Fig. 3 Fault tree of radio system structure

進(jìn)一步分析子系統(tǒng)失效和HEMP 的關(guān)系. 故障樹模型中底事件是系統(tǒng)分析中不再劃分的最小功能單元的失效，該單元或子系統(tǒng)的失效與HEMP 在端口上感應(yīng)的電流、電壓等電磁應(yīng)力有關(guān)[13-14]. 電磁應(yīng)力不是微控制系統(tǒng)自身的組成部分，沒有“失效”的概念，該參數(shù)只能包含在最小功能單元失效的底事件中. 因此從故障樹模型的概念出發(fā)，不能明確給出電磁應(yīng)力的表述形式. 根據(jù)模型可以給出故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)：

式中，P(Vi)為包含Vi單元的電磁應(yīng)力參數(shù).

為進(jìn)行故障樹定量分析，進(jìn)而求出頂事件發(fā)生概率和各單元重要度，需要通過輻照試驗(yàn)的方法得出各個(gè)單元的電磁應(yīng)力參數(shù)P(Vi).

2 HEMP 試驗(yàn)及易損性評(píng)估

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為獲取系統(tǒng)HEMP 易損性評(píng)估所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要開展多種不同類型的試驗(yàn)，通過威脅級(jí)輻照試驗(yàn)和注入試驗(yàn)獲取單元失效閾值，以確定系統(tǒng)對(duì)HEMP 激勵(lì)的響應(yīng). 試驗(yàn)分為兩輪開展：第一輪試驗(yàn)在設(shè)備不加電狀態(tài)下，在X，Y，Z三個(gè)方向上均開展輻照試驗(yàn)，綜合驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，探索各方向耦合規(guī)律；第二輪試驗(yàn)在加電狀態(tài)下開展，研究工作狀態(tài)的電臺(tái)在HEMP 輻照下的效應(yīng)現(xiàn)象.

1)試驗(yàn)布局

電臺(tái)天線高約1.2 m，可開展全尺寸威脅級(jí)輻照試驗(yàn)，試驗(yàn)采用錐形模擬器為有界波模擬器. 結(jié)合實(shí)際情況，天線與設(shè)備之間高度差約1 m 為最大耦合布局，供電線、話筒線與設(shè)備之間高度差按60 cm 考慮(主機(jī)架高60 cm). 雷達(dá)和電臺(tái)放置在錐形模擬器前錐段，效應(yīng)物對(duì)應(yīng)天線高度大于效應(yīng)物高度的兩倍. 天線、電源線和話筒線的試驗(yàn)布局如圖4 和圖5所示.

圖4 電臺(tái)天線耦合試驗(yàn)測(cè)試布局Fig. 4 Radio antenna coupling test layout

圖5 電源線與話筒線耦合試驗(yàn)布局Fig. 5 Power line and microphone line coupling test layout

圖6 為測(cè)試物在輻照?qǐng)鰞?nèi)的試驗(yàn)布局及坐標(biāo)系定義，天線長(zhǎng)度方向?yàn)閄方向，寬度方向?yàn)閅方向，高度方向?yàn)閆方向. 以X方向軸線為對(duì)稱線，電場(chǎng)探頭和效應(yīng)物對(duì)稱放置. 采用電場(chǎng)探頭測(cè)量輻照?qǐng)霾ㄐ危娏骶€圈(皮爾森8585C)測(cè)量耦合電流波形，分別測(cè)試天線和各類電纜的耦合電流. 每種線又分為X，Y，Z三個(gè)方向擺放，測(cè)量線纜根部耦合電流.

圖6 測(cè)試物在輻照?qǐng)鰞?nèi)的試驗(yàn)布局及坐標(biāo)系定義圖Fig. 6 Test layout and coordinate system definition diagram of the test object in the irradiation field

圖7～9 分別為電臺(tái)天線、話筒線、電源線的威脅級(jí)輻照試驗(yàn)場(chǎng)景圖.

圖7 電臺(tái)天線耦合電流測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 7 Radio antenna coupling current test

圖8 話筒線耦合電流測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 8 Microphone line coupling current test

圖9 電源線耦合電流測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 9 Power line coupling current test

2)輻照順序

開展雷達(dá)與電臺(tái)的易損性試驗(yàn)時(shí)，事先不確定最高的輻照?qǐng)鰪?qiáng)，試驗(yàn)過程采用步進(jìn)法觀測(cè)系統(tǒng)效應(yīng)，直到輻照?qǐng)鲞_(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)可接受受損的風(fēng)險(xiǎn)，如圖10 所示.

圖10 易損性試驗(yàn)輻照過程Fig. 10 Irradiation process of vulnerability test

雷達(dá)與電臺(tái)易損性試驗(yàn)從電壓等級(jí)10 kV/m 開始，每次增大10 kV/m，直至60 kV/m 或者出現(xiàn)效應(yīng)為止，共分6 個(gè)輻照水平. 在某一個(gè)輻照水平出現(xiàn)效應(yīng)，如果是軟損傷，則在該量級(jí)與上一量級(jí)的區(qū)間再分5 個(gè)輻照水平進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)，直至找到損傷閾值；如果出現(xiàn)硬損傷，則需要將效應(yīng)物維修后，在該量級(jí)與上一量級(jí)的區(qū)間再分5 個(gè)輻照水平進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)，直至找到損傷閾值.

3)輻照次數(shù)

試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)與相應(yīng)的置信水平相關(guān). 試驗(yàn)的總次數(shù)隨系統(tǒng)試驗(yàn)的方位(不小于2 個(gè))、威脅水平(不小于3 個(gè))和工作模式的試驗(yàn)要求快速增長(zhǎng)，試驗(yàn)次數(shù)增加的同時(shí)試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)費(fèi)用也按同比例增加，因此，試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)費(fèi)用和置信度進(jìn)行折衷. 一般情況下試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為2～5. 本文給出計(jì)劃試驗(yàn)的次數(shù)如表1 和表2 所示.

表1 未加電狀態(tài)下HEMP 試驗(yàn)次數(shù)Tab. 1 Times of HEMP test with power off

表2 加電狀態(tài)效應(yīng)試驗(yàn)次數(shù)Tab. 2 Test times of state effect with power on

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

根據(jù)電臺(tái)易損性敏感分析結(jié)果，電臺(tái)類設(shè)備輻照試驗(yàn)主要測(cè)試天線耦合、供電線耦合、話筒線耦合三種情況.

2.2.1 未加電狀態(tài)下的耦合規(guī)律研究

采用2.1 節(jié)的試驗(yàn)方法對(duì)電臺(tái)設(shè)備進(jìn)行輻照式EMP 試驗(yàn)，分別測(cè)試電臺(tái)設(shè)備的天線、電源線及話筒線的耦合電流. 圖11 為電臺(tái)天線輻照試驗(yàn)的電場(chǎng)與耦合電流波形，電流為Z方向.

圖11 未加電狀態(tài)下電臺(tái)天線輻照試驗(yàn)電場(chǎng)與耦合電流波形Fig. 11 Waveform of electric field and coupling current in radio antenna irradiation test with power off

表3 為試驗(yàn)中的峰值電場(chǎng)與峰值耦合電流的試驗(yàn)數(shù)據(jù). 為進(jìn)一步直觀反映耦合規(guī)律，繪制了峰值電場(chǎng)與峰值耦合電流的折線圖，如圖12 所示. 可以看到，耦合電流隨外界電場(chǎng)的增大而增大，且呈現(xiàn)出線性關(guān)系. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，電臺(tái)天線的耦合電流與外界電場(chǎng)的傳遞關(guān)系可近似表示為1.47 A/kV.

表3 未加電狀態(tài)下電臺(tái)天線輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 3 Radiation test data of radio antenna with power off

圖12 未加電狀態(tài)下電臺(tái)天線耦合電流隨電場(chǎng)變化規(guī)律Fig. 12 Variation of radio antenna coupling current with electric field with power off

圖13 為電臺(tái)話筒線輻照試驗(yàn)的電場(chǎng)與耦合電流波形，電流為Z方向.

圖13 未加電狀態(tài)下電臺(tái)話筒線輻照試驗(yàn)電場(chǎng)與耦合電流波形Fig. 13 Waveform of electric field and coupling current in radio microphone line irradiation test with power off

表4 為未加電狀態(tài)下電臺(tái)話筒線輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù).電臺(tái)話筒線耦合電流隨電場(chǎng)變化規(guī)律如圖14 所示.可以看到，耦合電流隨外界電場(chǎng)的增大而增大，且呈現(xiàn)出線性關(guān)系. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，電臺(tái)話筒線的耦合電流與外界電場(chǎng)的傳遞關(guān)系可近似表示為1.19 A/kV.

表4 未加電狀態(tài)下電臺(tái)話筒線輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 4 Radiation test data of radio microphone line irradiation test with power off

圖14 未加電狀態(tài)下電臺(tái)話筒線耦合電流隨電場(chǎng)變化規(guī)律Fig. 14 Waveform of electric field and coupling current in radio microphone line irradiation test with power off

圖15 為電臺(tái)電源線輻照試驗(yàn)的電場(chǎng)與耦合電流波形，電流為Z方向.

圖15 未加電狀態(tài)下電臺(tái)電源線輻照試驗(yàn)電場(chǎng)與耦合電流波形Fig. 15 Waveform of electric field and coupling current in radio power line irradiation test with power off

表5 為未加電狀態(tài)下電臺(tái)電源線輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電臺(tái)電源線耦合電流隨電場(chǎng)變化規(guī)律如圖16 所示. 可以看到，耦合電流隨外界電場(chǎng)的增大而增大，且呈現(xiàn)出線性關(guān)系. 經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，電臺(tái)電源線的耦合電流與外界電場(chǎng)的傳遞關(guān)系可近似表示為2.05 A/kV.

表5 未加電狀態(tài)下電臺(tái)電源線輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 5 Radiation test data of radio power line with power off

圖16 未加電狀態(tài)下電臺(tái)電源線耦合電流隨電場(chǎng)變化規(guī)律Fig. 16 Variation of radio power line coupling current with electric field with power off

2.2.2 加電狀態(tài)下的效應(yīng)試驗(yàn)

未加電狀態(tài)下，通過對(duì)不同輻照?qǐng)鰪?qiáng)下的耦合電流進(jìn)行測(cè)量獲取電臺(tái)設(shè)備各部分組件在HEMP 下的耦合規(guī)律及相應(yīng)的電場(chǎng)電流傳遞函數(shù)(圖17). 在加電狀態(tài)下可以實(shí)時(shí)掌握電臺(tái)的損傷情況，結(jié)合未加電狀態(tài)下的耦合規(guī)律，可以進(jìn)一步找到電臺(tái)的易損部位.

圖17 加電狀態(tài)下天線輻照試驗(yàn)電場(chǎng)與耦合電流波形Fig. 17 Waveforms of electric field and coupling current in antenna irradiation test with power on

加電狀態(tài)試驗(yàn)從低場(chǎng)強(qiáng)開始逐步增大，當(dāng)施加場(chǎng)強(qiáng)到50 kV/m 時(shí)，電臺(tái)出現(xiàn)跳頻故障，且屏幕亂碼，如圖18 所示，兩臺(tái)電臺(tái)之間通信故障.

圖18 電臺(tái)在輻照?qǐng)?0 kV/m 時(shí)的效應(yīng)現(xiàn)象Fig. 18 Effect phenomenon of radio equipment when the irradiation field is 50 kV/m

表6 加電狀態(tài)下電臺(tái)輻照試驗(yàn)效應(yīng)Tab. 6 Radiation test station with power on

2.3 評(píng)估分析

在評(píng)估分析中，采用前文中提到的故障樹方法.圖19 是根據(jù)圖3 在易損性評(píng)估軟件中設(shè)計(jì)的電臺(tái)易損性計(jì)算模型，通過輸入話筒等子系統(tǒng)的失效概率，即可得到整個(gè)系統(tǒng)的失效概率. 為得到電臺(tái)在威脅級(jí)輻照試驗(yàn)下更為準(zhǔn)確的失效概率，將多次試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)代入易損性計(jì)算模型中，計(jì)算電臺(tái)系統(tǒng)在50 kV/m 的輻照?qǐng)鰪?qiáng)下的失效概率為78.83%，說明此類電臺(tái)設(shè)備在沒有防護(hù)的情況下極易受到HEMP的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)失效.

圖19 電臺(tái)易損性計(jì)算模型Fig. 19 Vulnerability calculation model of radio equipment

3 總結(jié)討論

電子元件的電磁易損性評(píng)估存在試驗(yàn)可重復(fù)性差、評(píng)估體系不統(tǒng)一等問題，關(guān)于電臺(tái)設(shè)備的電磁易損性評(píng)估一直是業(yè)內(nèi)研究的難點(diǎn)[18]. 本文開展了電臺(tái)系統(tǒng)的輻照式HEMP 試驗(yàn)，并進(jìn)行了電磁易損性評(píng)估分析. 試驗(yàn)結(jié)果顯示，電臺(tái)設(shè)備在輻照?qǐng)鰹?0 kV/m 時(shí)，會(huì)發(fā)生調(diào)頻及屏幕亂碼現(xiàn)象，但重啟后可以恢復(fù)，說明該型民用電臺(tái)在HEMP 下通信會(huì)受到顯著影響. 根據(jù)設(shè)計(jì)的易損性評(píng)估體系，通過多次試驗(yàn)得到電臺(tái)設(shè)備在50 kV/m 的輻照?qǐng)鰪?qiáng)下的失效概率為78.83%. 主要結(jié)論如下：

1)電臺(tái)類裝備在HEMP 下耦合通道主要來自天線、話筒線及電源線，50 kV/m 的HEMP 會(huì)對(duì)電臺(tái)產(chǎn)生調(diào)頻、屏幕亂碼等故障，隨著輻照?qǐng)鰪?qiáng)的增加電臺(tái)的電磁損傷加劇.

2)基于故障樹的電磁易損性評(píng)估模型可以對(duì)電臺(tái)類裝備的電磁易損性進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的準(zhǔn)確性取決于試驗(yàn)樣本量，增加試驗(yàn)次數(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)樣本量對(duì)提高易損性評(píng)估準(zhǔn)確性具有重要意義.

3)試驗(yàn)結(jié)果反映出HEMP 對(duì)電臺(tái)設(shè)備的毀傷主要在線纜耦合，可以指導(dǎo)電臺(tái)類裝備提高抗EMP 性能. 從結(jié)果來看，耦合電流的大小主要與耦合體尺寸和輻射場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)，在輻射場(chǎng)不變的情況下，合理改變天線尺寸及話筒線長(zhǎng)度，將有效降低耦合電流.