電磁脈沖環(huán)境下野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備防護(hù)措施研究

嚴(yán)富勇，張錦龍，王立華

（中國人民解放軍32752部隊(duì)，遼寧 大連 116017）

電工電子技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了微電子設(shè)備在軍用裝備和系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。瞬息萬變的信息化戰(zhàn)場時(shí)刻離不開微電子設(shè)備，而微電子設(shè)備對電磁脈沖又極為敏感。電磁脈沖作為一種瞬間暫變的電磁現(xiàn)象，從時(shí)域波形上看，它具有陡峭的前沿，寬度較窄。平時(shí)，電磁脈沖可由雷電放電、靜電放電和大功率電氣設(shè)備瞬間開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生。戰(zhàn)時(shí)可由定向能電磁脈沖定向能攻擊武器和核爆炸產(chǎn)生。

近年來，部隊(duì)陸續(xù)換裝了高機(jī)動(dòng)化、高智能化新型野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備，內(nèi)部普遍集成了大量微電子設(shè)備和智能化系統(tǒng)，如數(shù)字X射線機(jī)和生理心理診療儀等。戰(zhàn)場條件下，這些新型裝備不僅會受到傳統(tǒng)常規(guī)武器的攻擊，而且還會受到復(fù)雜電磁環(huán)境，尤其是電磁脈沖定向能武器的威脅。電磁脈沖環(huán)境下，裝備保障力會受到干擾，當(dāng)脈沖場強(qiáng)足夠大時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部耦合出的高電壓甚至?xí)p傷設(shè)備、危及生命。如微機(jī)系統(tǒng)會出現(xiàn)死機(jī)、重復(fù)啟動(dòng)、邏輯錯(cuò)誤和信息丟失等故障，野戰(zhàn)X射線機(jī)高壓發(fā)生裝置甚至?xí)詈铣鏊查g超高壓，可能會擊穿電纜損傷裝備。

1 電磁脈沖對衛(wèi)生裝備作用機(jī)理

對于以微電子設(shè)備和集成電路為基礎(chǔ)的信息處理系統(tǒng)，電磁脈沖通過對組成系統(tǒng)的集成電路、微電子設(shè)備、微處理器及其接口電路的干擾和損傷，破壞裝備基本功能。

1.1 信息系統(tǒng)工作原理

信息處理系統(tǒng)通常由信號采集子系統(tǒng)、微處理子系統(tǒng)和接口控制電路組成，如圖1所示。

圖1 信息處理系統(tǒng)基本組成

信息處理系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)，工基礎(chǔ)為微電子設(shè)備和半導(dǎo)體器件。如信號采集系統(tǒng)，其工作原理：將采集到壓力、溫度等生物信號轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)能識別的數(shù)字信號。工作流程：壓力溫度傳感器將采集的非電信號轉(zhuǎn)變成連續(xù)的模擬電信號，經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D轉(zhuǎn)換器），經(jīng)過抽樣、量化轉(zhuǎn)變成數(shù)字序列信號，通過總線（如并行總線等）傳輸給微處理系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 采樣系統(tǒng)的工作圖

微處理系統(tǒng)工作原理：通過調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)存儲的預(yù)裝應(yīng)用軟件，對采集信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理。接口控制電路工作原理：根據(jù)微處理系統(tǒng)指令，通過圖像重建、數(shù)據(jù)編組等處理程序，將結(jié)果信息在顯示器、打印機(jī)等終端設(shè)備輸出。

1.2 電磁脈沖作用機(jī)制

電磁脈沖對野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備作用機(jī)制主要是干擾和損傷，以信號采集系統(tǒng)為例，在電磁脈沖環(huán)境中運(yùn)行的微電子系統(tǒng)，通過耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓或電流在一定的閾值內(nèi)，可使處理器芯片輸入端門電壓或門電流值升高，當(dāng)門電壓或門電流值升高到域值時(shí)，觸發(fā)輸出端邏輯值改變或狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤，造成裝備干擾。該感應(yīng)電壓、電流消失或復(fù)位后，系統(tǒng)能恢復(fù)到正?；虺跏紶顟B(tài)。當(dāng)感應(yīng)電壓或電流繼續(xù)升高，超過一定的閾值后，可造成集成電路燒毀、半導(dǎo)體器件擊穿、晶體管組件增益下降等。即使感應(yīng)電壓或電流消失后，電路、器件、組件均不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，造成系統(tǒng)硬件永久損傷。強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下，微機(jī)系統(tǒng)磁性記憶元件記憶狀態(tài)會發(fā)生變化，導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤或存儲信息被清除。對于承擔(dān)戰(zhàn)場急救任務(wù)的野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備，這是絕對不允許的。

1.3 電磁脈沖作用途徑

電磁脈沖對微電子設(shè)備主要作用途徑是電磁能量的耦合，微電子電路中的柱狀金屬導(dǎo)線、環(huán)形電路、增益變壓器線圈是脈沖場能量耦合的主要通道，系統(tǒng)金屬外表面感應(yīng)電流形成的散射場、縫隙孔洞耦合也是電磁脈沖的作用途徑。

受電磁脈沖輻射場作用的柱狀金屬導(dǎo)線和由金屬導(dǎo)體構(gòu)成的環(huán)形電路，當(dāng)柱狀導(dǎo)線、環(huán)路尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁脈沖上限頻率分量波長時(shí)，其電路可用圖3近視等效（假設(shè)阻抗為純阻性阻抗）。

圖3 等效電路圖

式中，sV為等效電路源電壓；ZS為導(dǎo)線或環(huán)路輸入阻抗；ZZ為負(fù)載阻抗。

電磁脈沖輻射耦合形成的等效源電壓等于柱狀導(dǎo)線或環(huán)路開路電壓，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，其近視計(jì)算公式為：

式中，OV為導(dǎo)線或環(huán)狀電路開路電壓；EE為電磁脈沖電場強(qiáng)度；el為導(dǎo)線或環(huán)狀電路長度；θ為電場與導(dǎo)線或電路的夾角。

從式（1）可以得出，電磁脈沖場作用下感應(yīng)電壓與電磁脈沖場強(qiáng)、天線長度和場強(qiáng)入射角度相關(guān)。脈沖場強(qiáng)越強(qiáng)，耦合出的電壓越高；天線越長、微電子線路尺寸越大，耦合出的感應(yīng)電壓越高。在輸入阻抗和負(fù)載阻抗都非常小的情況下，耦合出的感應(yīng)電流非常大。

2 電磁脈沖防護(hù)

未來信息化戰(zhàn)爭環(huán)境下，電磁脈沖對野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備的影響已不可避免。因此，加強(qiáng)裝備的電磁脈沖防護(hù)勢在必行。針對電磁脈沖對敏感設(shè)備作用機(jī)理和耦合通道，通過對電磁脈沖能量的反射、吸收、隔離和泄防，使其衰減到裝備能夠承受的程度。

2.1 屏蔽防護(hù)

屏蔽防護(hù)主要原理：使用導(dǎo)電導(dǎo)磁材料，制成屏蔽體，將對電磁脈沖敏感的電子設(shè)備在空間上與電磁輻射環(huán)境相隔離，使電磁場從屏蔽體一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)受到大幅度衰減，降低所防護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的耦合影響。屏蔽防護(hù)分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。（1）電場屏蔽。主要靜電場屏蔽防護(hù)。采用高電導(dǎo)率屏蔽材料，如鋼板、銅板等制作成屏蔽體，將外圍電場終止在屏蔽體表面，通過良好接地將屏蔽體表面大量感生電荷釋放，防止大量感生電荷聚集或瞬間釋放形成新脈沖場，阻止系統(tǒng)外電場與系統(tǒng)內(nèi)微電子電路耦合，達(dá)到防護(hù)的目的。（2）磁場屏蔽。磁場屏蔽中，低頻磁場與高頻磁場屏蔽機(jī)理不同，所采用的方法也不同。對于低頻和恒定磁場，采用高磁導(dǎo)率和非飽和狀態(tài)屏蔽材料，如鐵磁合金、硅鋼片、碳鋼合金等，利用高磁導(dǎo)率材料所起的磁分路作用，使磁力線主要集中在由屏蔽體內(nèi)構(gòu)成的阻磁回路內(nèi)，防止磁場進(jìn)入被屏蔽空間或系統(tǒng)內(nèi)。對于高頻磁場，主要利用時(shí)變磁場在金屬屏蔽體上產(chǎn)生感生渦流所形成的反干擾磁場作用達(dá)到屏蔽目的。因此，要求屏蔽體采用高電導(dǎo)率材料，如銅、鋁等。外磁場頻率越高，屏蔽體表面產(chǎn)生大的感生渦流越大，屏蔽效果越好。（3）電磁場屏蔽。電磁場屏蔽主要作用形式為渦流損耗和電磁波反射。電磁波在穿透金屬導(dǎo)體或?qū)﹄姶挪ㄓ兴p作用的阻擋層時(shí)會產(chǎn)生感生渦流，感生渦流所形成的反磁場將抵消一部分電磁場，使原電磁場強(qiáng)度降低。因此，感生渦流損耗即為電磁場主要的損耗表現(xiàn)形式。此外，電磁脈沖波在穿透金屬導(dǎo)體臨界表面時(shí)發(fā)生反射，抵消或降低原電磁場一部分能量，從而獲得一定的防護(hù)效果。

2.2 接地防護(hù)

接地防護(hù)主要原理：利用大地作為電位參考點(diǎn)，將微電子設(shè)備系統(tǒng)電位限定在一個(gè)固定值上，使裝備表面積累電荷及時(shí)泄放，保證平時(shí)微電子設(shè)備電路系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低裝備戰(zhàn)時(shí)電磁脈沖武器攻擊損傷率，確保裝備和操作人員安全。接地分為工作、安全和防雷、電磁抑制信號等接地方式。戰(zhàn)場條件下，可將三種接地合并成一個(gè)共用接地系統(tǒng)，但需遵循“最低值”原則，即接地電阻以各種接地電阻最小值為依據(jù)。以接地要求較高的X射線機(jī)為例，其接地電阻通常不大于4Ω，實(shí)踐中，可參照X射線機(jī)的接地要求設(shè)置一個(gè)共用接地保護(hù)系統(tǒng)。

2.3 物理防護(hù)

野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備操作使用中，必須設(shè)置人員進(jìn)出通道、通風(fēng)窗及電線電纜進(jìn)出的孔洞等，電磁脈沖防護(hù)效果與門縫、通風(fēng)窗、孔洞形狀和面積相關(guān)。對于同一固定場源，電磁耦合隨空洞面積的增加而增加；在孔洞面積相同的情況下，孔洞形狀對電磁場的防護(hù)影響也較大，矩形孔的泄漏耦合量大于圓形孔。實(shí)際應(yīng)用中，在進(jìn)出門周邊設(shè)置電磁防護(hù)密封膠墊，在通風(fēng)口周邊設(shè)置能有效覆蓋通風(fēng)口的高電導(dǎo)率防護(hù)網(wǎng)，能起到較好的防護(hù)作用。應(yīng)急情況下，還可以通過電磁屏蔽涂料、屏蔽織物進(jìn)行防護(hù)。如在車載X射線機(jī)高壓發(fā)生裝置、電氣控制系統(tǒng)、裸露電線電纜和車體孔洞等部位，涂上特制的屏蔽涂料和加裝屏蔽織物等，不僅能有效阻止系統(tǒng)外的電磁脈沖輻射損傷，還能確保裝備內(nèi)電子設(shè)備系統(tǒng)間的電磁兼容。

3 結(jié)語

未來電磁脈沖定向能武器將對裝備構(gòu)成巨大威脅，惡劣的戰(zhàn)場電磁環(huán)境對裝備防護(hù)提出了更高的要求。如何確保戰(zhàn)時(shí)裝備功能處于完好狀態(tài)、提高裝備生存力是一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)，也是基層衛(wèi)生分隊(duì)提高保障力的關(guān)鍵因素。