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軍用電子裝備的電磁防護新技術

-2019-03-14-

  1前言
    軍用電子裝備的抗幹擾問題對電子裝備可靠性水平有重大的影響作用,越來越引起各國軍方的高度重視。在現代戰場上,以過密電磁輻射頻譜運行的武器系統的激增,造成戰場上各軍兵種武器系統間電磁幹擾(EMI)的可能性不斷增大,當兩個系統以足夠接近的頻率和間距運行時,就會出現電磁幹擾。其對武器系統性能和可靠性所造成的惡劣影響以及由此而産生的後果是極其嚴重的,包括信息不准確、無法探測敵方目標、引信過早點火、飛機飛行失控和制導武器失靈等。海、陸、空三軍用于戰略、戰役、戰術等各種武器裝備都包含有大量的電子裝備,這些裝備的正常運作都必須解決電磁兼容(EMC)問題,否則後果不堪設想。例如,以戰鬥機等裝備爲首的武器系統,在現代戰爭中具有極其重要的作用,在對敵作戰中,常常要靠它們來搶占先機。在戰鬥機狹小的空間裏,必須裝備很多複雜的通信、導航設備以及雷達和敵我識別等電子設備。如此衆多的電子設備在飛機有限的空間內要同時工作,除了電子設備的質量和可靠性水平直接影響著戰鬥機的作戰性能以外,設備的密集所帶來設備之間的相互幹擾問題也不能忽略,因此,各設備之間的EMC已是一個至關重要的問題。隨著機載電子設備的種類和數量的不斷增加,它們所占用的電磁頻譜越來越寬,所傳輸的信息量越來越大,因而機載電子設備之間的EMC問題也越來越突出。如果這個問題解決得不好,就會使整架飛機的工作陷于混亂狀態,而機群的電磁環境還可能使飛機的飛行控制、雷達、通訊、導航、電子戰、火控和導彈控制系統的性能降低,這些不利影響隨著放射功率的增強、接收靈敏度的提高,體積更小和更敏感的固態電路的應用而變得更加明顯。
    實際上,軍用電子裝備的EMC基本對策與民用設備需采取的措施基本一樣,大體上可分爲接地、布線和圖形布線、元件選定、濾波和屏蔽等;當然,其要求肯定要更高、更嚴格些。由于軍用電子設備大多數都要密集安裝在戰鬥機、艦船、坦克等軍事裝備中,其所處的EMC環境很嚴酷,所以我們必須研究下面與現代軍用電子裝備密切相關的EMC項目和電磁防護新技術。
2 抗電磁脈沖(EMP)的對策技術
    在現代戰場上,電子對抗和電子幹擾貫穿于戰爭的始終,最危險、最致命的殺傷就是敵方發出的強大電磁幹擾和電磁脈沖。電磁脈沖(EMPElectromagnet ic Pulse)是一個不容怒視的重要問題,它可以來自多個方面,主要有核武器爆炸時産生的強大的核電磁脈沖(NEMP)和打雷時的閃電輻射造成的雷電電磁脈沖(LEMP)等。
    21 核電磁脈沖(NEMP)
    核電磁脈沖(NEMP)是核武器爆炸的产物。核爆炸时,除了产生光、热、辐射能以外,还产生强大的核電磁脈沖。如图1所示。
    40km以上高度的大氣層外發生核爆炸時,伽馬(γ)射線脈沖到達大氣層,與空氣中的分子發生沖災而産生康普頓效應。所謂康普頓效應,就是一種把電子從空氣的分子中擠趕出來的現象。在這個電子的流動過程中産生EMP。雖然NEMP爲瞬時現象,但它對半導體器件及微電子設備卻具有極大的殺傷力——電擊穿。其作用範圍隨爆炸的高度而異,NEMP的最大特點是上升時間快、強度大。上升時間約8ns,連接時間約200ns  電場強度高,可達50kVm,是一種高強度的電磁幹擾源(ENI),比通常的EMI強度高幾十至上百分貝;另一特點是作用範圍廣、頻帶寬、能量大。頻帶從10KHz100MHZ,除了對TV、無線電設備的前端(高頻端)有影響以外,對av电影在线機等設備也有破壞作用,可使敵方的指揮、控制、通信、情報等系統遭受重創甚至癱瘓,成爲現代戰場上最爲嚴重的電磁破壞因素。
爲了保證武器系統能正常地履行其功能並發揮重大作用,就要實施EMP防護。軍用電子設備的NEMP防護也是EMC工作的一個重要組成部分。在現代戰場上,爲屏蔽電磁幹擾和電磁脈沖的危害,就必須要求裝載電氣與電子設備的方艙具有很好的電磁屏蔽性能。總的來說,使用方艙並提高方艙整個艙體的電磁屏蔽性能就是一個很好的方法,它具有簡單、成本低、整體效果好等優點。
    22 雷電電磁脈沖(LEMP)
    雷电是自然界强大的脉冲放电现象,也是一种静电现象,而且是自然电磁干扰源中最强的一种放电现象。一次闪电平均含有上万个脉冲放电过程,电流脉冲平均幅值为几万安培,持续时间几十到几百微秒。闪电通道大约有几百米至几公里长,在先导——主放电过程中,它们向周围空间辐射高频和甚高频能量,从而产生雷電電磁脈沖(LEMP)。LEMP給計算機等微電子設備帶來的危害也是相當嚴重的。雷電脈沖通常通過電網供電電源進入計算機網絡造成幹擾,輕則引起計算機程序混亂、信息處理失誤;重則燒毀元器件,或使某些部件損壞直至停機,造成難以估計的重大損失。
  由于微電子技術和計算機技術在軍用電子裝備中的應用程度越來越高,采取相應的LEMP防護措施已成爲軍用電子裝備安全性與抗幹擾技術的一個迫切要求。具體地說,首先應從硬件、軟件方面提高計算機系統自身的抗幹擾能力。例如,在硬件設計中要進行EMC設計,綜合采用各種抗幹擾措施;在軟件設計中,可以利用冗余技術、容錯技術、標志技術以及數字濾波技術等。其次,還要采取攔截、屏蔽、均壓、分流、接地和濾波等防護措施。
  例如,屏蔽包括機房屏蔽、整機屏蔽、元器件之間的屏蔽和隔離以及電源的進線和輸入線、輸出線的屏蔽和接地;系統與機房不僅要有良好的接地,而且還要按需進行交直流接地、高頻接地、防雷接地和安全接地等設計;濾波也是抑制傳導耦合幹擾的重要方法,可以首選電源EMI濾波器。它是EMI濾波器的一種,對實現和改善電子設備與電子系統的EMC環境有很大的幫助,可以有效地抑制電源線上的信號幹擾電平,降低來自供電網的幹擾,並可在屏蔽體的出入口或導線的適當位置安裝濾波電路。目前,國外的做法是,根據美軍標(NILSTD461462)的要求,軍用設備必須設置避雷器來降低LEMP的幹擾能量,一些能高速工作的避雷器之類的部件也就應運而生,而且,爲了確認其效果,還正在使用一種如圖2所示的比較大型的新式EMP模擬設備。
    3 防信息電磁泄漏(TEMPEST)技術
    从七十年代起,计算机在国外迅速普及并发展起来,计算机相互之间的干扰和抗干扰问题日益突出,一些功能正常的计算机常常会产生一些不知其所以然的误动作等故障。更为严重的是,计算机的电磁发射信号不但频谱成分丰富,而且携带信息,因而对其处理的信息的安全性将造成巨大的威胁。尤其是近几年来,使用以计算机为主的信息技術设备处理重要信息的必要性日渐增大,但是,随之而来的就是数据保密问题。保密的其中一个内容就是如何防止窃听。
    计算机等各种信息技術设备和通信设备在工作时常常会泄漏电磁波,而且與这些设备连接的数据线、电源线同样也会有电磁波辐射出来。这样,被处理的信息也就会通过电磁辐射向空间泄漏。其频率范围可达数千赫到1兆赫,如果用ELINT系统那样的高灵敏度接收机接收这些电磁波,就可能成为窃听的对象。通过使用分析和破译处理等手段,就可以复制原信息,造成失密等严重后果。因此,世界各国对信息技術设备的信息电磁泄漏问题越来越重视并开展了一系列有计划、有组织、有针对性的研究。
    从八十年代初期开始,西方诸国正在迅速开展一项专门研究和解决信息技術设备的信息电磁泄漏及其安全防护问题的活动。这个活动被称为TEMPEST。而美國實際上早在五十年代就已開始實施這項研究計劃,由美國國家安全局(NSA)和國防部(DoD)聯合進行研究與開發,列爲絕對機密,不得輸出。
    TEMPEST與軍事電子設備的EMC項目密切相關,可以說是EMC研究體系中的一個獨立的分支。目前,國外已把它作爲計算機安全研究的一項重要內容。它的定義如下:對有損任務安全性的意外電磁輻射(EMR)的控制(The Control of unin-tenTIonal EMR that can compromise the security of a mission)
(EMRElectromagnetic Radiation)
即是說,所謂TEMPEST技術,并不以那些有意辐射电磁波的无线通讯设备为对象,其目的是使有用信息尤其是一些涉及国家安全的机密信息不被窃取和破译,以免造成失密;其技術措施就是防止计算机等信息技術设备在不知不觉间通过电磁波辐射而泄漏有用的机密信息。因此,虽然TEMPEST技術在抑制干扰的方法和手段上與EMC技術有许多相似之处,国外通常把它并入EMC的研究領域之中,但是,其目的是與EMC技術以互相兼容的观点研究电磁兼容的耦合形式和干扰抑制的目的完全不同的。这是一种要求把传导干扰(CE)和輻射幹擾(RE)降至最低程度的技術,方法之一是在建筑物的外墙壁和间隔墙上采取措施防止骚扰,如图3所示。
    TEMPEST技術的研究内容主要有以下几个方面:
    a.設計規範的研究:包括低輻射電子設備、結構工藝等設計規範的研究。
    b.测试设备與测试技術的研究:研制符合TEMPEST標准、由計算機控制的自動化系統;TEMPEST測試可分爲TEMPEST設備的檢測和TEMPEST屏蔽機房的檢測兩個方面。
    CTEMPEST標准的研究:歐美各國均有嚴格的TEMPEST技術标准,并由国家安全部门直接控取水平的不断提高,各国还将不断制定和修改TEMPEST標准。
    d.新材料、新結構、新工藝的研究:包括低輻射元器件、高效能屏蔽材料、導電噴塗工藝等方面的研究。
    e.符合TEMPEST標准的設備及屏蔽室的研究:包括低輻射的計算機系統等。
    爲了保衛國家安全,軍用電子裝備對TEMPEST技術的要求还将越来越高,有必要进行更深入的研究。
    4 結束語
    綜上所述,現代軍用電子裝備的EMC问题是至关重要、不能忽略的,與此密切相关的电磁防护新技術将发挥极其重要的作用。然而,我国对EMC问题的研究则起步较晚,无论是理论还是技術等整体的研究水平均落后于国外先进水平。直到八十年代初、中期,许多技術人员还把这项技術仅仅理解为电子设备超标與否的测量标准而已,甚至在1992年召开的技術研讨会上,仍有些技術人员认为开展电磁兼容性预测、分析和设计工作的必要性不大。不过,近几年来,我们已经有了不小的进步,这种进步不仅体现在技術方面,而且也体现在广大工程技術人员和管理部门对这项研究的认识提高和日益重视上,这标志着我国EMC理论與技術的研究工作已经进入了一个更高的层次和达到了一个新水平。

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