復雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的干擾機理研究

馬玉林，張文一，孟 沖

（裝備指揮技術(shù)學院研究生管理大隊，北京 101416）

復雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的干擾機理研究

馬玉林，張文一，孟 沖

（裝備指揮技術(shù)學院研究生管理大隊，北京 101416）

復雜電磁環(huán)境是指信息化條件下的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，是對戰(zhàn)場空間中所有電磁信號的總體狀態(tài)的反映。戰(zhàn)時軍隊遂行裝備保障任務，不可避免地要面對極為復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境及其帶來的電磁干擾問題。從電磁環(huán)境與裝備保障要素之間的相互作用關(guān)系著手，揭示了裝備保障活動受到電磁干擾作用的物理本質(zhì)，研究了電磁干擾作用產(chǎn)生的充要條件和主要方式。

復雜電磁環(huán)境；裝備保障；電磁干擾；機理

信息化戰(zhàn)場上，敵對雙方的偵察與反偵察、壓制與反壓制、干擾與反干擾等形形色色的電磁活動貫穿于作戰(zhàn)的全過程，數(shù)量龐大、體制多樣、種類繁雜、功率不一的電子裝備遍布于戰(zhàn)場的每一個角落，由此產(chǎn)生的主動電磁波、反射電磁波等縱橫交織于電磁頻譜的廣泛空間內(nèi)，構(gòu)成了戰(zhàn)場的復雜電磁環(huán)境。戰(zhàn)時遂行裝備保障任務，不可避免地要面對極為復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境及其帶來的電磁干擾問題。尤其是隨著部隊裝備信息化建設和裝備保障信息化程度的不斷提高，復雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的影響和制約呈逐步增大的趨勢。深入研究復雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的干擾機理，深刻揭示電磁干擾作用的物理本質(zhì)，對于科學分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復雜態(tài)勢，提高部隊復雜電磁環(huán)境下裝備保障訓練水平和能力具有重要的指導意義。

1 裝備保障活動受到電磁干擾作用的物理本質(zhì)

復雜電磁環(huán)境由數(shù)量繁多、樣式復雜、密集重疊、動態(tài)交迭的電磁信號構(gòu)成。由于電磁信號既攜帶有電磁能量，又可能攜帶信息，使得復雜電磁環(huán)境與裝備保障活動之間實質(zhì)上存在能量與信息的交換關(guān)系［1］。裝備保障活動與電磁信號的交換關(guān)系主要表現(xiàn)為3種，即接收電磁信號、輻射電磁信號和反射（或散射）電磁信號，如圖1所示。其中，接收電磁信號包括敵方干擾信號、己方自擾／互擾信號、自然界或民用電磁輻射信號。

在裝備保障過程中，裝備保障要素可能會接收到本身不希望接收的電磁信號，即非預期的電磁信號，其既可能來自敵方，也可能來自己方，還可能是民用或者自然界輻射的電磁信號，由于電磁信號攜帶有電磁能量和信息，當滿足一定作用條件時，這些非預期的電磁信號就會對裝備保障活動產(chǎn)生電磁干擾。需要明確：第一，這里的“電磁干擾”，屬于“廣義”的“電磁干擾”，既包括傳統(tǒng)意義上的中斷、降低或限制無線電通信或其他電氣設備性能的過程［2］；也包括強電磁能量，如高功率微波武器、電磁脈沖武器等輻射的電磁信號對裝備、生物體等的電磁毀傷（或稱硬件損傷）過程；還包括通過電磁輻射傳播的計算機病毒干擾等過程。第二，這里的“電磁干擾”，屬于“綜合性”的“電磁干擾”，由于復雜電磁環(huán)境構(gòu)成的多樣性，干擾信號通常是敵方的干擾信號、己方的自擾／互擾信號、自然界或民用的電磁輻射信號的綜合。

圖1 裝備保障活動與電磁信號之間的關(guān)系

2 裝備保障活動受到電磁干擾作用的充要條件

置身于復雜電磁環(huán)境中，裝備保障活動時刻受到電磁信號的作用，但只有當滿足一定的作用條件時，才能形成對裝備保障活動的電磁干擾。

2.1 必要條件——電磁干擾三要素

電磁干擾的形成，首先必須具備三個基本要素，即電磁干擾源、耦合途徑、干擾對象（或是干擾對象內(nèi)部的敏感設備），三者之間的關(guān)系如圖2所示。

1）電磁干擾源

電磁干擾源，是指任何能產(chǎn)生電磁干擾的元件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象［3］。理論上說，戰(zhàn)場上所有電磁輻射源都可視為是潛在的電磁干擾源，只是當其中一個或若干個輻射源針對具體干擾對象，或?qū)Ω蓴_效果起決定作用時，才稱其為電磁干擾源。通常可依據(jù)其輸出信號的功率在方位、時間以及頻率上的分布，來對其進行綜合描述，并用功率密度的形式表示為

圖2 電磁干擾三要素示意圖

式中，φ為干擾信號的輻射方向，f為干擾信號的工作頻率，t為干擾信號的工作時間；P為t時刻輻射頻率f的電磁信號的功率密度，也稱為干擾源的發(fā)射率；F為將干擾源輻射的電磁信號（或稱電磁能量）轉(zhuǎn)變成空間、時間及頻率分布的算子。

信息化戰(zhàn)場空間潛在的典型干擾源可集中歸納為以下幾大類：高空核爆電磁脈沖（HEMP）、超寬帶（UWB）和高功率微波（HPM）等定向能武器輻射的電磁信號，電子對抗設備（含通信對抗、雷達對抗、光電對抗等）輻射的電磁信號，雷達、通信電臺輻射的電磁信號，以及雷電、靜電等。

2）傳播耦合途徑

傳播耦合途徑指傳輸干擾信號的通路或媒介，包括“輻射耦合”和“傳導耦合”2種方式［3］。

①輻射耦合 指電磁干擾信號以電磁波的形式通過空間耦合至干擾對象內(nèi)部，它包括電磁波對天線等接收裝置的耦合，稱為前門耦合，這是最主要的耦合方式；還有電磁波對電纜、裝備金屬表面、金屬支柱、金屬導管等的耦合，以及電磁波通過孔、縫隙的耦合等，稱為后門耦合。

②傳導耦合 傳導耦合與輻射耦合有明顯不同，它是指電磁干擾信號沿著連接電路以電壓或電流的形式傳輸進入干擾對象內(nèi)部。具體又可以分為直接傳導耦合、公共阻抗耦合以及轉(zhuǎn)移阻抗耦合等，這種耦合方式一般發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部。

通常，干擾源輸出的電磁信號經(jīng)過傳播耦合后，都存在損耗，損耗程度可以用L表示，并取決于電磁信號的傳輸方位、距離、時間和頻率，具體表示為

式中，L表示在φ方向、r距離、t時刻的f頻率上，干擾源輸出信號功率的損耗程度（L≤1）；K表示將損耗程度轉(zhuǎn)變成空間、時間及頻率分布的算子。

3）干擾對象

干擾對象，即指可能受到干擾作用的電子電氣系統(tǒng)（或設備）、以及人員和燃油物資等［4］。通常用電磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）表示干擾對象受干擾的難易程度；用敏感電平閾值R表示干擾對象最小不可辨別的非預期響應信號電平，也就是敏感電平的最小值。干擾對象敏感度越高（敏感電平閾值越低），對電磁干擾就越靈敏，抗干擾能力就越差，反之亦然。

通過實驗驗證，各種典型電子設備受到弱干擾的敏感電平閾值（以微波照射功率的形式計量）一般在0.01～1μW／cm2范圍內(nèi)，受到中度干擾的敏感電平閾值在0.01～1 W／cm2范圍內(nèi)，受到較強干擾的敏感電平閾值一般在10～100 W／cm2范圍內(nèi)，受到強干擾的敏感電平閾值一般在1 000～10 000 W／cm2范圍內(nèi)［4］；一般情況下，當敏感電平閾值超過3 m W／cm2時，裝備保障人員會受到弱干擾；當敏感電平閾值超過0.5 W／cm2時，人員會受到中度干擾；當敏感電平閾值超過20 W／cm2時，人員將受到較強干擾；當敏感電平閾值達到80 W／cm2以上時，人員將受到強干擾［5］。

2.2 充分條件——電磁干擾要素之間的關(guān)系

電磁干擾源、傳播耦合途徑、干擾對象，只是形成電磁干擾的3個必要條件，要想真正產(chǎn)生電磁干擾，三者之間還須滿足一定的關(guān)系。

假設戰(zhàn)場空間中共有T個輻射源，其中有N個輻射源的電磁信號能夠傳播到某敏感設備周圍，并對該敏感設備產(chǎn)生作用，假設第i個干擾源輸出信號功率為

同時，其一共有ni種傳播耦合方式可以使干擾信號耦合進入敏感設備內(nèi)部，其中，第j種傳播耦合途徑的傳播損耗為

則在t時刻的f頻率上，第i個干擾源通過第j種耦合方式進入敏感設備的干擾功率為

在t時刻的f頻率上，該敏感設備接收到的電磁干擾信號總功率為

假設該敏感設備受到弱干擾、中度干擾、較強干擾、強干擾后的敏感電平閾值，分別以功率形式用R1，R2，R3，R4來表示，則該電磁敏感設備受到電磁干擾的過程及條件如圖3所示。

圖3 電磁干擾三要素之間的關(guān)系

3 裝備保障要素受到電磁干擾作用的主要方式

如前所述，未來信息化條件下復雜電磁環(huán)境的電磁干擾作用，既包括傳統(tǒng)意義上的中斷、降低或限制無線電通信或其他電氣設備性能的過程；也包括強電磁能量的電磁毀傷過程等。這里，重點就強電磁干擾能量（如高功率微波、電磁脈沖等，或者是多方面信號綜合形成的強干擾）對裝備保障要素產(chǎn)生電磁毀傷的機理進行闡述。

1）熱效應 根據(jù)電磁理論可以知道，電磁場作用下的介質(zhì)會被加熱，當外加電場是交變電磁場時加熱將更加激烈。當外加電磁場的頻率越高，電場強度越大，對介質(zhì)的作用越強，介質(zhì)的溫度升高的越快。熱效應可使電子裝備中的一些元器件，如半導體器件的結(jié)溫升高，造成器件性能降低或失效，甚至導致庫存物資燃燒爆炸。

2）瞬時干擾效應 即當電磁脈沖出現(xiàn)在電路的某一輸入點時，其他的輸入點仍然固定在原定的邏輯上，而輸出暫時改變。在這種情況下，電磁脈沖的瞬時變化產(chǎn)生的干擾信號進入放大電路，使系統(tǒng)失靈。對于瞬時干擾來說，數(shù)字電路的輸入線是最敏感的部位，其次是直流電源線和地線等。

3）電涌沖擊 對于已經(jīng)進行了金屬屏蔽的電子電氣系統(tǒng)（或設備），雖然電磁脈沖無法直接輻射到其內(nèi)部，但是可以在屏蔽殼體上產(chǎn)生感應脈沖電流，就像浪涌一樣在殼體上流動，當遇到縫隙、孔洞時，電涌就會進入系統(tǒng)內(nèi)部，導致敏感器件的損壞。

4）強電場效應 電磁干擾信號被干擾對象接收后，可以在其內(nèi)部的電子元器件上形成強電場，不僅可以使MOS場效應器件的柵氧化層擊穿或金屬化線間介質(zhì)擊穿，造成電路失效，而且，強電場效應可以造成載流子在器件表面態(tài)或缺陷態(tài)的遷移，從而形成潛在性損傷，對許多測試儀器和敏感電路的工作可靠性造成影響，對電磁屏蔽提出了更高的要求。

5）磁效應 靜電放電、雷擊閃電等引起的強電磁干擾可產(chǎn)生強磁場，由于對磁場的屏蔽比較困難，其產(chǎn)生的電磁能量會直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，使電子設備難以正常工作。

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1008-1542（2011）07-0031-03

2011-06-20；責任編輯:王海云

部委級重點資助項目（2008SY4103001）

馬玉林（1982-），男，河北大城人，博士研究生，主要從事裝備保障與指揮方面的研究。