基于區域控制的潛艇總體電磁兼容設計方法研究＊

黃龍水 熊 勇 謝小云

（1.海軍駐武漢七○一所軍事代表室 武漢 430064）（2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

（3.武漢數字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）是設備和系統的一種能力，即設備和系統在其電磁環境中能夠完成規定的功能，且不至于向其環境中產生不能忍受的干擾[1～2]。艦艇總體電磁兼容設計與控制的目標就是要確保艦艇上設備和系統的電磁兼容性，發揮其作戰效能[3～4]。

現代主戰潛艇一般都包括十幾個系統和上千臺設備，這些設備安裝在船體結構上，組成了一個工程上完成指定任務的復雜的巨系統[4]。

潛艇的空間狹小、設備密布，既有不同頻率、不同電平、不同波形的信號傳輸，又有設備間、電纜間、設備與電纜間等通過多種耦合途徑而產生的騷擾能量的存在，這些都使得潛艇內部的電磁環境異常復雜而惡劣。

潛艇的總體電磁兼容設計與控制[5]是潛艇研制中的重要環節，其設計好壞直接影響了潛艇總體設計的成敗和潛艇作戰使用。

潛艇的電磁兼容性設計和控制一方面是要求減小電磁干擾，使潛艇中的電磁干擾得到消除或者抑制到最低可承受程度；另一方面是加強潛艇上各設備、系統抵御外界影響、適應復雜電磁環境的能力。要達到這一目的必須要有一個良好的總體電磁兼容設計控制方法和模式。

目前電磁兼容設計方法有問題解決法、標準控制法（規范法）和系統法三種[6]。潛艇總體電磁兼容設計和控制方法主要以標準控制法為基礎，即遵循和貫徹相應的電磁兼容標準規范，嚴格要求各裝艇設備和分系統必須符合這些標準。這種方法比原始的“問題解決法”先進合理，大大降低了全工程的電磁兼容風險。但是，基于標準控制法的設計為共性化設計，各種EMC標準是從實踐經驗中綜合提煉出來而提出的一些普遍性的指標和要求，往往忽視了具體應用平臺、特定區域電磁特性，針對性不夠強，因而容易導致特定平臺電磁兼容性的欠設計而引起電磁兼容性問題，或過設計而降低了工程的效費比。因此標準控制法在應用中，需要根據工程型號電磁環境特點，對EMC標準進行適當剪裁，提高其應用的針對性。

本文將根據潛艇各區域電磁環境的分布特點，針對潛艇分艙分區域分系統布置的總體情況，提出一種初步的分艙分區域的總體電磁兼容設計和控制方法，作為標準控制法的補充，以期實現潛艇總體電磁兼容的個性化設計和精細化控制，降低總體電磁兼容的過設計和欠設計。

2 區域級電磁兼容設計方法

2.1 潛艇平臺的區域電磁環境特點

由于鋼結構對電磁能量具有良好的屏蔽能力，潛艇的耐壓殼體結構可以極大的衰減電磁能量，使得耐壓殼體對其內外的電磁能量起到去耦合作用。因此，潛艇的總體電磁兼容設計被自然的劃分為兩個截然不同的大區域，耐壓殼體外部（艦面區域）和耐壓殼體內部（艙內區域）。

耐壓殼體結構外部的指揮室圍殼區域（圖1）集中布置了潛艇所有的射頻天線，而艙內則布置有潛艇的水艙、燃油艙、居住艙室、蓄電池組、推進系統和各種保障設備和電子電氣設備等。

一般來說，潛艇內部的潛在電磁干擾源主要包括各種大功率電力電子變換裝置，例如主推進電機，各種發電機系統等，而潛艇內部的電磁敏感設備則主要為各種聲納、導航和通信接收機等電子設備。

潛艇耐壓殼體內部的區域采取隔斷分艙的設置（圖2），隔艙壁和各層間平臺板以及周圍的耐壓殼體結構的屏蔽作用使得艙內的各個隔斷艙、各個封閉艙室形成了相對獨立的電磁小環境。以德國212型潛艇為例，艇上主要的潛在干擾源如永磁推進電機、柴油發電機組和燃料電池AIP系統等電力電子變換裝置布置在艇上IV、V、VI艙，而敏感設備如聲納系統、導航系統、通信系統、作戰系統等電子設備集中布置在II艙，少量布置在I艙，Ⅲ艙則為人員居住區域。這樣的總體布局減少了空間輻射干擾的傳播途徑。

圖1 潛艇射頻天線布置

圖2 潛艇耐壓殼體內分艙基本設置

綜上所述，潛艇平臺的區域電磁環境特點可以總結如下：

1）潛艇艦面區域：各種射頻天線集中布置，造成該區域的電磁環境以電場輻射環境為主，需重點關注天線間的相互作用和人員的射頻安全。

2）艙內潛在干擾源布置區域：各種大功率電力電子變換設備集中布置，造成該區域的傳導型和輻射型電磁環境均異常惡劣，需重點關注該區域設備系統的自兼容性以及產生的干擾通過電纜傳導耦合和地電流傳導耦合方式對其他區域設備的影響。

3）艙內敏感設備布置區域：各種敏感電子設備集中布置，電磁環境較好，需重點關注該區域設備系統的自兼容性以及外部產生的干擾通過電纜傳導耦合和地電流傳導耦合方式對該區域設備的影響。

4）艙內人員居住區域：人員集中居住，電子電氣設備較少，電磁環境較好。

2.2 潛艇分艙分區域電磁兼容控制方法

2.2.1 分區域控制方法的依據和考核限值

GJB 151A電磁兼容性標準中明確規定：為了避免電磁兼容性欠設計和過設計，對于在特定系統或平臺內使用的設備或系統，當具體電磁環境和工程分析表明本標準的要求不完全適用時，可對標準要求進行剪裁，加嚴或者放寬要求，以滿足整個系統的性能，提高效費比，降低成本[7]。

潛艇平臺各個系統的電磁特性各具特色，各區域的電磁環境具有很大的差異，區域電磁環境實測數據對于特定區域或系統（特別是同類型的系統和相似的區域）給出了選用和裁剪EMC標準的技術依據。

潛艇的工程設計遵循“母型法”[9]，潛艇區域級總體電磁兼容性設計的主要依據為母型艇成功范例的各區域的電磁環境實測值。因此，潛艇區域級電磁兼容設計和控制的思路可以總結為以相應的電磁兼容性標準規范為基礎，結合母型艇各特定區域的實測數據，綜合分析提出各區域電磁環境的設計值以及對應區域各設備和分系統的電磁兼容控制項目和控制限值。

綜上，區域／艙室設備和分系統的考核限值應在現行標準的基礎上，結合母型艇成功范例的實測值進行剪裁，并最終確定。

2.2.2 分區域控制方法的框架結構

設備和分系統的電磁兼容性測試標準最早由美軍于1964年以美軍標 MIL－STD－826[10]提出，該標準是美軍各軍種通用的設備電磁兼容性測試標準，其基本框架一直沿用至今。它將設備電磁兼容性測試分為四類：傳導發射（Conducted Emission，簡寫為 CE）；輻射發射（Radiated E－mission，簡寫為 RE）；傳導敏感度（Conducted Susceptibility，簡寫為CS）；輻射敏感度（Radiated Susceptibility，簡寫為RS）。這四類測試項目的結果可以完整的表征設備和分系統的電磁兼容性。我國軍標參照了MIL－STD－826，對設備的電磁兼容性要求和測試分為CE、RE、CS、RS四類[7～8]。

根據相關電磁兼容性標準并結合潛艇平臺的區域電磁環境特點，下面提出了分艙分區域的總體電磁兼容設計和控制方法，其基本框架如圖3所示。

圖3 潛艇平臺分艙分區域電磁兼容設計框圖

潛艇分艙分區域總體電磁兼容設計與控制方法：

1）艦面區域電磁兼容性設計與控制

（1）控制艦面區域人員活動區的射頻場強，必須低于開放區域射頻輻射考核限值。

（2）艦面區域“天線集合”設計，通過合理的布局，確保天線的耦合度符合要求，天線方向圖畸變控制在允許的范圍內，避免接收機的功率倒灌和阻塞干擾。

2）艙內區域電磁兼容性設計與控制

（1）人員居住區域／艙室電磁兼容控制：控制艙室內射頻場強低于艙室內部射頻場強考核限值，滿足人員射頻場安全要求。

（2）艙內潛在干擾源布置艙室／區域電磁兼容控制：

·控制艙室／區域內設備和分系統的CS、RS考核項目，須滿足考核限值。

·控制艙室／區域內設備和分系統的CE項目、地電流發射項目，應滿足考核限值。

·艙室／區域內設備和分系統的RE項目不做嚴格控制，但艙室／區域內射頻場強要求應滿足艙室內部射頻場強考核限值。

（3）艙內潛在敏感設備布置艙室／區域電磁兼容控制：

·控制艙室／區域內設備和分系統的CS、RS和地線注入項目，須滿足考核限值。

·控制艙室／區域內設備和分系統的CE項目，應滿足考核限值。

·艙室／區域內設備和分系統的RE項目不做嚴格控制，艙室／區域內射頻場強要求滿足艙室內部射頻場強考核限值。

3 結語

基于區域控制的潛艇總體電磁兼容設計與控制方法，是對標準控制法在潛艇平臺上應用的補充。該方法針對潛艇不同艙室／區域的電磁環境特點，采用分艙分區域控制策略，對潛艇總體電磁兼容性實施更精確的設計和控制，目的是克服單純采用標準控制法可能引起的電磁兼容性欠設計和過設計，降低總體電磁兼容性設計風險，提高工程的效費比。

[1]周開基，趙剛.電磁兼容性原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2003.

[2]Tim Williams，Keith Armstrong.EMC for Systems and Installations[M].Newenes，2000.

[3]周玉蘭，牟安成.海軍艦船電磁兼容性技術[M].北京：海潮出版社，1999.

[4]候東云，孟凡民.艦船系統級電磁兼容性要求[J].艦船電子工程，2004（5）：93－94.

[5]王海生，劉洪生.潛艇電磁兼容控制[J].安全與電磁兼容，2005（2）：93－94.

[6]路宏敏，余志勇，等.工程電磁兼容[M].第2版.西安：西安電子科技大學出版社，2010.

[7]GJB 151A－97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》，1997.

[8]GJB 152A－97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量》，1997.

[9]馬運義，許健.現代潛艇設計原理與技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.

[10]MIL－STD－826《Electromagnetic interference test requirements and test methods》，1964.