車輛強電磁脈沖條件下的分層防護及驗證方法探討

聶秀麗，趙曉凡

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車輛強電磁脈沖條件下的分層防護及驗證方法探討

聶秀麗，趙曉凡

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

目的 提高地面整車裝備在強電磁脈沖環境中的生存能力，研究高場強條件下的分層電磁防護技術。方法 研究強電磁脈沖干擾的車輛耦合途徑，在綜合考慮車輛生存能力、功能任務、費效比等因素的前提下，探討從元器件級、設備分系統級、整車級進行電磁防護的方法，并提出驗證方法。結果 提出了基于分層的電磁防護措施，探討了外部射頻電磁環境適應性測試和電纜束瞬態傳導敏感度測試等驗證方法。結論 要提高地面整車裝備在強電磁脈沖環境中的生存能力，應當繼續研究強干擾條件下的分層電磁防護技術，并通過整車試驗進行防護效能驗證。

強脈沖干擾；耦合；電磁防護；整車驗證

未來戰爭是信息化條件下的局部高科技戰爭，相當多信息裝備的戰技指標都是通過大功率輻射來實現的。各類大功率雷達和發射機廣泛應用，電磁脈沖武器及高功率微波武器屢見不鮮，其形成的強場電磁環境，破壞效果遠超一般電子戰設備，對裝備車輛構成嚴重威脅。與此同時，傳感器技術、計算機技術、微電子技術廣泛應用于各類裝備車輛，這些技術在不斷提高車輛信息化程度的同時，也在不斷提高車輛的電磁敏感性。兩種趨勢形成了尖銳的矛盾。基于上述背景，需要開展強電磁脈沖條件下的防護技術研究，改善裝備車輛的電磁兼容性能，從而使車輛在復雜的外部電磁環境下能夠保持生存能力，完成指定任務。

文中主要針對強電磁脈沖條件下整車電磁防護及驗證方法開展了初步探討。首先，針對整車系統闡述了強電磁脈沖的主要耦合途徑及危害。在此基礎上，探討分層防護方法，結合強電磁脈沖對整車的作用機理，探討在器件、分系統、整車層面的電磁防護措施。最后，提出了防護的驗證方法。

1 強電磁脈沖的耦合途徑及危害

隨著軍用雷達以及射頻發射機的發射功率越來越大[1]，電磁脈沖（EMP）武器、高功率微波(HPM)武器大量出現，以及高空核電磁脈沖(HEMP)、雷電等的影響，裝備車輛所處的戰場電磁環境日益惡劣。如何提升裝備車輛對未來戰場可能出現的各類高峰值電磁脈沖的防護能力，已經得到越來越多的關注。

結合IEC61000以及美軍標MIL-STD-464[2]中對于電磁脈沖時域波形的描述，其主要特征為：脈沖上升時間短、幅度大、瞬時峰值功率高。其中，脈沖上升時間短是最重要的特征，覆蓋的頻譜很寬[3]，能在很寬的頻率范圍內產生耦合作用。強電磁脈沖的信號特征使其可對車輛產生極大的危害。根據干擾造成破壞的程度，一般可分為干擾、降級、損傷、損毀等四個等級[4]。電磁脈沖影響車輛內部電子電氣設備的方式分為“前門”耦合和“后門”耦合兩種途徑，如圖1所示。

1.1 “前門”耦合及危害

“前門”耦合是指能量通過天線、射頻部件等媒質耦合進車輛的接收機和發射系統內[5]。對于通信、指控類車輛而言，通常配備有各類電臺（短波、超短波、高速數據臺等）、衛星通信、敵我識別、導航設備等，通過外置天線接收語音、數據、圖像等有用信號，完成組網通信、指揮控制等功能。這些天線在受到外部強電磁脈沖干擾的情況下，成為強干擾信號的耦合路徑，對車內通信設備，以及敏感電子設備產生影響。一方面，影響車輛的正常通信、指揮、控制等功能；另一方面，強電磁能量通過天線耦合后可轉換為瞬態電流和瞬態電壓，破壞各種敏感元件，如傳感器和電子器件，使元器件功能紊亂，甚至永久失效等。部分車載通信設備及工作頻段如圖2所示。

1.2 “后門”耦合及危害

“后門”耦合是指能量通過各種窗口、線纜進入車輛內的途徑。在裝備車輛中，由于結構設計和功能上的需要，不僅設置了各類觀瞄探測類窗口、艙門，還包括各類連接縫隙、進出排氣孔、通風口等。強電磁脈沖產生的瞬態電磁場會穿透車輛的殼體結構，通過這些“窗口”耦合進入車輛內部，形成擊穿效應。

電源線、信號線組成的線纜網引入車輛的干擾也是后門效應不可忽略的一部分。在裝備車輛中，包含各類信息處理設備，廣泛應用各類線纜連接不同的電氣與電子系統，實現供電與信號的有效傳輸。外部強電磁脈沖產生的干擾信號通過在線纜表面感應出瞬時電壓和電流，沿線纜傳輸。一方面，可通過干擾電源線，影響用電設備的正常供電；另一方面，電源線可通過線束間的串擾作用，對控制信號線等產生影響，危害信息的正常傳輸，還可通過線纜影響終端設備的正常工作。

另外，強電磁脈沖瞬時輻射功率較大，可在車體表面形成表面電流，影響車體地電位，干擾裝備武器系統等的正常工作，甚至導致誤操作，危及車輛安全。

如前所述，裝備車輛中前門、后門耦合途徑如圖3所示。

圖3 車輛中“前門”和“后門”耦合途徑

2 強電磁脈沖的分層防護法

車輛電磁防護是一項系統工程，在綜合考慮車輛生存能力、功能任務、費效比等因素的前提下，將電磁防護技術在研制的各個階段進行貫徹和落實。從最初的器件加固，到設備間線束布局、接口設計，到整車屏蔽完整性、天線布局與接地設計等，逐層防護，針對“前門”和“后門”耦合通道，采用屏蔽、濾波、接地和加裝保護電路等措施[6—7]，最終實現良好的整車防護性能，如圖4所示。在器件級、設備分系統級、整車級分別采取相應的防護措施，層層落實，保障整車系統具備在惡劣強電磁脈沖輻照環境下的生存能力。

2.1 元器件級防護

元器件作為車輛的基本組成要素，元器件的選擇和布局設計對電磁防護能力影響很大。

2.1.1 防護器件選擇

隨著技術的高速發展，各類半導體器件、功率器件和電路元件發生了很大的變化，開關頻率越來越高，耐壓值增大，敏感性越來越高，抗干擾能力下降。因此，在滿足所需功能的前提下，選擇具有較高抗干擾能力的器件至關重要。

1）采用瞬態防護器件。對于強電磁脈沖而言，瞬時感應的高電壓是系統干擾或毀傷的主要原因，加入瞬態防護器件，將瞬態高電壓旁路到地上，可以降低強電磁脈沖干擾影響。

2）增加限幅器，使低功率電平的信號通過，而高功率電平的信號受到衰減，保護高靈敏度接收機不被大功率脈沖信號燒毀，降低“前門”效應。限幅器件選用功率承受能力較高的二極管來實現。

3）考慮到強電磁脈沖覆蓋的頻帶較寬，產生的干擾具有頻率選擇性，選擇干擾抑制器件或功率吸收元件也是十分重要的。可采用電阻器、電容器、電感器等無源器件組合進行干擾信號的旁路、吸收、隔離、濾除和去耦。

2.1.2 元器件布局

為提高電磁防護能力，在選用加固器件的基礎上，還應對元器件進行合理布局，注意減少器件間的干擾和相互影響，增強電磁防護能力。作為一般的原則，主要有以下幾個方面。

1）按電路流程安排各功能器件的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一定的方向。

2）以核心器件為中心，圍繞它進行布局[8]。

3）合理排列元器件。產生騷擾的元器件和敏感元件要盡量分開。低電平級和高電平級的元器件，低功率級和高功率級的元器件，應按輸入和輸出方向順序排列，避免將高電平、高功率的信號耦合至低電平、低功率的器件，造成反饋騷擾。

4）盡可能縮短高頻下工作元器件連線，減小環路面積。

2.2 設備分系統級電磁防護

強電磁脈沖進入車體內，在設備連接線束上感應出瞬時電壓和電流，進而對終端設備產生影響。因而，在設備分系統級，主要對互連線束及設備接口進行防護設計。

2.2.1 線纜防護

設備間互連線束一方面可起到天線的作用，接收外部的電磁干擾；另一方面起到傳導路徑的作用。由于導線之間存在較大的分布電容和互電感，外界干擾通過線束串擾的方式耦合到其他設備，對其他設備產生干擾。

1）線纜布局。外部電磁脈沖耦合進車輛內部線纜產生干擾，線纜上能量的耦合很大程度上取決于線纜的布局。一方面，應該盡量減小線纜與外部強場源之間的耦合，盡量避免線纜穿過車體或結構件上的開口、不連續搭接或非金屬結構，將靠近外部的線纜就近依靠金屬殼體結構良好接地。另一方面，布局時考慮減小線纜間的串擾耦合。由于車內空間有限，無法滿足線纜拉開足夠間距的要求，致使電纜間耦合非常嚴重，因此，在線纜敷設時，應考慮以下幾點：將線纜分為電源線、信號線和射頻線纜，不同類型線纜分開走線和捆扎，并盡量保留一定的敷設間距，減少敏感線纜間的平行布線；減小線纜的數量和長度，建議采用分布式布線；接地線應盡量短；電臺的天線饋線應單獨布線，并貼近車壁走線，盡量靠近電臺主機或天線調諧器，拉開與其他線纜的間距。

2）線纜屏蔽。為提高抗擾能力，裝備車輛一般采用屏蔽線，且屏蔽層良好接地。對于任務關鍵性設備的線束，如電控單元ECU線束，除采用屏蔽線外，還可進行鎧裝。對于高頻信號傳輸線（如高速CAN 總線），可采用光纖或同軸電纜替代，增強信號傳輸的可靠性，降低電磁脈沖的干擾影響。

2.2.2 接口設計

對于電氣連接器，由于通常為塑料制品，即使與屏蔽線纜相連，也不具備屏蔽效能。可考慮為連接器加裝金屬屏蔽殼，或采用其他措施，與接插件電連接器插頭配合后，其屏蔽效能大于或等于相同長度屏蔽電纜的屏蔽性能。

2.3 整車系統級電磁防護

高場強電磁干擾信號可以通過天線、電源線、信號線、傳輸線等媒質線性耦合到車輛內部，破壞前端電子設備，也可以通過散熱孔、通風孔等孔洞或縫隙耦合到車輛內部，干擾或燒毀電子器件（微處理芯片和半導體器件等）和電路，使設備無法正常工作。

在整車級防護時，主要針對“前門”和“后門”效應入手，通過改善車體的屏蔽完整性、天線布局以及接地設計來提高車輛的整體防護效能。

2.3.1 整車殼體屏蔽

在各種電磁防護措施中，最簡單有效的方式就是進行屏蔽。金屬結構的車體是一道有效屏障，對電磁波起到很好的防護作用。然而，屏蔽效能在更大程度上依賴于殼體結構，即屏蔽體的完整性。基于功能和生存的需要，車輛設置了各種窗口，包括通風窗、觀察窗、儀表安裝孔、縫隙、電纜孔等，破壞了屏蔽的完整性，電磁波通過這些縫隙、孔洞泄漏進去[9]，直接作用于電子設備或元器件，造成設備狀態紊亂或損傷。

影響屏蔽效能的的主要因素包括：各種大型的開孔，如車窗、觀察窗等；各種通風散熱孔；各種固定和活動的安裝縫，如艙蓋的結合縫等。如圖5所示。

提高整車殼體屏蔽效能是提高電磁防護能力的重要因素。在對車輛進行外部結構研究時發現，殼體的孔洞及窗體是電磁耦合的主要部位，應根據干擾電磁波的頻率和波長，合理設計開孔的尺寸，并對這些部位進行重點屏蔽。另外，還應考慮車體上線纜的防護設計。

2.3.2 天線布局

天線作為直接接收外界電磁能量的端口，是電磁脈沖“前門”耦合的主要途徑。裝備車輛車頂的空間是有限的，不同功能、頻段天線間存在能量的相互耦合，由于天線是主動收發耦合部件，無法采用屏蔽方法，只有通過合理優化天線布局，使互耦影響減到最小，降低干擾。主要考慮以下三個方面：采用天線合路器，減少天線數量，從而減小耦合的干擾大小；天線底座應與車體表面進行良好接地，降低天線的耦合干擾；天線進入車體與通信等設備連接前，可以設置電涌保護器保護后再連接至設備[10]。

2.3.3 接地設計

裝備車輛接地系統由車體和電纜組成。80%的電磁兼容問題是由于電纜和接地網絡不合理造成的。首先，要盡可能多地設置接地點，將接地線盡量加粗；其次，對整車地線和電源電纜布局進行電磁兼容優化設計，合理布局；第三，確保大功率或強干擾源接地點的接地電阻足夠小，接地系統電纜應盡量短，用搭接條直接與車體可靠連接，搭接條設計應保證與兩連接體可靠連接。對于任務關鍵性系統，必須保證良好接地。

電纜線的屏蔽層接地也是非常復雜的問題，禁止設備電源負線接地與線纜屏蔽層接地共用同一接地點，需分別敷設。禁止設備電源負線通過殼體地接地。

3 電磁防護驗證方法

通過之前的描述，分別從元器件級、設備分系統級、整車級探討了進行電磁防護的方法。考慮到成本因素，進行強電磁脈沖防護還應從有效規避或局部防護兩個手段入手。針對不同關鍵性、不同功能的系統要分別予以考慮。

對于電磁防護效果的驗證，國內還欠缺具體的評估方法，需要參照國外的相關標準進行驗證和評估。基本方法是：通過技術手段構建電磁干擾模擬環境，搭建整車系統測試平臺，建立試驗方法、指標要求進行測試，從而對電磁干擾防護設計進行驗證，進而為車輛總體電磁環境效應試驗驗證技術研究創造條件，提升信息化裝備總體設計、試驗驗證能力，提高裝甲車輛在未來戰場復雜電磁環境中的生存能力。

3.1 科學選擇驗證項目

首先定義裝備車輛的背景環境和威脅環境，給出干擾類型、干擾樣式、干擾量級及響應機理，規定采購方和設計方認可的環境定義、考核項目及設施方法，逐步開展試驗考核。這是量化驗證評估的基礎，也是一個難點，如何精確定義干擾環境還需持續開展研究。

針對強電磁脈沖干擾環境適應性驗證考核來說，對于不同的項目和干擾強度，產品將經歷從干擾到毀傷的不同階段，防護設計的閾值直接關系到產品的生存性。對于一個特定的裝備來說，最終的考核項目和限值的選擇方法主要是參考相關標準來選擇。在標準不具體的情況下，需要重點考慮裝備戰技指標、電磁干擾對功能的威脅程度、試驗的可實現性和結果的可評估性，根據其功能特點和電磁干擾的影響程度來選擇具體考核項目和考核等級是非常重要的。

當前，國內主要采用試驗測試的方法對整車系統的強電磁場防護設計措施進行驗證。根據強電磁場耦合進整車系統的干擾途徑，主要通過兩種測試方法對防護設計進行驗證，即外部射頻電磁環境適應性測試和電纜束瞬態傳導敏感度測試。

3.2 外部射頻電磁環境適應性測試

外部射頻電磁環境適應性測試是通過形成空間輻射場的方式對整車系統在高場強條件下的防護效能進行試驗驗證和評估。

具體的驗證方法是：由電場發生裝置產生規定場強的電場，通過天線將該電場輻射至受試車輛，考核其設備和線纜是否由于外部強輻射場的耦合形成干擾信號，使整車系統受到影響而產生敏感現象[11]，測試配置如圖6所示。

圖6 外部射頻電磁環境適應性測試

測試中，應選擇強電磁脈沖最易耦合進整車系統的位置，如車輛結構性孔縫（門縫、艙門以及縫隙、通風窗等）、任務關鍵性設備和安全關鍵性設備位置處等，從而能夠更好地對各層防護效果進行判斷。根據系統受強場干擾程度的不同，測試結果可以分為四種情況：干擾撤銷后能夠自行恢復正常的瞬時敏感現象（含未出現敏感現象）；工作失常，干擾撤銷后無人為干預下，無法自行恢復的敏感現象；關鍵器件性能下降或非關鍵器件失效現象；永久性毀損或損傷。結合試驗中出現的敏感現象驗證各層防護措施是否到位，從而對被測系統的強場防護設計作出評估。

外部射頻電磁環境適應性測試能夠基本反映整車系統強電磁場的防護效能。目前的各型裝備車輛在進行整車電磁兼容試驗時，按照GJB 1389A的要求[12]，進行外部射頻電磁環境適應性測試的驗證。對于強電磁脈沖而言，還應進一步研究其信號特征，修正施加場的功率幅值、干擾持續時間等。對于出現敏感現象的系統，逐層分析其防護設計是否已經落實，對于未落實到位的防護措施，應該進行整改，并再次進行驗證，直至達到敏感度判據要求。

3.3 電纜束瞬態傳導敏感度測試方法

電纜束瞬態傳導敏感度測試是一種模擬電纜束電場感應效應的替代方法。通過模擬系統外部瞬態環境產生的干擾在線纜上的耦合，考察設備承受感應到互連電纜上的脈沖及阻尼正弦瞬變的能力，即可以對線纜的防護效能進行評估。主要包括電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度測試和電纜束及電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度測試。

具體的驗證方法是：通過傳導注入的方法對整車安裝的電纜施加干擾（主要針對關鍵電子電氣系統或易耦合外部信號的部分），測試配置如圖7所示。

通過前面的研究，線纜是實現強電磁場防護的重要環節。車輛中線束眾多，布局繁雜，僅依照GJB 151B[13]的方法對設備部件級進行該項試驗無法驗證在整車集成后的防護效能，因此應在整車系統中進行該項測試，更加有效、全面地驗證整車中線束的強場防護措施。在目前的各型車輛中進行整車電磁兼容試驗時進行了該項測試，以驗證系統線纜防護的性能。

3.4 驗證結果的分級評估

對強電磁脈沖的防護設計進行整車驗證后，應依據系統的重要程度、任務與安全關鍵性，對防護效果進行分級評估，例如允許非關鍵系統在進行試驗驗證時，發生一定的敏感現象。對于任務關鍵性、安全關鍵性系統要加嚴評估。

4 結語

信息戰已經成為現代戰爭的主要特點，高場強輻射是現代化戰爭中武器裝備最大的威脅之一，將會大大改變未來戰爭的樣式和戰術。為提高地面整車裝備在強電磁脈沖環境中的生存能力，應當繼續研究高場強條件下的分層電磁防護技術，逐層設計、逐層防護，并通過整車系統級電磁兼容試驗對整車電磁防護效能進行試驗驗證和分級評估，提升裝備在復雜電磁環境下的生存能力和作戰效能。

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Discussion on the Layered Protection and Verification Method for the Vehicle under the Condition of Intensive Electromagnetic Pulse

NIE Xiu-li, ZHAO Xiao-fan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Objective Improve the ground equipment in strong electromagnetic pulse of the environment of survival ability, the high field strength under the condition of stratified electromagnetic protection technology. Methods The vehicle coupling way to the strong electromagnetic pulse interference, in consideration of vehicle survivability, functional task, under the premise of factors such as cost effectiveness, discussed from levels of components, equipment subsystem, the vehicle level method for electromagnetic shielding, and validation method is put forward. Results Is proposed based on hierarchical electromagnetic protection measures, this paper discusses the external electromagnetic environment adaptability test and the cable of the radio beam transient conduction sensitivity test validation method, etc. Conclusion To improve the ground equipment in strong electromagnetic pulse of the environment of survival ability, should continue to study under the condition of strong interference hierarchical electromagnetic protection technology, and through the vehicle test verifies the protective effectiveness..

intensive pulse interference; coupling; electromagnetic protection; vehicle verification

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.008

TJ811

A

1672-9242(2017)04-0036-06

2016-10-31；

2016-11-31

聶秀麗（1988—），女，山東人，工程師，主要從事車輛電磁兼容研究。