外軍水面艦艇電磁兼容發(fā)展研究*

徐亞光 毛建舟

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

電 磁 兼 容 性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)［1]。

它包括兩層含義：一是設(shè)備、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能，且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級；二是設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來不可接受的電磁干擾［2]。

艦船電磁兼容就是指運(yùn)用合理的措施使艦船上的設(shè)備、電引爆武器、燃油、人體等在所處的電磁環(huán)境中不引起電磁危害和避免系統(tǒng)、設(shè)備出現(xiàn)不允許的性能降低的最優(yōu)狀況。

隨著信息化武器裝備的快速發(fā)展，武器裝備的電磁兼容問題越來越引起人們的關(guān)注。海軍是信息化武器高度密集的軍種，尤其艦艇是承載大量信息化武器裝備的海上作戰(zhàn)平臺，對電磁頻譜依賴性大，電磁兼容問題更為突出。若不能很好解決這一問題，將制約海軍戰(zhàn)斗力的發(fā)展。美、俄等國是海軍大國，擁有數(shù)量眾多的海軍艦艇，他們非常重視艦船電磁環(huán)境的研究和控制，研究外軍電磁兼容技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢對我海軍水面艦艇電磁兼容研究具有借鑒和啟示意義［3]。

2 外軍水面艦艇電磁兼容現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家海軍非常重視電磁兼容問題，投入了大量人力、財(cái)力，建立專門機(jī)構(gòu)深入開展研究，使電子設(shè)備（系統(tǒng)）對惡劣多變的電磁環(huán)境的適應(yīng)能力不斷得到改善。特別是美國海軍，其電磁兼容管理水平和技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位。

2.1 規(guī)劃管理機(jī)制健全

美國國防部組建了聯(lián)合頻譜中心（Joint Spectrum Center），以便改善電磁環(huán)境效應(yīng)的整個(gè)控制，將潛在的干擾危害區(qū)劃分為5大范圍，每一范圍需根據(jù)其自身的解決辦法作一個(gè)詳細(xì)的分析。該5個(gè)范圍分別是平臺間的電磁干擾、平臺內(nèi)的電磁干擾、現(xiàn)用商品研制設(shè)備的電磁干擾（EMI）、武器和軍械系統(tǒng)以及頻譜管理等［4]。

美國海軍建立統(tǒng)一的管理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)——特別戰(zhàn)術(shù)電磁系統(tǒng)執(zhí)行委員會，全面負(fù)責(zé)海軍艦船電磁兼容工程，對電磁兼容管理有明確的政策。美國海軍海上系統(tǒng)司令部，是美國海軍艦船技術(shù)保障工作的主要組織者和主要實(shí)施機(jī)構(gòu)。在其中一個(gè)工程處，專門設(shè)置一個(gè)機(jī)構(gòu)叫艦船電磁兼容改進(jìn)項(xiàng)目組，它負(fù)責(zé)整個(gè)海軍艦船電磁兼容性技術(shù)的具體規(guī)劃管理。對艦艇干舷部的設(shè)計(jì)，美國早在20世紀(jì)80年代初就在海上系統(tǒng)司令部專門建立了一個(gè)干舷部綜合設(shè)計(jì)工程委員會（TIDEI），負(fù)責(zé)提出新艦設(shè)計(jì)和艦艇現(xiàn)代化改裝時(shí)干舷部的工程設(shè)計(jì)方案。海軍內(nèi)部成立一個(gè)包括論證、設(shè)計(jì)、建造和驗(yàn)收、維修保障、使用等部門的人員組成的海軍電磁兼容咨詢委員會。這個(gè)委員會負(fù)責(zé)討論、建議、提供所有的電磁兼容方面的技術(shù)咨詢，它同時(shí)也鑒別和檢查潛在的、實(shí)際的電磁干擾，并推薦解決的方法［5]。

美軍為保障現(xiàn)役艦艇電磁兼容性，采用定期對現(xiàn)役艦艇進(jìn)行電磁兼容性復(fù)測或檢查的方法，實(shí)現(xiàn)了在使用過程中對艦艇電磁環(huán)境的全過程實(shí)施控制管理。第七艦隊(duì)的橫須賀基地在其修理設(shè)施的系統(tǒng)準(zhǔn)備、檢查和鑒定業(yè)務(wù)范圍中，就專門包含電磁干擾的內(nèi)容，它屬于太平洋艦隊(duì)維修中心的海軍中級維修部門。美國海軍要求每艘艦艇必須配有電磁干擾控制軍官，并規(guī)定其職責(zé)是保持艦船總體電磁兼容的完整性。

俄海軍艦艇天線林立，電磁兼容問題突出。為了有效控制艦艇電磁干擾，俄海軍在裝備設(shè)計(jì)和制造部門的幫助下，通過試驗(yàn)，為主戰(zhàn)艦艇配有艦艇電磁兼容戰(zhàn)斗文書。文書對艦艇雷達(dá)工作扇面、功率、頻率等指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)定，對同型艦艇編隊(duì)的方位、距離等要求均詳細(xì)量化。文書由艦艇電子戰(zhàn)軍官保管，供艦長作戰(zhàn)、訓(xùn)練時(shí)決策使用。

2.2 設(shè)計(jì)理念和方法先進(jìn)

美國海軍要求電磁兼容工作從裝備研制初期開始，貫穿于壽命期的始終。明確電磁兼容工作階段劃分、工作內(nèi)容和職責(zé)。這些在美國海軍指令指示及標(biāo)準(zhǔn)中得到體現(xiàn)（如MIL-HDBK-237）。

國外在20世紀(jì)70年代就十分重視EMC預(yù)測與分析的研究，一些發(fā)達(dá)國家的研究部門在采用物理仿真的同時(shí)，開展了EMC數(shù)學(xué)建模工作。到80年代后期，已研制開發(fā)了多種艦船電磁設(shè)計(jì)工具（或軟件），用于分析處理現(xiàn)代艦船總體設(shè)計(jì)中的電磁干擾問題，并建立了大型的數(shù)據(jù)庫中心，為預(yù)測分析服務(wù)。90年代，著重于電磁工程設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、三維顯像技術(shù)和電磁計(jì)算方法研究。

綜觀電磁兼容性技術(shù)發(fā)展，大致分為以下三個(gè)階段：1）問題解決法，出現(xiàn)干擾問題再解決，這是在發(fā)展早期采用的方法；2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所規(guī)定的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，這是經(jīng)過一定時(shí)間實(shí)踐后所采用的主要方法；3）系統(tǒng)法，應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為指導(dǎo)，對未來的電磁兼容性控制目標(biāo)進(jìn)行不斷地優(yōu)化預(yù)測設(shè)計(jì)，同時(shí)對整個(gè)設(shè)計(jì)建造過程實(shí)施控制管理，提高了效費(fèi)比，這是目前最為科學(xué)的方法。［6]

美國海軍已走過了問題解決法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范法階段，目前主要采用先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)法。美國海軍以大型的數(shù)據(jù)庫為支撐，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模，采用先進(jìn)的電磁設(shè)計(jì)工具和可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁兼容仿真設(shè)計(jì)。目前國外先進(jìn)的艦船電磁數(shù)字仿真系統(tǒng)由美國海軍海上系統(tǒng)司令部與洛克威爾公司聯(lián)合開發(fā)研制的艦船電磁工程設(shè)計(jì)軟件和歐洲IDS公司的“Ship EDF”艦船電磁設(shè)計(jì)平臺等。

2.3 試驗(yàn)及評估手段完善

美國擁有多個(gè)用于不同試驗(yàn)?zāi)康碾姶偶嫒輰?shí)驗(yàn)室，可以開展從設(shè)備級、系統(tǒng)級到總體級的電磁兼容性研究和檢測，可以有效解決驗(yàn)證、評估、驗(yàn)收問題。

位于美國馬里蘭州的美國海軍航空兵作戰(zhàn)中心擁有超過15個(gè)電磁環(huán)境效應(yīng)（E3）的試驗(yàn)設(shè)施和場地，主要從事海軍和空軍的電磁環(huán)境效應(yīng)研究、開發(fā)、試驗(yàn)和評估工作。包括電磁環(huán)境效應(yīng)工程分析、試驗(yàn)計(jì)劃、傳導(dǎo)試驗(yàn)、故障診斷、推薦切實(shí)可行的解決方法以及研究和改進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)等。有了上述試驗(yàn)條件，保證了美國海軍武器裝備具備抵御強(qiáng)電磁威脅的能力。

如美國海軍航空兵，其規(guī)模最大的電波暗室體積為55m×55m×18m，可容納波音707飛機(jī)進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。此外，還建有技術(shù)先進(jìn)的混響室。測試精度高、功率大，其測試頻率20Hz～40GHz，產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)高達(dá)1000V/m。擁有對復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究、開發(fā)測試以及評估的能力。對裝艦的設(shè)備除了進(jìn)行常規(guī)的電磁兼容檢測外，還可進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖、雷擊和靜電放電等考核。在設(shè)備強(qiáng)場考核方面，可以將設(shè)備、導(dǎo)彈等受試件整體“浸入”在一個(gè)寬頻段、寬區(qū)域和高場強(qiáng)的電磁環(huán)境中進(jìn)行考核。美國國軍標(biāo)MIL-STD-461D明確提出了設(shè)備或分系統(tǒng)需要在10KHz～40GHz頻段內(nèi)進(jìn)行電場輻射敏感度試驗(yàn)的規(guī)定，即：海軍水面艦船甲板上設(shè)備（包括武備）要求承受200V/m的場強(qiáng)外，還要進(jìn)行50kV瞬變電磁場輻射敏感度試驗(yàn)。美國海軍可以在海上對艦船抗核電磁脈沖能力進(jìn)行試驗(yàn)和考核［7]。

3 外軍水面艦艇電磁兼容技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 功能集成

功能集成是將不同功能集中使用同一天線或天線陣列實(shí)現(xiàn)，從很大程度上減少了所須安裝天線的數(shù)量。功能集成涉及所集成設(shè)備的整合以及協(xié)調(diào)，需要總體設(shè)計(jì)部門根據(jù)艦船總體的性能指標(biāo)對集成設(shè)備的功能和指標(biāo)進(jìn)行把握控制。

美國海軍研究局早在1995財(cái)年就著手實(shí)施先進(jìn)多功能射頻概念計(jì)劃，采取共用寬帶陣列天線、信號與數(shù)據(jù)處理、信號發(fā)生和顯示硬件，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)在內(nèi)的多種RF功能一體化，擬將洛馬公司的高波段多功能接收陣列、雷聲公司的低波段多功能接收陣列、諾斯羅普。格魯曼公司高波段發(fā)射陣列和低波段接收陣列進(jìn)行集成，將雷達(dá)電子戰(zhàn)和通信功能集成到一套天線中。2004年11月，美國海軍實(shí)驗(yàn)室宣布，AMRFS（多功能射頻系統(tǒng)）已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)在6GHz～18GHz范圍內(nèi)的集成功能，并將繼續(xù)開展第二階段工作，研究如何利用寬帶隙放大器技術(shù)和數(shù)字合成技術(shù)，以進(jìn)一步提高功率和效率［8]。

通過綜合射頻技術(shù)，利用分布式多功能射頻孔徑取代艦艇上大量分散的射頻傳感器，采用開放式、可重構(gòu)、模塊化、共形化的射頻系統(tǒng)，結(jié)合軟件上的功能控制和資源管理，以實(shí)現(xiàn)艦艇上雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信和導(dǎo)航的功能綜合。功能主要由軟件定義，顯著降低了升級成本，射頻系統(tǒng)共用，降低了專用備件的數(shù)量，功能一體化減少了操作和維護(hù)人員。通過更加智能和靈活的頻率管理，加強(qiáng)了電子干擾和兼容性問題的控制。

3.2 空間集成

空間集成技術(shù)實(shí)際上是隔離法的一種演化發(fā)展，即使用特殊技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的空間集中布置，同時(shí)保證各設(shè)備的正常工作。

空間集成技術(shù)的代表當(dāng)屬集成桅桿技術(shù)。集成桅桿是將電子設(shè)備的集成天線或獨(dú)立天線封裝在具有頻率選擇復(fù)合材料制成的桅桿內(nèi)。集成天線桅桿技術(shù)的原理在于應(yīng)用八角形橫截面組成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由雷達(dá)波吸收材料構(gòu)件制造的。天線桅桿的基本結(jié)構(gòu)就是由鋼制柵格和包覆它的雷達(dá)波吸收材料構(gòu)件組成。桅桿頂配置有旋轉(zhuǎn)的多功能雷達(dá)。下面是電子支援測量天線、電子干擾發(fā)射機(jī)、UHF和VHF通信天線，以及I波段和E/F波段導(dǎo)航雷達(dá)，所有這些都裝在傳感器的殼內(nèi)。桅桿的每一段是制成標(biāo)準(zhǔn)模塊形式的，按安裝的傳感或通信設(shè)備的特點(diǎn)在里面進(jìn)行了個(gè)別改裝。集成桅桿結(jié)構(gòu)的頻選材料是由滲有導(dǎo)電石墨合成材料構(gòu)成（頻率選擇的表面層是合成材料的一個(gè)層面）。導(dǎo)電層有陣列小孔，這些小孔對電磁波起到頻選、濾波的作用。因?yàn)橥◣Ш苷阅軐Ψ庋b在里面的天線有效地屏蔽掉除本身工作頻率外顯示高雷達(dá)反射截面的所有頻率［9]。

美國DDG1000新型驅(qū)逐艦裝備固定四面陣天線的多功能相控陣?yán)走_(dá)，采用先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)（AMRFS），將雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等設(shè)備按照頻率相同或相近進(jìn)行射頻集成，并按照頻率高低自上而下布置在上層建筑側(cè)壁上。Vosper Thornycroft公司早在1998年12月就已將完成的設(shè)備交付給英國防御評估研究局，第一階段試驗(yàn)內(nèi)容包括研究頻率選擇表面層殼體在天線發(fā)射時(shí)的效果，研究在頻率選擇表面材料后面產(chǎn)生的熱效應(yīng)，以及波形和從集成天線桅桿設(shè)計(jì)得到改善的EMC試驗(yàn)。第二階段試驗(yàn)將有實(shí)尺度集成天線桅桿的結(jié)構(gòu)以及在英國防御評估研究局新船上的海上試驗(yàn)。海上試驗(yàn)將評估有關(guān)的設(shè)計(jì)和集成天線桅桿的工作情況，也將進(jìn)一步定量改善傳感器的特性，減少波瓣，改善EMC和降低維修經(jīng)費(fèi)等問題。英國的CVF型新航母的封閉式桅桿將各種雷達(dá)、通信天線設(shè)計(jì)成平面式或球形陣列天線，封裝在桅桿內(nèi)［10]。

3.3 EMC預(yù)測仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真和虛擬技術(shù)可以在艦船設(shè)計(jì)初期對艦上一些電磁現(xiàn)象或電磁干擾的機(jī)理進(jìn)行仿真模擬，便于對干擾源、干擾途徑的分析和確定。有助于在設(shè)計(jì)階段對干擾源進(jìn)行控制和解決，從而解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)難以解決的多參數(shù)（或變量）復(fù)雜的電磁干擾問題，特別適應(yīng)于大噸位、多設(shè)備、電磁環(huán)境非常復(fù)雜的現(xiàn)代艦船的電磁兼容設(shè)計(jì)。積極主動地預(yù)防電磁干擾和電磁兼容的設(shè)計(jì)方法，是現(xiàn)階段電磁兼容研究的重要方法，也是電磁兼容未來發(fā)展的主要方向。電磁兼容數(shù)字仿真，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算。據(jù)資料報(bào)道，美國海軍用于艦艇外部通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EMC測試、散射、反射的軟件已達(dá)到實(shí)用的水平，可滿足工程應(yīng)用的要求［11]。

3.4 EMC試驗(yàn)技術(shù)

電磁兼容技術(shù)的發(fā)展離不開試驗(yàn)技術(shù)?？傮w、系統(tǒng)級安全裕量，電磁場對人員、武器裝備、燃油的危害效應(yīng)和抗核電磁脈沖效應(yīng)試驗(yàn)等方面尤為值得關(guān)注。新型測量儀表、儀器設(shè)備的開發(fā)研制和新技術(shù)在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用，試驗(yàn)設(shè)備和設(shè)施體現(xiàn)出寬頻帶、高場強(qiáng)的特點(diǎn)。為滿足軍用裝備發(fā)展的需要，必須建立相應(yīng)的檢測手段。EMC試驗(yàn)技術(shù)向自動化、集成化方向發(fā)展［12]。

4 結(jié)語

為了適應(yīng)我國海軍艦艇裝備信息化建設(shè)和戰(zhàn)略任務(wù)的轉(zhuǎn)移，電磁兼容技術(shù)必須同步跟上，以適應(yīng)新的作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)能力和新武器裝備的需求。電磁兼容性將是制約艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)能力發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)。因此，開展戰(zhàn)場電磁環(huán)境效應(yīng)研究，加強(qiáng)武器裝備電磁危害的防護(hù)，提高武器裝備在未來戰(zhàn)場上的生命力，在海軍艦船總體設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。通過研究國外海軍艦艇總體電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)，了解國外海軍電磁兼容技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我海軍艦艇電磁兼容技術(shù)的發(fā)展具有很大的借鑒和啟示意義。