某型電臺的HEMP 輻照效應試驗及電磁損傷評估方法研究

盧治鋼 陳岳承 劉樹中 崔燕舞 王濤

（中國人民解放軍32203 部隊, 華陰 714200）

引 言

電磁環境效應、電磁易損性等均是設備系統的固有屬性，由產品的基本原理、結構、布局、工藝、加載條件等決定[1-2]. 高空核爆電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)由于場強大、瞬時破壞力強，可以對電臺類設備造成威脅[3-4]. 核電磁脈沖的時域波形呈雙指數波的形式，核電磁場和電臺系統相互作用過程中，多種耦合通道效應疊加，加上系統結構和功能本身比較復雜，要定量表征系統效應，無論采用數值計算的方法還是采用試驗的方法，都面臨嚴峻的挑戰[5]. 電臺類設備屬于典型的通信指揮設備，HEMP 下的電臺易損性評估難點具體表現在：強電磁環境和系統非線性失效存在較大的不確定性，難于預計；系統電學參數多，難以全部獲得；HEMP試驗成本高，風險大[4,6].

目前常用的評估方法有故障樹法和基于貝葉斯統計的故障樹法，兩者的核心都是建立易損性故障樹模型，通過試驗獲取底事件的失效概率，根據各系統間的“與”“或”關系，得到系統的失效概率[7].2016 年劉鈺等[8]針對電子系統電磁脈沖(electromagnetic pulse, EMP)易損性評估問題，提出了基于分層貝葉斯網絡(hierarchical Bayesian network,HBN)的電子系統EMP 易損性評估模型建模方法，并以某電子機械傳動系統EMP 易損性評估問題為例說明了建模和計算過程. 2018 年孫曉穎等研究了基于貝葉斯網絡的敏感度評估方法[9]，通過從概率角度考慮所有不確定參量來提高評估準確性，并通過試驗驗證了模型的有效性；同年又提出一種基于HBN 的車輛發動機系統EMP 敏感度評估方法[10]，并對評估方法進一步進行了驗證. 2019 年Liu 等將聯合先驗概率密度函數與基于貝葉斯公式的似然函數相結合，提出了一種基于貝葉斯方法的多狀態元件易損性評估方法[11]，可以得到這些參數的聯合后驗概率密度函數，并從實際驗證了狀態概率函數的估計比單一的狀態概率估計更為實用. 2020 年劉鈺等基于HBN 模型及貝葉斯信息融合算法建立了電子系統EMP 易損性評估模型及易損性信息融合算法[12]，研究了某星用模數轉換系統的EMP 易損性評估問題，獲得子系統及系統節點的易損性后驗分布.

易損性評估過程中通常需要綜合運用各種試驗和計算方法獲得必要的基礎數據[13-16]，因此，研究電臺類電磁易損性評估對于統一規劃和指導易損性評估流程中的系統分析、試驗、計算以及數據融合等各項工作具有重要意義. 本文在系統敏感特性分析的基礎上，提出了一種基于故障樹模型的易損性評估算法，并采用此方法對電臺設備進行了易損性分析，給出了電臺設備在強電磁環境下的易損性失效概率.

1 基于故障樹模型的易損性評估算法設計

算法首先對電臺的結構與敏感特性進行分析；然后設計電臺系統的敏感性評估方法；最后利用綜合試驗數據和系統效應現象，建立故障樹模型，獲得最終評估結果.

1.1 電臺結構分析

超短波電臺具有通信頻帶寬、容量大、信號穩定等優點[17]，是近距離無線電通信廣泛使用的主要裝備. 選用車載超短波歐訊SG-7 200 型電臺，其系統功能、組成、工作原理均具有超短波電臺典型特征，可作為典型效應物開展電磁易損性試驗研究工作. 采用兩臺車載超短波電臺構成試驗系統，其中一臺作為被試系統，一臺作為陪試系統.

電臺系統整體構成如圖1 所示，由電臺主機、話筒、天線、電壓及話筒線、電源線、天線連接線組成.試驗中主要考慮天線、電源線和話筒線的耦合電流及整系統的功能效應.

圖1 電臺系統結構組成圖Fig. 1 Radio system structure

1.2 總體流程評估

本次試驗借鑒給出敏感性評估試驗流程的IEC標準，完成電臺的系統級EMP 易損性評估. 評估流程主要分為四個階段：子系統和設備表征階段、系統分析階段、系統試驗階段和易損性評估階段. 具體實現方法如圖2 所示.

圖2 系統級EMP 易損性試驗評估流程圖Fig. 2 Flowchart of system-level electromagnetic pulse vulnerability test assessment

在系統表征階段，判斷系統敏感性數據是否已具備，如已具備可直接開展評估，如不具備則進行下一階段；系統分析階段是對系統功能結構和拓撲結構分析，拆解為分系統，選擇重要測試點或耦合測點；系統試驗階段將綜合運用低幅度輻照(連續波和脈沖波)以及高水平試驗等各種試驗方法獲取所需的評估數據；評估階段則是建立故障樹模型，綜合試驗數據和系統效應現象，獲得最終評估結果.

1.3 電臺系統故障樹模型建立

根據電臺結構分析，建立電臺系統的故障樹模型，如圖3 所示. 可以看到，子系統和單元之間都是邏輯“或”關系，即針對整系統失效的頂事件，任何一個單元或子系統的失效均將導致整系統失效. 若單元對系統功能有重大影響，其失效能夠引起整系統部分或全部喪失，稱為“功能關鍵”單元. 單元都是系統正常工作必不可少的組成部分，均為關鍵子系統或組件.

圖3 電臺系統的故障樹模型Fig. 3 Fault tree of radio system structure

進一步分析子系統失效和HEMP 的關系. 故障樹模型中底事件是系統分析中不再劃分的最小功能單元的失效，該單元或子系統的失效與HEMP 在端口上感應的電流、電壓等電磁應力有關[13-14]. 電磁應力不是微控制系統自身的組成部分，沒有“失效”的概念，該參數只能包含在最小功能單元失效的底事件中. 因此從故障樹模型的概念出發，不能明確給出電磁應力的表述形式. 根據模型可以給出故障樹的結構函數：

式中，P(Vi)為包含Vi單元的電磁應力參數.

為進行故障樹定量分析，進而求出頂事件發生概率和各單元重要度，需要通過輻照試驗的方法得出各個單元的電磁應力參數P(Vi).

2 HEMP 試驗及易損性評估

2.1 試驗方案設計

為獲取系統HEMP 易損性評估所需基礎數據，需要開展多種不同類型的試驗，通過威脅級輻照試驗和注入試驗獲取單元失效閾值，以確定系統對HEMP 激勵的響應. 試驗分為兩輪開展：第一輪試驗在設備不加電狀態下，在X，Y，Z三個方向上均開展輻照試驗，綜合驗證試驗結果，探索各方向耦合規律；第二輪試驗在加電狀態下開展，研究工作狀態的電臺在HEMP 輻照下的效應現象.

1)試驗布局

電臺天線高約1.2 m，可開展全尺寸威脅級輻照試驗，試驗采用錐形模擬器為有界波模擬器. 結合實際情況，天線與設備之間高度差約1 m 為最大耦合布局，供電線、話筒線與設備之間高度差按60 cm 考慮(主機架高60 cm). 雷達和電臺放置在錐形模擬器前錐段，效應物對應天線高度大于效應物高度的兩倍. 天線、電源線和話筒線的試驗布局如圖4 和圖5所示.

圖4 電臺天線耦合試驗測試布局Fig. 4 Radio antenna coupling test layout

圖5 電源線與話筒線耦合試驗布局Fig. 5 Power line and microphone line coupling test layout

圖6 為測試物在輻照場內的試驗布局及坐標系定義，天線長度方向為X方向，寬度方向為Y方向，高度方向為Z方向. 以X方向軸線為對稱線，電場探頭和效應物對稱放置. 采用電場探頭測量輻照場波形，電流線圈(皮爾森8585C)測量耦合電流波形，分別測試天線和各類電纜的耦合電流. 每種線又分為X，Y，Z三個方向擺放，測量線纜根部耦合電流.

圖6 測試物在輻照場內的試驗布局及坐標系定義圖Fig. 6 Test layout and coordinate system definition diagram of the test object in the irradiation field

圖7～9 分別為電臺天線、話筒線、電源線的威脅級輻照試驗場景圖.

圖7 電臺天線耦合電流測試現場圖Fig. 7 Radio antenna coupling current test

圖8 話筒線耦合電流測試現場圖Fig. 8 Microphone line coupling current test

圖9 電源線耦合電流測試現場圖Fig. 9 Power line coupling current test

2)輻照順序

開展雷達與電臺的易損性試驗時，事先不確定最高的輻照場強，試驗過程采用步進法觀測系統效應，直到輻照場達到預定的試驗結果，系統可接受受損的風險，如圖10 所示.

圖10 易損性試驗輻照過程Fig. 10 Irradiation process of vulnerability test

雷達與電臺易損性試驗從電壓等級10 kV/m 開始，每次增大10 kV/m，直至60 kV/m 或者出現效應為止，共分6 個輻照水平. 在某一個輻照水平出現效應，如果是軟損傷，則在該量級與上一量級的區間再分5 個輻照水平進行細化試驗，直至找到損傷閾值；如果出現硬損傷，則需要將效應物維修后，在該量級與上一量級的區間再分5 個輻照水平進行細化試驗，直至找到損傷閾值.

3)輻照次數

試驗的重復次數與相應的置信水平相關. 試驗的總次數隨系統試驗的方位(不小于2 個)、威脅水平(不小于3 個)和工作模式的試驗要求快速增長，試驗次數增加的同時試驗時間和試驗費用也按同比例增加，因此，試驗次數應根據試驗費用和置信度進行折衷. 一般情況下試驗重復次數為2～5. 本文給出計劃試驗的次數如表1 和表2 所示.

表1 未加電狀態下HEMP 試驗次數Tab. 1 Times of HEMP test with power off

表2 加電狀態效應試驗次數Tab. 2 Test times of state effect with power on

2.2 試驗過程及結果

根據電臺易損性敏感分析結果，電臺類設備輻照試驗主要測試天線耦合、供電線耦合、話筒線耦合三種情況.

2.2.1 未加電狀態下的耦合規律研究

采用2.1 節的試驗方法對電臺設備進行輻照式EMP 試驗，分別測試電臺設備的天線、電源線及話筒線的耦合電流. 圖11 為電臺天線輻照試驗的電場與耦合電流波形，電流為Z方向.

圖11 未加電狀態下電臺天線輻照試驗電場與耦合電流波形Fig. 11 Waveform of electric field and coupling current in radio antenna irradiation test with power off

表3 為試驗中的峰值電場與峰值耦合電流的試驗數據. 為進一步直觀反映耦合規律，繪制了峰值電場與峰值耦合電流的折線圖，如圖12 所示. 可以看到，耦合電流隨外界電場的增大而增大，且呈現出線性關系. 經統計計算，電臺天線的耦合電流與外界電場的傳遞關系可近似表示為1.47 A/kV.

表3 未加電狀態下電臺天線輻照試驗數據Tab. 3 Radiation test data of radio antenna with power off

圖12 未加電狀態下電臺天線耦合電流隨電場變化規律Fig. 12 Variation of radio antenna coupling current with electric field with power off

圖13 為電臺話筒線輻照試驗的電場與耦合電流波形，電流為Z方向.

圖13 未加電狀態下電臺話筒線輻照試驗電場與耦合電流波形Fig. 13 Waveform of electric field and coupling current in radio microphone line irradiation test with power off

表4 為未加電狀態下電臺話筒線輻照試驗數據.電臺話筒線耦合電流隨電場變化規律如圖14 所示.可以看到，耦合電流隨外界電場的增大而增大，且呈現出線性關系. 經統計計算，電臺話筒線的耦合電流與外界電場的傳遞關系可近似表示為1.19 A/kV.

表4 未加電狀態下電臺話筒線輻照試驗數據Tab. 4 Radiation test data of radio microphone line irradiation test with power off

圖14 未加電狀態下電臺話筒線耦合電流隨電場變化規律Fig. 14 Waveform of electric field and coupling current in radio microphone line irradiation test with power off

圖15 為電臺電源線輻照試驗的電場與耦合電流波形，電流為Z方向.

圖15 未加電狀態下電臺電源線輻照試驗電場與耦合電流波形Fig. 15 Waveform of electric field and coupling current in radio power line irradiation test with power off

表5 為未加電狀態下電臺電源線輻照試驗數據，電臺電源線耦合電流隨電場變化規律如圖16 所示. 可以看到，耦合電流隨外界電場的增大而增大，且呈現出線性關系. 經統計計算，電臺電源線的耦合電流與外界電場的傳遞關系可近似表示為2.05 A/kV.

表5 未加電狀態下電臺電源線輻照試驗數據Tab. 5 Radiation test data of radio power line with power off

圖16 未加電狀態下電臺電源線耦合電流隨電場變化規律Fig. 16 Variation of radio power line coupling current with electric field with power off

2.2.2 加電狀態下的效應試驗

未加電狀態下，通過對不同輻照場強下的耦合電流進行測量獲取電臺設備各部分組件在HEMP 下的耦合規律及相應的電場電流傳遞函數(圖17). 在加電狀態下可以實時掌握電臺的損傷情況，結合未加電狀態下的耦合規律，可以進一步找到電臺的易損部位.

圖17 加電狀態下天線輻照試驗電場與耦合電流波形Fig. 17 Waveforms of electric field and coupling current in antenna irradiation test with power on

加電狀態試驗從低場強開始逐步增大，當施加場強到50 kV/m 時，電臺出現跳頻故障，且屏幕亂碼，如圖18 所示，兩臺電臺之間通信故障.

圖18 電臺在輻照場50 kV/m 時的效應現象Fig. 18 Effect phenomenon of radio equipment when the irradiation field is 50 kV/m

表6 加電狀態下電臺輻照試驗效應Tab. 6 Radiation test station with power on

2.3 評估分析

在評估分析中，采用前文中提到的故障樹方法.圖19 是根據圖3 在易損性評估軟件中設計的電臺易損性計算模型，通過輸入話筒等子系統的失效概率，即可得到整個系統的失效概率. 為得到電臺在威脅級輻照試驗下更為準確的失效概率，將多次試驗的測試數據代入易損性計算模型中，計算電臺系統在50 kV/m 的輻照場強下的失效概率為78.83%，說明此類電臺設備在沒有防護的情況下極易受到HEMP的影響，導致系統失效.

圖19 電臺易損性計算模型Fig. 19 Vulnerability calculation model of radio equipment

3 總結討論

電子元件的電磁易損性評估存在試驗可重復性差、評估體系不統一等問題，關于電臺設備的電磁易損性評估一直是業內研究的難點[18]. 本文開展了電臺系統的輻照式HEMP 試驗，并進行了電磁易損性評估分析. 試驗結果顯示，電臺設備在輻照場為50 kV/m 時，會發生調頻及屏幕亂碼現象，但重啟后可以恢復，說明該型民用電臺在HEMP 下通信會受到顯著影響. 根據設計的易損性評估體系，通過多次試驗得到電臺設備在50 kV/m 的輻照場強下的失效概率為78.83%. 主要結論如下：

1)電臺類裝備在HEMP 下耦合通道主要來自天線、話筒線及電源線，50 kV/m 的HEMP 會對電臺產生調頻、屏幕亂碼等故障，隨著輻照場強的增加電臺的電磁損傷加劇.

2)基于故障樹的電磁易損性評估模型可以對電臺類裝備的電磁易損性進行評估，評估的準確性取決于試驗樣本量，增加試驗次數和數據庫樣本量對提高易損性評估準確性具有重要意義.

3)試驗結果反映出HEMP 對電臺設備的毀傷主要在線纜耦合，可以指導電臺類裝備提高抗EMP 性能. 從結果來看，耦合電流的大小主要與耦合體尺寸和輻射場強有關，在輻射場不變的情況下，合理改變天線尺寸及話筒線長度，將有效降低耦合電流.