電磁脈沖環境下野戰衛生裝備防護措施研究

嚴富勇，張錦龍，王立華

（中國人民解放軍32752部隊，遼寧 大連 116017）

電工電子技術的飛速發展，促進了微電子設備在軍用裝備和系統中的廣泛應用。瞬息萬變的信息化戰場時刻離不開微電子設備，而微電子設備對電磁脈沖又極為敏感。電磁脈沖作為一種瞬間暫變的電磁現象，從時域波形上看，它具有陡峭的前沿，寬度較窄。平時，電磁脈沖可由雷電放電、靜電放電和大功率電氣設備瞬間開關動作產生。戰時可由定向能電磁脈沖定向能攻擊武器和核爆炸產生。

近年來，部隊陸續換裝了高機動化、高智能化新型野戰衛生裝備，內部普遍集成了大量微電子設備和智能化系統，如數字X射線機和生理心理診療儀等。戰場條件下，這些新型裝備不僅會受到傳統常規武器的攻擊，而且還會受到復雜電磁環境，尤其是電磁脈沖定向能武器的威脅。電磁脈沖環境下，裝備保障力會受到干擾，當脈沖場強足夠大時，系統內部耦合出的高電壓甚至會損傷設備、危及生命。如微機系統會出現死機、重復啟動、邏輯錯誤和信息丟失等故障，野戰X射線機高壓發生裝置甚至會耦合出瞬間超高壓，可能會擊穿電纜損傷裝備。

1 電磁脈沖對衛生裝備作用機理

對于以微電子設備和集成電路為基礎的信息處理系統，電磁脈沖通過對組成系統的集成電路、微電子設備、微處理器及其接口電路的干擾和損傷，破壞裝備基本功能。

1.1 信息系統工作原理

信息處理系統通常由信號采集子系統、微處理子系統和接口控制電路組成，如圖1所示。

圖1 信息處理系統基本組成

信息處理系統中的各子系統，工基礎為微電子設備和半導體器件。如信號采集系統，其工作原理：將采集到壓力、溫度等生物信號轉變成系統能識別的數字信號。工作流程：壓力溫度傳感器將采集的非電信號轉變成連續的模擬電信號，經由系統內部的模/數轉換電路（A/D轉換器），經過抽樣、量化轉變成數字序列信號，通過總線（如并行總線等）傳輸給微處理系統，如圖2所示。

圖2 采樣系統的工作圖

微處理系統工作原理：通過調用系統內存儲的預裝應用軟件，對采集信號進行實時分析、處理。接口控制電路工作原理：根據微處理系統指令，通過圖像重建、數據編組等處理程序，將結果信息在顯示器、打印機等終端設備輸出。

1.2 電磁脈沖作用機制

電磁脈沖對野戰衛生裝備作用機制主要是干擾和損傷，以信號采集系統為例，在電磁脈沖環境中運行的微電子系統，通過耦合產生的感應電壓或電流在一定的閾值內，可使處理器芯片輸入端門電壓或門電流值升高，當門電壓或門電流值升高到域值時，觸發輸出端邏輯值改變或狀態翻轉，導致邏輯錯誤，造成裝備干擾。該感應電壓、電流消失或復位后，系統能恢復到正常或初始狀態。當感應電壓或電流繼續升高，超過一定的閾值后，可造成集成電路燒毀、半導體器件擊穿、晶體管組件增益下降等。即使感應電壓或電流消失后，電路、器件、組件均不能恢復到初始狀態，造成系統硬件永久損傷。強電磁脈沖環境下，微機系統磁性記憶元件記憶狀態會發生變化，導致邏輯錯誤或存儲信息被清除。對于承擔戰場急救任務的野戰衛生裝備，這是絕對不允許的。

1.3 電磁脈沖作用途徑

電磁脈沖對微電子設備主要作用途徑是電磁能量的耦合，微電子電路中的柱狀金屬導線、環形電路、增益變壓器線圈是脈沖場能量耦合的主要通道，系統金屬外表面感應電流形成的散射場、縫隙孔洞耦合也是電磁脈沖的作用途徑。

受電磁脈沖輻射場作用的柱狀金屬導線和由金屬導體構成的環形電路，當柱狀導線、環路尺寸遠遠小于電磁脈沖上限頻率分量波長時，其電路可用圖3近視等效（假設阻抗為純阻性阻抗）。

圖3 等效電路圖

式中，sV為等效電路源電壓；ZS為導線或環路輸入阻抗；ZZ為負載阻抗。

電磁脈沖輻射耦合形成的等效源電壓等于柱狀導線或環路開路電壓，根據相關文獻，其近視計算公式為：

式中，OV為導線或環狀電路開路電壓；EE為電磁脈沖電場強度；el為導線或環狀電路長度；θ為電場與導線或電路的夾角。

從式（1）可以得出，電磁脈沖場作用下感應電壓與電磁脈沖場強、天線長度和場強入射角度相關。脈沖場強越強，耦合出的電壓越高；天線越長、微電子線路尺寸越大，耦合出的感應電壓越高。在輸入阻抗和負載阻抗都非常小的情況下，耦合出的感應電流非常大。

2 電磁脈沖防護

未來信息化戰爭環境下，電磁脈沖對野戰衛生裝備的影響已不可避免。因此，加強裝備的電磁脈沖防護勢在必行。針對電磁脈沖對敏感設備作用機理和耦合通道，通過對電磁脈沖能量的反射、吸收、隔離和泄防，使其衰減到裝備能夠承受的程度。

2.1 屏蔽防護

屏蔽防護主要原理：使用導電導磁材料，制成屏蔽體，將對電磁脈沖敏感的電子設備在空間上與電磁輻射環境相隔離，使電磁場從屏蔽體一面傳到另一面時受到大幅度衰減，降低所防護設備和系統的耦合影響。屏蔽防護分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。（1）電場屏蔽。主要靜電場屏蔽防護。采用高電導率屏蔽材料，如鋼板、銅板等制作成屏蔽體，將外圍電場終止在屏蔽體表面，通過良好接地將屏蔽體表面大量感生電荷釋放，防止大量感生電荷聚集或瞬間釋放形成新脈沖場，阻止系統外電場與系統內微電子電路耦合，達到防護的目的。（2）磁場屏蔽。磁場屏蔽中，低頻磁場與高頻磁場屏蔽機理不同，所采用的方法也不同。對于低頻和恒定磁場，采用高磁導率和非飽和狀態屏蔽材料，如鐵磁合金、硅鋼片、碳鋼合金等，利用高磁導率材料所起的磁分路作用，使磁力線主要集中在由屏蔽體內構成的阻磁回路內，防止磁場進入被屏蔽空間或系統內。對于高頻磁場，主要利用時變磁場在金屬屏蔽體上產生感生渦流所形成的反干擾磁場作用達到屏蔽目的。因此，要求屏蔽體采用高電導率材料，如銅、鋁等。外磁場頻率越高，屏蔽體表面產生大的感生渦流越大，屏蔽效果越好。（3）電磁場屏蔽。電磁場屏蔽主要作用形式為渦流損耗和電磁波反射。電磁波在穿透金屬導體或對電磁波有衰減作用的阻擋層時會產生感生渦流，感生渦流所形成的反磁場將抵消一部分電磁場，使原電磁場強度降低。因此，感生渦流損耗即為電磁場主要的損耗表現形式。此外，電磁脈沖波在穿透金屬導體臨界表面時發生反射，抵消或降低原電磁場一部分能量，從而獲得一定的防護效果。

2.2 接地防護

接地防護主要原理：利用大地作為電位參考點，將微電子設備系統電位限定在一個固定值上，使裝備表面積累電荷及時泄放，保證平時微電子設備電路系統穩定性，降低裝備戰時電磁脈沖武器攻擊損傷率，確保裝備和操作人員安全。接地分為工作、安全和防雷、電磁抑制信號等接地方式。戰場條件下，可將三種接地合并成一個共用接地系統，但需遵循“最低值”原則，即接地電阻以各種接地電阻最小值為依據。以接地要求較高的X射線機為例，其接地電阻通常不大于4Ω，實踐中，可參照X射線機的接地要求設置一個共用接地保護系統。

2.3 物理防護

野戰衛生裝備操作使用中，必須設置人員進出通道、通風窗及電線電纜進出的孔洞等，電磁脈沖防護效果與門縫、通風窗、孔洞形狀和面積相關。對于同一固定場源，電磁耦合隨空洞面積的增加而增加；在孔洞面積相同的情況下，孔洞形狀對電磁場的防護影響也較大，矩形孔的泄漏耦合量大于圓形孔。實際應用中，在進出門周邊設置電磁防護密封膠墊，在通風口周邊設置能有效覆蓋通風口的高電導率防護網，能起到較好的防護作用。應急情況下，還可以通過電磁屏蔽涂料、屏蔽織物進行防護。如在車載X射線機高壓發生裝置、電氣控制系統、裸露電線電纜和車體孔洞等部位，涂上特制的屏蔽涂料和加裝屏蔽織物等，不僅能有效阻止系統外的電磁脈沖輻射損傷，還能確保裝備內電子設備系統間的電磁兼容。

3 結語

未來電磁脈沖定向能武器將對裝備構成巨大威脅，惡劣的戰場電磁環境對裝備防護提出了更高的要求。如何確保戰時裝備功能處于完好狀態、提高裝備生存力是一項非常緊迫的任務，也是基層衛生分隊提高保障力的關鍵因素。