車載雷達信息系統(tǒng)電磁兼容工程化設計

武志偉,黃傳林

(1.海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室,南京 211153;2.中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

車載雷達信息系統(tǒng)是一種以載車雷達為基礎環(huán)境構(gòu)建的指揮信息系統(tǒng),主要由載車雷達、各功能車輛、方艙、指揮信息系統(tǒng)設備等硬件、軟件組成,是一個多要素的綜合體,主要功能特點包括機動性、安全性、自備能力、惡劣環(huán)境適應能力、高可靠性等。

電磁兼容性是支撐車載雷達信息系統(tǒng)在戰(zhàn)場環(huán)境生存能力的一個最基本要求。車載雷達信息系統(tǒng)要將完成系統(tǒng)功能的各型、各類電子設備集成安裝在一個環(huán)境如車載式方艙車廂箱體內(nèi),同時系統(tǒng)的電磁兼容性能應滿足相關的國家標準、國家軍用標準、行業(yè)標準中的電磁兼容指標。通過具體的工程化設計達成電磁兼容性能或提升電磁兼容能力,是車載雷達信息系統(tǒng)集成建設的重點與難點之一。本文主要從工程實施的角度,對車載系統(tǒng)集成過程中的要素、流程、方法以及常見的問題進行分析。

1 設計需求

電磁兼容性是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作,且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力[1]。車載雷達信息系統(tǒng)的電磁兼容性能,從總體要求方面,主要考慮系統(tǒng)各組成設備的電磁性能的符合性、組成系統(tǒng)的各功能分系統(tǒng)電磁兼容符合性、各功能分系統(tǒng)集成為系統(tǒng)整體的電磁兼容性;從實現(xiàn)技術方面,主要考慮解決干擾源的抑制達到滿足要求;從安全性考慮,主要解決抗干擾、抗輻射的能力,達到對人員與作戰(zhàn)武器的有效防護[2-3]。

車載雷達信息系統(tǒng)需要在車內(nèi)空間加裝各類電子設備,各設備之間的電磁兼容問題解決不好會影響單車或多車信息系統(tǒng)的功能指標問題。應解決的電磁兼容問題如表1所示。

表1 車載雷達信息系統(tǒng)的電磁兼容問題

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,車載雷達信息系統(tǒng)可能會存在諸多電磁安全問題,包括電磁信息泄露、強電磁干擾破壞和電磁特征暴露等。目前綜合采用屏蔽、組合濾波、整車電磁防護設計、關鍵器件測試驗證、電磁兼容仿真與測試以及對電磁兼容實現(xiàn)的評估和管理。

2 工程化設計

工程化設計的原則就是從電磁兼容三要素出發(fā),在滿足用戶要求的費效比前提下,通過消除或降低干擾源的干擾、切斷或削弱干擾途徑,提高設備的抗干擾能力。本文重點闡述設備內(nèi)的電磁干擾問題。

2.1 電磁兼容性主要控制方法

車載雷達信息系統(tǒng)解決電磁兼容問題的主要方法包括傳輸通道抑制、空間隔離、時間分離和電氣隔離。

2.1.1 傳輸通道抑制

傳輸通道抑制的具體方法有屏蔽、濾波、接地、搭接、合理布線等。

(1)屏蔽

屏蔽是利用屏蔽體來阻止或降低電磁騷擾能量的傳播。根據(jù)其作用方式,屏蔽可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽3類。屏蔽不僅能有效抑制輻射干擾,還可以顯著降低靜電干擾、電容耦合和電感耦合等干擾。

車載系統(tǒng)集成的屏蔽包括機箱屏蔽、車廂屏蔽和電纜屏蔽等3類:

設備機箱屏蔽。根據(jù)屏蔽效能要求,選用鋁、銅、合金等不同材料進行屏蔽,對于接縫處理,可采用增加接縫面積、使用電磁密封襯墊等方法;顯示窗口一般可采用屏蔽玻璃的方法;對通風窗口,可采用屏蔽金屬絲網(wǎng)、截止波導通風孔等方法。

車廂屏蔽。一般采用鋁、鋼、合金等材料,對于接縫、顯示窗口、通風窗口的處理與設備機箱類似。

電纜屏蔽。包括電纜線自身屏蔽及電纜與接插件連接的屏蔽。可根據(jù)需要的屏蔽效果選擇不同的屏蔽方式,比如金屬線編織層、薄鋁箔屏蔽層、半鋼性或柔性波紋管,對于不同頻率,電纜兩端可采取不同的屏蔽接地方法。

(2)濾波

濾波是對信號頻譜進行過濾,通過分離我方需要的頻率分量和其他騷擾頻率分量,并消除或抑制其他騷擾頻率分量的操作。通過抑制騷擾信號在信號線或電源線上傳播的途徑,可以有效減少電磁干擾對設備的影響。因此,合適的濾波器的設計、選擇和正確使用對于抑制干擾非常重要。

在電源線上,一般可使用電源濾波器、鐵氧體磁環(huán);在信號線上,一般可使用帶通濾波器,或帶濾波功能的連接器或鐵氧體磁環(huán)。

(3)接地

接地是電子設備工作中重要且關鍵的技術措施,用于實現(xiàn)必要的抗干擾功能,可以分為安全接地和信號接地兩類。接地就是為電路或系統(tǒng)提供一個零電位參考點,同時也為電路或系統(tǒng)與地之間搭建起低阻抗通路。

在車輛的外部接口板上一般設有接地柱,系統(tǒng)工作前使用接地電纜連接地樁,并可靠接地。當系統(tǒng)使用交流電時,必須要保證設備安全接地和接零保護接地。另外,在整車系統(tǒng)的雷電保護措施中,車輛的防雷接地一般由避雷針、下導體和接頭組成。

信號接地為系統(tǒng)中的信號電流提供低阻抗路徑,使其回流到信號源。根據(jù)不同設備的需求,電路和設備的接地方式可以分為單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地等幾種方式。

2.1.2 空間隔離

空間隔離是一種可以有效抑制空間輻射騷擾和感應耦合騷擾的方法。通過增加干擾源與敏感設備之間的間隔與距離,使環(huán)境中的干擾電磁場在到達敏感設備時,其干擾強度衰減到其敏感度閾值以下,進而達到抑制電磁干擾的目的。空間隔離也包括在有限空間內(nèi)調(diào)整騷擾源輻射方向和控制騷擾源電場、磁場的空間取向。例如,在車輛內(nèi)部配置各種通信設備時,由于空間有限,需要采取措施避免天線間的相互干擾(即天線之間的耦合)。常見做法是增加天線之間的距離,或控制天線方向圖的方位角,從而實現(xiàn)空間的分離。

2.1.3 時間分離

大丫說，她讓老K給騙慘了。是在文革的時候，老K把小禿子領到一個空房子，在水泥地上騙奸了她。以后又有了好幾次這樣的事。然后老K把她給蹬了。一夜工夫，小禿子剩下的頭發(fā)全都掉光了，丑透了，總戴個頭巾。后來，小禿子做了一個假發(fā)套，當妓女了，被抓過多次。你說，這不都是老K造的孽嗎？

時間分離方法是當使用其他方法不能較好地抑制,且干擾源非常強時,在干擾信號停止傳輸?shù)碾A段傳輸有用信號,或者為了防止強電磁干擾導致的損壞,當強干擾信號發(fā)射時,暫時關閉易受干擾的敏感設備的方法,包括主動時間分離和被動時間分離,其中主動時間分離適用于有用信號和干擾信號出現(xiàn)時間有確定先后關系的情況;被動時間分離則須要根據(jù)干擾信號和有用信息的出現(xiàn)特點,迅速封閉其中一個信息,以確保時間上不重疊、不疊加的信號條件。

2.1.4 電氣隔離

電氣隔離是防止回路內(nèi)信息傳輸干擾的最有效手段,而且還保證了信息的正常耦合傳遞。常用的電氣隔離與耦合方式包括電氣耦合、電磁耦合、電光耦合等。直流DC/DC變壓器間可降低共電源內(nèi)阻影響,而信號線間也可通過電光隔離來降低干擾。

2.2 工程設計流程

車載雷達信息系統(tǒng)電磁兼容性工程設計是一個循環(huán)上升的過程,通過反復分析、設計、實施、測試、整改,最終完成系統(tǒng)的工程設計。具體流程如圖1所示。

圖1 電磁兼容性工程設計流程

2.2.1 部件選型

根據(jù)用戶對系統(tǒng)總戰(zhàn)術技術指標的要求,結(jié)合系統(tǒng)的總體技術設計,合理選擇系統(tǒng)中的不同部件,具體包括接插件選型、電纜選型、設備選型、天線選型等。

2.2.2 設備、電纜、天線等布局設計

完成部件選擇后,結(jié)合人-機-環(huán)操作使用要求、電磁兼容要求,對設備、電纜、天線等部件進行布局設計。

2.2.3 系統(tǒng)布局設計

當車載雷達系統(tǒng)在野外開設時,應能實現(xiàn)對地理環(huán)境的探測,包括周圍環(huán)境中山、樹、河流等地理狀況,從而找到比較開闊的地域,以利于電臺等設備的良好通信。在考慮車載雷達信息系統(tǒng)所處空間狀況的同時,還應對周圍的電磁環(huán)境進行測試[4]。

2.2.4 屏蔽、濾波與接地

除了部件(設備、天線、電纜)選型及其合理布局,采取的控制方法是進行合適的屏蔽、濾波和接地。

2.2.5 測試與評估

在系統(tǒng)完成設計和初樣之后,須測量和評估電磁兼容。系統(tǒng)級測試[4-5]一般包括系統(tǒng)級電磁兼容一般性檢查;車載平臺電氣系統(tǒng)電磁兼容性測試[4];電源系統(tǒng)電磁兼容性測試;無線設備輻射發(fā)射特性測試;無線設備同臺多機性能測試;系統(tǒng)內(nèi)其他設備干擾試驗計劃屏蔽效能測試;發(fā)射控制試驗;關鍵設備安全裕度測試;系統(tǒng)電磁兼容性能評估。其中系統(tǒng)電磁兼容性能評估內(nèi)容主要包括系統(tǒng)內(nèi)所有設備能夠正常工作、系統(tǒng)工作時不會對外界或人體產(chǎn)生損害、系統(tǒng)具有抵抗外界電磁干擾的保護能力(防雷、防靜電、電源過壓保護等)以及系統(tǒng)的可靠性指標等。

2.2.6 組織管理

電磁兼容性管理貫穿系統(tǒng)全壽命期的各個階段,是一項復雜的系統(tǒng)工程,一般應包括分析系統(tǒng)電磁環(huán)境、明確電磁兼容性要求;建立電磁兼容性管理和協(xié)調(diào)程序;制訂并實施電磁兼容性實施計劃,明確各階段電磁兼容工作內(nèi)容和進度要求;電磁兼容性預測與分析;系統(tǒng)使用頻率管理,包括報備、報批;電磁兼容性能測試、評估;電磁兼容故障診斷;電磁兼容培訓等。

3 結(jié)束語

車載雷達信息系統(tǒng)工程化設計是一項十分艱巨的工作,必須滿足功能性能要求,特別是工程化、一體化、綜合化要求;重視標準的應用;重視車載信息系統(tǒng)集成在電磁兼容方面的能力與效率,確保電磁兼容問題解決在定型前狀態(tài)。

本文總結(jié)了車載雷達信息系統(tǒng)的電磁兼容工程化設計方法,主要分析了車載雷達信息系統(tǒng)的構(gòu)建工藝、設備/器件選型、布局部署、測試及管理等整個流程,可為相關設計提供一定的參考。