雷达后门电磁脉冲防护概述

2011-06-28曾清平

舰船电子对抗 2011年6期

曹帅，曾清平

（空军雷达学院，武汉430019）

0 引言

信息时代微电子技术的发展日新月异，使得电子设备集成度越来越高，同时面临来自电磁攻击的威胁也越来越大。近年来，雷达部队装备正值更新换代，对于新装备抗强电磁脉冲防护的问题，既要做好来自前门主要是天线的电磁脉冲威胁，更要关注来自于后门尤其是拖线、门窗孔缝洞以及连接处的电磁威胁和防护。

1 电磁脉冲产生的机理

目前电磁脉冲的产生有自然发生和人为产生2种：一是自然发生的，主要是雷电电磁脉冲，称之为浪涌；二是人为产生，主要有核爆炸电磁脉冲、高功率微波和超宽带短脉冲。

1.1 雷电电磁脉冲（LEMP）

雷电是自然大气中的超强、超长放电及伴随发生的发光和发声现象，是自然电磁干扰源最强的放电现象。雷电对于电子设备的损坏效应包括雷电的直击效应和雷电流引起的次级效应，即雷电电磁脉冲。雷电电磁脉冲的产生是一个雷雨云的生成、起电和放电过程的伴随产物，但更需关注的是雷电的放电过程，雷雨云的放电表现出来的闪电可以分为云闪和地闪。当局部大气电场达到104V／cm时，云中带电雾滴间因空气介质击穿而放电并发出光，此为云闪；而地闪是大气与地面间的放电现象，其过程可以概括为预击穿、梯级先导、连接、回击、箭式先导、后续回击等。一次闪电含有上万个脉冲放电过程，它们向周围空间辐射高频和甚高频能量，从而产生雷电电磁脉冲。LEMP主要成分分布在低频段，随频率升高而递减，0～5kHz的谐波电流幅值较大；大于7.5kHz的幅值下降，频率越高，幅值越低。波头越陡，高次谐波越丰富；波尾越长，低频分量越丰富［1］。

1.2 核爆炸电磁脉冲（NEMP）

核爆炸有地面（下）核爆炸、中低空核爆炸和高空核爆炸。任何形式的核爆炸都会产生电磁脉冲，只是形式有所不同。100km以上的高空核爆炸脉冲强度更大，高频成分更多，覆盖区域更广，故造成的伤害更大。核爆炸释放出极强的γ射线，它与大气等物质发生作用，出现光电效应、康普顿效应和电子对效应。占主要作用的康普顿效应产生径向往外运动的高速康普顿电子流，从而使爆点附近缺少电子，远处电子又过剩，形成了一个径向电场。由于该电场的作用，出现与康普顿电流相抗衡的回电流，即欧姆电流，最后达到一定的稳定值。由于大气密度随高度的变化，及其他非对称性因素，使得康普顿电流和欧姆电流不是球对称，它们在随时间变化的过程中激励出向外辐射的高能电磁脉冲，即高空核爆炸脉冲（HEMP）。

NEMP能量强度大，百万吨级别高空核爆以电磁脉冲形式释放的能量达到1011J量级；峰值场强极高，电场强度可达（104～105）V／m，磁感应强度可达10mT；上升时间短，核电磁脉冲上升至峰值的时间为1～5ns，上升时间的典型数据为10－8s；频谱宽，覆盖了从超长波直至微波低端，大约在0～200MHz的整个频段，从而对无线电通信、导航和广播等系统的安全运行构成了严重威胁；覆盖半径大，几乎可以说，高空爆炸时，地球上凡能看到爆点的地方皆能受到电磁脉冲的影响等特点。同时NEMP拥有系统电磁脉冲（SGEMP）与内电磁脉冲（IEMP）效应，因此核电磁脉冲能够进入到屏蔽罩里面去，从而对腔体内的电子系统也造成干扰和损伤。这是核电磁脉冲独具的特性，其他已知的电磁脉冲都不能进到屏蔽罩里去。

1.3 高功率微波（HPM）和超宽带（UWB）短脉冲

HPM主要有2种不同的发生原理：一是由电能通过二极管转换成电子束，电子束通过束－波相互作用器件转换成微波，微波由天线发射出去；二是由电能在天线上直接转换成微波，再发射出去［2］；而UWB作为电磁脉冲武器使用，不需要利用二极管去产生电子束和经波导一类电磁结构去产生微波，而是利用超快电路直接激励的方法去产生纳秒级超短脉冲，从而获得超宽带电磁辐射输出抑或是通过某些器件的规则设计将炸弹爆炸的化学能转变成电磁能，以该电磁能激励弹内的微波源，从而发射出相应波段的电磁波。

两者作为电磁脉冲武器形式并没有严格的界限，最大峰值功率也达到了GW量级；频谱更宽，覆盖了从100MHz～50GHz的频段；虽然脉冲发射能量比之LEMP和NEMP相对低，但是高频成分则更丰富，发射手段也灵活，发射效率高，功耗小。

2 电磁脉冲对雷达后门的危害

所谓雷达的“后门”就是雷达方舱门、窗、散热孔间的缝隙、拖线通道和密封用的金属导管以及通信接口等。由于雷达后门物理构造的特殊性，各个器件是互相独立且屏蔽的，故雷达后门电磁脉冲防护显得更为复杂。电磁脉冲对雷达后门的危害一方面包含对雷达系统器件的干扰或损伤，另一方面也包含了通过雷达后门耦合进入的电磁脉冲能量对操作人员战斗力的影响。

2.1 后门耦合的途径和形式

电磁脉冲通过雷达后门耦合的主要途径有：对电线、电缆及连接处的耦合和传导；对缝、孔、洞的耦合及管道、框架的结构耦合；对设备壳体及导电介质的穿透。耦合形式有辐射耦合和传导耦合。辐射耦合指电磁脉冲能量以电磁辐射方式对系统形成的耦合；传导耦合则是指电磁脉冲能量以电压或电流形式通过金属导体或元件（如电容器、变压器）对系统形成的耦合。实际上，电磁脉冲对电子、电力系统形成的耦合是一个复杂的物理过程，因此，辐射耦合和传导耦合往往交织在一起，难以截然分开［3］。

2.2 对雷达系统的损伤机理

当电磁脉冲的功率密度为0.01～1μW／cm2时，可强烈干扰相应频段的雷达、通信、器件、设备的正常工作；为0.01～1W／cm2时，可使雷达接收系统和信号处理设备中的电子元器件失效或烧毁；为10～100W／cm2时，高频率微波辐射形成的瞬变电磁场可使金属表面产生感应电流，通过拖线、电缆及连接处和各种开口、管道或缝隙孔窗耦合到雷达方舱内部，破坏各种敏感元件，如传感器和电子元器件，使元器件产生状态反转、击穿，出现误码、记忆信息抹掉等，强大的电磁辐射会使整个通信网络失控，这是因为大脉冲功率超过敏感元器件的额定值，设备会因过载而造成永久性毁伤；为103～104W／cm2时，强烈的电磁场作用引起系列非线性效应，短时间内使目标受高热而破坏，甚至能够提前引爆导弹中的战斗部或炸药。具体可归结为以下几种效果：

（1）电效应

电磁脉冲源形成的强电场电压使电子器件半导体（MOS）电路的栅氧化层或金属化线间造成介质击穿，致使电路失效；在金属表面形成的强大的感应电流可直接烧毁雷达方仓内部电子器件、计算机芯片和集成电路，而且会对系统自检仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响。

（2）磁效应

电磁脉冲引起的强电流可以产生强磁场，使电磁能量直接耦合到系统内部，从而干扰雷达、通信、敌我识别和计算机网络的正常工作。

（3）瞬时干扰和浪涌效应

电磁脉冲产生的瞬态过电压、过电流或“浪涌”效应能使器件或电路的性能参数劣化、误码、逻辑混乱、功能紊乱或完全失效；也可能形成累积效应，埋下潜在的危害，使电路或设备的可靠性降低，在以后的运作中随时会产生误动作。

（4）热效应

热效应可以分为微波加热和绝热烧毁。前者是微波使金属、含水介质升温，从而产生的高温导致器件的功能下降甚至烧毁；绝热烧毁是在高频、高功率脉冲作用下，在微秒或纳秒量级时间内完成的一种瞬时绝热积累，可瞬时引起易燃、易爆气体等物品燃烧爆炸，也可以使微电子器件、电磁敏感电路过热或输入保护电阻烧毁，造成局部热损伤，导致电路性能变坏或失效。

2.3 对人员的伤害机理

这一杀伤机理分为“非热效应”和“热效应”。非热效应指当电磁脉冲能量强度低时，使雷达的操纵人员、通信人员和指挥人员等的生理功能紊乱（如烦躁、头痛、记忆力减退、神经错乱以及心脏功能衰竭等）。当功率密度达到13mW／cm2时，各战斗人员的工作状态会发生明显变化，导致战斗效能下降。热效应指在高频率电磁脉冲能量作用下，人的皮肤灼热，眼白内障，皮肤内部组织严重烧伤和致死等；当功率密度为0.5W／cm2，单个脉冲释放的能量达到20J／cm2时，会造成人体皮肤轻度烧伤；当功率密度为20W／cm2时，照射2s可造成三度烧伤；当功率密度为80W／cm2时，仅1s就可使人丧命［4］。

3 时域有限差分（FDTD）法

时域有限差分法是求解麦克斯韦微分方程的直接时域方法［5］，其主要思想是把Maxwell方程在空间、时间上离散化，用差分方程代替一阶偏微分方程，求解差分方程组，从而得出各网格单元的场值。FDTD空间网格单元上电场和磁场各分量的分布如图1所示。由Yee单元网格可以看到，电场与磁场分量在空间交叉放置，相互垂直。电场分量位于每条棱边的中心，而磁场分量位于每个面的中心，每个电场（磁场）分量都有4个磁场（电场）分量环绕。可以说，Yee单元网格的建立是“把数学关系、物理含义和物理规律巧妙地结合在一个差分单元中［6］”，应用这种方式可以在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场的分布情况。

图1 直角坐标系统下FDTD Yee单元网格及场关系

FDTD是分析解决瞬态响应问题的较好方法，特别适于处理具有复杂几何形状和复杂环境的情形，例如薄板和细导线以及各类天线问题等。只要计算机具有处理足够多FDTD单元的能力，计算的精度可达到任何要求。

3.1 FDTD的离散递推形式

结合Maxwell方程的物理意义和Yee单元的处理方式，FDTD方法主要是处理2个旋度方程，即：

式中：ε为介质介电系数，单位为F／m；μ为磁导系数，单位为H／m；σm为导磁率，单位为Ω／m；σ为电导率，单位为S／m。

在直角坐标系下的Yee单元对上两式的偏微分标量方程进行中心差分离散，并引入fn（i，j，k）表示E或H某一分量在空间某时刻的值，即：

最后得到FDTD的离散递推形式［5］：

以上是x分量的时间推进计算公式，其他分量类似。

3.2 数值色散和稳定性条件

由于网格抽样的间断性和数值离散化的处理，使得Yee单元网格空间自身会产生非物理性的色散现象。为了减小数值色散，在选取空间网格尺度时，应满足δ＝λmin／N，其中δ＝ min（Δx，Δy，Δz），N≥10，λmin为时域信号波群的最小波长值。显然，减小网格的尺度可以减小数值色散，但同时也会引起计算量的增大，因此要综合考虑，权衡利弊。

3.3 吸收边界条件

由于计算机容量的限制，FDTD计算只能在有限区域进行。为了能模拟开域电磁过程，在计算区域的截断边界处必须给出吸收边界条件［5］。

应用比较广泛的是Mur吸收边界条件，以及后来的完全匹配层（PML）吸收边界条件和各向异性完全匹配层（UPML）吸收边界条件。当然还有其他各种吸收边界条件，如廖氏吸收边界条件，超吸收边界条件等，各有优劣，在应用中应根据计算空间、时间和精度的权衡灵活选择使用。

4 雷达后门的工程防护思路

后门防护技术的目的就是要将大功率的电磁信号屏蔽在外。从电磁防护“最不利的原则”出发，重点关注那些对地面雷达系统威胁最为严重的强电磁脉冲环境。通过对电磁脉冲能量的反射、吸收、隔离和泄放，使电磁脉冲大部分能量被抵挡在雷达系统之外或是将进入系统的电磁脉冲能量衰减到设备能够承受的程度是实施电磁脉冲防护的主要思路。

4.1 接口防御

接口部分是比较薄弱的环节，通信和电源接口一般必须满足调节器所需的电气安全指标要求，这些接口通常利用隔离变压器加以保护，其额定电压从几百伏到大约2～3kV。

很明显，一旦由变压器、电缆脉冲放电器或屏蔽提供的保护功能被破坏，只要几十伏的电压就能给计算机和通信设备造成很大的破坏。

网络里的电缆本身也是一个能有效传播电磁影响的媒介，从而使网络内的设备受到损坏。对于远距离或要求高速信号传输的可采用光缆，对于近距离低速信号采用红外接口方式。这样可切断金属导线的电磁效应，保证电子设备不受电磁、浪涌等干扰的破坏。

另外，还有一种防御技术就是热离子技术（即真空管设备），此技术比固体技术（即晶体管）在受电磁武器影响后更能恢复原有工作状态。因此，一种能够最佳损毁固态计算机和接收机的武器只会对应用热离子技术的装置产生很小的损坏或毫无损毁，除非使用合适的武器，否则，便不会对这些目标产生硬的电气杀伤。

4.2 孔缝洞窗及拖线防御

不同用途、电平的线、弱电线与强电线等要分开，不能平行，元器件和电路的连线应尽量短，关键的元件、电路和走线要加屏蔽，同时尽量减少暴露部分，减少接收电磁脉冲的能量。在系统出入口即拖线端口采用电涌保护器件，防止峰流或峰压的涌入，同时注意滤波器件的安放位置在保护器件之后，对电磁脉冲进行反射或是吸收，消除因电流电压的突变引起的防护电路不稳定的后果。

为了提高系统面临电磁攻击后的存活概率，采用高电导、磁导材料和专门的电磁加固，进行多级保护和屏蔽，但要注意满足系统电磁兼容性要求，屏蔽保护的设置必须是在系统级基础上。对于孔缝洞窗的防御，电磁屏蔽存在2个难点：一是保证屏蔽体的导电连续性；二是不能有穿过整个防护目标的导体。故一般来说对于孔缝洞窗的屏蔽防御主要注意以下两点：一是增加导电接触点，减小缝隙宽度；二是合理选择并使用电磁密封衬垫以进行适当的变形控制。

4.3 电路设计及回避法

采用足够冗余度和故障跨越的拓扑结构，在多个节点和线路受到电磁打击造成无法正常工作的情况下，系统仍能正常工作；采用时间鉴别或对电路触发要求的设计，通过网络响应、逻辑设计，达到避开电磁脉冲影响或者对于外来瞬时干扰不响应。

回避法的指导思想是在有电磁脉冲干扰的瞬间，设备暂停工作，待脉冲过后设备恢复正常工作。回避包括检测能引起干扰且任务失效的电磁场和存在瞬变故障危险时中断信号处理。

回避的具体方法有很多种，例如利用铁氧体磁芯在输入电压超过一定值时就饱和这一特性，实现回避。应把磁芯设计成对所希望的信号电平是不饱和的。当变压器的初级线圈感应到的电磁脉冲瞬变信号超过极限值时磁芯饱和，这就限制了次级电压的电平。待瞬变信号消失后，电路又恢复正常工作。对于辐射干扰容易敏感的设备，如果检测到的强度足以引起逻辑变化的电磁场，就通过闭锁所有输入端，将操作程序返回到最近一个安全点进行系统回避。在一个指定的时间延迟之后复原到需要的位置，并修正已过去的时间而重新开始工作。也可以用并行信号处理来实施回避。就是利用一个加固了的对快速瞬变的电磁脉冲不响应的慢速数字处理机和一未加固的快速处理机。通常系统在快速处理机控制下工作，假如出现电磁脉冲，工作暂时转向加固的慢速处理机。电磁脉冲消失后又转向快速处理机。