应对复杂战场电磁环境的舰船防护设计

赵 刚，郑生全，侯冬云，刘其凤，邓 峰

（电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430064）

应对复杂战场电磁环境的舰船防护设计

赵 刚，郑生全，侯冬云，刘其凤，邓 峰

（电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430064）

电磁脉冲将成为未来复杂战场电磁环境最为突出的组成部分。本文分析了强电磁脉冲武器的发展现状及其对舰船电子信息系统的威胁特点，提出了应对信息战模式的舰船信息系统电磁脉冲防护策略。

电磁脉冲；舰船；防护设计

现代军事变革日新月异，高功率和超宽带电磁脉冲等新概念武器不断涌现，海战场上强电磁脉冲武器产生的强电磁辐射对舰载指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（C4ISR）系统构成严重威胁。随着舰船装备信息化程度的提高，在遭受强电磁脉冲武器的攻击时，其C4ISR系统将瞬间瘫痪，失去战斗能力。因此，舰船平台迫切需要提升对强电磁脉冲武器攻击的防护能力，确保武器装备在海战场上的生存能力和作战效能的发挥。

随着现代装备技术的发展，电磁兼容性研究范畴已从原来考虑单一舰船平台内部电磁环境研究发展到考虑自然、外来多重复杂的战场电磁环境，装备必须满足国军标中规定的电磁环境限制及电磁干扰接口标准成为最基本的要求。但距离复杂战场电磁环境防护设计尚存距离。

1 现代武器的发展与战场电磁环境形态

西方军事强国争相发展电磁脉冲武器，美国将强电磁脉冲武器列为重点发展的新型武器之一，并将强电磁脉冲武器计划列入国防部新武器发展规划中的五大关键技术之一。为此美海、陆、空三军分别制定了强电磁脉冲武器发展计划，在1992年之后陆续进行了一系列实战演练。其中代号为“竖琴”的电磁脉冲武器实验，采用天线群向电离层发射电磁脉冲，阻断通信和摧毁来袭导弹。在科索沃战争中，北约部队采用强电磁脉冲弹配合“徘徊者”电子干扰机实施电磁攻击。美国在最新国防授权法案中提出，使用高空爆炸的核武器产生功率强大的电磁脉冲，完全可以大面积破坏或摧毁电子系统。

采用电磁攻击拉开战争的序幕，破坏敌方指控和通信探测系统，实战证明它是一种有效获取战场致胜权的作战方式。美军在伊拉克战争中，采用常规运载工具将小型化的强电磁脉冲弹投掷到敌方，空袭伊拉克国家电视台和伊军指挥控制中心，造成转播信号中断，通信指挥系统完全瘫痪。目前美国在其部分“战斧”式巡航导弹上完成了强电磁脉冲弹头换装工作，据称这种强电磁脉冲武器的有效破坏半径达10 km。美国空军研究部门已计划在2012年将小型化高功率微波武器集成到无人机上，而更高功率、更高频率的定向辐射攻击系统计划装载到舰船平台上，目前已实现辐射功率数十GW，频谱可覆盖30 MHz～50 GHz，其辐射的瞬时电磁脉冲峰值场强可达数百千伏／米。

复杂电磁环境是指在一定的时空和频段范围内，多种电磁信号密集、拥挤、交叠，强度动态变化，对抗特征突出，对电子信息系统、信息化装备和信息化作战产生显著影响的电磁环境。在战时，除了平时所具有的各类电磁环境外，影响最为突出的是人为的恶意辐射源，主要包括核爆炸辐射及敌方恶意的强电磁干扰等，而且随着信息化战争的发展，恶意电磁干扰辐射的技术不断创新，威力不断强大，覆盖范围极广破坏力极大的高空核爆炸、以电磁脉冲辐射为主要特征的小型核弹头、以及高功率微波、超宽带电磁脉冲弹等，使得各类恶意电磁干扰辐射防不胜防，是各类装备重点需要应对的最具危害性的电磁环境。

2 舰船平台迫切需要应对强电磁脉冲威胁

强电磁脉冲武器的发展趋势是朝着辐射源的小型化、脉冲参数的可调化、高辐射功率、高机动性方向发展，成为舰船平台敏感系统的“头号杀手”。瞬间释放的高功率电磁脉冲能通过敏感电子系统的传感器、电缆、孔缝等耦合数k V的峰值电压或数十k A的峰值电流进入敏感电子设备和系统内部，直接导致内部射频微波前端模块中半导体器件和电路的电击穿、热熔断或热应力破坏，严重影响舰船平台的作战效能，对舰船平台敏感电子信息系统构成致命的威胁。

对于舰船来说，位于舰船平台桅杆顶部的电子战侦察接收系统，具有极宽的侦察接收频带，最容易受到高功率微波、超宽带电磁脉冲对天线的直接耦合而损毁，无法对敌方后续攻击武器进行电子侦察和实施电子战干扰，严重影响舰船平台的作战效能；舰船通信接收系统是确保战场指挥命令通达的重要、关键系统，其高灵敏度、宽频带特征与强电磁脉冲的频谱重叠，极易受到损毁，属于重要保护系统。

舰船装备信息化使得舰船平台电子系统集高密度信息传感器、传输网络和半导体射频、微波甚至毫米波集成电路（数字、模拟）模块于一体；而信息化程度越高，装备信息系统的电磁密度和敏感度越高，对电磁脉冲武器攻击的防护难度就越大。未来舰船电子信息系统装备将实现与武器系统的一体化。将以网络构成为重点，综合采用卫星、无人机等多种侦探体系，提高信息传输系统的数字化、智能化和集成化，发展全频域、全时域、全空域的无缝隙通信系统，实现侦查探测、信息传递、指挥控制和电子战集成化。适应海战场电磁环境的复杂化，特别是强电磁脉冲武器形成的电磁脉冲环境，满足信息化舰船平台多元化武器装备战场高生存能力、高精度打击能力和高灵敏探测能力的高战术技术指标要求，对舰船平台上的先进雷达系统需要能够适应复杂电磁环境的高性能射频微波收／发前端，武器装备特别是实施精确打击使命任务的导弹防御系统，需要开展敏感部件的防护设计；舰船平台信息传输通道（天线、电缆等）必须研究为消除高功率微波和超宽带电磁脉冲辐射对舰船平台上的敏感系统、易损模块构成严重影响或损伤的防护原理和方法，提高舰船对高功率微波和超宽带电磁脉冲武器的防护能力。

强电磁脉冲防护基础研究是确保舰船平台安全性及其作战效能的重要基础，美、俄等国在大力发展强电磁脉冲武器的同时，非常重视对强电磁脉冲武器的防护。早在1979年美国总统卡特发布的59号指令中，就要求国防部在开发每一种武器时，必须考虑核电磁脉冲防护能力，并于新墨西哥州科特兰、亚力桑那州等地建立了十余座电磁脉冲场模拟器，用于测试武器系统的抗核电磁脉冲能力。

2010年，美国《海军时报》报道，海军要研究电磁脉冲威胁，舰队应该为应对现代最可怕也是最有争议的武器之一“电磁脉冲”的袭击作准备。文中指出，电磁脉冲具有毁灭性的力量，能破坏遭受它攻击的电脑、传感器、武器及其他所有电子设备。美国海军海上系统司令部的电磁脉冲评估小组负责人布莱斯·科比特在一份声明中说：“如果未能采取适当的预防措施来保护舰艇上那些对军事行动至关重要的系统，其最终后果可能是灾难性的”。

3 电磁脉冲对舰载电子信息系统的危害

3．1 电磁脉冲对半导体器件的电－热效应

舰载电子信息系统在承受平台自身电磁环境效应时，已经处于极限使用状态，强射频环境辐射安全裕度较低，在受到外界一定强度的电磁脉冲攻击时，及易产生干扰、降级、失效、电路紊乱、死机甚至器件的烧毁等效应。

而高度集成的半导体器件和集成芯片是最容易遭到破坏的器件，位于射频接收通道前端对接收到的低电平射频微波信号进行放大的核心部件——场效应管和由场效应管构成的低噪声高频放大器，就是最易被破坏的器件之一。

根据损坏机理和严重程度，可将电磁攻击对器件所造成的破坏分为电损坏击穿和热损坏击穿。电损坏击穿是电磁脉冲通过其强电场扰乱半导体器件的正常工作，使输出信号紊乱甚至无输出信号。热损坏击穿则是由高功率的电磁脉冲在器件内部产生强电流，进而产生热量使整个器件温度升高，使器件内部金属导体熔断，半导体材料熔化或由于热应力作用断裂，在材料和结构层面形成永久性破坏。图1和图2分别表示了半导体器件受到单个脉冲和脉冲串作用下，器件内部最高温度随时间变化的曲线。可以看出，高重频的电磁脉冲更容易使器件内部温度升高而受到破坏。通常，半导体器件损伤阈值为10－5～10－2J／cm2，而一些易损器件则为0．1～1μJ／cm2，若不损坏器件，只引起瞬时失效或干扰，其阈值要低2～3个数量级。

图1 单个脉冲激励下器件内部温度随时间变化曲线

图2 脉冲串激励下器件内部温度随时间变化曲线

3．2 天线的电磁脉冲耦合

电磁脉冲进入敏感电子信息系统的通道主要包括“前门”和“后门”。对舰船电子信息系统来说，“前门”主要指布置在甲板和桅杆上的各类通信、雷达和侦察天线；“后门”则主要是由舱室的门窗、机箱的孔缝、设备的互连电缆等组成。

舰船平台上外露的天线不可避免地感应空间的强电磁脉冲辐射而在天线端口产生强电磁脉冲信号。仿真计算和模拟测量结果表明，超宽带电磁脉冲在舰载通信天线的输出端可以感应峰值电压数千伏的脉冲信号；当调制高斯脉冲的中心频率与天线的谐振频率比较相近时，在天线的输出端甚至会感应数十千伏的脉冲信号。几千伏甚至几十千伏的脉冲电压进入接收机射频前端的模块后，会导致射频开关、低噪声放大器、混频器等易损伤模块损坏，甚至会破坏低量级的保护电路，使设备无法工作。图3为峰值场强为58 k V／m的超宽带电磁脉冲辐射场及其在舰载超短波天线上感应的脉冲电压。

图3 超宽带电磁脉冲波形及其作用下舰载超短波天线感应的脉冲电压

3．3 孔缝和电缆的电磁脉冲耦合

图4所示为当峰值场强为9 400 V／m的超宽带电磁脉冲辐射场对舰船舱室进行辐照，在水密门处于完全关闭状态时，实测舱室内部电磁脉冲场的时域波形，其脉冲峰值场强达到680 V／m，由于舱室内部金属壁的多次反射和振荡，使得舱室内部达到超过200 V／m的场强，持续时间长于0．1μs（受测量系统记录内存的限制，记录波形不完整），电磁脉冲辐射可以在外露的电缆屏蔽层上产生较强的感应电流，如果屏蔽层接地不好，或者屏蔽层遭到破坏，则会在电缆芯线上感应较强的脉冲信号，通过电缆传输至设备内部，干扰设备的正常工作。外部电磁脉冲辐射通过舱室、机箱的孔缝泄漏，渗透至敏感电子信息设备内部，在内部电缆、电路上感应干扰信号，干扰设备的正常工作。

由于设备内部的数字电路模块都工作在较低的电平，在受到内部线路感应的电磁脉冲信号干扰后，容易出现信号翻转、误码、电路工作紊乱、死机等干扰现象，如设备的工作频率和工作状态发生不希望的跳变，控制面板失灵，显示不正常等。通常需要断电后重新启动设备，才能恢复正常工作。而这些干扰对关键时刻执行紧急任务的电子信息设备是绝对不能容忍的。如果舱室和机箱的屏蔽效能太差，内部电路耦合的强电磁脉冲还可能导致计算机控制系统和输入输出模块的永久损坏。

图4 舰船舱室风雨密门完全关闭时，舱室内部泄漏的超宽带电磁脉冲场

4 应对信息战作战模式下的信息系统电磁脉冲防护策略

舰船装备迫切需要攻克的强电磁脉冲防护关键技术及其首要解决的关键基础问题，必须从强脉冲耦合规律入手，突破传统的电磁干扰抑制技术，研发新型电磁脉冲综合防护技术与集成防护策略。电磁脉冲防护的集成防护策略主要包括根据系统的工作频率、工作信号电平、布置位置及平台的结构特点，拓展传统的屏蔽、滤波、限幅、搭接接地等基础防护设计与工艺实现技术，在所有的耦合通道，尤其是天线及电缆等强耦合通道，分别采取新型防护策略，以实现对电子信息系统有效的电磁脉冲防护。

为此主要考虑：

1）前端防护，尤其是天线防护和射频通道防护；2）设备与分系统设备端口防护；

3）平台级的电磁防护布局与结构设计；

4）结合舰船总体、系统性能开展新型的电磁材料设计与应用技术研究。

4．1 新型电磁屏蔽技术

屏蔽是防止和减小电磁脉冲危害的最有效方法之一。根据防护的电磁脉冲种类不同，对屏蔽的要求也不一样。雷电、核电磁脉冲的电场和磁场均较高，要求屏蔽材料既具有良好的电屏蔽，又具有良好的磁屏蔽效果，这大大增加了屏蔽的难度。导磁率较高的钢板比铝板能提供更好的磁屏蔽效果。对于高功微波和超宽带电磁脉冲，由于其磁场分量较小，因此只要求屏蔽材料具有良好的电屏蔽效果即可，一般较薄的金属均具备良好的电屏蔽效果。但是，频率越高，对缝隙的处理要求越高，当缝隙的尺寸大于1／100波长时，就会导致较大能量的泄漏。但对于雷电、核电磁脉冲防护而言，磁防护非常关键。为此提出的多层电磁防护（包括电磁复合材料应用）的研究思想和结构设计办法需要开展大量的设计和验证工作。

舰船电子信息系统屏蔽的关键问题之一是在于舱室的孔缝、观察窗、通风孔、设备机箱的孔缝、电缆屏蔽层的处理等。普通的风雨密门、观察窗、通风孔不能提供足够的屏蔽效能，必须采用特殊的材料和工艺，提高系统整体的屏蔽效能。新型的电磁屏蔽研究思路旨在隔离舰船平台自身强辐射源产生的环境，同时隔离雷电、核电磁脉冲产生的强磁环境，控制本舰电子信息设备、系统产生的电磁信息泄露，保证作战舰艇的电磁信息安全。那么在观察窗口采用高性能的屏蔽玻璃，在通风孔处覆盖金属线编织网，或采用截止波导式阵列通风孔，对屏蔽体的所有缝隙进行良好的焊接、压接或弹性接触，并对屏蔽体的贯穿导体在入口处进行良好的电连续性处理，都是提高屏蔽效能的有效方法。但对于高功率微波、超宽带以及核及非核电磁脉冲辐射而言，急需开发和研制宽频带、大动态范围、高功率承受能力和高抑制比的全新电磁防护策略。

值得进一步关注的问题是，舰面（舰载机、人员用便携式、导弹等）电子信息设备的防护将成为难点，因为它直接处于强电磁环境之下，较甲板下设备所处的威胁强数百倍以上。

4．2 组合滤波

在军用设备、分系统电磁兼容性要求中，对于平台敏感设备如接收机等，一般会提出谐波抑制指标（如50＋10lg P或不小于80 d B），但为实现电磁兼容性指标通常以牺牲舰载雷达有效辐射功率为代价，影响有效作战覆盖范围。通常针对保护设计对象（如接收机）设计滤波截止频率，但是针对超宽带、高功率电磁脉冲武器的宽频谱特性，对于工作在特定频率或一定频段的电子信息设备，滤波可以有效地抑制各种通道耦合的电磁脉冲能量。通信、雷达等工作在较高频率的射频通道可以采用带通滤波器，而设备和系统的电源线、控制线等则可以采用低通滤波器，阻止通带外大部分的电磁脉冲能量进入电子设备内部。

在军用滤波器的设计过程中，除了考虑通用设计规则，尤其应当注意滤波器的瞬态脉冲响应而产生的微分作用以及负脉冲冲击。通常民用电信设施设备中采用的抗干扰滤波器主要以T型和π型2种为主，考虑到承受4 k V以上的浪涌、振铃及其一定持续时间的群脉冲；对于军用设备小型化、模块化设计后，各端口的电磁脉冲效应（如控制、电源及其数据传输及其等）的防护设计也应充分考虑多级滤波设计，考虑各类抑制器（火花隙放电器、充气放电管、非线性变阻器、半导体保护器件等）与滤波器的组合应用。如何解决射频通道的强电磁脉冲防护设计的关键点是解决通带内的防护问题，涉及到新材料的应用，如通常用于隐身目的的频率选择材料，也可以起到电磁脉冲防护的作用。频率选择表面只允许特定频率的电磁波穿透，而对其他频率的电磁波产生强反射。频率选择表面起到了对空间宽频带电磁脉冲辐射场的滤波作用，可以用于天线罩，阻止电磁脉冲能量进入敏感系统的射频通道，也将探索性的采用半导体吸波材料、磁性材料以及延时线技术等的应用。

4．3 限幅与旁路

电磁脉冲防护，尤其是天线系统防护和射频通道防护，大量采用限幅保护电路和限幅保护模块。用以防护电子信息系统的天线对外界强电磁脉冲的强耦合，这些情况下必须使用限幅保护。当系统受到电磁脉冲攻击时，保护电路或保护模块导通，将电磁脉冲能量引导到地，保护被保护的电路和器件。当电磁脉冲冲击过后，又使线路恢复正常工作状态。适当选择保护电路的门限电平和通流容量，既可以保证工作信号的正常通过，又可以防止强电磁脉冲信号对敏感电路的破坏。

限幅保护电路和保护模块的关键是响应时间和通流容量。响应时间为微秒量级的普通雷电保护器，对上升时间为纳秒级和皮秒级的核电磁脉冲、超宽带电磁脉冲，几乎不起作用。因此，对电子信息系统的电磁脉冲防护，需要选用响应时间快的防护器件，研发皮秒级瞬态电磁脉冲保护器件，采用具有限幅功能的器件或材料结构，对天线口面上的电磁场进行屏蔽或对天线所接收到的电磁脉冲能量进行旁路泄放，可以有效地对后端敏感设备和易损伤模块起到保护作用。采用接地金属面或阵，形成敏感系统的多层防护导流面，能够有效的隔离与泄放强场感应电流。

4．4 总体结构布局及新材料应用

良好的舰总体电磁防护布局，并结合舰船总体、系统性能开展新型的电磁材料设计与应用技术研究是实现舰船平台强电磁脉冲防护的重要防护策略。与电子信息系统的总体结构布局相结合，从电磁脉冲环境分布规律、威胁等级及其电子信息系统防护效果验证等方面入手，开展平台级的电磁兼容与电磁防护研究，实施分层、分级及分阶段的设计验证。

由于雷电、核电磁脉冲及其电磁脉冲武器等具有很强的电场、磁场分量及其单位时间的电场、磁场变化率，在总体布局设计中尽量减小系统布局回路，除了有利于实现系统电磁兼容性以外，也有益于减小对于外界强电磁场辐射的感应回路，如降低电缆的离地高度、减小电缆的长度、将电缆紧靠舱壁或甲板布置，采用抗共模、差模抑制性能高的纽绞双层屏蔽电缆，将特别敏感的设备集中布置在主甲板以下的舱室等等，可以很好地减小电磁脉冲的危害。发展舰载电子信息系统综合集成和一体化设计，有利于总体电磁兼容设计和电磁脉冲防护。

电子信息系统集成设计的各设备单元（或组件）电路设计过程中，应特别注意易损组件的电磁脉冲防护，加强分系统、设备单元或组件的抗干扰及损伤性能的考核与试验验证。如强电磁辐射环境试验、电磁安全裕度试验与确定、电磁兼容增长性试验等。因此在选择关键电路的元器件时，如采用不敏感的器件可以完成电路的功能，尽量不要采用敏感的器件，如电子管比晶体管具有更强的电磁脉冲承受能力；针对易受电磁脉冲威胁至损坏的电路，一定要在电路的前端设保护电路，阻止强电磁脉冲到达易损伤的敏感模块；对特别重要的设备，还需要设多级的保护电路。此外，良好的接地，可以减小电磁脉冲的耦合，也是各种防护措施有效地发挥作用的保证。

5 结 语

目前世界上至少有20个国家在发展电磁脉冲武器，而随着技术的不断发展，不同种类的电磁脉冲武器对信息化和集成化程度越来越高的舰船武器装备来说，将形成极大的威胁和破坏作用。因此，必须长期跟踪、借鉴和学习国际先进的电磁兼容与电磁防护技术，充分结合先进的舰船平台设计技术，综合集成与运用其他相关领域的科技成果，走自主创新的道路，研制一批高性能的防护产品，形成电子信息系统电磁防护基础理论，全面增强舰船平台信息系统抵御电磁脉冲武器的能力。

［1］ 周开基，赵 刚．电磁兼容性原理［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003．

［2］ 王汝群．战场电磁环境［M］．北京：解放军出版社，2006．

［3］ 郑生全，吴晓光，朱英富．舰船平台强电磁脉冲威胁与防护要求［J］．微波学报，2010（S2）：101－104．

［4］ Lai Zu－wu．The study of EMP and its protection technique［A］．Proceedings of International symposium on Electromagnetic Compatibility［C］．Beijing：［sn］，1992．143．

［5］ IEC 61000－211，Electromagnetic compatibility（EMC）–Part 2－11 Environment－Classification of HEMP environments［S］．

［6］ MIL－STD－464，Electromagnetic Compatibility Requirements for Systems［S］．

O441

A

1008－1542（2011）12－0148－06

2011－06－20；责任编辑：李 穆

赵 刚（1951－），男，山东莘县人，研究员，主要从事电磁兼容方面的研究。