通用雷达装备电磁环境效应评估及其防护技术

夏明飞，马飒飒，夏明旗

（1．军械工程学院军械技术研究所，河北石家庄 050003；2．总装备部北京军代局驻447厂军代室，内蒙古包头 014033）

通用雷达装备电磁环境效应评估及其防护技术

夏明飞1，马飒飒1，夏明旗2

（1．军械工程学院军械技术研究所，河北石家庄 050003；2．总装备部北京军代局驻447厂军代室，内蒙古包头 014033）

针对目前雷达装备面临高功率微波武器、电磁脉冲等复杂电磁环境的威胁，首先介绍了电磁脉冲对雷达装备的作用机理和强电磁脉冲对雷达的耦合途径，其次阐述了高功率电磁环境下雷达装备电磁环境效应评估方法，在效应评估的基础上，通过研究雷达装备在电磁环境下的加固原理、加固技术及加固度要求等，建立裕度防护方法，运用到雷达装备加固方案中，提高电磁生存能力。

电磁脉冲；电磁效应评估；电磁防护

高技术信息化战争中，实现信息获取、传输、交换和应用一体化是决定成败的关键因素之一。作为数字化部队一体化信息系统主要载体的通用雷达装备，其系统的安全性、可靠性及作战效能的发挥程度，强烈地依赖于所处的电磁环境。随着高功率微波武器、电磁脉冲弹等电磁脉冲武器的出现，现代战场的电磁环境日趋复杂，雷达装备的电磁生存能力将面临严峻挑战。通用雷达装备电磁环境效应评估与防护研究，对增强我军综合电子信息系统的电磁防护能力，具有重要的军事意义和显著的经济效益。

1 电磁脉冲对雷达装备的作用机理

强电场效应：在电磁脉冲源形成的数十千伏强电场作用下，不仅可以使武器装备中金属氧化物半导体（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；还可以对武器系统自检仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响。

“浪涌冲击”效应：电磁辐射引起的浪涌干扰，可以对信息化设备造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其“浪涌”效应对武器装备还会造成硬损伤。既可以使器件或电路的性能参数降低或完全失效，也可以形成累积效应，埋下潜在的危害，形成的潜在性失效，使电路或设备的可靠性降低。

磁效应：磁脉冲引起的强电流可以产生强大的磁场，使电磁能量直接耦合到系统内部，干扰电子设备的正常工作。美国通用研究公司的仿真证明，一定强度的磁场作用下，能够使无屏蔽的计算机会产生误动作，甚至造成硬件损伤。

绝热效应：高功率电磁脉冲产生的热效应一般是在微秒或纳秒量级完成的，可以近似看作是一种绝热过程。这种局部的绝热积累效应可以使武器系统中的微电子器件熔融、电磁敏感电路过热，造成局部热损伤，导致电路性能下降或失效。

微波加温效应：在高功率微波照射下，还可造成电子设备温度升高而影响其正常工作。

2 强电磁脉冲对雷达的耦合途径

EMP武器对器件的破坏原理就像近距离的雷电一样，极强的电磁脉冲通过“前门”和“后门”2种途径进入电子设备。“前门”是指雷达对外开放的通道——天线。强电磁脉冲的前门耦合，主要从天线主瓣耦合和副瓣耦合两方面。“后门”是指设备雷达装备的导线、动力电缆、电话线、失效的屏蔽部件甚至屏蔽箱上的孔洞等，驻波能量通过它们耦合进设备内而造成破坏。

3 高功率电磁环境下雷达装备电磁环境效应评估方法

基于电磁拓扑理论［1］，把雷达装备电子系统分解为多个独立的子系统，建立子系统内各子空间的电磁交互作用拓扑模型和系统电磁屏蔽拓扑图；运用图论相关算法对拓扑图进行分析和计算，寻找系统的敏感端口与敏感部件；综合利用神经网络、故障树等相关数学理论，将各子系统的效应评估拓扑合成为整体效应评估模型，并进行仿真计算与实验验证。对于计算方法无法解决的效应参数可以通过实验测试获取，再利用非线性回归估计理论分析测试数据以得到效应参数。当实验测试获取的数据量较少时，可采用小子样理论分析以期获得相应的效应参数。雷达装备电磁环境效应评估途径如图1所示。

图1 雷达装备电磁环境效应评估途径

4 电磁防护加固方法与技术

在效应评估的基础上，通过研究雷达装备在电磁环境下的加固原理、加固技术及加固度要求等，建立裕度防护方法，运用到雷达装备加固方案中，提高电磁生存能力。

4．1 加固原理

加固策略可分为两种：控制耦合和降低敏感度。控制耦合所用的电磁防护技术主要有滤波、接地、屏蔽及其综合技术。其中屏蔽是解决外界电磁场对系统干扰最有效的手段之一，它和滤波也是较适用雷达的电磁防护技术［2］。

屏蔽技术包括屏蔽体和屏蔽材料，但是无论何种屏蔽技术，对于雷达来说，由于天线必须处于工作状态，将使雷达始终处于弱屏蔽状态下。因此，要基于弱屏蔽条件，来建立雷达的防护加固技术。滤波技术是借助滤波器，使系统要求的信息频率之外的电磁脉冲能量不能进入的技术。对于普通干扰源，由于其发出的干扰电磁脉冲的频谱往往比接收信号的频谱宽的多，采用滤波措施可以限制接收系统的频带以抑制无用的干扰，即可提高接收器的信噪比。

4．2 加固技术

电磁辐射可以经过两大通路耦合进系统，通常称之为前门和后门。对于前门来说，有两种选择，限制前门天线或传感器的耦合和限制耦合能量传播到系统内部的数量。第1种选择实际是降低入口的有效面积；第2种选择实际是降低入口和系统内部敏感组件之间的耦合。就大部分前门加固手段来说是采用滤波器和限幅器或者二者之一。

对于大多数系统，后门加固最有效的方法是屏蔽。后门屏蔽加固方法有“局部加固防护”和“系统壁垒防护”。局部加固法主要为被认为特别敏感或使命要紧的设备提供有限防护。系统壁垒法是用一层或多层屏蔽把电磁环境和系统内部隔离开，它适合于高价值系统。

4．3 确定加固度要求的方法

对系统的电磁加固要求，包括以下几个方面：

1）与系统及其使命有关的电磁环境描述；2）系统的功能与物理描述；3）对入射场如何有效地耦合到系统前门和后门界面的了解；4）对器件和子系统在电磁环境下敏感度的了解。

图2表示如何用这些信息确定需要多强的加固，以满足系统的需要。

对于关键使命组件，通过取组件敏感度阈值与在该组件上的应力水平之比确定加固裕度。实际上，对于关键组件通过用组件敏感度阈值除以沿组件和系统表面进入口之间感兴趣通道的传输损耗和进入口的有效面积，即可确定系统的强度。然后，该强度除以系统表面上的电磁环境应力得到加固裕度，即

图2 确定加固度要求的方法

基于组件敏感度确定系统加固要求的方法见图3。

图3 用组件敏感度确定系统加固要求

裕度防护由整体裕度的确定、裕度的最优分配、模块间裕度的关联3部分组成。整体裕度的确定涉及：根据战场环境和目标特性确定雷达防护等级；各种型号雷达在战场电磁环境下的阈值。裕度的最优分配是指，根据雷达整体裕度，利用多目标最优化分配理论确定各模块的裕度。模块间裕度的关联是指雷达的各个模块相互间的影响与联系对各个模块裕度的作用大小。

5 结 语

通过研究强电磁脉冲作用机理，构建雷达的功能参数回归估计模型及与外加电磁源交互作用的拓扑结构模型，提出雷达在电磁环境下总体效应评估方法。通过研究基于电磁拓扑的“局部加固防护”和“系统壁垒防护”，建立弱屏蔽条件下的雷达裕度防护方法。在效应评估和防护技术研究基础上，提出抗强电磁脉冲加固方案，实施加固设计，以提高雷达装备在高功率电磁环境下的生存能力，最大限度地保持和发挥武器装备的作战效能。

［1］ 谢鹏浩，刘尚和，谭志良．典型雷达系统的电磁拓扑初步分析［J］．现代雷达，2008，30（2）：17－19．

［2］ 赵炳秋，汤仕平，万海军．电磁辐射对舰载导弹危害及防护技术研究［J］．舰船电子工程，2009，29（8）：199－202．

O441

A

1008－1542（2011）12－0145－03

2011－06－20；责任编辑：李 穆

夏明飞（1976－），男，吉林梅河人，工程师，硕士，主要从事电子装备性能测试与故障诊断方面的研究。