舰载无人机机载设备复杂电磁环境下的电磁兼容性研究

杜军欣 陈维义 徐义桂

摘要：提高舰载无人机机载设备抗电磁干扰能力，是适应现代信息化海战中复杂电磁环境的必然要求。本文介绍了舰载无人机机载设备在复杂战场电磁环境中可能存在的主要电磁干扰，并从不同的干扰源及耦合通道考虑，提出了提高舰载无人机机载设备电磁兼容性的措施，是对复杂电磁环境下机载设备保障的一次有益探索。

关键词：舰载无人机;机载设备;复杂电磁环境;电磁兼容性

0 引言

随着通信与网络技术、信息安全技术、微电子技术和人工智能技术等的迅猛发展，信息化现代高技术装备大量投入海战场，未来海战场电磁环境日趋复杂。而舰载无人机“麻雀虽小，但五脏俱全”，装载的设备多，如无人机导航设备、无线通信设备、光电传感器设备、电子对抗设备、飞行控制设备、电气系统和敌我识别系统等。这些机载设备极易受到复杂电磁环境的干扰进而影响无人机整体的作战效能。研究海战场复杂电磁环境下舰载无人机机载设备的电磁兼容性，对提高舰载无人机在海战场的战斗力，夺取海战场复杂电磁环境的主动权意义重大。电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是指设备或系统在同一预期的电磁环境中，能按设计要求正常执行功能而不互相干扰的兼容状态，也是设备或系统抗电磁干扰主要性能之一[1]。

1 舰载无人机机载设备电磁环境分析

复杂的电磁环境是指在设备或系统在执行功能时，其在一定的战场空间内，由频域、时域、空域及能量上分布的复杂、密集电磁信号的总和[1]。主要特点频域上表现为频谱宽、频段交错重叠;时域上表现为变幻莫测、密集交迭;空域上表现为“无处不在、无形无影”;能量上表现为密度不均、跌宕起伏等[1][2]。常提的电磁干扰（Electromagnetic Interference，简称EMI）是指在电磁信号的骚扰下所引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰的形成必须同时具备三个最基本要素：干扰源、耦合通道、敏感设备，如图1所示。

舰载无人机在执行作战任务时，机载设备受到的电磁干扰源很多，主要有：

1.1 舰载无人机自身内部的电磁干扰

（1）机载电子设备间引起的干扰。通讯设备、光电设备、导航设备、电子干扰设备、发射/接收天线等正常工作时都会伴随着电磁信号的发射，这些电磁信号会对无人机设备造成干扰，此时它们就是干扰源。如舰载无人机在执行目标抵近侦察、跟踪监视及电子对抗等作战任务时，往往伴随着大量图像或视频情报信息、飞行控制信息等的信号发送与接收。这信号传输的过程中同时会伴随着信号谐波分量的发送，尤其是对于大功率的通讯电台设备，其谐波分量的能量比较大，会对无人机其它设备产生较大的干扰。

（2）电气设备引起的干扰。电气设备：电源、继电器、微控制器、磁性元器件、变压器、瞬态开关等工作时断续电流在触点处会产生电火花，产生电磁脉冲信号，也会成为干扰源对机载设备产生干扰。

（3）发动机电火花信号引起的干扰。无人机目前主要采用的是转子发动机、活塞发动机和喷气式发动机等。以某型活塞发动机在正常工作为例，由于火花塞电子打火产生较强的电磁脉冲信号，根据测试情况[2]，发动机辐射电磁信号具有如下特征：发动机转速一般为3000～6000转/分钟，也即是说发动机工作每转动一圈产生打火电磁脉冲信号2次，打火电磁脉冲信号宽度近似固定为20微秒，所以，活塞发动机辐射的电磁脉冲的基本特征为PW=20微秒，PRI=5～10毫秒;发动机辐射的电磁信号的载频范围较宽为50MHz～4GHz;发动机辐射的电磁信号的功率不恒定。因此，发动机电火花信号也是对机载设备的主要电磁干扰之一。

（4）干扰耦合。无人机执行任务时，设备同时工作会造成设备电磁噪声的抬高，在与其它电磁干扰耦合，造成电磁干扰的叠加，从而对无人机机载设备产生更为严重的电磁干扰。同时全机电缆的干扰耦合也是较大的干扰源，在舰载无人机狭小的空间内密集分布着众多的电子设备，设备之间的由于需要传输数字、模拟和时钟等不同的功能信号，故需各种信号线缆与电源线缆的连接;而线缆在传输信号时可作为一部辐射天线，向无人机机载设备辐射电磁场，干扰机载设备的正常功能;线缆之间又存在寄生电感和电容现象，产生互扰、串扰问题[5][11]。总之，全机线缆产生的电磁场与设备内部电路及外部电磁场耦合，会产生严重的干扰。

1.2 编队协同作战飞行对机载电子设备的电磁干扰

由于无人机作战具有隐蔽性好、造低成本高效费比、生存能力强、操作灵活等特点，可担负情报侦察支援、电子对抗、空中打击、无线通信中继等任务，具有出色的空中编队协同作战的能力。在执行编队作战任务时，无人机与无人机通过Ad hoc网络进行无线通信，加剧了战场电磁环境的复杂性，从而会对机载设备造成电磁干扰。同时在现代空战中，无人机—无人机、无人机—有人机混合编队协同作战规模将会成为普遍，虽然这种混合编队协同作战能更好的完成作战任务，但也会增加战场电磁环境的复杂程度。

1.3 战场敌我双方非无人机设备对机载设备的电磁干扰

海战场环境复杂，敌我双方为了争夺战场的主动权，舰载搜索雷达、舰载光电设备等需要对战场进行预警探测搜素;舰船编队间通过舰载通讯电台进行无线通信;舰载武器系统需要对目标进行跟踪瞄准或发射电磁脉冲弹;敌方电子对抗设备攻击，等等[12]。这些过程都会产生高功率的电磁脉冲或微波等，造成海战场电磁环境愈加恶劣，对舰载无人机机载设备造成电磁干扰。这些电磁干扰信号对舰载无人机的干扰影响主要表现为：直接通过无人机机载天线等，造成机载天线设备的性能下降甚至损坏;透过无人机机壳蒙皮或机壳孔隙等，与内部机载设备或线缆发生电磁干扰耦合，从而对处于战场上的无人机造成电磁干扰，降低无人机的作战效能[11]等等。

1.4 海戰场自然电磁干扰

海战场自然电磁干扰源也很多，有雷电、地球表面磁场、外太空电磁辐射等，但主要是雷电噪声的干扰，雷电电磁脉冲是一种伴随在雷电放电过程中的电流瞬变和电磁辐射信号，对舰载无人机具有较强的电磁干扰。由于海洋气候复杂多变，当舰载无人机执行作战任务时常遇到雷电。当舰载无人机执行作战任务时，除了被雷电击毁及降雨导致设备损坏外，雷电产生的电磁信号噪声干扰就会扰乱无人机数据链路的数据传输，造成传输数据误码率增大。

2 舰载无人机机载电子设备电磁兼容性设计

针对上述干扰源，在舰载无人机设计生产中，应严格按照无人机电磁兼容的设计方法，从各方面考虑舰载无人机机载设备可能存在的电磁兼容性问题，将主要的电磁干扰加以抑制，降低电磁干扰的影响使其符合舰载无人机作战设计要求，进而提升舰载无人机的整体作战效能。结合国内外科研专家对无人机电磁兼容性的研究经验，以及海战场电磁环境和舰载设备状况，从形成电磁干扰的三个基本要素（干扰源、耦合通道、敏感设备）考虑，本文提出以下抑制电磁干扰、提高舰载无人机电磁兼容性的措施：

2.1屏蔽技术

屏蔽技术具体讲是将元部件、电路、电缆、设备或整个系统等的干扰源置于一个完全导电的“法拉第笼内”，起到对电磁干扰信号隔离屏蔽的效果，即防止干扰源产生的电磁干扰信号向外扩散传播，同时又防止自身设备受到外界的电磁干扰的技术。

无人机壳体常采用玻璃钢的复合材料，壳体表面通过涂覆导电导磁材料、电镀、黏贴薄金属箔、化学镀等措施形成电磁隔离屏蔽层，可有效抑制外部电磁干扰信号的透入及内部电磁干扰信号的向外发射。对于内部元部件和设备等的屏蔽主要采用机体壳体屏蔽措施，在壳体或壳体孔缝处的表面贴附屏蔽材料并且尽可能缩小壳体上的孔隙，对一些高频的电路元器件、大功率射频设备以及敏感度高的设备等实现二次屏蔽，首先将其安装在金属盒子内，然后再装入全封闭形式的机箱内。线缆的屏蔽则采用对线缆表层包裹吸收和屏蔽电磁干扰的材料层。

无人机机身加工时由于结构设计和实际加工工艺的要求，机身不可能设计成一个无孔缝的屏蔽体，使得机身存在的众多孔隙、孔洞等不连续结构，其会成为电磁干耦合的传播途径，极大降低了机身的电磁干扰屏蔽效能。因此，对于机身面板结合处的接缝处的电磁干扰防护，有研究结果表明[9][11]，可通过采用增加金属搭接面，增加缝隙深度，装配面增加电磁密封衬垫等措施来实现;对于机身上通风孔隙的电磁干扰防护，可通过采用小圆孔缝代替长槽缝，在通风孔缝处安装金属滤网、铝制波导通风窗，把大孔改成小孔等措施来实现;对于设备显示窗口的电磁干扰防护，由于为了保证显示窗口的透明度，可以通过采用使用透明导电膜或编织金属筛网的树脂玻璃等复合材料的措施来实现。

2.2滤波技术

电磁干扰滤波是由电阻、电感、电容等无源或有源器件组成选择性滤波器，从含有噪声的信号中滤去噪声提取有用信号分量的技术，也是抑制电磁信号干扰的关键技术之一。电磁干扰滤波器大体上可以分为四大类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器。

舰载无人机进行产品设计时，应根据噪声的不同特点，正确选择抗电磁干扰的滤波器件。针对从机载天线耦合而来的高功率电磁干扰信号，可以采用在机载天线的外部接口处装配带通滤波器，来达到对接收有用电磁信号滤波匹配的目的。针对从线缆部分耦合而来的信号，可采用电源滤波器（低通滤波器）来进行干扰滤波。同时对于从全机线缆带来的耦合电磁干扰，可以使用电缆滤波器（也就是将特殊铁氧体的材料来填充电缆线内部而制成的滤波器），有研究表明使用电缆滤波使得同轴传输电缆线的电磁损耗效能比在空气中增大若干倍。PCB设计中在易受干扰的部位添加旁路电容也可以起到降低噪声消减干扰的效果[11]。对于舰载无人机机载设备内部整体滤波器的安装位置的选择，应该根据电磁干扰源的耦合通道来决定;若一个干扰源干扰着多个设备，则在在临近干扰源的一侧安装滤波器;反之，若多干扰源干扰一个设备，则在临近设备的一侧安装滤波器。用电阻器、电容器及电感器等元器件的组合成的滤波器对干扰电压或电流进行旁路、吸收、隔离、滤除及去耦等处理是一种抑制电磁干扰的有效方法。

2.3接地技术

接地技术也是抑制电磁干扰，提高舰载无人机机载设备电磁兼容性的关键技术之一。机载设备正确的接地方式既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发射电磁干扰。接地是指在系统的某个选定点与某个电位基准面之间建立低阻抗的导通电路。本文提到的接地技术概念的“基准地”是指信号回路的基准导体，并且设该基准导体电位为相对零电位，不一定是“大地电位”。常用的接地措施有将无人机的电磁屏蔽罩和机壳等屏蔽体接地;将电缆屏蔽层接地;复杂电子设备或系统接地等。

2.4编队飞行战术运用

舰载无人机编队协同作战到达指定作战区域前可采用航路规划自主航行，在自主航行阶段将无人机机载天线设备等静默，从而可有效減少编队飞行过程中无人机系统间干扰信号的影响。

2.5抑制互耦干扰的影响

舰载无人机中由于空间狭小，设备安装密集，容易产生互耦干扰现象。无人机中互耦干扰主要分为两大类：一类是干扰源产生的电磁干扰信号经直接连通的电路耦合到敏感设备上，称之传导干扰;一类是因为临近的导体或回路所产生的电磁场耦合而产生干扰，称之感应类干扰。在舰载无人机产品设计时，对于设备的线缆应该按照功率、频率等分类：不同类的线缆分开捆扎固定，相邻的线缆之间应事先采用屏蔽材料包裹，不同类的线缆之间的铺设距离应保证在50厘米以上;线缆长度应尽可能的短，线缆拐角尽可能采用互相垂直、斜交走线，信号线间尽可能用地线隔开，信号线、电源线尽可能接近地线层并尽量走向一致，这样可有效抑制线缆耦合干扰的影响。在设计无人机电路板时，应选用多层板的结构设计，将数/模等电路分别安排在不同板层结构内;强干扰源应该单独安装在一板层结构中，不能临近高敏感度的电路层;对于高电平电路与敏感电路间应该尽可能的隔开;电源层的位置应在接地层下方并尽可能临近接地层;输入/输出端的相邻电缆导线应尽量避免平行，且最好在两者电缆导线之间加上地线[5]。这样可降低各种互耦干扰对无人机设备的影响。

3 结束语

随着海军舰载无人机装备性能的不断完善与提高，同时为了满足海军多任务作战的模式，各种复杂高性能的机载设备将逐步装载至无人机上。本文对复杂海战场电磁环境下无人机机载设备产生的主要电磁干扰及兼容性进行了分析，为今后舰载无人机电磁兼容性设计提供了一定的参考价值。

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