軍用電子裝備的電磁防護新技術

摘要：對(duì)現代軍用電子裝備的電磁防護的zui新技術——抗核電磁脈沖（NEMP)與雷電電磁脈沖(LEMP)的對(duì)策技術以及防信息電磁洩露(TEMPEST)技術等進(jìn)行了綜述。
      關鍵詞：電磁兼容 防護  軍用電子裝備
      Abstract:The new technology for the electromagneTIc protecTIon of military electronic equipment   reviewed, including NEMP， LEMP and TEMPEST.
      Keywords:EMC；protecTIon; military electronic equipment
      1 前言
       軍用電子裝備的抗幹擾問題對(duì)電子裝備可靠性水平有重大的影響作用，越來越引起(qǐ)各國(guó)軍方的高度重視。在現代戰場上，以過(guò)密電磁輻射頻譜運行的武器系統的激增，造成(chéng)戰場上各軍兵種(zhǒng)武器系統間電磁幹擾(EMI)的可能(néng)性不斷增大，當兩(liǎng)個系統以足夠接近的頻率和間距運行時，就(jiù)會(huì)出現電磁幹擾。其對(duì)武器系統性能(néng)和可靠性所造成(chéng)的惡劣影響以及由此而産生的後(hòu)果是極其嚴重的，包括信息不準确、無法探測敵方目标、引信過(guò)早點火、飛機飛行失控和制導武器失靈等。海、陸、空三軍用于戰略、戰役、戰術等各種(zhǒng)武器裝備都(dōu)包含有大量的電子裝備，這(zhè)些裝備的正常運作都(dōu)必須解決電磁兼容（EMC)問題，否則後(hòu)果不堪設想。例如，以戰鬥機等裝備爲首的武器系統，在現代戰争中具有極其重要的作用，在對(duì)敵作戰中，常常要靠它們來搶占先機。在戰鬥機狹小的空間裡(lǐ)，必須裝備很多複雜的通信、導航設備以及雷達和敵我識别等電子設備。如此衆多的電子設備在飛機有限的空間内要同時工作，除了電子設備的質量和可靠性水平直接影響著(zhe)戰鬥機的作戰性能(néng)以外，設備的密集所帶來設備之間的相互幹擾問題也不能(néng)忽略，因此，各設備之間的EMC已是一個至關重要的問題。随著(zhe)機載電子設備的種(zhǒng)類和數量的不斷增加，它們所占用的電磁頻譜越來越寬，所傳輸的信息量越來越大，因而機載電子設備之間的EMC問題也越來越突出。如果這(zhè)個問題解決得不好(hǎo)，就(jiù)會(huì)使整架飛機的工作陷于混亂狀态，而機群的電磁環境還(hái)可能(néng)使飛機的飛行控制、雷達、通訊、導航、電子戰、火控和控制系統的性能(néng)降低，這(zhè)些不利影響随著(zhe)放射功率的增強、接收靈敏度的提高，體積更小和更敏感的固态電路的應用而變得更加明顯。
實際上，軍用電子裝備的EMC基本對(duì)策與民用設備需采取的措施基本一樣(yàng)，大體上可分爲接地、布線和圖形布線、元件選定、濾波和屏蔽等；當然，其要求肯定要更高、更嚴格些。由于軍用電子設備大多數都(dōu)要密集安裝在戰鬥機、艦船、坦克等軍事(shì)裝備中，其所處的EMC環境很嚴酷，所以我們必須研究下面(miàn)與現代軍用電子裝備密切相關的EMC項目和電磁防護新技術。
       2  抗電磁脈沖(EMP)的對(duì)策技術
在現代戰場上，電子對(duì)抗和電子幹擾貫穿于戰争的始終，zui危險、zui緻命的殺傷就(jiù)是敵方發(fā)出的強大電磁幹擾和電磁脈沖。電磁脈沖(EMP：Elec—tromagnet ic Pulse)是一個不容怒視的重要問題，它可以來自多個方面(miàn)，主要有爆炸時産生的強大的核電磁脈沖(NEMP)和打雷時的閃電輻射造成(chéng)的雷電電磁脈沖(LEMP)等。
       2．1  核電磁脈沖(NEMP)
       核電磁脈沖(NEMP)是爆炸的産物。核爆炸時，除了産生光、熱、輻射能(néng)以外，還(hái)産生強大的核電磁脈沖。如圖1所示。
       在40km以上高度的大氣層外發(fā)生核爆炸時，伽馬(γ)射線脈沖到達大氣層，與空氣中的分子發(fā)生沖災而産生康普頓效應。所謂康普頓效應，就(jiù)是一種(zhǒng)把電子從空氣的分子中擠趕出來的現象。在這(zhè)個電子的流動過(guò)程中産生EMP。雖然NEMP爲瞬時現象，但它對(duì)半導體器件及微電子設備卻具有的殺傷力——電擊穿。其作用範圍随爆炸的高度而異，NEMP的zui大特點是上升時間快、強度大。上升時間約8ns，連接時間約200ns，  電場強度高，可達50kV／m，是一種(zhǒng)的電磁幹擾源(ENI)，比通常的EMI強度高幾十至上百分貝；另一特點是作用範圍廣、頻帶寬、能(néng)量大。頻帶從10KHz至100MHZ，除了對(duì)TV、無線電設備的前端(高頻端)有影響以外，對(duì)電話機等設備也有破壞作用，可使敵方的指揮、控制、通信、情報等系統遭受重創甚至癱瘓，成(chéng)爲現代戰場上zui爲嚴重的電磁破壞因素。
       爲了保證武器系統能(néng)正常地履行其功能(néng)并發(fā)揮重大作用，就(jiù)要實施EMP防護。軍用電子設備的NEMP防護也是EMC工作的一個重要組成(chéng)部分。在現代戰場上，爲屏蔽電磁幹擾和電磁脈沖的危害，就(jiù)必須要求裝載電氣與電子設備的方艙具有很好(hǎo)的電磁屏蔽性能(néng)。總的來說，使用方艙并提高方艙整個艙體的電磁屏蔽性能(néng)就(jiù)是一個很好(hǎo)的方法，它具有簡單、成(chéng)本低、整體效果好(hǎo)等優點。
       2．2  雷電電磁脈沖(LEMP)
       雷電是自然界強大的脈沖放電現象，也是一種(zhǒng)靜電現象，而且是自然電磁幹擾源中zui強的一種(zhǒng)放電現象。一次閃電平均含有上萬個脈沖放電過(guò)程，電流脈沖平均幅值爲幾萬安培，持續時間幾十到幾百微秒。閃電通道(dào)大約有幾百米至幾公裡(lǐ)長(cháng)，在先導——主放電過(guò)程中，它們向(xiàng)周圍空間輻射高頻和甚高頻能(néng)量，從而産生雷電電磁脈沖（LEMP）。LEMP給計算機等微電子設備帶來的危害也是相當嚴重的。雷電脈沖通常通過(guò)電網供電電源進(jìn)入計算機網絡造成(chéng)幹擾，輕則引起(qǐ)計算機程序混亂、信息處理失誤；重則燒毀元器件，或使某些部件損壞直至停機，造成(chéng)難以估計的重大損失。
       由于微電子技術和計算機技術在軍用電子裝備中的應用程度越來越高，采取相應的LEMP防護措施已成(chéng)爲軍用電子裝備安全性與抗幹擾技術的一個迫切要求。具體地說，首先應從硬件、軟件方面(miàn)提高計算機系統自身的抗幹擾能(néng)力。例如，在硬件設計中要進(jìn)行EMC設計，綜合采用各種(zhǒng)抗幹擾措施；在軟件設計中，可以利用冗餘技術、容錯技術、标志技術以及數字濾波技術等。其次，還(hái)要采取攔截、屏蔽、均壓、分流、接地和濾波等防護措施。
       例如，屏蔽包括機房屏蔽、整機屏蔽、元器件之間的屏蔽和隔離以及電源的進(jìn)線和輸入線、輸出線的屏蔽和接地；系統與機房不僅要有良好(hǎo)的接地，而且還(hái)要按需進(jìn)行交直流接地、高頻接地、防雷接地和安全接地等設計；濾波也是抑制傳導耦合幹擾的重要方法，可以電源EMI濾波器。它是EMI濾波器的一種(zhǒng)，對(duì)實現和改善電子設備與電子系統的EMC環境有很大的幫助，可以有效地抑制電源線上的信号幹擾電平，降低來自供電網的幹擾，并可在屏蔽體的出入口或導線的适當位置安裝濾波電路。目前，國(guó)外的做法是，根據美軍标(NIL—STD—461／462)的要求，軍用設備必須設置避雷器來降低LEMP的幹擾能(néng)量，一些能(néng)高速工作的避雷器之類的部件也就(jiù)應運而生，而且，爲了确認其效果，還(hái)正在使用一種(zhǒng)如圖2所示的比較大型的新式EMP模拟設備。
       3  防信息電磁洩漏(TEMPEST)技術
       從七十年代起(qǐ)，計算機在國(guó)外迅速普及并發(fā)展起(qǐ)來，計算機相互之間的幹擾和抗幹擾問題日益突出，一些功能(néng)正常的計算機常常會(huì)産生一些不知其所以然的誤動作等故障。更爲嚴重的是，計算機的電磁發(fā)射信号不但頻譜成(chéng)分豐富，而且攜帶信息，因而對(duì)其處理的信息的安全性將(jiāng)造成(chéng)巨大的威脅。尤其是近幾年來，使用以計算機爲主的信息技術設備處理重要信息的必要性日漸增大，但是，随之而來的就(jiù)是數據保密問題。保密的其中一個内容就(jiù)是如何防止。
       計算機等各種(zhǒng)信息技術設備和通信設備在工作時常常會(huì)洩漏電磁波，而且與這(zhè)些設備連接的數據線、電源線同樣(yàng)也會(huì)有電磁波輻射出來。這(zhè)樣(yàng)，被(bèi)處理的信息也就(jiù)會(huì)通過(guò)電磁輻射向(xiàng)空間洩漏。其頻率範圍可達數千赫到1兆赫，如果用ELINT系統那樣(yàng)的高靈敏度接收機接收這(zhè)些電磁波，就(jiù)可能(néng)成(chéng)爲的對(duì)象。通過(guò)使用分析和破譯處理等手段，就(jiù)可以複制原信息，造成(chéng)失密等嚴重後(hòu)果。因此，世界各國(guó)對(duì)信息技術設備的信息電磁洩漏問題越來越重視并開(kāi)展了一系列有計劃、有組織、有針對(duì)性的研究。
       從八十年代初期開(kāi)始，西方諸國(guó)正在迅速開(kāi)展一項專門研究和解決信息技術設備的信息電磁洩漏及其安全防護問題的活動。這(zhè)個活動被(bèi)稱爲TEMPEST。而美國(guó)實際上早在五十年代就(jiù)已開(kāi)始實施這(zhè)項研究計劃，由美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)和(DoD)聯合進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，列爲機密，不得輸出。
       TEMPEST與軍事(shì)電子設備的EMC項目密切相關，可以說是EMC研究體系中的一個獨立的分支。目前，國(guó)外已把它作爲計算機安全研究的一項重要内容。它的定義如下：對(duì)有損任務安全性的意外電磁輻射(EMR)的控制(The Control of unin-tenTIonal EMR that can compromise the security of a mission)
       (EMR：Electromagnetic Radiation)。
       即是說，所謂TEMPEST技術，并不以那些有意輻射電磁波的無線通訊設備爲對(duì)象，其目的是使有用信息尤其是一些涉及國(guó)家機密信息不被(bèi)竊取和破譯，以免造成(chéng)失密；其技術措施就(jiù)是防止計算機等信息技術設備在不知不覺間通過(guò)電磁波輻射而洩漏有用的機密信息。因此，雖然TEM—PEST技術在抑制幹擾的方法和手段上與EMC技術有許多相似之處，國(guó)外通常把它并入EMC的研究領域之中，但是，其目的是與EMC技術以互相兼容的觀點研究電磁兼容的耦合形式和幹擾抑制的目的完全不同的。這(zhè)是一種(zhǒng)要求把傳導幹擾(CE)和輻射幹擾（RE）降至最低程度的技術，方法之一是在建築物的外牆壁和間隔牆上采取措施防止騷擾。
       TEMPEST技術的研究内容主要有以下幾個方面(miàn)：
       a．設計規範的研究：包括低輻射電子設備、結構工藝等設計規範的研究。
       b．測試設備與測試技術的研究：研制符合TEMPEST标準、由計算機控制的自動化系統；TEM—PEST測試可分爲TEMPEST設備的檢測和TEMPEST屏蔽機房的檢測兩(liǎng)個方面(miàn)。
       c．TEMPEST标準的研究：歐美各國(guó)均有嚴格的TEMPEST技術标準，并由國(guó)家安全部門直接控取水平的不斷提高，各國(guó)還(hái)將(jiāng)不斷制定和修改TEMPEST标準。
       d．新材料、新結構、新工藝的研究：包括低輻射元器件、能(néng)屏蔽材料、導電噴塗工藝等方面(miàn)的研究。
       e．符合TEMPEST标準的設備及屏蔽室的研究：包括低輻射的計算機系統等。
爲了保衛國(guó)家安全，軍用電子裝備對(duì)TEMPEST技術的要求還(hái)將(jiāng)越來越高，有必要進(jìn)行更深入的研究。
       4  結束語
       綜上所述，現代軍用電子裝備的EMC問題是至關重要、不能(néng)忽略的，與此密切相關的電磁防護新技術將(jiāng)發(fā)揮極其重要的作用。然而，我國(guó)對(duì)EMC問題的研究則起(qǐ)步較晚，無論是理論還(hái)是技術等整體的研究水平均落後(hòu)于國(guó)外水平。直到八十年代初、中期，許多技術人員還(hái)把這(zhè)項技術僅僅理解爲電子設備超标與否的測量标準而已，甚至在1992年召開(kāi)的技術研讨會(huì)上，仍有些技術人員認爲開(kāi)展電磁兼容性預測、分析和設計工作的必要性不大。不過(guò)，近幾年來，我們已經(jīng)有了不小的進(jìn)步，這(zhè)種(zhǒng)進(jìn)步不僅體現在技術方面(miàn)，而且也體現在廣大工程技術人員和管理部門對(duì)這(zhè)項研究的認識提高和日益重視上，這(zhè)标志著(zhe)我國(guó)EMC理論與技術的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個更高的層次和達到了一個新水平。
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