馬玉林，張文一，孟 沖

（裝備指揮技術(shù)學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416）

復(fù)雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的干擾機(jī)理研究

馬玉林，張文一，孟 沖

（裝備指揮技術(shù)學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416）

復(fù)雜電磁環(huán)境是指信息化條件下的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，是對戰(zhàn)場空間中所有電磁信號的總體狀態(tài)的反映。戰(zhàn)時軍隊(duì)遂行裝備保障任務(wù)，不可避免地要面對極為復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境及其帶來的電磁干擾問題。從電磁環(huán)境與裝備保障要素之間的相互作用關(guān)系著手，揭示了裝備保障活動受到電磁干擾作用的物理本質(zhì)，研究了電磁干擾作用產(chǎn)生的充要條件和主要方式。

復(fù)雜電磁環(huán)境；裝備保障；電磁干擾；機(jī)理

信息化戰(zhàn)場上，敵對雙方的偵察與反偵察、壓制與反壓制、干擾與反干擾等形形色色的電磁活動貫穿于作戰(zhàn)的全過程，數(shù)量龐大、體制多樣、種類繁雜、功率不一的電子裝備遍布于戰(zhàn)場的每一個角落，由此產(chǎn)生的主動電磁波、反射電磁波等縱橫交織于電磁頻譜的廣泛空間內(nèi)，構(gòu)成了戰(zhàn)場的復(fù)雜電磁環(huán)境。戰(zhàn)時遂行裝備保障任務(wù)，不可避免地要面對極為復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境及其帶來的電磁干擾問題。尤其是隨著部隊(duì)裝備信息化建設(shè)和裝備保障信息化程度的不斷提高，復(fù)雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的影響和制約呈逐步增大的趨勢。深入研究復(fù)雜電磁環(huán)境對裝備保障活動的干擾機(jī)理，深刻揭示電磁干擾作用的物理本質(zhì)，對于科學(xué)分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復(fù)雜態(tài)勢，提高部隊(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下裝備保障訓(xùn)練水平和能力具有重要的指導(dǎo)意義。

1 裝備保障活動受到電磁干擾作用的物理本質(zhì)

復(fù)雜電磁環(huán)境由數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊、動態(tài)交迭的電磁信號構(gòu)成。由于電磁信號既攜帶有電磁能量，又可能攜帶信息，使得復(fù)雜電磁環(huán)境與裝備保障活動之間實(shí)質(zhì)上存在能量與信息的交換關(guān)系［1］。裝備保障活動與電磁信號的交換關(guān)系主要表現(xiàn)為3種，即接收電磁信號、輻射電磁信號和反射（或散射）電磁信號，如圖1所示。其中，接收電磁信號包括敵方干擾信號、己方自擾／互擾信號、自然界或民用電磁輻射信號。

在裝備保障過程中，裝備保障要素可能會接收到本身不希望接收的電磁信號，即非預(yù)期的電磁信號，其既可能來自敵方，也可能來自己方，還可能是民用或者自然界輻射的電磁信號，由于電磁信號攜帶有電磁能量和信息，當(dāng)滿足一定作用條件時，這些非預(yù)期的電磁信號就會對裝備保障活動產(chǎn)生電磁干擾。需要明確：第一，這里的“電磁干擾”，屬于“廣義”的“電磁干擾”，既包括傳統(tǒng)意義上的中斷、降低或限制無線電通信或其他電氣設(shè)備性能的過程［2］；也包括強(qiáng)電磁能量，如高功率微波武器、電磁脈沖武器等輻射的電磁信號對裝備、生物體等的電磁毀傷（或稱硬件損傷）過程；還包括通過電磁輻射傳播的計算機(jī)病毒干擾等過程。第二，這里的“電磁干擾”，屬于“綜合性”的“電磁干擾”，由于復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成的多樣性，干擾信號通常是敵方的干擾信號、己方的自擾／互擾信號、自然界或民用的電磁輻射信號的綜合。

圖1 裝備保障活動與電磁信號之間的關(guān)系

2 裝備保障活動受到電磁干擾作用的充要條件

置身于復(fù)雜電磁環(huán)境中，裝備保障活動時刻受到電磁信號的作用，但只有當(dāng)滿足一定的作用條件時，才能形成對裝備保障活動的電磁干擾。

2.1 必要條件——電磁干擾三要素

電磁干擾的形成，首先必須具備三個基本要素，即電磁干擾源、耦合途徑、干擾對象（或是干擾對象內(nèi)部的敏感設(shè)備），三者之間的關(guān)系如圖2所示。

1）電磁干擾源

電磁干擾源，是指任何能產(chǎn)生電磁干擾的元件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象［3］。理論上說，戰(zhàn)場上所有電磁輻射源都可視為是潛在的電磁干擾源，只是當(dāng)其中一個或若干個輻射源針對具體干擾對象，或?qū)Ω蓴_效果起決定作用時，才稱其為電磁干擾源。通?？梢罁?jù)其輸出信號的功率在方位、時間以及頻率上的分布，來對其進(jìn)行綜合描述，并用功率密度的形式表示為

圖2 電磁干擾三要素示意圖

式中，φ為干擾信號的輻射方向，f為干擾信號的工作頻率，t為干擾信號的工作時間；P為t時刻輻射頻率f的電磁信號的功率密度，也稱為干擾源的發(fā)射率；F為將干擾源輻射的電磁信號（或稱電磁能量）轉(zhuǎn)變成空間、時間及頻率分布的算子。

信息化戰(zhàn)場空間潛在的典型干擾源可集中歸納為以下幾大類：高空核爆電磁脈沖（HEMP）、超寬帶（UWB）和高功率微波（HPM）等定向能武器輻射的電磁信號，電子對抗設(shè)備（含通信對抗、雷達(dá)對抗、光電對抗等）輻射的電磁信號，雷達(dá)、通信電臺輻射的電磁信號，以及雷電、靜電等。

2）傳播耦合途徑

傳播耦合途徑指傳輸干擾信號的通路或媒介，包括“輻射耦合”和“傳導(dǎo)耦合”2種方式［3］。

①輻射耦合 指電磁干擾信號以電磁波的形式通過空間耦合至干擾對象內(nèi)部，它包括電磁波對天線等接收裝置的耦合，稱為前門耦合，這是最主要的耦合方式；還有電磁波對電纜、裝備金屬表面、金屬支柱、金屬導(dǎo)管等的耦合，以及電磁波通過孔、縫隙的耦合等，稱為后門耦合。

②傳導(dǎo)耦合 傳導(dǎo)耦合與輻射耦合有明顯不同，它是指電磁干擾信號沿著連接電路以電壓或電流的形式傳輸進(jìn)入干擾對象內(nèi)部。具體又可以分為直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合以及轉(zhuǎn)移阻抗耦合等，這種耦合方式一般發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部。

通常，干擾源輸出的電磁信號經(jīng)過傳播耦合后，都存在損耗，損耗程度可以用L表示，并取決于電磁信號的傳輸方位、距離、時間和頻率，具體表示為

式中，L表示在φ方向、r距離、t時刻的f頻率上，干擾源輸出信號功率的損耗程度（L≤1）；K表示將損耗程度轉(zhuǎn)變成空間、時間及頻率分布的算子。

3）干擾對象

干擾對象，即指可能受到干擾作用的電子電氣系統(tǒng)（或設(shè)備）、以及人員和燃油物資等［4］。通常用電磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）表示干擾對象受干擾的難易程度；用敏感電平閾值R表示干擾對象最小不可辨別的非預(yù)期響應(yīng)信號電平，也就是敏感電平的最小值。干擾對象敏感度越高（敏感電平閾值越低），對電磁干擾就越靈敏，抗干擾能力就越差，反之亦然。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各種典型電子設(shè)備受到弱干擾的敏感電平閾值（以微波照射功率的形式計量）一般在0.01～1μW／cm2范圍內(nèi)，受到中度干擾的敏感電平閾值在0.01～1 W／cm2范圍內(nèi)，受到較強(qiáng)干擾的敏感電平閾值一般在10～100 W／cm2范圍內(nèi)，受到強(qiáng)干擾的敏感電平閾值一般在1 000～10 000 W／cm2范圍內(nèi)［4］；一般情況下，當(dāng)敏感電平閾值超過3 m W／cm2時，裝備保障人員會受到弱干擾；當(dāng)敏感電平閾值超過0.5 W／cm2時，人員會受到中度干擾；當(dāng)敏感電平閾值超過20 W／cm2時，人員將受到較強(qiáng)干擾；當(dāng)敏感電平閾值達(dá)到80 W／cm2以上時，人員將受到強(qiáng)干擾［5］。

2.2 充分條件——電磁干擾要素之間的關(guān)系

電磁干擾源、傳播耦合途徑、干擾對象，只是形成電磁干擾的3個必要條件，要想真正產(chǎn)生電磁干擾，三者之間還須滿足一定的關(guān)系。

假設(shè)戰(zhàn)場空間中共有T個輻射源，其中有N個輻射源的電磁信號能夠傳播到某敏感設(shè)備周圍，并對該敏感設(shè)備產(chǎn)生作用，假設(shè)第i個干擾源輸出信號功率為

同時，其一共有ni種傳播耦合方式可以使干擾信號耦合進(jìn)入敏感設(shè)備內(nèi)部，其中，第j種傳播耦合途徑的傳播損耗為

則在t時刻的f頻率上，第i個干擾源通過第j種耦合方式進(jìn)入敏感設(shè)備的干擾功率為

在t時刻的f頻率上，該敏感設(shè)備接收到的電磁干擾信號總功率為

假設(shè)該敏感設(shè)備受到弱干擾、中度干擾、較強(qiáng)干擾、強(qiáng)干擾后的敏感電平閾值，分別以功率形式用R1，R2，R3，R4來表示，則該電磁敏感設(shè)備受到電磁干擾的過程及條件如圖3所示。

圖3 電磁干擾三要素之間的關(guān)系

3 裝備保障要素受到電磁干擾作用的主要方式

如前所述，未來信息化條件下復(fù)雜電磁環(huán)境的電磁干擾作用，既包括傳統(tǒng)意義上的中斷、降低或限制無線電通信或其他電氣設(shè)備性能的過程；也包括強(qiáng)電磁能量的電磁毀傷過程等。這里，重點(diǎn)就強(qiáng)電磁干擾能量（如高功率微波、電磁脈沖等，或者是多方面信號綜合形成的強(qiáng)干擾）對裝備保障要素產(chǎn)生電磁毀傷的機(jī)理進(jìn)行闡述。

1）熱效應(yīng) 根據(jù)電磁理論可以知道，電磁場作用下的介質(zhì)會被加熱，當(dāng)外加電場是交變電磁場時加熱將更加激烈。當(dāng)外加電磁場的頻率越高，電場強(qiáng)度越大，對介質(zhì)的作用越強(qiáng)，介質(zhì)的溫度升高的越快。熱效應(yīng)可使電子裝備中的一些元器件，如半導(dǎo)體器件的結(jié)溫升高，造成器件性能降低或失效，甚至導(dǎo)致庫存物資燃燒爆炸。

2）瞬時干擾效應(yīng) 即當(dāng)電磁脈沖出現(xiàn)在電路的某一輸入點(diǎn)時，其他的輸入點(diǎn)仍然固定在原定的邏輯上，而輸出暫時改變。在這種情況下，電磁脈沖的瞬時變化產(chǎn)生的干擾信號進(jìn)入放大電路，使系統(tǒng)失靈。對于瞬時干擾來說，數(shù)字電路的輸入線是最敏感的部位，其次是直流電源線和地線等。

3）電涌沖擊 對于已經(jīng)進(jìn)行了金屬屏蔽的電子電氣系統(tǒng)（或設(shè)備），雖然電磁脈沖無法直接輻射到其內(nèi)部，但是可以在屏蔽殼體上產(chǎn)生感應(yīng)脈沖電流，就像浪涌一樣在殼體上流動，當(dāng)遇到縫隙、孔洞時，電涌就會進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)致敏感器件的損壞。

4）強(qiáng)電場效應(yīng) 電磁干擾信號被干擾對象接收后，可以在其內(nèi)部的電子元器件上形成強(qiáng)電場，不僅可以使MOS場效應(yīng)器件的柵氧化層擊穿或金屬化線間介質(zhì)擊穿，造成電路失效，而且，強(qiáng)電場效應(yīng)可以造成載流子在器件表面態(tài)或缺陷態(tài)的遷移，從而形成潛在性損傷，對許多測試儀器和敏感電路的工作可靠性造成影響，對電磁屏蔽提出了更高的要求。

5）磁效應(yīng) 靜電放電、雷擊閃電等引起的強(qiáng)電磁干擾可產(chǎn)生強(qiáng)磁場，由于對磁場的屏蔽比較困難，其產(chǎn)生的電磁能量會直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，使電子設(shè)備難以正常工作。

［1］ 王汝群.論復(fù)雜電磁環(huán)境的基本問題［J］.中國軍事科學(xué)，2008（4）：62.

［2］ GJB 72A—2002，電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語［S］.

［3］ 鄒逢興.電磁兼容技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［4］ 劉勇波，樊 祥，韓 濤.高功率微波作用機(jī)理及影響條件分析［J］.電子對抗技術(shù)，2003（7）：42.

［5］ 熊群力.綜合電子戰(zhàn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［6］ 周 旭.電子設(shè)備防干擾原理與技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［7］ BLAKE B.1994-95 Jane＇s Radar and Electronic Warfare Systems（sixth edition）［M］.Surrey：Jane＇s Information Group Limited，1994.

［8］ ERMELER K，PFEIFFER W，SCHOEN D，et al.Surge immunity of electronic equipment［A］.Electromagnetic Compatibility［C］.Tokyo：International Symposium on，1999.

［9］ CORI G，de LEO R，PRIMIANI V M.Investigation of radiated susceptibility during EFT tests［J］.Electromagnetic Compatibility，IEEE Transactions on，1997，39（4）：298-303.

［10］ GUIMARAES J V，COSTA-DIAS M H，dos SANTOS J C A.Proficiency testing of electromagnetic compatibility（EMC）labs in Brazil by measurement comparisons［J］.Measurement Science and Technology，2009，20（11）：107-115.

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1008-1542（2011）07-0031-03

2011-06-20；責(zé)任編輯:王海云

部委級重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2008SY4103001）

馬玉林（1982-），男，河北大城人，博士研究生，主要從事裝備保障與指揮方面的研究。