黃龍水 熊 勇 謝小云

（1.海軍駐武漢七○一所軍事代表室 武漢 430064）（2.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）

（3.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）是設(shè)備和系統(tǒng)的一種能力，即設(shè)備和系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能夠完成規(guī)定的功能，且不至于向其環(huán)境中產(chǎn)生不能忍受的干擾[1～2]。艦艇總體電磁兼容設(shè)計與控制的目標(biāo)就是要確保艦艇上設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性，發(fā)揮其作戰(zhàn)效能[3～4]。

現(xiàn)代主戰(zhàn)潛艇一般都包括十幾個系統(tǒng)和上千臺設(shè)備，這些設(shè)備安裝在船體結(jié)構(gòu)上，組成了一個工程上完成指定任務(wù)的復(fù)雜的巨系統(tǒng)[4]。

潛艇的空間狹小、設(shè)備密布，既有不同頻率、不同電平、不同波形的信號傳輸，又有設(shè)備間、電纜間、設(shè)備與電纜間等通過多種耦合途徑而產(chǎn)生的騷擾能量的存在，這些都使得潛艇內(nèi)部的電磁環(huán)境異常復(fù)雜而惡劣。

潛艇的總體電磁兼容設(shè)計與控制[5]是潛艇研制中的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計好壞直接影響了潛艇總體設(shè)計的成敗和潛艇作戰(zhàn)使用。

潛艇的電磁兼容性設(shè)計和控制一方面是要求減小電磁干擾，使?jié)撏е械碾姶鸥蓴_得到消除或者抑制到最低可承受程度；另一方面是加強潛艇上各設(shè)備、系統(tǒng)抵御外界影響、適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。要達(dá)到這一目的必須要有一個良好的總體電磁兼容設(shè)計控制方法和模式。

目前電磁兼容設(shè)計方法有問題解決法、標(biāo)準(zhǔn)控制法（規(guī)范法）和系統(tǒng)法三種[6]。潛艇總體電磁兼容設(shè)計和控制方法主要以標(biāo)準(zhǔn)控制法為基礎(chǔ)，即遵循和貫徹相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，嚴(yán)格要求各裝艇設(shè)備和分系統(tǒng)必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)。這種方法比原始的“問題解決法”先進(jìn)合理，大大降低了全工程的電磁兼容風(fēng)險。但是，基于標(biāo)準(zhǔn)控制法的設(shè)計為共性化設(shè)計，各種EMC標(biāo)準(zhǔn)是從實踐經(jīng)驗中綜合提煉出來而提出的一些普遍性的指標(biāo)和要求，往往忽視了具體應(yīng)用平臺、特定區(qū)域電磁特性，針對性不夠強，因而容易導(dǎo)致特定平臺電磁兼容性的欠設(shè)計而引起電磁兼容性問題，或過設(shè)計而降低了工程的效費比。因此標(biāo)準(zhǔn)控制法在應(yīng)用中，需要根據(jù)工程型號電磁環(huán)境特點，對EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)剪裁，提高其應(yīng)用的針對性。

本文將根據(jù)潛艇各區(qū)域電磁環(huán)境的分布特點，針對潛艇分艙分區(qū)域分系統(tǒng)布置的總體情況，提出一種初步的分艙分區(qū)域的總體電磁兼容設(shè)計和控制方法，作為標(biāo)準(zhǔn)控制法的補充，以期實現(xiàn)潛艇總體電磁兼容的個性化設(shè)計和精細(xì)化控制，降低總體電磁兼容的過設(shè)計和欠設(shè)計。

2 區(qū)域級電磁兼容設(shè)計方法

2.1 潛艇平臺的區(qū)域電磁環(huán)境特點

由于鋼結(jié)構(gòu)對電磁能量具有良好的屏蔽能力，潛艇的耐壓殼體結(jié)構(gòu)可以極大的衰減電磁能量，使得耐壓殼體對其內(nèi)外的電磁能量起到去耦合作用。因此，潛艇的總體電磁兼容設(shè)計被自然的劃分為兩個截然不同的大區(qū)域，耐壓殼體外部（艦面區(qū)域）和耐壓殼體內(nèi)部（艙內(nèi)區(qū)域）。

耐壓殼體結(jié)構(gòu)外部的指揮室圍殼區(qū)域（圖1）集中布置了潛艇所有的射頻天線，而艙內(nèi)則布置有潛艇的水艙、燃油艙、居住艙室、蓄電池組、推進(jìn)系統(tǒng)和各種保障設(shè)備和電子電氣設(shè)備等。

一般來說，潛艇內(nèi)部的潛在電磁干擾源主要包括各種大功率電力電子變換裝置，例如主推進(jìn)電機，各種發(fā)電機系統(tǒng)等，而潛艇內(nèi)部的電磁敏感設(shè)備則主要為各種聲納、導(dǎo)航和通信接收機等電子設(shè)備。

潛艇耐壓殼體內(nèi)部的區(qū)域采取隔斷分艙的設(shè)置（圖2），隔艙壁和各層間平臺板以及周圍的耐壓殼體結(jié)構(gòu)的屏蔽作用使得艙內(nèi)的各個隔斷艙、各個封閉艙室形成了相對獨立的電磁小環(huán)境。以德國212型潛艇為例，艇上主要的潛在干擾源如永磁推進(jìn)電機、柴油發(fā)電機組和燃料電池AIP系統(tǒng)等電力電子變換裝置布置在艇上IV、V、VI艙，而敏感設(shè)備如聲納系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)等電子設(shè)備集中布置在II艙，少量布置在I艙，Ⅲ艙則為人員居住區(qū)域。這樣的總體布局減少了空間輻射干擾的傳播途徑。

圖1 潛艇射頻天線布置

圖2 潛艇耐壓殼體內(nèi)分艙基本設(shè)置

綜上所述，潛艇平臺的區(qū)域電磁環(huán)境特點可以總結(jié)如下：

1）潛艇艦面區(qū)域：各種射頻天線集中布置，造成該區(qū)域的電磁環(huán)境以電場輻射環(huán)境為主，需重點關(guān)注天線間的相互作用和人員的射頻安全。

2）艙內(nèi)潛在干擾源布置區(qū)域：各種大功率電力電子變換設(shè)備集中布置，造成該區(qū)域的傳導(dǎo)型和輻射型電磁環(huán)境均異常惡劣，需重點關(guān)注該區(qū)域設(shè)備系統(tǒng)的自兼容性以及產(chǎn)生的干擾通過電纜傳導(dǎo)耦合和地電流傳導(dǎo)耦合方式對其他區(qū)域設(shè)備的影響。

3）艙內(nèi)敏感設(shè)備布置區(qū)域：各種敏感電子設(shè)備集中布置，電磁環(huán)境較好，需重點關(guān)注該區(qū)域設(shè)備系統(tǒng)的自兼容性以及外部產(chǎn)生的干擾通過電纜傳導(dǎo)耦合和地電流傳導(dǎo)耦合方式對該區(qū)域設(shè)備的影響。

4）艙內(nèi)人員居住區(qū)域：人員集中居住，電子電氣設(shè)備較少，電磁環(huán)境較好。

2.2 潛艇分艙分區(qū)域電磁兼容控制方法

2.2.1 分區(qū)域控制方法的依據(jù)和考核限值

GJB 151A電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：為了避免電磁兼容性欠設(shè)計和過設(shè)計，對于在特定系統(tǒng)或平臺內(nèi)使用的設(shè)備或系統(tǒng)，當(dāng)具體電磁環(huán)境和工程分析表明本標(biāo)準(zhǔn)的要求不完全適用時，可對標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行剪裁，加嚴(yán)或者放寬要求，以滿足整個系統(tǒng)的性能，提高效費比，降低成本[7]。

潛艇平臺各個系統(tǒng)的電磁特性各具特色，各區(qū)域的電磁環(huán)境具有很大的差異，區(qū)域電磁環(huán)境實測數(shù)據(jù)對于特定區(qū)域或系統(tǒng)（特別是同類型的系統(tǒng)和相似的區(qū)域）給出了選用和裁剪EMC標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)依據(jù)。

潛艇的工程設(shè)計遵循“母型法”[9]，潛艇區(qū)域級總體電磁兼容性設(shè)計的主要依據(jù)為母型艇成功范例的各區(qū)域的電磁環(huán)境實測值。因此，潛艇區(qū)域級電磁兼容設(shè)計和控制的思路可以總結(jié)為以相應(yīng)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合母型艇各特定區(qū)域的實測數(shù)據(jù)，綜合分析提出各區(qū)域電磁環(huán)境的設(shè)計值以及對應(yīng)區(qū)域各設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容控制項目和控制限值。

綜上，區(qū)域／艙室設(shè)備和分系統(tǒng)的考核限值應(yīng)在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合母型艇成功范例的實測值進(jìn)行剪裁，并最終確定。

2.2.2 分區(qū)域控制方法的框架結(jié)構(gòu)

設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容性測試標(biāo)準(zhǔn)最早由美軍于1964年以美軍標(biāo) MIL－STD－826[10]提出，該標(biāo)準(zhǔn)是美軍各軍種通用的設(shè)備電磁兼容性測試標(biāo)準(zhǔn)，其基本框架一直沿用至今。它將設(shè)備電磁兼容性測試分為四類：傳導(dǎo)發(fā)射（Conducted Emission，簡寫為 CE）；輻射發(fā)射（Radiated E－mission，簡寫為 RE）；傳導(dǎo)敏感度（Conducted Susceptibility，簡寫為CS）；輻射敏感度（Radiated Susceptibility，簡寫為RS）。這四類測試項目的結(jié)果可以完整的表征設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容性。我國軍標(biāo)參照了MIL－STD－826，對設(shè)備的電磁兼容性要求和測試分為CE、RE、CS、RS四類[7～8]。

根據(jù)相關(guān)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合潛艇平臺的區(qū)域電磁環(huán)境特點，下面提出了分艙分區(qū)域的總體電磁兼容設(shè)計和控制方法，其基本框架如圖3所示。

圖3 潛艇平臺分艙分區(qū)域電磁兼容設(shè)計框圖

潛艇分艙分區(qū)域總體電磁兼容設(shè)計與控制方法：

1）艦面區(qū)域電磁兼容性設(shè)計與控制

（1）控制艦面區(qū)域人員活動區(qū)的射頻場強，必須低于開放區(qū)域射頻輻射考核限值。

（2）艦面區(qū)域“天線集合”設(shè)計，通過合理的布局，確保天線的耦合度符合要求，天線方向圖畸變控制在允許的范圍內(nèi)，避免接收機的功率倒灌和阻塞干擾。

2）艙內(nèi)區(qū)域電磁兼容性設(shè)計與控制

（1）人員居住區(qū)域／艙室電磁兼容控制：控制艙室內(nèi)射頻場強低于艙室內(nèi)部射頻場強考核限值，滿足人員射頻場安全要求。

（2）艙內(nèi)潛在干擾源布置艙室／區(qū)域電磁兼容控制：

·控制艙室／區(qū)域內(nèi)設(shè)備和分系統(tǒng)的CS、RS考核項目，須滿足考核限值。

·控制艙室／區(qū)域內(nèi)設(shè)備和分系統(tǒng)的CE項目、地電流發(fā)射項目，應(yīng)滿足考核限值。

·艙室／區(qū)域內(nèi)設(shè)備和分系統(tǒng)的RE項目不做嚴(yán)格控制，但艙室／區(qū)域內(nèi)射頻場強要求應(yīng)滿足艙室內(nèi)部射頻場強考核限值。

（3）艙內(nèi)潛在敏感設(shè)備布置艙室／區(qū)域電磁兼容控制：

·控制艙室／區(qū)域內(nèi)設(shè)備和分系統(tǒng)的CS、RS和地線注入項目，須滿足考核限值。

·控制艙室／區(qū)域內(nèi)設(shè)備和分系統(tǒng)的CE項目，應(yīng)滿足考核限值。

·艙室／區(qū)域內(nèi)設(shè)備和分系統(tǒng)的RE項目不做嚴(yán)格控制，艙室／區(qū)域內(nèi)射頻場強要求滿足艙室內(nèi)部射頻場強考核限值。

3 結(jié)語

基于區(qū)域控制的潛艇總體電磁兼容設(shè)計與控制方法，是對標(biāo)準(zhǔn)控制法在潛艇平臺上應(yīng)用的補充。該方法針對潛艇不同艙室／區(qū)域的電磁環(huán)境特點，采用分艙分區(qū)域控制策略，對潛艇總體電磁兼容性實施更精確的設(shè)計和控制，目的是克服單純采用標(biāo)準(zhǔn)控制法可能引起的電磁兼容性欠設(shè)計和過設(shè)計，降低總體電磁兼容性設(shè)計風(fēng)險，提高工程的效費比。

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[2]Tim Williams，Keith Armstrong.EMC for Systems and Installations[M].Newenes，2000.

[3]周玉蘭，牟安成.海軍艦船電磁兼容性技術(shù)[M].北京：海潮出版社，1999.

[4]候東云，孟凡民.艦船系統(tǒng)級電磁兼容性要求[J].艦船電子工程，2004（5）：93－94.

[5]王海生，劉洪生.潛艇電磁兼容控制[J].安全與電磁兼容，2005（2）：93－94.

[6]路宏敏，余志勇，等.工程電磁兼容[M].第2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[7]GJB 151A－97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》，1997.

[8]GJB 152A－97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》，1997.

[9]馬運義，許健.現(xiàn)代潛艇設(shè)計原理與技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2012.

[10]MIL－STD－826《Electromagnetic interference test requirements and test methods》，1964.