鄢振麟，許建軍，肖開奇

(電子信息控制重點實驗室,四川成都　610036)

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高功率微波車輛迫停的效應機理分析

鄢振麟，許建軍，肖開奇

(電子信息控制重點實驗室,四川成都610036)

通過分析車輛電子控制單元輸出的點火開關和燃油噴射信號波形在高功率微波輻射條件下的演變過程,闡明了高功率微波致使車輛發(fā)動機熄火的原因。研究結(jié)果表明,電子控制單元受到微波輻射擾亂后,點火開關信號發(fā)生意外丟失,燃油噴射信號脈沖重復周期迅速縮短,造成發(fā)動機氣缸內(nèi)噴入過量燃油,火花塞無法點燃油氣混合物,迫使發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降甚至熄火。通過分析車輛發(fā)動機的點火系統(tǒng)工作原理,提出了根據(jù)監(jiān)測車體輻射電磁信號獲取車輛易受攻擊的敏感頻段的試驗思路。

高功率微波;車輛迫停;電子控制單元(ECU);電磁脈沖;電磁輻射

高功率微波技術經(jīng)過40余年的發(fā)展,在微波攻擊武器、高功率雷達、功率輸送、等離子體加熱和高能粒子束加速等領域有著廣泛的應用前景[1]。近年來,高功率微波技術開始應用于重要場所安全保衛(wèi)和警用安防等領域。基于高功率微波技術研制的車輛迫停系統(tǒng)可應用于要害部位防止沖擊哨卡、隨行車隊保護和追緝嫌疑人員車輛等多種場合,具有快速部署、攻擊隱蔽、無附帶性損傷和多目標攻擊等特點,將成為未來公共安全裝備發(fā)展的重要力量。

目前高功率微波車輛迫停系統(tǒng)主要有兩種體制,分別是寬帶和窄帶體制。寬帶車輛迫停系統(tǒng)的基本原理是通過脈沖壓縮產(chǎn)生超高壓脈沖并作用于高氣壓氣體開關。超高壓電脈沖擊穿氣體開關后,產(chǎn)生射頻脈沖并通過天線輻射,形成ns級高功率電磁脈沖。典型的寬帶體制代表產(chǎn)品如圖1(a)和(b)所示[2]。圖1(a)為美國Eureka公司的微波迫停系統(tǒng),該系統(tǒng)的輸出頻率為350MHz～1350MHz,Marx發(fā)生器輸出電壓為640kV,脈沖重復頻率為100Hz,單個脈沖能量達130J。圖1(b)為德國DIEHL公司車輛迫停產(chǎn)品,系統(tǒng)輸出峰值功率為4GW,脈沖重復頻率為60Hz,中心頻率為350MHz,3dB帶寬為50MHz,最大輻射脈沖串持續(xù)時間為180s,針對具備電子引擎控制的75%的車輛的迫停距離為3m～15m。窄帶高功率微波車輛迫停系統(tǒng)研制單位主要有美國陸軍實驗室(ARL)和英國e2v公司。圖1(c)為美國陸軍實驗室研制的用于公路執(zhí)法車上機動使用的車輛迫停系統(tǒng),據(jù)報道該系統(tǒng)采用了峰值功率為2MW的微波功率源,輻射天線增益為13dB,等效輻射功率約為40MW[3]。圖2(d)為英國e2v公司最近研制的RF Safe-Stop System工程樣機,未披露具體參數(shù)信息。國內(nèi)研制車輛迫停系統(tǒng)的單位主要有中國工程物理研究院和中國電科29所,其中中國工程物理研究院研制的寬譜電磁脈沖試驗系統(tǒng)的參數(shù)[4-6]為:Marx發(fā)生器輸出電壓達500kV,脈沖重復頻率為20Hz,輻射因子為195kV,中心頻率為200MHz,頻譜寬度為37%。

圖1　國外代表性的車輛迫停系統(tǒng)[2-3]

關于車輛迫停領域的文獻報道主要集中于系統(tǒng)的主要性能及參數(shù),而針對作用對象(即車輛)的研究報道并不多見[7-8]。本文旨在分析高功率微波對車輛擾亂的效應機理,通過測定車載電子控制單元(ECU)輸出信號,闡明了高功率微波攻擊車輛致其熄火的原因。通過分析車輛發(fā)動機的點火系統(tǒng)工作原理,同步監(jiān)測車體輻射電磁信號,獲取車輛易受攻擊的敏感頻段的重要數(shù)據(jù),有利支撐車輛迫停系統(tǒng)的研制工作。

1　高功率微波輻射對ECU的擾亂效應

高功率微波一般通過“前門”和“后門”耦合到電子系統(tǒng),當耦合信號強度超過一定閾值后可造成電子系統(tǒng)的擾亂或損傷。高功率微波輻射導致車輛發(fā)動機熄火效應屬于“后門”耦合方式,即通過汽車引擎蓋下方的散熱孔縫耦合上脈沖電場并作用于連接ECU的連接電纜使其感應脈沖電壓,當感應的脈沖電壓超過擾亂閾值后將造成ECU輸出控制信號嚴重紊亂,從而導致發(fā)動機熄火。圖2給出了微波輻射對車輛電子系統(tǒng)(主要是ECU)擾亂的主要過程,其中ECU輸出的燃油噴射信號和點火信號的紊亂是致使發(fā)動機熄火的直接原因。

圖2　微波輻射致使發(fā)動機熄火的攻擊過程

車輛迫停系統(tǒng)攻擊的主要對象為車載ECU,因此有必要研究ECU的主要構(gòu)成。圖3為車載ECU的功能簡要框圖,傳感器部分主要包括凸輪軸位置傳感器、空氣流量傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、車速傳感器、進氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器和氧傳感器,這些傳感器采集的相關數(shù)據(jù)提供給ECU決策并使執(zhí)行器進行相關動作。需要說明的是,圖3僅給出本文工作涉及的ECU功能,因此執(zhí)行器部分只描述了點火開關信號和燃油噴射信號。

圖3　車載ECU功能簡要框圖

采用高速數(shù)字示波器順序觸發(fā)模式下獲取了某型車輛ECU輸出的40個燃油噴射信號脈沖重復周期數(shù)據(jù),如圖4所示。從圖4中可以看出,發(fā)動機在正常怠速情況下,燃油噴射信號的脈沖重復周期PRI約為140ms～150ms。而當車輛受到高功率微波脈沖攻擊后,脈沖重復周期劇烈下降并發(fā)生無規(guī)律波動,數(shù)據(jù)變化范圍為6ms～44ms。這說明車輛受到微波攻擊后,ECU輸出的燃油噴射信號數(shù)量大幅增加,造成了發(fā)動機氣缸內(nèi)空燃比遠遠達不到正常水平,氣缸內(nèi)油氣混合物中燃油含量過高,燃燒不充分,車輛尾部排出大量黑煙。

圖4　ECU輸出燃油噴射信號脈沖重復周期的變化

試驗同時監(jiān)測了ECU在高功率微波攻擊前后輸出的點火開關信號,其中橫坐標為50ms/格,縱坐標為5V/格,結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為車輛正常怠速情況下ECU輸出的點火開關信號,脈沖重復周期約40ms。受微波攻擊后,點火開關信號發(fā)生意外丟失的現(xiàn)象,如圖5(b)中虛線框和橢圓形指示位置所示。結(jié)合圖4中數(shù)據(jù)可以推斷,ECU受微波攻擊后,單位時間內(nèi)輸出的燃油噴射信號數(shù)量大幅增加,而同時點火開關信號數(shù)量無規(guī)律減少,氣缸內(nèi)燃油噴射過量。而當氣缸內(nèi)燃油含量超過一定值后,火花塞無法點燃油氣混合物,造成發(fā)動機被迫熄火。

圖5　ECU輸出的點火開關信號的變化(a)正常怠速;(b)受微波攻擊后

圖6給出ECU中凸輪軸位置傳感器信號的示波器截圖波形,橫坐標為0.5ms/格,縱坐標為5V/格,脈沖幅值為3.9V,脈沖重復周期約0.4ms。本文受試車輛凸輪軸位置傳感器屬于霍爾效應傳感器,它通過采集曲軸轉(zhuǎn)動角度測算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并傳輸至ECU,以便ECU確定點火時刻和噴油時刻。脈沖重復周期的大小反映了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的高低。當車輛受到高功率微波攻擊后,凸輪軸位置信號的脈沖重復周期迅速增大,同時脈沖幅值未發(fā)現(xiàn)顯著變化,發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速下降并難以維持穩(wěn)定,車載儀表盤發(fā)動機轉(zhuǎn)速指針在低速位置附近的劇烈抖動。當受試車輛發(fā)動機被高功率微波輻射攻擊至熄火后,凸輪軸位置傳感器信號消失。

圖6　ECU的凸輪軸位置傳感器信號

2　車輛敏感頻段測試

汽油發(fā)動機在正常工作時,通過火花塞周期性的擊穿產(chǎn)生電火花從而點燃氣缸內(nèi)的油氣混合物。發(fā)動機點火系統(tǒng)主要由蓄電池、點火開關、分電器、點火線圈、高壓阻尼線和火花塞組成,其等效電路如圖7所示[9]。次級線圈產(chǎn)生的高壓擊穿火花塞后,次級電路中的電容迅速放電。由于放電時間較短和電流較大,放電過程形成的干擾電流通過點火線圈傳導至高壓阻尼線和控制線等線束,形成寬頻帶的強烈電磁輻射,這是車輛電磁兼容設計中的難題[10-12]。本文試驗利用監(jiān)測車輛自身輻射的電磁信號來評估微波攻擊造成的點火系統(tǒng)工作狀態(tài)變化,從而獲取車輛的易受攻擊的敏感頻段數(shù)據(jù)。

圖7　點火系統(tǒng)的等效電路[9]

為了精確接收車輛的輻射信號,排除環(huán)境的雜亂頻譜信號的干擾,試驗在微波暗室中進行,測試原理框圖如圖8所示。車輛輻射的信號由ETS 公司93146型標準對數(shù)周期天線接收,經(jīng)3dB功分器后分別輸入Rohde&Schwarz 公司RTO1044型數(shù)字示波器和安捷倫公司E4408B型頻譜儀。

圖8車輛電磁輻射信號測試框圖

試驗選取了某型車作為效應對象,在正常怠速情況下輻射信號的時域波形如圖9(a)所示,波形峰峰值約90mV,脈沖寬度約25ns。對應的頻譜如圖9(b)所示,可以看出低端頻率主要集中于60MHz左右,高端頻率主峰為753MHz左右。

圖9　車輛電磁輻射信號的時域波形(a)和頻譜(b)

為了定量測試車輛的敏感頻段,試驗框圖如圖10所示。試驗儀器主要包括Rohde&Schwarz信號源、Amplifier Research射頻功率放大器和標準天線。通過改變輻射信號的輸出頻率(其中本次試驗頻率范圍為300MHz～4GHz,信號源設置為慢速掃頻模式)測試車輛自身輻射信號的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明,當車輛受到某些敏感頻段(主要位于L和S波段)的信號攻擊時,由于敏感頻段的干擾信號作用于車輛孔縫和線束的耦合效率較高,導致ECU輸出的點火信號受到嚴重干擾。車輛輻射信號的波形峰值發(fā)生大幅減小,輻射信號的頻譜分布未發(fā)現(xiàn)顯著改變,儀表盤指示的發(fā)動機轉(zhuǎn)速指針抖動并下降。當敏感頻段的干擾信號持續(xù)攻擊3s以上,發(fā)動機被迫熄火。

圖10效應試驗框圖

3　結(jié)束語

在高功率微波輻射條件下,車輛電子控制單元輸出的點火開關信號和燃油噴射信號波形發(fā)生顯著改變,點火開關信號發(fā)生意外丟失,燃油噴射信號脈沖重

復周期迅速縮短,直接導致發(fā)動機氣缸內(nèi)混入過量燃油,火花塞無法使油氣混合物成功點燃,迫停發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降甚至熄火。本文通過分析了車輛發(fā)動機點火系統(tǒng)的工作原理,提出采用實時監(jiān)測車體輻射電磁信號的試驗方法,可獲取車輛易受攻擊的敏感頻段數(shù)據(jù)。深入理解微波輻射擾亂車輛電子系統(tǒng)的效能過程及試驗測定車輛的敏感頻段對于工程研制車輛迫停系統(tǒng)具有重要參考價值。后續(xù)需要針對多種典型車輛的敏感頻段數(shù)據(jù)進行試驗測定、分析和梳理,形成效應對象數(shù)據(jù)庫,為研制車輛迫停系統(tǒng)的頻段選擇方面提供重要試驗數(shù)據(jù)支撐。

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Mechanism Analysis of High Power Microwave for Stopping Vehicles

YAN Zhen-lin, XU Jian-jun, XIAO Kai-qi

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036, China)

Mechanism of engine forced stall by high power microwave radiation is clarified by analyzing the evolutionary process of fuel injector and ignition signal outputted by electronic control unit. Experimental results suggest that accidental loss of ignition signals occurs under the condition of microwave radiation disruption. The pulse repetition interval of fuel injector signals also rapidly decreases. Because excess gasoline is ejected into engine cylinder, mixture of gasoline and air cannot be ignited by spark plug, and the engine speed is forced slowdown until completely stop. The principle of ignition system of engine is analyzed. Measured method of frequency susceptibility for vehicle engine is proposed by monitoring the emitted electromagnetic signal of the engine.

high power microwave; system of stopping vehicles; electronic control unit; electromagnetic pulse; electromagnetic radiation

1673-3819(2016)04-0134-04

2016-06-11

2016-07-01

鄢振麟(1984-),男,江西南豐人，博士,工程師,研究方向為高功率微波。

許建軍(1974-),男,博士,高級工程師。

TN12；U467.5

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.027

肖開奇(1962-),男,博士,研究員。