張 勇，金祖升，陳 銳，李建軒

(1.海軍研究院，北京 100161；2.上海交通大學(xué)，上海 200030)

0 引 言

隨著信息技術(shù)和艦船裝備的不斷發(fā)展，艦船上裝備了大量信息系統(tǒng)和作戰(zhàn)武器。平臺上發(fā)射機(jī)發(fā)射功率高，電磁功率密度大，接收機(jī)靈敏度高，設(shè)備工作頻率密集且相互交叉，時域重疊，空間隔離度有限，導(dǎo)致艦船電磁兼容問題十分復(fù)雜和突出，其電磁干擾和電磁輻射危害會使艦船不能完成其戰(zhàn)斗使命。美海軍航母Forrestal號由于電磁兼容性問題，曾有過機(jī)毀人亡的慘痛教訓(xùn)。電磁兼容性已成為艦船的一項關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接影響其戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。

電磁兼容性指標(biāo)是開展艦船裝備電磁兼容性工作的基本依據(jù)，通過制定艦船電磁兼容性指標(biāo)量化電磁兼容性要求，明確艦船電磁兼容性工作任務(wù)，將艦船研制和使用電磁兼容性工作指標(biāo)化，是實現(xiàn)艦船電磁兼容性的基礎(chǔ)，同時對保證艦船電磁兼容性工作順利進(jìn)行、提高艦船整體兼容性、充分發(fā)揮艦船作戰(zhàn)性能具有重要意義。

“指標(biāo)體系”是指標(biāo)的集合，是艦船電磁兼容范圍內(nèi)的指標(biāo)按其內(nèi)在聯(lián)系形成的科學(xué)的有機(jī)整體。艦船電磁兼容性指標(biāo)體系是根據(jù)艦船電磁兼容的特點和要求，按性質(zhì)功能、內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行分類、分級，構(gòu)成一個相互制約、相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)的有機(jī)整體。建立電磁兼容性指標(biāo)體系，是對艦船電磁兼容工作進(jìn)行頂層規(guī)劃、量化要求，使電磁兼容性工作在指標(biāo)體系下協(xié)調(diào)一致，發(fā)揮系統(tǒng)效益。

1 國內(nèi)外指標(biāo)分析

通過對國外電磁兼容資料分析，美軍在電磁兼容技術(shù)和能力方面處于領(lǐng)先地位，在艦船的發(fā)展過程中，美軍十分重視發(fā)揮電磁兼容性指標(biāo)的作用，指標(biāo)在美國艦船采辦過程中是基本依據(jù)，具有十分關(guān)鍵作用。從20世紀(jì)40年代開始美軍陸續(xù)頒布了系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、指令指示等電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)要求。其中美軍《艦船通用規(guī)范》中明確規(guī)定了天線間電磁干擾、設(shè)備電磁發(fā)射和敏感度、電磁環(huán)境危害等電磁兼容性指標(biāo)。MIL-STD-464C提出了包括系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性、外部電磁環(huán)境、雷電、電磁脈沖和電磁輻射危害等15類的系統(tǒng)級電磁兼容性要求。MIL-STD-461F提出了設(shè)備及分系統(tǒng)電磁干擾和電磁敏感度指標(biāo)和要求。

通過綜合分析，美軍艦船電磁兼容性指標(biāo)從要素上講，包括搭接及接地、電磁發(fā)射及敏感度、電磁脈沖、外部電磁環(huán)境危害等指標(biāo)；從裝備工程階段講，包括艦船工程論證、建造、驗收和使用的全壽命期。

我軍目前已制定了艦船設(shè)備、分系統(tǒng)和總體相關(guān)電磁兼容性指標(biāo)，設(shè)備級以GJB151系列標(biāo)準(zhǔn)為主，分系統(tǒng)和系統(tǒng)以GJB1389A標(biāo)準(zhǔn)為主，艦船電磁兼容性指標(biāo)是結(jié)合我國艦船電磁兼容性工作大量的實踐經(jīng)驗，并借鑒國外特別是美軍艦船相關(guān)電磁兼容指標(biāo)制定的，隨著艦船的不斷發(fā)展，這些指標(biāo)雖然在滿足設(shè)備和分系統(tǒng)層面比較成熟，但要滿足系統(tǒng)級以及多平臺使用需求等還需進(jìn)一步研究發(fā)展。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建方法

艦船電磁兼容性指標(biāo)體系構(gòu)建，需結(jié)合艦船工程需求和技術(shù)發(fā)展的實際，如何構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)優(yōu)化、層次清晰、科學(xué)合理的電磁兼容性指標(biāo)體系是需要解決的難點和關(guān)鍵問題。

通過系統(tǒng)分析艦船電磁兼容性需求，從全系統(tǒng)全壽命期通盤考慮體系建設(shè)的框架、結(jié)構(gòu)和指標(biāo)要素問題，艦船電磁兼容性指標(biāo)體系構(gòu)建總體方法流程如圖1所示。緊緊圍繞艦船使命任務(wù)和使用需求，結(jié)合艦船論證、設(shè)計、建造和使用等各階段工作要求，自頂向下，分層分類對需求進(jìn)行分解，將使用需求轉(zhuǎn)換成電磁兼容基本要素，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，擬定初步的指標(biāo)體系內(nèi)容范圍。開展指標(biāo)內(nèi)容和要素量化和深入分析，利用歸納比較、逐層遞進(jìn)等方法，按照從發(fā)射源、耦合途徑到敏感受體形成影響效應(yīng)的電磁兼容原理出發(fā)，提出基本要素對應(yīng)的電磁兼容性指標(biāo)。采用基于要素、平臺、壽命期等條件約束的分析方法，確定指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)要素和權(quán)重，完成指標(biāo)體系構(gòu)建。

圖1 指標(biāo)體系構(gòu)建方法總體流程Fig.1 Overall process of Index system construction method

2.1 需求轉(zhuǎn)化

艦船的使用需求是構(gòu)建艦船電磁兼容性指標(biāo)體系的源頭，建立電磁兼容性指標(biāo)體系的關(guān)鍵是將需求即使用要求轉(zhuǎn)化為電磁兼容量化指標(biāo)，形成艦船裝備研制的電磁兼容目標(biāo)。

使用需求向電磁兼容性指標(biāo)轉(zhuǎn)化模型由4層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)組成，包括：需求層（X）、功能層（G）、技術(shù)層（J）和要素層（Y），如圖2所示。需求層（X）表示艦船的使用需求，如用探測作用距離NX1表示實際探測使用的需要。功能層（G）表示實現(xiàn)艦船使用需求的具體系統(tǒng)配置和功能，如通過加裝大功率發(fā)射系統(tǒng)來實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離探測作用。技術(shù)層（J）表示實現(xiàn)所需功能的技術(shù)與配置，如通過合成功率及電子掃描發(fā)射和接收技術(shù)與配置實現(xiàn)系統(tǒng)大功率發(fā)射功能。要素層（Y）表示建立指標(biāo)項的具體內(nèi)容和要素，如有哪些類型指標(biāo)要素、多少類型。

圖2 需求轉(zhuǎn)化模型Fig.2 Demand transformation model

在需求層，根據(jù)艦船的使用和任務(wù)定義需求層，用參數(shù)NXi（i=1，2，…，I），如NX1為作用距離，NX2為頻率可用度等的集合表示，任一個NXi構(gòu)成需求層（X）上的一個結(jié)點，每個層面上的多個結(jié)點構(gòu)成了一個基本域AX。通過涉及要素間的關(guān)聯(lián)和響應(yīng)分析，將需求層映射到功能層，即可得到所構(gòu)建體系為滿足使用需求而應(yīng)具有的功能，以此可得第2層參量，稱為功能域，它構(gòu)成參數(shù)NGj（j=1，2，…，J）的集合。將功能層映射到技術(shù)層，即可得到為實現(xiàn)基本功能而需要的技術(shù)性能，以此可得技術(shù)性能解，它構(gòu)成參數(shù)NJl（l=1，2，…，L）的集合。各層次的解是層次對層次內(nèi)各域間的協(xié)調(diào)和協(xié)同結(jié)果。

例如：為實現(xiàn)海上遠(yuǎn)距離搜索，通常要加大發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，搜索距離由于發(fā)射功率的增大而變遠(yuǎn)，但同時強(qiáng)輻射會在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高場強(qiáng)，影響電子敏感設(shè)備，此時必須做到功能需求和兼容性性能的相互約束和協(xié)調(diào)。以探測為例，探測能力是重要的使用需求，為了實現(xiàn)在探測距離上的作戰(zhàn)效能，需求層提出探測最大距離需求，功能層采用大功率發(fā)射系統(tǒng)大功率發(fā)射和作用空域?qū)崿F(xiàn)，技術(shù)層提出電磁發(fā)射、電磁接收和電磁安全性等要求，要素層對應(yīng)要求提出發(fā)射、接收、電磁安全性及效應(yīng)和防護(hù)等要素，如圖3所示。

圖3 需求向指標(biāo)轉(zhuǎn)化圖Fig.3 Transformation from demand to indicator

2.2 指標(biāo)要素提取及確立

2.2.1 指標(biāo)要素提取

艦船使命任務(wù)的開展，主要通過探測、對抗、通信和武器等性能的發(fā)揮，由使用任務(wù)向技術(shù)能力要求轉(zhuǎn)化，再由技術(shù)能力向電磁兼容性能指標(biāo)分層分解，提出電磁兼容性指標(biāo)要素，如圖4所示。

2.2.2 指標(biāo)要素類型

根據(jù)基于需求的體系要素轉(zhuǎn)化模型，結(jié)合裝備電磁兼容性指標(biāo)要素和使用，確定裝備電磁兼容性指標(biāo)涵蓋類型。

1）在艦船有限的平臺空間內(nèi)綜合集成了大量無線電收發(fā)系統(tǒng)，同頻段干擾、強(qiáng)信號互擾等電磁兼容性問題難以避免，導(dǎo)致設(shè)備不能同時工作或是設(shè)備之間存在著不同程度的電磁干擾，電磁干擾控制是艦船平臺需解決的關(guān)鍵問題之一，需對艦船的研制提出電磁干擾控制指標(biāo)，主要包括：傳導(dǎo)電磁發(fā)射、輻射電磁發(fā)射、搭接和接地、天線隔離度、相互干擾等。

2）艦船上有大量大功率發(fā)射裝置和系統(tǒng)，如雷達(dá)、通信發(fā)射機(jī)等。這些大功率發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射時會產(chǎn)生很高的電磁環(huán)境場強(qiáng)，對人員、武器和燃油將造成嚴(yán)重的電磁輻射危害隱患。因此在艦船研制中，電磁輻射危害是電磁兼容一個重要指標(biāo)，主要包括：電磁輻射對人員、電磁輻射對武器彈藥和電磁輻射對燃油等指標(biāo)要求。

3）艦船面臨的外部電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，不同程度的電磁環(huán)境，將導(dǎo)致武器艦船降低效能，甚至喪失戰(zhàn)斗力。此外，除了己方無意電磁環(huán)境對艦船系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定的影響外，在實際作戰(zhàn)中，系統(tǒng)還會受到敵方武器，如強(qiáng)電磁脈沖武器的打擊，因此應(yīng)該具有抗強(qiáng)射頻和強(qiáng)電磁脈沖毀傷能力。主要包括電磁脈沖等要求。

4）對于艦船多平臺，界面電磁兼容性接口適配十分重要。要達(dá)到艦船總體電磁兼容性，實現(xiàn)電磁兼容性界面接口指標(biāo)適配十分關(guān)鍵，為使平臺間實現(xiàn)電磁兼容，需要界面接口指標(biāo)來使得二者在界面上要求的協(xié)調(diào)一致。主要包括界面接口電磁環(huán)境、頻譜間隔等。

圖4 電磁兼容性指標(biāo)要素轉(zhuǎn)化圖Fig.4 Transformation diagram of EMC index elements

2.3 結(jié)構(gòu)層次分析

2.3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

艦船電磁兼容性指標(biāo)體系中的層次是確定體系縱向排列的等級順序，建立層次結(jié)構(gòu)是找到并確定指標(biāo)之間的隸屬、控制和支撐的關(guān)系。電磁兼容性指標(biāo)體系中的層次是同一層次元素作為準(zhǔn)則對上或?qū)ο乱粚哟蔚脑仄鹬渥饔茫瑫r它又受上層次元素的支配。

建立艦船電磁兼容指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)時，通過分析，明確艦船電磁兼容性需求及主要的關(guān)鍵問題包括：系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)避免產(chǎn)生電磁干擾，系統(tǒng)間能夠兼容工作；避免對武器等產(chǎn)生電磁輻射危害；能夠適應(yīng)外部自然和人為的電磁環(huán)境，不能降低設(shè)備和武器性能；艦機(jī)之間能夠適配，兼容工作。分層次地分析影響艦船電磁兼容要求的因素，結(jié)合以電磁兼容性要素為基礎(chǔ)，突出艦船電磁兼容性特點的體系建立原則，艦船電磁兼容性指標(biāo)體系第1層次，以電磁兼容性要素為分類依據(jù)，按照下層因素服從上層因素，抓住主要因素的原則下把要素按屬性不同分成若干組，以電磁干擾、電磁輻射危害等電磁兼容要素為主體，兼顧管理和基礎(chǔ)指標(biāo)，形成第1層次，對艦船電磁兼容性指標(biāo)提供支撐建立層次結(jié)構(gòu)。

2.3.2 進(jìn)行判斷，建立并列關(guān)系

艦船電磁兼容性指標(biāo)體系中的并列是指標(biāo)橫向排列的相互關(guān)系，在建立層次結(jié)構(gòu)以后，上下層之間元素的隸屬關(guān)系即確定。但是下層各要素對上層的相對重要性不完全相同。通過分析計算、比較判斷，對同一層組成元素對上一層元素重要性給出定量判斷，得到指標(biāo)元素的權(quán)重，通過排列表示出同一層次內(nèi)指標(biāo)的存在方式和秩序。通過并列方式，列出各類要素所需指標(biāo)及某類系統(tǒng)的各類指標(biāo)，使指標(biāo)體系滿足各類裝備、各個階段、各項工作、各個方面的要求。

3 指標(biāo)體系建立

通過對國內(nèi)外艦船電磁兼容指標(biāo)和艦船電磁兼容性要求分析，結(jié)合艦船電磁兼容工程實踐，運用指標(biāo)體系構(gòu)建方法，確定艦船電磁兼容指標(biāo)要素和體系結(jié)構(gòu)層次，構(gòu)建了包括設(shè)備和分系統(tǒng)電磁兼性、系統(tǒng)電磁兼容性和界面接口電磁兼容性3大類17項的艦船電磁兼容性指標(biāo)體系，如圖5所示。

4 結(jié) 語

電磁兼容性是艦船在復(fù)雜電磁環(huán)境下是否具有生存力和戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵性能，為滿足艦船研制和作戰(zhàn)使用的需要，系統(tǒng)地提出為滿足艦船使用的電磁兼容性指標(biāo)，用電磁兼容性指標(biāo)來衡量、評估艦船是否滿足電磁兼容性要求。在研究國外艦船電磁兼容性相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，吸取國內(nèi)艦船電磁兼容技術(shù)研究成果及型號工程研制的經(jīng)驗，針對我國艦船電磁兼容的特點，提出了艦船電磁兼容性指標(biāo)體系構(gòu)建方法，并應(yīng)用于艦船電磁兼容性指標(biāo)體系構(gòu)建，建立了包括設(shè)備和分系統(tǒng)電磁兼容性、系統(tǒng)電磁兼容性、界面接口電磁兼容性3大類型的艦船電磁兼容性指標(biāo)體系，為艦船電磁兼容性控制和作戰(zhàn)性能的發(fā)揮提供技術(shù)支撐。

圖5 艦船電磁兼容性指標(biāo)體系Fig.5 The Indexes system of ship electromagnetic compatibility