徐亞光 毛建舟

（海軍大連艦艇學院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

電 磁 兼 容 性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)［1]。

它包括兩層含義：一是設備、系統(tǒng)在預定的電磁環(huán)境中運行時，可按規(guī)定的安全裕度實現設計的工作性能，且不因電磁干擾而受損或產生不可接受的降級；二是設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境（或其他設備）帶來不可接受的電磁干擾［2]。

艦船電磁兼容就是指運用合理的措施使艦船上的設備、電引爆武器、燃油、人體等在所處的電磁環(huán)境中不引起電磁危害和避免系統(tǒng)、設備出現不允許的性能降低的最優(yōu)狀況。

隨著信息化武器裝備的快速發(fā)展，武器裝備的電磁兼容問題越來越引起人們的關注。海軍是信息化武器高度密集的軍種，尤其艦艇是承載大量信息化武器裝備的海上作戰(zhàn)平臺，對電磁頻譜依賴性大，電磁兼容問題更為突出。若不能很好解決這一問題，將制約海軍戰(zhàn)斗力的發(fā)展。美、俄等國是海軍大國，擁有數量眾多的海軍艦艇，他們非常重視艦船電磁環(huán)境的研究和控制，研究外軍電磁兼容技術現狀和發(fā)展趨勢對我海軍水面艦艇電磁兼容研究具有借鑒和啟示意義［3]。

2 外軍水面艦艇電磁兼容現狀

西方發(fā)達國家海軍非常重視電磁兼容問題，投入了大量人力、財力，建立專門機構深入開展研究，使電子設備（系統(tǒng)）對惡劣多變的電磁環(huán)境的適應能力不斷得到改善。特別是美國海軍，其電磁兼容管理水平和技術水平處于國際領先地位。

2.1 規(guī)劃管理機制健全

美國國防部組建了聯合頻譜中心（Joint Spectrum Center），以便改善電磁環(huán)境效應的整個控制，將潛在的干擾危害區(qū)劃分為5大范圍，每一范圍需根據其自身的解決辦法作一個詳細的分析。該5個范圍分別是平臺間的電磁干擾、平臺內的電磁干擾、現用商品研制設備的電磁干擾（EMI）、武器和軍械系統(tǒng)以及頻譜管理等［4]。

美國海軍建立統(tǒng)一的管理和執(zhí)行機構——特別戰(zhàn)術電磁系統(tǒng)執(zhí)行委員會，全面負責海軍艦船電磁兼容工程，對電磁兼容管理有明確的政策。美國海軍海上系統(tǒng)司令部，是美國海軍艦船技術保障工作的主要組織者和主要實施機構。在其中一個工程處，專門設置一個機構叫艦船電磁兼容改進項目組，它負責整個海軍艦船電磁兼容性技術的具體規(guī)劃管理。對艦艇干舷部的設計，美國早在20世紀80年代初就在海上系統(tǒng)司令部專門建立了一個干舷部綜合設計工程委員會（TIDEI），負責提出新艦設計和艦艇現代化改裝時干舷部的工程設計方案。海軍內部成立一個包括論證、設計、建造和驗收、維修保障、使用等部門的人員組成的海軍電磁兼容咨詢委員會。這個委員會負責討論、建議、提供所有的電磁兼容方面的技術咨詢，它同時也鑒別和檢查潛在的、實際的電磁干擾，并推薦解決的方法［5]。

美軍為保障現役艦艇電磁兼容性，采用定期對現役艦艇進行電磁兼容性復測或檢查的方法，實現了在使用過程中對艦艇電磁環(huán)境的全過程實施控制管理。第七艦隊的橫須賀基地在其修理設施的系統(tǒng)準備、檢查和鑒定業(yè)務范圍中，就專門包含電磁干擾的內容，它屬于太平洋艦隊維修中心的海軍中級維修部門。美國海軍要求每艘艦艇必須配有電磁干擾控制軍官，并規(guī)定其職責是保持艦船總體電磁兼容的完整性。

俄海軍艦艇天線林立，電磁兼容問題突出。為了有效控制艦艇電磁干擾，俄海軍在裝備設計和制造部門的幫助下，通過試驗，為主戰(zhàn)艦艇配有艦艇電磁兼容戰(zhàn)斗文書。文書對艦艇雷達工作扇面、功率、頻率等指標進行強制規(guī)定，對同型艦艇編隊的方位、距離等要求均詳細量化。文書由艦艇電子戰(zhàn)軍官保管，供艦長作戰(zhàn)、訓練時決策使用。

2.2 設計理念和方法先進

美國海軍要求電磁兼容工作從裝備研制初期開始，貫穿于壽命期的始終。明確電磁兼容工作階段劃分、工作內容和職責。這些在美國海軍指令指示及標準中得到體現（如MIL-HDBK-237）。

國外在20世紀70年代就十分重視EMC預測與分析的研究，一些發(fā)達國家的研究部門在采用物理仿真的同時，開展了EMC數學建模工作。到80年代后期，已研制開發(fā)了多種艦船電磁設計工具（或軟件），用于分析處理現代艦船總體設計中的電磁干擾問題，并建立了大型的數據庫中心，為預測分析服務。90年代，著重于電磁工程設計中計算機圖形技術、三維顯像技術和電磁計算方法研究。

綜觀電磁兼容性技術發(fā)展，大致分為以下三個階段：1）問題解決法，出現干擾問題再解決，這是在發(fā)展早期采用的方法；2）標準規(guī)范法，以標準規(guī)范中所規(guī)定的技術參數指標為最終實現的目標，這是經過一定時間實踐后所采用的主要方法；3）系統(tǒng)法，應用現代先進計算機技術，以標準規(guī)范為指導，對未來的電磁兼容性控制目標進行不斷地優(yōu)化預測設計，同時對整個設計建造過程實施控制管理，提高了效費比，這是目前最為科學的方法。［6]

美國海軍已走過了問題解決法和標準規(guī)范法階段，目前主要采用先進的系統(tǒng)設計法。美國海軍以大型的數據庫為支撐，運用數學建模，采用先進的電磁設計工具和可視化技術，實現電磁兼容仿真設計。目前國外先進的艦船電磁數字仿真系統(tǒng)由美國海軍海上系統(tǒng)司令部與洛克威爾公司聯合開發(fā)研制的艦船電磁工程設計軟件和歐洲IDS公司的“Ship EDF”艦船電磁設計平臺等。

2.3 試驗及評估手段完善

美國擁有多個用于不同試驗目的電磁兼容實驗室，可以開展從設備級、系統(tǒng)級到總體級的電磁兼容性研究和檢測，可以有效解決驗證、評估、驗收問題。

位于美國馬里蘭州的美國海軍航空兵作戰(zhàn)中心擁有超過15個電磁環(huán)境效應（E3）的試驗設施和場地，主要從事海軍和空軍的電磁環(huán)境效應研究、開發(fā)、試驗和評估工作。包括電磁環(huán)境效應工程分析、試驗計劃、傳導試驗、故障診斷、推薦切實可行的解決方法以及研究和改進試驗技術等。有了上述試驗條件，保證了美國海軍武器裝備具備抵御強電磁威脅的能力。

如美國海軍航空兵，其規(guī)模最大的電波暗室體積為55m×55m×18m，可容納波音707飛機進行整機試驗。此外，還建有技術先進的混響室。測試精度高、功率大，其測試頻率20Hz～40GHz，產生的輻射場強高達1000V/m。擁有對復雜電磁環(huán)境效應進行研究、開發(fā)測試以及評估的能力。對裝艦的設備除了進行常規(guī)的電磁兼容檢測外，還可進行強電磁脈沖、雷擊和靜電放電等考核。在設備強場考核方面，可以將設備、導彈等受試件整體“浸入”在一個寬頻段、寬區(qū)域和高場強的電磁環(huán)境中進行考核。美國國軍標MIL-STD-461D明確提出了設備或分系統(tǒng)需要在10KHz～40GHz頻段內進行電場輻射敏感度試驗的規(guī)定，即：海軍水面艦船甲板上設備（包括武備）要求承受200V/m的場強外，還要進行50kV瞬變電磁場輻射敏感度試驗。美國海軍可以在海上對艦船抗核電磁脈沖能力進行試驗和考核［7]。

3 外軍水面艦艇電磁兼容技術發(fā)展趨勢

3.1 功能集成

功能集成是將不同功能集中使用同一天線或天線陣列實現，從很大程度上減少了所須安裝天線的數量。功能集成涉及所集成設備的整合以及協調，需要總體設計部門根據艦船總體的性能指標對集成設備的功能和指標進行把握控制。

美國海軍研究局早在1995財年就著手實施先進多功能射頻概念計劃，采取共用寬帶陣列天線、信號與數據處理、信號發(fā)生和顯示硬件，實現雷達、通信和電子戰(zhàn)在內的多種RF功能一體化，擬將洛馬公司的高波段多功能接收陣列、雷聲公司的低波段多功能接收陣列、諾斯羅普。格魯曼公司高波段發(fā)射陣列和低波段接收陣列進行集成，將雷達電子戰(zhàn)和通信功能集成到一套天線中。2004年11月，美國海軍實驗室宣布，AMRFS（多功能射頻系統(tǒng)）已經成功實現在6GHz～18GHz范圍內的集成功能，并將繼續(xù)開展第二階段工作，研究如何利用寬帶隙放大器技術和數字合成技術，以進一步提高功率和效率［8]。

通過綜合射頻技術，利用分布式多功能射頻孔徑取代艦艇上大量分散的射頻傳感器，采用開放式、可重構、模塊化、共形化的射頻系統(tǒng)，結合軟件上的功能控制和資源管理，以實現艦艇上雷達、電子戰(zhàn)、通信和導航的功能綜合。功能主要由軟件定義，顯著降低了升級成本，射頻系統(tǒng)共用，降低了專用備件的數量，功能一體化減少了操作和維護人員。通過更加智能和靈活的頻率管理，加強了電子干擾和兼容性問題的控制。

3.2 空間集成

空間集成技術實際上是隔離法的一種演化發(fā)展，即使用特殊技術手段實現各設備的空間集中布置，同時保證各設備的正常工作。

空間集成技術的代表當屬集成桅桿技術。集成桅桿是將電子設備的集成天線或獨立天線封裝在具有頻率選擇復合材料制成的桅桿內。集成天線桅桿技術的原理在于應用八角形橫截面組成的結構，這種結構是由雷達波吸收材料構件制造的。天線桅桿的基本結構就是由鋼制柵格和包覆它的雷達波吸收材料構件組成。桅桿頂配置有旋轉的多功能雷達。下面是電子支援測量天線、電子干擾發(fā)射機、UHF和VHF通信天線，以及I波段和E/F波段導航雷達，所有這些都裝在傳感器的殼內。桅桿的每一段是制成標準模塊形式的，按安裝的傳感或通信設備的特點在里面進行了個別改裝。集成桅桿結構的頻選材料是由滲有導電石墨合成材料構成（頻率選擇的表面層是合成材料的一個層面）。導電層有陣列小孔，這些小孔對電磁波起到頻選、濾波的作用。因為通帶很窄，所以能對封裝在里面的天線有效地屏蔽掉除本身工作頻率外顯示高雷達反射截面的所有頻率［9]。

美國DDG1000新型驅逐艦裝備固定四面陣天線的多功能相控陣雷達，采用先進多功能射頻系統(tǒng)（AMRFS），將雷達、電子戰(zhàn)、通信等設備按照頻率相同或相近進行射頻集成，并按照頻率高低自上而下布置在上層建筑側壁上。Vosper Thornycroft公司早在1998年12月就已將完成的設備交付給英國防御評估研究局，第一階段試驗內容包括研究頻率選擇表面層殼體在天線發(fā)射時的效果，研究在頻率選擇表面材料后面產生的熱效應，以及波形和從集成天線桅桿設計得到改善的EMC試驗。第二階段試驗將有實尺度集成天線桅桿的結構以及在英國防御評估研究局新船上的海上試驗。海上試驗將評估有關的設計和集成天線桅桿的工作情況，也將進一步定量改善傳感器的特性，減少波瓣，改善EMC和降低維修經費等問題。英國的CVF型新航母的封閉式桅桿將各種雷達、通信天線設計成平面式或球形陣列天線，封裝在桅桿內［10]。

3.3 EMC預測仿真技術

計算機仿真和虛擬技術可以在艦船設計初期對艦上一些電磁現象或電磁干擾的機理進行仿真模擬，便于對干擾源、干擾途徑的分析和確定。有助于在設計階段對干擾源進行控制和解決，從而解決了傳統(tǒng)設計技術難以解決的多參數（或變量）復雜的電磁干擾問題，特別適應于大噸位、多設備、電磁環(huán)境非常復雜的現代艦船的電磁兼容設計。積極主動地預防電磁干擾和電磁兼容的設計方法，是現階段電磁兼容研究的重要方法，也是電磁兼容未來發(fā)展的主要方向。電磁兼容數字仿真，以計算機技術為基礎進行數學建模和仿真計算。據資料報道，美國海軍用于艦艇外部通信系統(tǒng)設計的EMC測試、散射、反射的軟件已達到實用的水平，可滿足工程應用的要求［11]。

3.4 EMC試驗技術

電磁兼容技術的發(fā)展離不開試驗技術。總體、系統(tǒng)級安全裕量，電磁場對人員、武器裝備、燃油的危害效應和抗核電磁脈沖效應試驗等方面尤為值得關注。新型測量儀表、儀器設備的開發(fā)研制和新技術在電磁兼容標準中的應用，試驗設備和設施體現出寬頻帶、高場強的特點。為滿足軍用裝備發(fā)展的需要，必須建立相應的檢測手段。EMC試驗技術向自動化、集成化方向發(fā)展［12]。

4 結語

為了適應我國海軍艦艇裝備信息化建設和戰(zhàn)略任務的轉移，電磁兼容技術必須同步跟上，以適應新的作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)能力和新武器裝備的需求。電磁兼容性將是制約艦艇編隊作戰(zhàn)能力發(fā)揮的關鍵技術。因此，開展戰(zhàn)場電磁環(huán)境效應研究，加強武器裝備電磁危害的防護，提高武器裝備在未來戰(zhàn)場上的生命力，在海軍艦船總體設計中是至關重要的。通過研究國外海軍艦艇總體電磁兼容設計技術，了解國外海軍電磁兼容技術的發(fā)展趨勢，對我海軍艦艇電磁兼容技術的發(fā)展具有很大的借鑒和啟示意義。