美國水面艦船電磁脈沖防護標準淺析

李超，吳垚，袁犇

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美國水面艦船電磁脈沖防護標準淺析

李超1，吳垚2，袁犇3

（1. 海軍裝備研究院，上海 200235；2. 92602 部隊，上海 201900；3. 91656部隊， 上海）

為了提高強電磁脈沖的防護能力，必須面對雷電、核電磁脈沖高功率微波的挑戰。首先分析了水面艦船電磁脈沖能量的耦合方式和途徑，包括“前門”耦合，“后門”耦合，并在此基礎上分析了國外水面艦船，主要是美國水面艦船強電磁脈沖防護的標準及要求，為我國水面艦船的強電磁脈沖防護標準制訂提供技術參考。

電磁脈沖；標準分析；水面艦船

強電磁脈沖是一種瞬變電磁現象，也是一種寬頻段、高功率的電磁環境。強電磁脈沖可以由雷電等自然現象產生，也可以由核武器或電磁脈沖武器等產生[1]。

電磁脈沖對武器裝備尤其是電子信息裝備破壞性極大，可能造成通信癱瘓、指揮失靈、性能下降甚至喪失等，直接影響武器裝備的戰斗效能發揮和戰場生存能力。水面艦船作為海上主要作戰平臺，具有高科技電子信息裝備十分密集的顯著特點[2]。平臺內安裝有大量復雜的各種電子設備[3]、電氣設備和作戰武器系統。一艘典型水面艦船上的電子設備包括幾十臺發射機和接收機，幾十副以上的通訊和雷達天線等。研究表明，一旦遭受敵方電磁脈沖武器的打擊，艦船上的眾多天線[4]、電纜和管道等金屬導體就可能收集到巨大的電磁脈沖能量，使與這些導體相連的電子、電氣系統被干擾甚至損壞，從而導致艦船的作戰性能降級甚至喪失作戰能力[5]。因此為了提高水面艦船強電磁脈沖的防護能力，就需要針對雷電脈沖、核電磁脈沖、高功率微波和超寬帶強電磁脈沖等類型的強干擾威脅，分析外軍主要是美軍水面艦船電磁脈沖能量的耦合方式和途徑[6]，對國內外水面艦船防護設計的標準要求開展研究。

1 水面艦船電磁脈沖能量耦合方式和途徑

任何電磁干擾的發生都必然存在干擾能量的耦合途徑（或傳輸通道）。通常有兩種耦合方式：一種是傳導耦合，另一種是輻射耦合[7]。

傳導耦合必須在干擾源和敏感電子設備之間有完整的電路連接，干擾信號沿著這個連接鏈路傳到敏感設備，發生干擾破壞現象。輻射耦合是指干擾信號通過空間傳播，干擾能量按電磁場的規律向周圍空間輻射。常見的輻射耦合有三種：干擾信號被天線接收，稱為天線耦合；空間輻射干擾信號經導線感應耦合，稱為場對線的耦合；兩根平行導線之間的高頻信號感應，稱為線對線耦合。

輻射耦合是指電磁脈沖能量以電磁輻射方式通過空間對系統形成的耦合。其耦合方式主要有電磁脈沖對天線的耦合、對電纜等長導體的耦合、對孔洞與縫隙的耦合等。傳導耦合則是指電磁脈沖能量以電壓或電流形式通過金屬導體或元件（如電容器、變壓器）對系統形成的耦合。

水面艦船屬于大型金屬結構，它暴露在電磁場中就成為輻射能量的接收器。當電磁脈沖沖擊到一艘艦艇時，某些輻射能量通過艙口、通道、窗口及縫隙直接穿透至甲板下隔艙。其中大部分接收到的脈沖能量通過艦上天線、外部電纜、管道等進入內部的電子系統，并耦合到電線、電纜、設備附件上，使敏感電子設備突然承受到較大的沖擊電流，從而干擾甚至損壞C4ISR系統和電氣設備，導致水面艦船作戰性能降級甚至喪失作戰能力。

在電磁脈沖環境中運行的電子、電力系統，電磁脈沖能量可通過各種途徑進入系統，這些進入途徑主要有：天線或起天線作用的長導體和環狀導體對電磁能量的收集；電線、電纜的耦合與傳導；對設備殼體的穿透；通過金屬殼體上縫、孔、洞的耦合；金屬框架、管道等的結構耦合。

通常電磁脈沖能量進入水面艦船內部的途徑有：通信、雷達天線；船艙外部的電力、信號電纜和波導；對艦船殼體和設備殼體的穿透；通過艙口、通道、窗口及縫隙進入艦船內部；通過通風管等金屬管道進入艦艇內部。電磁脈沖進入水面艦船內部的耦合途徑如圖1所示。

圖1 電磁脈沖能量進入水面艦船的耦合途徑

水面艦船暴露在電磁脈沖環境中，電磁脈沖能量進入艦艇內部的途徑是多方面的，由于艦面上層建筑復雜，電磁脈沖潛在的進入部位非常多。美國海軍在研究水面艦船電磁脈沖防護與加固技術時進行了全艦電磁脈沖試驗，并對電磁脈沖能量進入水面艦船內部的耦合途徑進行了分析。圖2給出了美國“宙斯盾”巡洋艦“安吉奧”艦（USS Anzio，CG68）作戰系統中電磁脈沖潛在的進入部位。從圖2中可以看出，這些潛在進入部位主要是作戰系統的雷達、通信天線，以及艙面、側舷武器開孔處。

對于水面艦船艦載電子、武器系統來說，電磁脈沖進入的耦合途徑又分為“前門”和“后門”兩種途徑。“前門”指設備的天線，“后門”指設備的連接電纜、機殼或屏蔽箱體上的洞孔等。

圖2 “安吉奧”艦作戰系統中電磁脈沖潛在的進入部位

“前門”耦合是指電磁脈沖能量直接通過天線進入包含有發射機和接收機的系統。通信、雷達及電子對抗設備的天線是“前門”耦合的主要對象。其天線的功能是將能量耦合進設備，這就為電磁脈沖能量進入設備并造成破壞提供了有效的途徑。天線是用來收集能量的，艦載C4ISR系統艙面上的天線都具備這種作用。

“前門”耦合一般是單通道耦合，接收天線一般具有方向性和通頻帶，與天線相匹配的傳輸線、低通或高通濾波器也只能傳輸一定頻率的信號。因此，只有當電磁脈沖信號的頻率落在接收天線的帶寬內，耦合功率最強。電磁脈沖信號頻率落在接收天線帶寬外時，耦合功率一般很小；頻率在通頻帶上時，耦合能量按頻率的平方關系迅速下降；頻率在通頻帶以下時，按頻率的四次方關系迅速下降。

由于高功率微波覆蓋范圍廣，并且傳播到海面上的水面艦船處時為平面波的形式，場強峰值沒有變化，基本上沒有方向性。艦載電子、武器系統的天線一般都裝有保護器件，用于限制進入天線的電磁能量。例如一般雷達接收機的前部都裝有開關和限幅器以保護后面的電路，但是由于電磁脈沖是場強非常高、時間非常短（納秒級）的窄脈沖，一般保護器件對外界電磁能量的響應時間超過電磁脈沖通過時間，因此對其抑制作用很小，電磁脈沖能量可以直接通過天線端保護器件直接進入設備內部[8]。

“前門”（天線）是電磁脈沖能量進入水面艦船艦載電子、武器系統的一個最主要的途徑。天線吸收的電磁脈沖能量可以直接毀壞天線接收設備，也可以通過天線進入系統內部，破壞系統內部的電子元器件，從而破壞系統的功能。

“后門”耦合是指電磁脈沖能量通過電子設備外殼的開口與縫隙進入設備，或在設備之間的連接電纜上產生傳導干擾信號。

水面艦船艦載電子、武器系統“后門”耦合電磁脈沖能量的方式主要有以下幾種。

1）傳導耦合方式。電磁脈沖能量耦合至水面艦船甲板的外部信號電纜上，這些電纜直接與艦艇艙室內部的電子設備相連，耦合能量直接進入設備內部。電磁脈沖能量耦合至水面艦船甲板的外部電力電纜上，通過電力系統進入艙室內部的電子設備。

2）輻射耦合方式。電磁脈沖能量通過艙口、通道、窗口及縫隙輻射進入或穿透艦艇殼體進入艦艇艙室內。這些輻射進入的能量又通過設備上的開孔、縫隙進入設備內部。

3）交叉耦合方式。電磁脈沖能量耦合在艦艇甲板外部電力、信號電纜上，進入艙室后這些電纜輻射電磁脈沖能量，通過輻射和傳導耦合方式進入艙室內其他電子設備內部。通過艙口、通道、窗口及縫隙輻射進入或穿透艦艇殼體進入艦艇艙室內的電磁脈沖能量，耦合至信號或電力電纜上，通過傳導方式耦合進入電子設備內部。

“后門”耦合是多通道耦合：耦合強度與孔縫的數目、尺寸、形狀以及截止的頻率有關，電磁脈沖信號在耦合的過程中可能出現“共振增強”的現象；通過等效天線（偶極子和磁極子）將高頻能量耦合到低頻電路中；通過“整流”或“互調”將射頻信號變換成“視頻脈沖”或帶寬信號，該信號傳遍整個電子系統而發生作用，在傳輸過程中因寄生諧振可能會在電路中產生頻率等于兩個或多個基頻、諧波之和或差的信號。

水面艦船內各種電子設備的機箱，大部分是用金屬板材加工組合而成的。由于技術水平的限制和功能的需要，存在孔縫是難免，有的還要在殼體上開口。如各種操作平臺的顯示器、通風散熱窗口、操作顯示窗口、電源、信號的出入口、各種表頭顯示觀察窗口、燈座、開關和操作按鍵安裝孔、接縫處的縫隙等，這些孔隙是電磁脈沖能量進入的重要途徑。另外，艦艇上線纜分布非常廣泛。可見“后門”耦合具有相當的普遍性[9]。

從水面艦船的結構和敏感電子設備的布置特點來看，艦載電子、武器系統中的敏感電子設備置于甲板以下封閉的金屬艙室內，其中重點敏感設備艙室為屏蔽艙室。另一方面，艦面甲板上露天電力、信號等電纜均為屏蔽電纜，因此電磁脈沖能量難以直接通過“后門”耦合途徑進入敏感設備內部，主要通過艦面布置的天線（“前門”）耦合進入敏感設備內部。

2 國外水面艦船強電磁脈沖防護標準要求分析

美國在水面艦船強電磁脈沖防護領域開展研究時間長、成果多，標準相對全面。因此對美國艦船強電磁脈沖防護標準的分析有助于我們了解和借鑒國外先進技術，更好地制定適合我國的水面艦船電磁脈沖防護標準。

2.1 雷電電磁脈沖防護要求標準

涉及水面艦船雷電電磁脈沖防護要求的美國軍用標準主要是MIL-STD-464C《電磁環境效應要求和方法》，該標準的5.5條為雷電要求。

系統在雷電的直接和間接效應下，均需滿足其工作性能要求。軍械在暴露狀態下經受近距雷擊或在封存狀態下經受直接雷擊之后，應滿足其工作性能要求。軍械在經受暴露狀態下直接雷擊的期間及之后，仍需保證安全。表1提供了與直接雷擊引起的間接效應相關的雷電環境數據，表2適用于近距雷擊環境。符合性應通過系統、分系統、設備和部件（如結構和天線罩）級試驗、分析或其組合來驗證[10]。

表1 雷電間接效應波形參數

表2 雷電間接效應波形特征

2.2 核電磁脈沖防護要求標準

涉及水面艦船核電磁脈沖防護要求的美國軍用標準主要包括：MIL-STD-464C《系統電磁環境效應要求》、MIL-STD-461F《設備與分系統電磁干擾控制要求》。464C標準規定了適用于艦船平臺的核電磁脈沖防護要求，461F標準規定了適用于艦載設備和分系統的核電磁脈沖防護要求。

1）MIL-STD-464C《系統電磁環境效應要求》中5.6條規定的電磁脈沖要求如下：系統在承受電磁脈沖環境以后，需要滿足其工作性能要求。相應的電磁環境有不同的類別，且在MIL-STD-2169《高空電磁脈沖環境》中有定義。僅在訂購方有明確要求時，該條件才適用。符合性應通過系統、分系統、設備級試驗、分析或其組合來驗證MIL-STD-2169標準為秘密級標準，其要求限值波形未對外公布，MIL-STD-464C給出了可供參考的核電磁脈沖環境要求，如圖3所示。

圖3 核電磁脈沖環境要求

2）MIL-STD-461F《設備與分系統電磁干擾控制要求》中5.21條為RS105瞬態電磁場輻射敏感度，其條文規定：當設備或分系統安裝在加固（屏蔽）的平臺或設施的外部時，RS105適用于水面艦船、潛艇、陸軍飛機（包括機場維護工作區）、海軍飛機和海軍地面上的設備和分系統殼體。訂購方有規定時，RS105既適用于上述平臺中只預定使用于非金屬平臺上的設備，也適用于空間系統平臺上的設備。對于陸軍飛機上用于安全目的的關鍵性安全設備或分系統，當其安裝在外部時，RS105也適用。當按該標準中圖2-3所示試驗信號的波形和幅度進行試驗時，受試設備不應出現任何故障、性能降低或偏離規定的指標值，或超出單個設備和分系統規范中給出的指標允差。至少施加5個脈沖，重復頻率步重復頻率不超過1個脈沖/min。

2.3 高功率微波防護要求標準

涉及水面艦船高功率微波防護要求的美國軍用標準主要是MIL-STD-464C《電磁環境效應要求和方法》，該標準的5.4條規定了高功率微波防護要求。

系統在承受窄帶或寬帶高功率微波之后，仍需滿足其工作性能要求。利用經過諸如《Capstone Threat Assessment Report》權威驗證的具有威脅的源數據，并基于系統工作情況、方案和任務要求，訂購方需提供系統可適用的場級和高功率微波脈沖特性。僅在訂購方有明確要求時，該條件才適用。符合性應通過系統、分系統、設備級試驗、分析或其組合來驗證。

3 結語

國外水面艦船強電磁脈沖防護的標準及要求的分析能為我國水面艦船的強電磁脈沖防護提供一定的技術參考，對我國水面艦船的抗強電磁脈沖標準制訂具有較好的借鑒作用。

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Protective Standards for Electromagnetic Pulse of American Surface Ship

LI Chao, WU Yao, YUAN Ben

(1.Naval Academy of Armament, Shanghai 200235, China; 2.92602 Unit of the PLA, Shanghai 201900, China; 3.91656 Unit of the PLA, Shanghai, China)

To improve the protective capability of strong electromagnetic pulse, the challenges of the thunder, nuclear electromagnetic pulse (EMP) must be faced. The coupling mode and way for EMP power of surface ship was analyzed, include front gate coupling and back gate coupling. Based on this analysis, the standard and requirement on EMP protection of surface ship were analyzed. It provides an effective reference to make our own EMP protective standards.

electromagnetic pulse (EMP); standards analysis; surface ship

TJ83

A

1672-9242(2018)03-0071-05

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.015

2017-10-18；

2017-11-03

李超（1984—），男，湖南湘潭人，碩士，工程師，主要研究方向為電子信息系統、射頻識別、標準化。