軍用電子裝備的電磁防護(hù)新技術(shù)

????摘要：對現(xiàn)代軍用電子裝備的電磁防護(hù)的最新技術(shù)——抗核電磁脈沖（NEMP)與雷電電磁脈沖(LEMP)的對策技術(shù)以及防信息電磁泄露(TEMPEST)技術(shù)等進(jìn)行了綜述。
關(guān)鍵詞：電磁兼容 防護(hù)??軍用電子裝備
Abstract:The new technology for the electromagnetic protection of military electronic equipment??were reviewed, including NEMP， LEMP and TEMPEST.
Keywords:EMC；protection; military electronic equipment
????1前言
????軍用電子裝備的抗干擾問題對電子裝備可靠性水平有重大的影響作用，越來越引起各國軍方的高度重視。在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，以過密電磁輻射頻譜運(yùn)行的武器系統(tǒng)的激增，造成戰(zhàn)場上各軍兵種武器系統(tǒng)間電磁干擾(EMI)的可能性不斷增大，當(dāng)兩個系統(tǒng)以足夠接近的頻率和間距運(yùn)行時(shí)，就會出現(xiàn)電磁干擾。其對武器系統(tǒng)性能和可靠性所造成的惡劣影響以及由此而產(chǎn)生的后果是極其嚴(yán)重的，包括信息不準(zhǔn)確、無法探測敵方目標(biāo)、引信過早點(diǎn)火、飛機(jī)飛行失控和制導(dǎo)武器失靈等。海、陸、空三軍用于戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)等各種武器裝備都包含有大量的電子裝備，這些裝備的正常運(yùn)作都必須解決電磁兼容（EMC)問題，否則后果不堪設(shè)想。例如，以戰(zhàn)斗機(jī)等裝備為首的武器系統(tǒng)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有極其重要的作用，在對敵作戰(zhàn)中，常常要靠它們來搶占先機(jī)。在戰(zhàn)斗機(jī)狹小的空間里，必須裝備很多復(fù)雜的通信、導(dǎo)航設(shè)備以及雷達(dá)和敵我識別等電子設(shè)備。如此眾多的電子設(shè)備在飛機(jī)有限的空間內(nèi)要同時(shí)工作，除了電子設(shè)備的質(zhì)量和可靠性水平直接影響著戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能以外，設(shè)備的密集所帶來設(shè)備之間的相互干擾問題也不能忽略，因此，各設(shè)備之間的EMC已是一個至關(guān)重要的問題。隨著機(jī)載電子設(shè)備的種類和數(shù)量的不斷增加，它們所占用的電磁頻譜越來越寬，所傳輸?shù)男畔⒘吭絹碓酱螅蚨鴻C(jī)載電子設(shè)備之間的EMC問題也越來越突出。如果這個問題解決得不好，就會使整架飛機(jī)的工作陷于混亂狀態(tài)，而機(jī)群的電磁環(huán)境還可能使飛機(jī)的飛行控制、雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)、火控和導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的性能降低，這些不利影響隨著放射功率的增強(qiáng)、接收靈敏度的提高，體積更小和更敏感的固態(tài)電路的應(yīng)用而變得更加明顯。
????實(shí)際上，軍用電子裝備的EMC基本對策與民用設(shè)備需采取的措施基本一樣，大體上可分為接地、布線和圖形布線、元件選定、濾波和屏蔽等；當(dāng)然，其要求肯定要更高、更嚴(yán)格些。由于軍用電子設(shè)備大多數(shù)都要密集安裝在戰(zhàn)斗機(jī)、艦船、坦克等軍事裝備中，其所處的EMC環(huán)境很嚴(yán)酷，所以我們必須研究下面與現(xiàn)代軍用電子裝備密切相關(guān)的EMC項(xiàng)目和電磁防護(hù)新技術(shù)。
2 抗電磁脈沖(EMP)的對策技術(shù)
????在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，電子對抗和電子干擾貫穿于戰(zhàn)爭的始終，最危險(xiǎn)、最致命的殺傷就是敵方發(fā)出的強(qiáng)大電磁干擾和電磁脈沖。電磁脈沖(EMP：Elec—tromagnet ic Pulse)是一個不容怒視的重要問題，它可以來自多個方面，主要有核武器爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的核電磁脈沖(NEMP)和打雷時(shí)的閃電輻射造成的雷電電磁脈沖(LEMP)等。
????2．1 核電磁脈沖(NEMP)
????核電磁脈沖(NEMP)是核武器爆炸的產(chǎn)物。核爆炸時(shí)，除了產(chǎn)生光、熱、輻射能以外，還產(chǎn)生強(qiáng)大的核電磁脈沖。如圖1所示。
????在40km以上高度的大氣層外發(fā)生核爆炸時(shí)，伽馬(γ)射線脈沖到達(dá)大氣層，與空氣中的分子發(fā)生沖災(zāi)而產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。所謂康普頓效應(yīng)，就是一種把電子從空氣的分子中擠趕出來的現(xiàn)象。在這個電子的流動過程中產(chǎn)生EMP。雖然NEMP為瞬時(shí)現(xiàn)象，但它對半導(dǎo)體器件及微電子設(shè)備卻具有極大的殺傷力——電擊穿。其作用范圍隨爆炸的高度而異，NEMP的最大特點(diǎn)是上升時(shí)間快、強(qiáng)度大。上升時(shí)間約8ns，連接時(shí)間約200ns，??電場強(qiáng)度高，可達(dá)50kV／m，是一種高強(qiáng)度的電磁干擾源(ENI)，比通常的EMI強(qiáng)度高幾十至上百分貝；另一特點(diǎn)是作用范圍廣、頻帶寬、能量大。頻帶從10KHz至100MHZ，除了對TV、無線電設(shè)備的前端(高頻端)有影響以外，對電話機(jī)等設(shè)備也有破壞作用，可使敵方的指揮、控制、通信、情報(bào)等系統(tǒng)遭受重創(chuàng)甚至癱瘓，成為現(xiàn)代戰(zhàn)場上最為嚴(yán)重的電磁破壞因素。
為了保證武器系統(tǒng)能正常地履行其功能并發(fā)揮重大作用，就要實(shí)施EMP防護(hù)。軍用電子設(shè)備的NEMP防護(hù)也是EMC工作的一個重要組成部分。在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，為屏蔽電磁干擾和電磁脈沖的危害，就必須要求裝載電氣與電子設(shè)備的方艙具有很好的電磁屏蔽性能?？偟膩碚f，使用方艙并提高方艙整個艙體的電磁屏蔽性能就是一個很好的方法，它具有簡單、成本低、整體效果好等優(yōu)點(diǎn)。
????2．2 雷電電磁脈沖(LEMP)
????雷電是自然界強(qiáng)大的脈沖放電現(xiàn)象，也是一種靜電現(xiàn)象，而且是自然電磁干擾源中最強(qiáng)的一種放電現(xiàn)象。一次閃電平均含有上萬個脈沖放電過程，電流脈沖平均幅值為幾萬安培，持續(xù)時(shí)間幾十到幾百微秒。閃電通道大約有幾百米至幾公里長，在先導(dǎo)——主放電過程中，它們向周圍空間輻射高頻和甚高頻能量，從而產(chǎn)生雷電電磁脈沖（LEMP）。LEMP給計(jì)算機(jī)等微電子設(shè)備帶來的危害也是相當(dāng)嚴(yán)重的。雷電脈沖通常通過電網(wǎng)供電電源進(jìn)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)造成干擾，輕則引起計(jì)算機(jī)程序混亂、信息處理失誤；重則燒毀元器件，或使某些部件損壞直至停機(jī)，造成難以估計(jì)的重大損失。
??由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在軍用電子裝備中的應(yīng)用程度越來越高，采取相應(yīng)的LEMP防護(hù)措施已成為軍用電子裝備安全性與抗干擾技術(shù)的一個迫切要求。具體地說，首先應(yīng)從硬件、軟件方面提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。例如，在硬件設(shè)計(jì)中要進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，綜合采用各種抗干擾措施；在軟件設(shè)計(jì)中，可以利用冗余技術(shù)、容錯技術(shù)、標(biāo)志技術(shù)以及數(shù)字濾波技術(shù)等。其次，還要采取攔截、屏蔽、均壓、分流、接地和濾波等防護(hù)措施。
??例如，屏蔽包括機(jī)房屏蔽、整機(jī)屏蔽、元器件之間的屏蔽和隔離以及電源的進(jìn)線和輸入線、輸出線的屏蔽和接地；系統(tǒng)與機(jī)房不僅要有良好的接地，而且還要按需進(jìn)行交直流接地、高頻接地、防雷接地和安全接地等設(shè)計(jì)；濾波也是抑制傳導(dǎo)耦合干擾的重要方法，可以首選電源EMI濾波器。它是EMI濾波器的一種，對實(shí)現(xiàn)和改善電子設(shè)備與電子系統(tǒng)的EMC環(huán)境有很大的幫助，可以有效地抑制電源線上的信號干擾電平，降低來自供電網(wǎng)的干擾，并可在屏蔽體的出入口或?qū)Ь€的適當(dāng)位置安裝濾波電路。目前，國外的做法是，根據(jù)美軍標(biāo)(NIL—STD—461／462)的要求，軍用設(shè)備必須設(shè)置避雷器來降低LEMP的干擾能量，一些能高速工作的避雷器之類的部件也就應(yīng)運(yùn)而生，而且，為了確認(rèn)其效果，還正在使用一種如圖2所示的比較大型的新式EMP模擬設(shè)備。
????3 防信息電磁泄漏(TEMPEST)技術(shù)
????從七十年代起，計(jì)算機(jī)在國外迅速普及并發(fā)展起來，計(jì)算機(jī)相互之間的干擾和抗干擾問題日益突出，一些功能正常的計(jì)算機(jī)常常會產(chǎn)生一些不知其所以然的誤動作等故障。更為嚴(yán)重的是，計(jì)算機(jī)的電磁發(fā)射信號不但頻譜成分豐富，而且攜帶信息，因而對其處理的信息的安全性將造成巨大的威脅。尤其是近幾年來，使用以計(jì)算機(jī)為主的信息技術(shù)設(shè)備處理重要信息的必要性日漸增大，但是，隨之而來的就是數(shù)據(jù)保密問題。保密的其中一個內(nèi)容就是如何防止竊聽。
????計(jì)算機(jī)等各種信息技術(shù)設(shè)備和通信設(shè)備在工作時(shí)常常會泄漏電磁波，而且與這些設(shè)備連接的數(shù)據(jù)線、電源線同樣也會有電磁波輻射出來。這樣，被處理的信息也就會通過電磁輻射向空間泄漏。其頻率范圍可達(dá)數(shù)千赫到1兆赫，如果用ELINT系統(tǒng)那樣的高靈敏度接收機(jī)接收這些電磁波，就可能成為竊聽的對象。通過使用分析和破譯處理等手段，就可以復(fù)制原信息，造成失密等嚴(yán)重后果。因此，世界各國對信息技術(shù)設(shè)備的信息電磁泄漏問題越來越重視并開展了一系列有計(jì)劃、有組織、有針對性的研究。
????從八十年代初期開始，西方諸國正在迅速開展一項(xiàng)專門研究和解決信息技術(shù)設(shè)備的信息電磁泄漏及其安全防護(hù)問題的活動。這個活動被稱為TEMPEST。而美國實(shí)際上早在五十年代就已開始實(shí)施這項(xiàng)研究計(jì)劃，由美國國家安全局(NSA)和國防部(DoD)聯(lián)合進(jìn)行研究與開發(fā)，列為絕對機(jī)密，不得輸出。
????TEMPEST與軍事電子設(shè)備的EMC項(xiàng)目密切相關(guān)，可以說是EMC研究體系中的一個獨(dú)立的分支。目前，國外已把它作為計(jì)算機(jī)安全研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它的定義如下：對有損任務(wù)安全性的意外電磁輻射(EMR)的控制(The Control of unin-tentional EMR that can compromise the security of a mission)
(EMR：Electromagnetic Radiation)。
即是說，所謂TEMPEST技術(shù)，并不以那些有意輻射電磁波的無線通訊設(shè)備為對象，其目的是使有用信息尤其是一些涉及國家安全的機(jī)密信息不被竊取和破譯，以免造成失密；其技術(shù)措施就是防止計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)設(shè)備在不知不覺間通過電磁波輻射而泄漏有用的機(jī)密信息。因此，雖然TEM—PEST技術(shù)在抑制干擾的方法和手段上與EMC技術(shù)有許多相似之處，國外通常把它并入EMC的研究領(lǐng)域之中，但是，其目的是與EMC技術(shù)以互相兼容的觀點(diǎn)研究電磁兼容的耦合形式和干擾抑制的目的完全不同的。這是一種要求把傳導(dǎo)干擾(CE)和輻射干擾（RE）降至最低程度的技術(shù)，方法之一是在建筑物的外墻壁和間隔墻上采取措施防止騷擾，如圖3所示。
????TEMPEST技術(shù)的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：
????a．設(shè)計(jì)規(guī)范的研究：包括低輻射電子設(shè)備、結(jié)構(gòu)工藝等設(shè)計(jì)規(guī)范的研究。
????b．測試設(shè)備與測試技術(shù)的研究：研制符合TEMPEST標(biāo)準(zhǔn)、由計(jì)算機(jī)控制的自動化系統(tǒng)；TEM—PEST測試可分為TEMPEST設(shè)備的檢測和TEMPEST屏蔽機(jī)房的檢測兩個方面。
????C．TEMPEST標(biāo)準(zhǔn)的研究：歐美各國均有嚴(yán)格的TEMPEST技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并由國家安全部門直接控取水平的不斷提高，各國還將不斷制定和修改TEMPEST標(biāo)準(zhǔn)。
????d．新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的研究：包括低輻射元器件、高效能屏蔽材料、導(dǎo)電噴涂工藝等方面的研究。
????e．符合TEMPEST標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備及屏蔽室的研究：包括低輻射的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。
????為了保衛(wèi)國家安全，軍用電子裝備對TEMPEST技術(shù)的要求還將越來越高，有必要進(jìn)行更深入的研究。
????4 結(jié)束語
????綜上所述，現(xiàn)代軍用電子裝備的EMC問題是至關(guān)重要、不能忽略的，與此密切相關(guān)的電磁防護(hù)新技術(shù)將發(fā)揮極其重要的作用。然而，我國對EMC問題的研究則起步較晚，無論是理論還是技術(shù)等整體的研究水平均落后于國外先進(jìn)水平。直到八十年代初、中期，許多技術(shù)人員還把這項(xiàng)技術(shù)僅僅理解為電子設(shè)備超標(biāo)與否的測量標(biāo)準(zhǔn)而已，甚至在1992年召開的技術(shù)研討會上，仍有些技術(shù)人員認(rèn)為開展電磁兼容性預(yù)測、分析和設(shè)計(jì)工作的必要性不大。不過，近幾年來，我們已經(jīng)有了不小的進(jìn)步，這種進(jìn)步不僅體現(xiàn)在技術(shù)方面，而且也體現(xiàn)在廣大工程技術(shù)人員和管理部門對這項(xiàng)研究的認(rèn)識提高和日益重視上，這標(biāo)志著我國EMC理論與技術(shù)的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個更高的層次和達(dá)到了一個新水平。