軍事電子(10)

摘要：對現代軍用電子裝備的電磁防護的最新技術(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  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(wèn)題對電子裝備可靠性水平有重大的影響作用，越來(lái)越引起各國軍方的高度重視。在現代戰場(chǎng)上，以過(guò)密電磁輻射頻譜運行的武器系統的激增，造成戰場(chǎng)上各軍兵種武器系統間電磁干擾(EMI)的可能性不斷增大，當兩個(gè)系統以足夠接近的頻率和間距運行時(shí)，就會(huì )出現電磁干擾。其對武器系統性能和可靠性所造成的惡劣影響以及由此而產(chǎn)生的后果是極其嚴重的，包括信息不準確、無(wú)法探測敵方目標、引信過(guò)早點(diǎn)火、飛機飛行失控和制導武器失靈等。海、陸、空三軍用于戰略、戰役、戰術(shù)等各種武器裝備都包含有大量的電子裝備，這些裝備的正常運作都必須解決電磁兼容（EMC)問(wèn)題，否則后果不堪設想。例如，以戰斗機等裝備為首的武器系統，在現代戰爭中具有極其重要的作用，在對敵作戰中，常常要靠它們來(lái)?yè)屨枷葯C。在戰斗機狹小的空間里，必須裝備很多復雜的通信、導航設備以及雷達和敵我識別等電子設備。如此眾多的電子設備在飛機有限的空間內要同時(shí)工作，除了電子設備的質(zhì)量和可靠性水平直接影響著(zhù)戰斗機的作戰性能以外，設備的密集所帶來(lái)設備之間的相互干擾問(wèn)題也不能忽略，因此，各設備之間的EMC已是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。隨著(zhù)機載電子設備的種類(lèi)和數量的不斷增加，它們所占用的電磁頻譜越來(lái)越寬，所傳輸的信息量越來(lái)越大，因而機載電子設備之間的EMC問(wèn)題也越來(lái)越突出。如果這個(gè)問(wèn)題解決得不好，就會(huì )使整架飛機的工作陷于混亂狀態(tài)，而機群的電磁環(huán)境還可能使飛機的飛行控制、雷達、通訊、導航、電子戰、火控和導彈控制系統的性能降低，這些不利影響隨著(zhù)放射功率的增強、接收靈敏度的提高，體積更小和更敏感的固態(tài)電路的應用而變得更加明顯。
   
　　實(shí)際上，軍用電子裝備的EMC基本對策與民用設備需采取的措施基本一樣，大體上可分為接地、布線(xiàn)和圖形布線(xiàn)、元件選定、濾波和屏蔽等；當然，其要求肯定要更高、更嚴格些。由于軍用電子設備大多數都要密集安裝在戰斗機、艦船、坦克等軍事裝備中，其所處的EMC環(huán)境很?chē)揽?，所以我們必須研究下面與現代軍用電子裝備密切相關(guān)的EMC項目和電磁防護新技術(shù)。

2 抗電磁脈沖(EMP)的對策技術(shù)
  
　　在現代戰場(chǎng)上，電子對抗和電子干擾貫穿于戰爭的始終，最危險、最致命的殺傷就是敵方發(fā)出的強大電磁干擾和電磁脈沖。電磁脈沖(EMP：Elec—tromagnet ic Pulse)是一個(gè)不容怒視的重要問(wèn)題，它可以來(lái)自多個(gè)方面，主要有核武器爆炸時(shí)產(chǎn)生的強大的核電磁脈沖(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)生強大的核電磁脈沖。
   
　　在40km以上高度的大氣層外發(fā)生核爆炸時(shí)，伽馬(γ)射線(xiàn)脈沖到達大氣層，與空氣中的分子發(fā)生沖災而產(chǎn)生康普頓效應。所謂康普頓效應，就是一種把電子從空氣的分子中擠趕出來(lái)的現象。在這個(gè)電子的流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生EMP。雖然NEMP為瞬時(shí)現象，但它對半導體器件及微電子設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、強度大。上升時(shí)間約8ns，連接時(shí)間約200ns，  電場(chǎng)強度高，可達50kV／m，是一種高強度的電磁干擾源(ENI)，比通常的EMI強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(wú)線(xiàn)電設備的前端(高頻端)有影響以外，對電話(huà)機等設備也有破壞作用，可使敵方的指揮、控制、通信、情報等系統遭受重創(chuàng )甚至癱瘓，成為現代戰場(chǎng)上最為嚴重的電磁破壞因素。

　　為了保證武器系統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。軍用電子設備的NEMP防護也是EMC工作的一個(gè)重要組成部分。在現代戰場(chǎng)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備的方艙具有很好的電磁屏蔽性能?？偟膩?lái)說(shuō)，使用方艙并提高方艙整個(gè)艙體的電磁屏蔽性能就是一個(gè)很好的方法，它具有簡(jiǎn)單、成本低、整體效果好等優(yōu)點(diǎn)。
   
2．2 雷電電磁脈沖(LEMP)
   
　　雷電是自然界強大的脈沖放電現象，也是一種靜電現象，而且是自然電磁干擾源中最強的一種放電現象。一次閃電平均含有上萬(wàn)個(gè)脈沖放電過(guò)程，電流脈沖平均幅值為幾萬(wàn)安培，持續時(shí)間幾十到幾百微秒。閃電通道大約有幾百米至幾公里長(cháng)，在先導——主放電過(guò)程中，它們向周?chē)臻g輻射高頻和甚高頻能量，從而產(chǎn)生雷電電磁脈沖（LEMP）。LEMP給計算機等微電子設備帶來(lái)的危害也是相當嚴重的。雷電脈沖通常通過(guò)電網(wǎng)供電電源進(jìn)入計算機網(wǎng)絡(luò )造成干擾，輕則引起計算機程序混亂、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，造成難以估計的重大損失。

{{分頁(yè)}}
 
　　由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)在軍用電子裝備中的應用程度越來(lái)越高，采取相應的LEMP防護措施已成為軍用電子裝備安全性與抗干擾技術(shù)的一個(gè)迫切要求。具體地說(shuō)，首先應從硬件、軟件方面提高計算機系統自身的抗干擾能力。例如，在硬件設計中要進(jìn)行EMC設計，綜合采用各種抗干擾措施；在軟件設計中，可以利用冗余技術(shù)、容錯技術(shù)、標志技術(shù)以及數字濾波技術(shù)等。其次，還要采取攔截、屏蔽、均壓、分流、接地和濾波等防護措施。
 
　　例如，屏蔽包括機房屏蔽、整機屏蔽、元器件之間的屏蔽和隔離以及電源的進(jìn)線(xiàn)和輸入線(xiàn)、輸出線(xiàn)的屏蔽和接地；系統與機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計；濾波也是抑制傳導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)現和改善電子設備與電子系統的EMC環(huán)境有很大的幫助，可以有效地抑制電源線(xiàn)上的信號干擾電平，降低來(lái)自供電網(wǎng)的干擾，并可在屏蔽體的出入口或導線(xiàn)的適當位置安裝濾波電路。目前，國外的做法是，根據美軍標(NIL—STD—461／462)的要求，軍用設備必須設置避雷器來(lái)降低LEMP的干擾能量，一些能高速工作的避雷器之類(lèi)的部件也就應運而生，而且，為了確認其效果，還正在使用一種如圖2所示的比較大型的新式EMP模擬設備。
   
3 防信息電磁泄漏(TEMPEST)技術(shù)
   
　　從七十年代起，計算機在國外迅速普及并發(fā)展起來(lái)，計算機相互之間的干擾和抗干擾問(wèn)題日益突出，一些功能正常的計算機常常會(huì )產(chǎn)生一些不知其所以然的誤動(dòng)作等故障。更為嚴重的是，計算機的電磁發(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(lái)，使用以計算機為主的信息技術(shù)設備處理重要信息的必要性日漸增大，但是，隨之而來(lái)的就是數據保密問(wèn)題。保密的其中一個(gè)內容就是如何防止竊聽(tīng)。
   
　　計算機等各種信息技術(shù)設備和通信設備在工作時(shí)常常會(huì )泄漏電磁波，而且與這些設備連接的數據線(xiàn)、電源線(xiàn)同樣也會(huì )有電磁波輻射出來(lái)。這樣，被處理的信息也就會(huì )通過(guò)電磁輻射向空間泄漏。其頻率范圍可達數千赫到1兆赫，如果用ELINT系統那樣的高靈敏度接收機接收這些電磁波，就可能成為竊聽(tīng)的對象。通過(guò)使用分析和破譯處理等手段，就可以復制原信息，造成失密等嚴重后果。因此，世界各國對信息技術(shù)設備的信息電磁泄漏問(wèn)題越來(lái)越重視并開(kāi)展了一系列有計劃、有組織、有針對性的研究。
   
　　從八十年代初期開(kāi)始，西方諸國正在迅速開(kāi)展一項專(zhuān)門(mén)研究和解決信息技術(shù)設備的信息電磁泄漏及其安全防護問(wèn)題的活動(dòng)。這個(gè)活動(dòng)被稱(chēng)為T(mén)EMPEST。而美國實(shí)際上早在五十年代就已開(kāi)始實(shí)施這項研究計劃，由美國國家安全局(NSA)和國防部(DoD)聯(lián)合進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，列為絕對機密，不得輸出。
   
　　TEMPEST與軍事電子設備的EMC項目密切相關(guān)，可以說(shuō)是EMC研究體系中的一個(gè)獨立的分支。目前，國外已把它作為計算機安全研究的一項重要內容。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(shuō)，所謂TEMPEST技術(shù)，并不以那些有意輻射電磁波的無(wú)線(xiàn)通訊設備為對象，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)措施就是防止計算機等信息技術(shù)設備在不知不覺(jué)間通過(guò)電磁波輻射而泄漏有用的機密信息。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(guān)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。
   
　　TEMPEST技術(shù)的研究?jì)热葜饕幸韵聨讉€(gè)方面：
    a．設計規范的研究：包括低輻射電子設備、結構工藝等設計規范的研究。
    b．測試設備與測試技術(shù)的研究：研制符合TEMPEST標準、由計算機控制的自動(dòng)化系統；TEM—PEST測試可分為T(mén)EMPEST設備的檢測和TEMPEST屏蔽機房的檢測兩個(gè)方面。
    C．TEMPEST標準的研究：歐美各國均有嚴格的TEMPEST技術(shù)標準，并由國家安全部門(mén)直接控取水平的不斷提高，各國還將不斷制定和修改TEMPEST標準。
    d．新材料、新結構、新工藝的研究：包括低輻射元器件、高效能屏蔽材料、導電噴涂工藝等方面的研究。
    e．符合TEMPEST標準的設備及屏蔽室的研究：包括低輻射的計算機系統等。
    為了保衛國家安全，軍用電子裝備對TEMPEST技術(shù)的要求還將越來(lái)越高，有必要進(jìn)行更深入的研究。
   
4 結束語(yǔ)
   
　　綜上所述，現代軍用電子裝備的EMC問(wèn)題是至關(guān)重要、不能忽略的，與此密切相關(guān)的電磁防護新技術(shù)將發(fā)揮極其重要的作用。然而，我國對EMC問(wèn)題的研究則起步較晚，無(wú)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)人員還把這項技術(shù)僅僅理解為電子設備超標與否的測量標準而已，甚至在1992年召開(kāi)的技術(shù)研討會(huì )上，仍有些技術(shù)人員認為開(kāi)展電磁兼容性預測、分析和設計工作的必要性不大。不過(guò)，近幾年來(lái)，我們已經(jīng)有了不小的進(jìn)步，這種進(jìn)步不僅體現在技術(shù)方面，而且也體現在廣大工程技術(shù)人員和管理部門(mén)對這項研究的認識提高和日益重視上，這標志著(zhù)我國EMC理論與技術(shù)的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)更高的層次和達到了一個(gè)新水平。