舰船电磁兼容技术发展综述(一)

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摘  要 现代化舰船对电磁兼容性技术提出新的需求，快速提升舰船电磁兼容设计和控制技术是当务之急。介绍国外舰船电磁兼容技术最新发展动态，通过借鉴分析，从设计技术、评估能力、抗电磁损毁、诊断控制、频谱管理、新技术、舰船海上武器平台等7个方面重新思考我国舰船电磁兼容技术的发展策略。
    关键词 电磁兼容；舰船

1 引言
    20世纪80年代以来，以信息技术为核心的第四次军事革命以前所未有的广度和深度影响着整个世界，并将在未来几十年内更加完整、充分、深刻地展开。新军事革命将预警探测、指挥控制和精确打击三个作战职能一体化、网络化；将覆盖整个作战空问的通信系统、指挥系统、协调系统、情报系统、计算机工作站、各级数据库和各个用户终端组合为统一的数字化战场；将现有的民用和军用技术，用共同的软件、标准和规程，对现有武器系统进行现代化改造，使其具备通用性、联动性，加速从传感器到终端操作者之问、各武器系统之问、各作战单元之间的信息流动。
    新技术在推动武器装备发展的同时，也产生了许多新的EMC／EMI问题，其中复杂恶劣的电磁环境与高灵敏度的信息设备形成尖锐矛盾。新问题给电磁兼容性研究搭建了更具创造力的平台，同时也标志EMC技术进入一个新的快速发展时期。
    挑战与机遇并存，目前重点实验室正在充分利用这一难得机遇进行全方位变革，对国际EMC研究现状进行评估，对我国EMC技术的进展进行重新思考，运用前瞻『生思维和高科技手段，瞄准科学技术革命前沿，真正把握军事革命演进的脉搏。
2 国外研究水平与发展趋势
    20世纪60年代初至今，世界发达国家就对传统的舰船EMC设计方法提出了挑战和创新，用于解决和控制舰船电磁干扰问题的新理念、新技术、新方法、新材料层出不穷。美国是从事舰船EMC技术研究最早的国家，其技术和设备也非常先进，代表了舰船EMC技术的先进水平。上世纪80年代末期到90年代中期是美国海军电磁兼容性新老技术演变和新技术快速发展时期，其中最重要的标志是基于计算机技术和计算电磁学上的舰船EMC数值仿真设计技术的诞生号陕速发展。
    1986至1995年期问，美海军海上系统司令部，海军指挥、控制和海洋监测中心试制部，洛氏国际公司和一些大学做了大量的软件研制开发工作，联合研制出了舰船电磁工程仿真设计软件，并用于舰船电磁兼容性设计中。从1995年至今美国海军根据应用情况和舰船电磁兼容发展的需要对该软件系统进行改进提高，软件版本不断升级。
    继美国之后，俄罗斯、意大利、德国、英国、西班牙、法国等国家也开展了这方面的研究和设计工作，并开始出售商用软件。计算机仿真和虚拟技术可以在舰船设计初期对舰上一些电磁现象或电磁干扰的机理进行仿真模拟，便于对干扰源、干扰途径的分析和确定。有助于在设计阶段对干扰源进行控制和解决，从而解决了传统设计技术难以解决的多参数(或变量)复杂的电磁干扰问题，特别适应于大吨位、多设备、电磁环境非常复杂的现代舰船的电磁兼容性设计。
    在舰船电磁兼容性试验、测试和评估等方面美国处于世界领先地位。美国有世界上最大的电波暗室、混响室和核电磁脉冲试验场地，具有测试精度高、频段宽、功率大的试验设备。对装舰的设备除了进行常规的电磁兼容性检测外，还可进行强电磁脉冲，雷击和静电放电等考核。在强电磁脉冲和高功率考核方面，可以将设备、导弹等受试件整体“浸入”在一个宽频段、宽区域和高场强的电磁环境中(而我国对一些稍大的设备和导弹在频率较高时(大于1GHz)，只能采取局部照射高场强进行考核)；美国海军可以在海上对舰船抗核电磁脉冲能力进行试验和考核。
    位于美国马里兰州的美国海军航空兵作战中心拥有超过15个电磁环境效应(E3)的试验设施和场地，主要从事海军和空军的电磁环境效应研究、开发、试验和评估工作。包括电磁环境效应工程分析、试验计划、传导试验、故障诊断、推荐切实可行的解决方法以及研究与改进试验技术等。有了上述试验条件，保证了美国海军武器装备具备抵御强电磁威胁的能力。
    根据近几年国外资料分析，白海湾战争以来，美国开始重视海上武器平台电磁环境和战时电磁环境对舰载武器装备的影响以及各国联合作战中的电磁干扰问题，目前正在开展这方面的研究，提出了将目前的“舰船电磁兼容性设计”思想拓展为“舰船电磁环境效应(E3)设计”。以确保新研制的舰船在恶劣的E3情况下，具有良好的运行能力、生存力和安全性。
新的设计理念除了涵盖现有的舰船电磁兼容性设计内容外，在以下几个方面进行了拓展：
    · 海上武器平台情况下，其它舰船在本舰产生的射频(RF)环境频谱；
    · 海上电磁环境(雷电)效应；
    · 外部(或敌方)电子武器、核电磁脉冲、高功率微波脉冲核超宽带脉冲等产生的电磁感应。
    随着现代新技术和新材料的进步和成熟，美国海军认为现在已具备利用系统工程和全综合化技术来设计未来的舰船，其中一个关键的组成部分是综合化甲板面设计概念。它是将舰上的上层建筑设计与隐身设计和电磁收发系统的集成设计结合起来。已设计出了多功能电磁辐射系统，它可把敌我识别(IFF)、测向(DF)、联合技术情报分配系统(JTID)和超高频天线综合在一起。
    目前正在设计一种能把雷达、电子战和通讯设备等各项功能综合在一套天线中的多功能射频系统(AMRFS)。所有这些对舰船EMC技术提出了新的挑战。将舰船电磁环境效应对作战和指挥、控制与通信系统的影响有效地综合到甲板面设计中是今后舰船EMC设计发展趋势。
3 我国舰船EMC技术发展策略
3．1 具备先进的舰船EMC设计技术
    多年的实践证明，进行良好的总体EMC设计可以消除和控制规 体中大部分EMC／EMI问题。随着装舰的武器装备和传感器等设备的性能提高和数量的不断增加，大功率辐射设备与高灵敏度接收设备共场地布置，以及由此而产生的电磁频谱使用相互重叠并不断扩展等现象已给舰船总体EMC设计带来了很大压力和困难。
    为了满足现代舰船的EMC设计的需要，重点实验室加快了舰船EMC仿真实验室建设；加深了先进的舰船EMC数字设计技术研究，包括计算电磁学和计算机技术的研究；拓展了舰船EMC设计相关的模拟试验场地的功能，提高了试验技术水平和精度。
    同时，将EMC设备数据库、EMC检测数据库、EMC研究信息数据库、EMC外场试验数据库等离散的低级别的数据库进行整合与融合，系统地、完整地建立级别更高的舰船EMC设计数据库，并保留与其它军兵种的设计数据库的链接接口。解决各舰在分析和控制EMC问题时不能共享现有的舰船EMC设计成果和数据的问题。
3．2 具备舰船总体EMC评估能

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在近几年舰船总体EMC设计中，舰船现代化装备与EMC之间的矛盾日趋严重，出现了“设备增多、功能下降”的现象。这主要是设备增多恶化了设备问的EMI所造成的。使得总体不得不进行折衷设计，对某些设备在功能、频率和时间上限制使用；某些设备需分机使用，有的设备甚至不能有效发挥应有功能，这在实际上造成了设备的浪费。
    因此，对装舰的设备(包括飞机)和传感器应建立相应的数值和数学模型，逐步实现在计算机平台上进行舰船电磁兼容性设计，并在此基础上开展舰船总体EMC评估技术研究。研究中不仅关注强电磁环境对导弹和武备系统的电磁危害，而且研究弱信号产生的电磁干扰及其对舰上分系统和设备功能发挥的影响。
    在舰船方案论证阶段对全舰的EMC状况与舰船总体功能的相关陛进行评估和论证，即对各设备在舰上所处的电磁环境，干扰或被干扰状况，功能是否下降以及对全舰的EMC的影响进行分析评估。根据评估结果，在保证舰船战术功能不下降的前提下，对设备的装舰和适应舰上电磁环境进行EMC设计指导，保证装舰设备都能充分发挥其功能。



3．3 装舰设备进行恶劣电磁环境考核



    目前我国对装舰设备都按GJB151A／152A进行考核(有的按GJB151／152A系列进行考核)。只是注重设备或分系统间的传导和辐射干扰，而没有考虑外界，特别是战时的恶劣电磁环境对设备的危害。战时，舰船所经历的电磁环境是复杂和恶劣的，利用强电磁脉冲武器对电子设备进行打击和摧毁足现代战争的主要特征。电磁脉冲武器的能量可以耦合剑高频天线、桅杆、和金属壳体中，并在系统和电缆上感应出几十至几千安的大电流，专门破坏指挥控制机构中使用的电子系统，导致敏感的电子元器件、计算机芯片、电台、雷达系统、微波通信系统或其他大型电子系统在瞬间失效。
    我们一方面要进行舰船电子设备在强电磁辐射下的电磁防护和加固研究，另一方面应对装舰电子设备进行宽频段高场强、静电放电、雷击以及强电磁脉冲等恶劣电磁环境下的考核试验。
3．4 提高EMC诊断技术
    及时诊断、控制、解决现役舰船或需改装的舰船出现的EMI问题，是舰船EMC技术中的主要内容。事实上，一艘新战舰在交付使用若干年后，会出现一些新的EMI问题，有些问题可能表现出无因果关系，这给解决和控制此类干扰带来很大困难。国外针对此现象提出了EMC诊断和分析技术，包括“硬件”测试分析和“软件”分析，其最终目的是要解决实际的EMI问题。此外，EMC诊断技术还可以发现一些没有暴露或潜在的EMI问题，并及时控制和解决。
    在发展我国舰船EMC设计技术、强化舰船总体EMC评估能力的同时，加速舰船EMC诊断技术的发展，建立相应的数据库，对解决和控制现役舰的EMC问题至关重要，对新型舰艇的EMC设计也大有帮助。
3．5 建立分级频谱管理体系
    频谱问题一直是引发舰船电磁兼容性问题的主要因素，近几年来装舰设备增多和大量使用宽带发射系统使该问题愈加突出。其频谱拥挤问题具有两大特征，其一，在同一艘舰上装备数量众多的设备产生频谱拥挤问题；其二，是同一类型(型号)设备分装在不同舰上，当海上这类舰船数量增多或组成海上武器平台时就产生了海上武器平台频谱使用问题。而未来太空战中，天、空、地、海、潜、电磁战6维空间战场的设备密度更大、立体网络复杂，电磁频谱的使用率成倍增加，频谱拥挤程度和相互干扰程度将更加严峻。
    国外很早就开始进行舰船频谱管理技术研究，近几年还在进行联合作战体系的频谱管理技术研究。随着新军事变革的深入发展，我国必将建立全国范围内的分级频谱管理体系，重点实验室率先研究电磁频谱分级管理方法，建立舰艇总体和整个海上作战系统的电磁频谱分级管理体系，完善装舰设备(雷达和电子战设备)的频谱管理规范，进行应用基础研究，积累技术储备，以便在国家级频谱管理体系的建设中发挥更多、更重要的作用。
    首先，针对我国舰船装备的现状和发展趋势对单舰的频谱使用问题进行研究，从顶层对装舰设备的频谱指配和使用进行管理；其次，研制出具有频谱指配和频率使用管理功能的智能管理设备，能自动控制单舰因频谱问题而产生的电磁干扰；第三，根据舰船或海上武器平台的作战需求开展海上作战平台的频谱管理研究，制定相应的频率使用和指配方案，研制相应的控制装置抑制相应的电磁干扰，从总体布置与设计中减小舰船或海上武器平台的频谱问题；第四，适应联合作战的需求，研究与其它军兵种频谱管理技术的协同问题、数据接口问题、频率指配问题、标准规范及其它相关问题。
3．6 及时处理各种新技术带来的EMC问题
    进入2l世纪，各国都在强化新技术在军事方面的应用，我国也全方位、全领域、全系统地开展新技术的应用研究。尤其是以太空卫星为主体，地面活动卫星接收站、数位化微波系统和计算机程式控制系统等为辅的战备通信电信网路建设和使用，将促进舰船设计采用更多新技术、新方法、新设备。
    当这些技术应用到舰船有限空间时，会出现一些与EMC有关的问题，或者对舰船总体EMC产生不良影响，这是舰船EMC技术在新形式下遇到新问题。
    例如，隐身技术对舰船电磁环境的影响；传感器集成带来新的电磁兼容性问题；模块化技术的接口EMC问题；电力推进技术中的大电流磁场效应以及信息化技术中的EMI问题等。
    对每一个新技术的引进都要用EMC的观点对其进行分析，并及时发现和处理可能出现的EMI问题能，保证这些技术的功能能充分发挥。
    在解决大功率发射源干扰方面，可对装舰的大功率传感器加装特殊的电磁干扰控制措施和装置，例如，在短波大功率天线上加装调谐装置减小其近场危害，增大天线之间隔离度；在雷达天线上加装旁瓣抑制装置，减小了天线之间旁瓣的耦合，这些措施特别适用于多天线集中布置情况。另外研究各种舰艇通信系统干扰对消装置，加大通信系统内部传感器之间的隔离度，大大减轻舰总体的电磁兼容性设计负担。
3．7 研究海上武器平台情况下的EMC问题
    从国外有关文献报告来看，海上武器平台情况下的EMC将比单舰的更为严重和复杂，解决起来难度更大。美国近几年开始从舰船海上武器平台和联合作战层面来认识单舰的电磁兼容性，提出了“统一设计”的概念。
    舰船海上武器平台电磁兼容性和电磁干扰问题是一个复杂的系统工程，重点实验室从理论上对舰船海上武器平台的电磁环境特性及新概念、新技术进行探索与研究；分析海上武器平台中舰船的数量、舰型以及配置，对各单舰电磁环境特性的影响，分析舰与舰之间的电磁干扰问题；预测分析电磁干扰时，不仅采用近场耦合模型，而且要采用远场耦合模型，并对传感器的辐射方向图进行分析。研究适合海上武器平台试验的新方法和新技术，开展大型海上海上武器平台电磁兼容性试验，积累数据、进行技术储备。
4结束语
    我国在舰船EMC技术方面的研究已有近30年的历史，并取得了一定的成绩，与国外先进水平的差距正在逐步缩小。我们应保持这良好的发展势头。如今，EMC技术在舰船领域所处的地位越来越重要。新技术、新装备的发展对舰船EMC技术提出了新的和更高的要求和需求。这促使舰船EMC技术在新形势下要有新的发展。在这机遇与挑战并存在的条件下，我们应该抓住机遇，克服困难，力争在不久的将来使我国舰船ENC技术达到国际先进水平。