軍事電子(10)

摘要：對(duì)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(duì)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(wèn)題對(duì)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(guó)軍方的高度重視。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，以過(guò)密電磁輻射頻譜運(yùn)行的武器系統(tǒng)的激增，造成戰(zhàn)場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)以足夠接近的頻率和間距運(yùn)行時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電磁干擾。其對(duì)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(wú)法探測(cè)敵方目標(biāo)、引信過(guò)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(wèn)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(zhēng)中具有極其重要的作用，在對(duì)敵作戰(zhàn)中，常常要靠它們來(lái)?yè)屨枷葯C(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(shí)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(lái)設(shè)備之間的相互干擾問(wèn)題也不能忽略，因此，各設(shè)備之間的EMC已是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。隨著機(jī)載電子設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量的不斷增加，它們所占用的電磁頻譜越來(lái)越寬，所傳輸?shù)男畔⒘吭絹?lái)越大，因而機(jī)載電子設(shè)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(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(duì)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(xiàn)和圖形布線(xiàn)、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?chē)?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(duì)策技術(shù)
  
　　在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，電子對(duì)抗和電子干擾貫穿于戰(zhàn)爭(zhēng)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(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(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。
   
　　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(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(lái)的現(xiàn)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(xiàn)象，但它對(duì)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(chǎng)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(duì)TV、無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的前端(高頻端)有影響以外，對(duì)電話(huà)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(chǎng)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(gè)重要組成部分。在現(xiàn)代戰(zhàn)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(shè)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(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(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(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(zhǎng)，在先導(dǎo)——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(jì)算機(jī)等微電子設(shè)備帶來(lái)的危害也是相當(dāng)嚴(yán)重的。雷電脈沖通常通過(guò)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。

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　　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(lái)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(gè)迫切要求。具體地說(shuō)，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(cuò)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(xiàn)和輸入線(xiàn)、輸出線(xiàn)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(duì)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(xiàn)上的信號(hào)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?qū)Ь€(xiàn)的適當(dāng)位置安裝濾波電路。目前，國(guó)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(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(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(guó)外迅速普及并發(fā)展起來(lái)，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(yán)重的是，計(jì)算機(jī)的電磁發(fā)射信號(hào)不但頻譜成分豐富，而且攜帶信息，因而對(duì)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(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(lái)的就是數(shù)據(jù)保密問(wèn)題。保密的其中一個(gè)內(nèi)容就是如何防止竊聽(tīng)。
   
　　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(huì)泄漏電磁波，而且與這些設(shè)備連接的數(shù)據(jù)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(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(tīng)的對(duì)象。通過(guò)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(guó)對(duì)信息技術(shù)設(shè)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(jì)劃、有組織、有針對(duì)性的研究。
   
　　從八十年代初期開(kāi)始，西方諸國(guó)正在迅速開(kāi)展一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)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(wèn)題的活動(dòng)。這個(gè)活動(dòng)被稱(chēng)為T(mén)EMPEST。而美國(guó)實(shí)際上早在五十年代就已開(kāi)始實(shí)施這項(xiàng)研究計(jì)劃，由美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)和國(guó)防部(DoD)聯(lián)合進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，列為絕對(duì)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(shuō)是EMC研究體系中的一個(gè)獨(dú)立的分支。目前，國(guó)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(duì)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(shè)備為對(duì)象，其目的是使有用信息尤其是一些涉及國(guó)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(jué)間通過(guò)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(guó)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(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。
   
　　TEMPEST技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)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(cè)試設(shè)備與測(cè)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(dòng)化系統(tǒng)；TEM—PEST測(cè)試可分為T(mén)EMPEST設(shè)備的檢測(cè)和TEMPEST屏蔽機(jī)房的檢測(cè)兩個(gè)方面。
    C．TEMPEST標(biāo)準(zhǔn)的研究：歐美各國(guó)均有嚴(yán)格的TEMPEST技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并由國(guó)家安全部門(mén)直接控取水平的不斷提高，各國(guó)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(guó)家安全，軍用電子裝備對(duì)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(jié)束語(yǔ)
   
　　綜上所述，現(xiàn)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(hù)新技術(shù)將發(fā)揮極其重要的作用。然而，我國(guó)對(duì)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(guó)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為開(kāi)展電磁兼容性預(yù)測(cè)、分析和設(shè)計(jì)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(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(mén)對(duì)這項(xiàng)研究的認(rèn)識(shí)提高和日益重視上，這標(biāo)志著我國(guó)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(dá)到了一個(gè)新水平。