外军水面舰艇电磁兼容发展研究*

徐亚光 毛建舟

（海军大连舰艇学院信息系统系 大连 116018）

1 引言

电 磁 兼 容 性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是指设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态［1]。

它包括两层含义：一是设备、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现设计的工作性能，且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；二是设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰［2]。

舰船电磁兼容就是指运用合理的措施使舰船上的设备、电引爆武器、燃油、人体等在所处的电磁环境中不引起电磁危害和避免系统、设备出现不允许的性能降低的最优状况。

随着信息化武器装备的快速发展，武器装备的电磁兼容问题越来越引起人们的关注。海军是信息化武器高度密集的军种，尤其舰艇是承载大量信息化武器装备的海上作战平台，对电磁频谱依赖性大，电磁兼容问题更为突出。若不能很好解决这一问题，将制约海军战斗力的发展。美、俄等国是海军大国，拥有数量众多的海军舰艇，他们非常重视舰船电磁环境的研究和控制，研究外军电磁兼容技术现状和发展趋势对我海军水面舰艇电磁兼容研究具有借鉴和启示意义［3]。

2 外军水面舰艇电磁兼容现状

西方发达国家海军非常重视电磁兼容问题，投入了大量人力、财力，建立专门机构深入开展研究，使电子设备（系统）对恶劣多变的电磁环境的适应能力不断得到改善。特别是美国海军，其电磁兼容管理水平和技术水平处于国际领先地位。

2.1 规划管理机制健全

美国国防部组建了联合频谱中心（Joint Spectrum Center），以便改善电磁环境效应的整个控制，将潜在的干扰危害区划分为5大范围，每一范围需根据其自身的解决办法作一个详细的分析。该5个范围分别是平台间的电磁干扰、平台内的电磁干扰、现用商品研制设备的电磁干扰（EMI）、武器和军械系统以及频谱管理等［4]。

美国海军建立统一的管理和执行机构——特别战术电磁系统执行委员会，全面负责海军舰船电磁兼容工程，对电磁兼容管理有明确的政策。美国海军海上系统司令部，是美国海军舰船技术保障工作的主要组织者和主要实施机构。在其中一个工程处，专门设置一个机构叫舰船电磁兼容改进项目组，它负责整个海军舰船电磁兼容性技术的具体规划管理。对舰艇干舷部的设计，美国早在20世纪80年代初就在海上系统司令部专门建立了一个干舷部综合设计工程委员会（TIDEI），负责提出新舰设计和舰艇现代化改装时干舷部的工程设计方案。海军内部成立一个包括论证、设计、建造和验收、维修保障、使用等部门的人员组成的海军电磁兼容咨询委员会。这个委员会负责讨论、建议、提供所有的电磁兼容方面的技术咨询，它同时也鉴别和检查潜在的、实际的电磁干扰，并推荐解决的方法［5]。

美军为保障现役舰艇电磁兼容性，采用定期对现役舰艇进行电磁兼容性复测或检查的方法，实现了在使用过程中对舰艇电磁环境的全过程实施控制管理。第七舰队的横须贺基地在其修理设施的系统准备、检查和鉴定业务范围中，就专门包含电磁干扰的内容，它属于太平洋舰队维修中心的海军中级维修部门。美国海军要求每艘舰艇必须配有电磁干扰控制军官，并规定其职责是保持舰船总体电磁兼容的完整性。

俄海军舰艇天线林立，电磁兼容问题突出。为了有效控制舰艇电磁干扰，俄海军在装备设计和制造部门的帮助下，通过试验，为主战舰艇配有舰艇电磁兼容战斗文书。文书对舰艇雷达工作扇面、功率、频率等指标进行强制规定，对同型舰艇编队的方位、距离等要求均详细量化。文书由舰艇电子战军官保管，供舰长作战、训练时决策使用。

2.2 设计理念和方法先进

美国海军要求电磁兼容工作从装备研制初期开始，贯穿于寿命期的始终。明确电磁兼容工作阶段划分、工作内容和职责。这些在美国海军指令指示及标准中得到体现（如MIL-HDBK-237）。

国外在20世纪70年代就十分重视EMC预测与分析的研究，一些发达国家的研究部门在采用物理仿真的同时，开展了EMC数学建模工作。到80年代后期，已研制开发了多种舰船电磁设计工具（或软件），用于分析处理现代舰船总体设计中的电磁干扰问题，并建立了大型的数据库中心，为预测分析服务。90年代，着重于电磁工程设计中计算机图形技术、三维显像技术和电磁计算方法研究。

综观电磁兼容性技术发展，大致分为以下三个阶段：1）问题解决法，出现干扰问题再解决，这是在发展早期采用的方法；2）标准规范法，以标准规范中所规定的技术参数指标为最终实现的目标，这是经过一定时间实践后所采用的主要方法；3）系统法，应用现代先进计算机技术，以标准规范为指导，对未来的电磁兼容性控制目标进行不断地优化预测设计，同时对整个设计建造过程实施控制管理，提高了效费比，这是目前最为科学的方法。［6]

美国海军已走过了问题解决法和标准规范法阶段，目前主要采用先进的系统设计法。美国海军以大型的数据库为支撑，运用数学建模，采用先进的电磁设计工具和可视化技术，实现电磁兼容仿真设计。目前国外先进的舰船电磁数字仿真系统由美国海军海上系统司令部与洛克威尔公司联合开发研制的舰船电磁工程设计软件和欧洲IDS公司的“Ship EDF”舰船电磁设计平台等。

2.3 试验及评估手段完善

美国拥有多个用于不同试验目的电磁兼容实验室，可以开展从设备级、系统级到总体级的电磁兼容性研究和检测，可以有效解决验证、评估、验收问题。

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和改进试验技术等。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。

如美国海军航空兵，其规模最大的电波暗室体积为55m×55m×18m，可容纳波音707飞机进行整机试验。此外，还建有技术先进的混响室。测试精度高、功率大，其测试频率20Hz～40GHz，产生的辐射场强高达1000V/m。拥有对复杂电磁环境效应进行研究、开发测试以及评估的能力。对装舰的设备除了进行常规的电磁兼容检测外，还可进行强电磁脉冲、雷击和静电放电等考核。在设备强场考核方面，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进行考核。美国国军标MIL-STD-461D明确提出了设备或分系统需要在10KHz～40GHz频段内进行电场辐射敏感度试验的规定，即：海军水面舰船甲板上设备（包括武备）要求承受200V/m的场强外，还要进行50kV瞬变电磁场辐射敏感度试验。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［7]。

3 外军水面舰艇电磁兼容技术发展趋势

3.1 功能集成

功能集成是将不同功能集中使用同一天线或天线阵列实现，从很大程度上减少了所须安装天线的数量。功能集成涉及所集成设备的整合以及协调，需要总体设计部门根据舰船总体的性能指标对集成设备的功能和指标进行把握控制。

美国海军研究局早在1995财年就着手实施先进多功能射频概念计划，采取共用宽带阵列天线、信号与数据处理、信号发生和显示硬件，实现雷达、通信和电子战在内的多种RF功能一体化，拟将洛马公司的高波段多功能接收阵列、雷声公司的低波段多功能接收阵列、诺斯罗普。格鲁曼公司高波段发射阵列和低波段接收阵列进行集成，将雷达电子战和通信功能集成到一套天线中。2004年11月，美国海军实验室宣布，AMRFS（多功能射频系统）已经成功实现在6GHz～18GHz范围内的集成功能，并将继续开展第二阶段工作，研究如何利用宽带隙放大器技术和数字合成技术，以进一步提高功率和效率［8]。

通过综合射频技术，利用分布式多功能射频孔径取代舰艇上大量分散的射频传感器，采用开放式、可重构、模块化、共形化的射频系统，结合软件上的功能控制和资源管理，以实现舰艇上雷达、电子战、通信和导航的功能综合。功能主要由软件定义，显著降低了升级成本，射频系统共用，降低了专用备件的数量，功能一体化减少了操作和维护人员。通过更加智能和灵活的频率管理，加强了电子干扰和兼容性问题的控制。

3.2 空间集成

空间集成技术实际上是隔离法的一种演化发展，即使用特殊技术手段实现各设备的空间集中布置，同时保证各设备的正常工作。

空间集成技术的代表当属集成桅杆技术。集成桅杆是将电子设备的集成天线或独立天线封装在具有频率选择复合材料制成的桅杆内。集成天线桅杆技术的原理在于应用八角形横截面组成的结构，这种结构是由雷达波吸收材料构件制造的。天线桅杆的基本结构就是由钢制栅格和包覆它的雷达波吸收材料构件组成。桅杆顶配置有旋转的多功能雷达。下面是电子支援测量天线、电子干扰发射机、UHF和VHF通信天线，以及I波段和E/F波段导航雷达，所有这些都装在传感器的壳内。桅杆的每一段是制成标准模块形式的，按安装的传感或通信设备的特点在里面进行了个别改装。集成桅杆结构的频选材料是由渗有导电石墨合成材料构成（频率选择的表面层是合成材料的一个层面）。导电层有阵列小孔，这些小孔对电磁波起到频选、滤波的作用。因为通带很窄，所以能对封装在里面的天线有效地屏蔽掉除本身工作频率外显示高雷达反射截面的所有频率［9]。

美国DDG1000新型驱逐舰装备固定四面阵天线的多功能相控阵雷达，采用先进多功能射频系统（AMRFS），将雷达、电子战、通信等设备按照频率相同或相近进行射频集成，并按照频率高低自上而下布置在上层建筑侧壁上。Vosper Thornycroft公司早在1998年12月就已将完成的设备交付给英国防御评估研究局，第一阶段试验内容包括研究频率选择表面层壳体在天线发射时的效果，研究在频率选择表面材料后面产生的热效应，以及波形和从集成天线桅杆设计得到改善的EMC试验。第二阶段试验将有实尺度集成天线桅杆的结构以及在英国防御评估研究局新船上的海上试验。海上试验将评估有关的设计和集成天线桅杆的工作情况，也将进一步定量改善传感器的特性，减少波瓣，改善EMC和降低维修经费等问题。英国的CVF型新航母的封闭式桅杆将各种雷达、通信天线设计成平面式或球形阵列天线，封装在桅杆内［10]。

3.3 EMC预测仿真技术

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设计。积极主动地预防电磁干扰和电磁兼容的设计方法，是现阶段电磁兼容研究的重要方法，也是电磁兼容未来发展的主要方向。电磁兼容数字仿真，以计算机技术为基础进行数学建模和仿真计算。据资料报道，美国海军用于舰艇外部通信系统设计的EMC测试、散射、反射的软件已达到实用的水平，可满足工程应用的要求［11]。

3.4 EMC试验技术

电磁兼容技术的发展离不开试验技术。总体、系统级安全裕量，电磁场对人员、武器装备、燃油的危害效应和抗核电磁脉冲效应试验等方面尤为值得关注。新型测量仪表、仪器设备的开发研制和新技术在电磁兼容标准中的应用，试验设备和设施体现出宽频带、高场强的特点。为满足军用装备发展的需要，必须建立相应的检测手段。EMC试验技术向自动化、集成化方向发展［12]。

4 结语

为了适应我国海军舰艇装备信息化建设和战略任务的转移，电磁兼容技术必须同步跟上，以适应新的作战概念、作战能力和新武器装备的需求。电磁兼容性将是制约舰艇编队作战能力发挥的关键技术。因此，开展战场电磁环境效应研究，加强武器装备电磁危害的防护，提高武器装备在未来战场上的生命力，在海军舰船总体设计中是至关重要的。通过研究国外海军舰艇总体电磁兼容设计技术，了解国外海军电磁兼容技术的发展趋势，对我海军舰艇电磁兼容技术的发展具有很大的借鉴和启示意义。