車載雷達信息系統電磁兼容工程化設計

武志偉,黃傳林

(1.海軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室,南京 211153;2.中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

車載雷達信息系統是一種以載車雷達為基礎環境構建的指揮信息系統,主要由載車雷達、各功能車輛、方艙、指揮信息系統設備等硬件、軟件組成,是一個多要素的綜合體,主要功能特點包括機動性、安全性、自備能力、惡劣環境適應能力、高可靠性等。

電磁兼容性是支撐車載雷達信息系統在戰場環境生存能力的一個最基本要求。車載雷達信息系統要將完成系統功能的各型、各類電子設備集成安裝在一個環境如車載式方艙車廂箱體內,同時系統的電磁兼容性能應滿足相關的國家標準、國家軍用標準、行業標準中的電磁兼容指標。通過具體的工程化設計達成電磁兼容性能或提升電磁兼容能力,是車載雷達信息系統集成建設的重點與難點之一。本文主要從工程實施的角度,對車載系統集成過程中的要素、流程、方法以及常見的問題進行分析。

1 設計需求

電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作,且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力[1]。車載雷達信息系統的電磁兼容性能,從總體要求方面,主要考慮系統各組成設備的電磁性能的符合性、組成系統的各功能分系統電磁兼容符合性、各功能分系統集成為系統整體的電磁兼容性;從實現技術方面,主要考慮解決干擾源的抑制達到滿足要求;從安全性考慮,主要解決抗干擾、抗輻射的能力,達到對人員與作戰武器的有效防護[2-3]。

車載雷達信息系統需要在車內空間加裝各類電子設備,各設備之間的電磁兼容問題解決不好會影響單車或多車信息系統的功能指標問題。應解決的電磁兼容問題如表1所示。

表1 車載雷達信息系統的電磁兼容問題

在現代戰爭中,車載雷達信息系統可能會存在諸多電磁安全問題,包括電磁信息泄露、強電磁干擾破壞和電磁特征暴露等。目前綜合采用屏蔽、組合濾波、整車電磁防護設計、關鍵器件測試驗證、電磁兼容仿真與測試以及對電磁兼容實現的評估和管理。

2 工程化設計

工程化設計的原則就是從電磁兼容三要素出發,在滿足用戶要求的費效比前提下,通過消除或降低干擾源的干擾、切斷或削弱干擾途徑,提高設備的抗干擾能力。本文重點闡述設備內的電磁干擾問題。

2.1 電磁兼容性主要控制方法

車載雷達信息系統解決電磁兼容問題的主要方法包括傳輸通道抑制、空間隔離、時間分離和電氣隔離。

2.1.1 傳輸通道抑制

傳輸通道抑制的具體方法有屏蔽、濾波、接地、搭接、合理布線等。

(1)屏蔽

屏蔽是利用屏蔽體來阻止或降低電磁騷擾能量的傳播。根據其作用方式,屏蔽可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽3類。屏蔽不僅能有效抑制輻射干擾,還可以顯著降低靜電干擾、電容耦合和電感耦合等干擾。

車載系統集成的屏蔽包括機箱屏蔽、車廂屏蔽和電纜屏蔽等3類:

設備機箱屏蔽。根據屏蔽效能要求,選用鋁、銅、合金等不同材料進行屏蔽,對于接縫處理,可采用增加接縫面積、使用電磁密封襯墊等方法;顯示窗口一般可采用屏蔽玻璃的方法;對通風窗口,可采用屏蔽金屬絲網、截止波導通風孔等方法。

車廂屏蔽。一般采用鋁、鋼、合金等材料,對于接縫、顯示窗口、通風窗口的處理與設備機箱類似。

電纜屏蔽。包括電纜線自身屏蔽及電纜與接插件連接的屏蔽?？筛鶕枰钠帘涡Чx擇不同的屏蔽方式,比如金屬線編織層、薄鋁箔屏蔽層、半鋼性或柔性波紋管,對于不同頻率,電纜兩端可采取不同的屏蔽接地方法。

(2)濾波

濾波是對信號頻譜進行過濾,通過分離我方需要的頻率分量和其他騷擾頻率分量,并消除或抑制其他騷擾頻率分量的操作。通過抑制騷擾信號在信號線或電源線上傳播的途徑,可以有效減少電磁干擾對設備的影響。因此,合適的濾波器的設計、選擇和正確使用對于抑制干擾非常重要。

在電源線上,一般可使用電源濾波器、鐵氧體磁環;在信號線上,一般可使用帶通濾波器,或帶濾波功能的連接器或鐵氧體磁環。

(3)接地

接地是電子設備工作中重要且關鍵的技術措施,用于實現必要的抗干擾功能,可以分為安全接地和信號接地兩類。接地就是為電路或系統提供一個零電位參考點,同時也為電路或系統與地之間搭建起低阻抗通路。

在車輛的外部接口板上一般設有接地柱,系統工作前使用接地電纜連接地樁,并可靠接地。當系統使用交流電時,必須要保證設備安全接地和接零保護接地。另外,在整車系統的雷電保護措施中,車輛的防雷接地一般由避雷針、下導體和接頭組成。

信號接地為系統中的信號電流提供低阻抗路徑,使其回流到信號源。根據不同設備的需求,電路和設備的接地方式可以分為單點接地、多點接地、混合接地和懸浮接地等幾種方式。

2.1.2 空間隔離

空間隔離是一種可以有效抑制空間輻射騷擾和感應耦合騷擾的方法。通過增加干擾源與敏感設備之間的間隔與距離,使環境中的干擾電磁場在到達敏感設備時,其干擾強度衰減到其敏感度閾值以下,進而達到抑制電磁干擾的目的?？臻g隔離也包括在有限空間內調整騷擾源輻射方向和控制騷擾源電場、磁場的空間取向。例如,在車輛內部配置各種通信設備時,由于空間有限,需要采取措施避免天線間的相互干擾(即天線之間的耦合)。常見做法是增加天線之間的距離,或控制天線方向圖的方位角,從而實現空間的分離。

2.1.3 時間分離

大丫說，她讓老K給騙慘了。是在文革的時候，老K把小禿子領到一個空房子，在水泥地上騙奸了她。以后又有了好幾次這樣的事。然后老K把她給蹬了。一夜工夫，小禿子剩下的頭發全都掉光了，丑透了，總戴個頭巾。后來，小禿子做了一個假發套，當妓女了，被抓過多次。你說，這不都是老K造的孽嗎？

時間分離方法是當使用其他方法不能較好地抑制,且干擾源非常強時,在干擾信號停止傳輸的階段傳輸有用信號,或者為了防止強電磁干擾導致的損壞,當強干擾信號發射時,暫時關閉易受干擾的敏感設備的方法,包括主動時間分離和被動時間分離,其中主動時間分離適用于有用信號和干擾信號出現時間有確定先后關系的情況;被動時間分離則須要根據干擾信號和有用信息的出現特點,迅速封閉其中一個信息,以確保時間上不重疊、不疊加的信號條件。

2.1.4 電氣隔離

電氣隔離是防止回路內信息傳輸干擾的最有效手段,而且還保證了信息的正常耦合傳遞。常用的電氣隔離與耦合方式包括電氣耦合、電磁耦合、電光耦合等。直流DC/DC變壓器間可降低共電源內阻影響,而信號線間也可通過電光隔離來降低干擾。

2.2 工程設計流程

車載雷達信息系統電磁兼容性工程設計是一個循環上升的過程,通過反復分析、設計、實施、測試、整改,最終完成系統的工程設計。具體流程如圖1所示。

圖1 電磁兼容性工程設計流程

2.2.1 部件選型

根據用戶對系統總戰術技術指標的要求,結合系統的總體技術設計,合理選擇系統中的不同部件,具體包括接插件選型、電纜選型、設備選型、天線選型等。

2.2.2 設備、電纜、天線等布局設計

完成部件選擇后,結合人-機-環操作使用要求、電磁兼容要求,對設備、電纜、天線等部件進行布局設計。

2.2.3 系統布局設計

當車載雷達系統在野外開設時,應能實現對地理環境的探測,包括周圍環境中山、樹、河流等地理狀況,從而找到比較開闊的地域,以利于電臺等設備的良好通信。在考慮車載雷達信息系統所處空間狀況的同時,還應對周圍的電磁環境進行測試[4]。

2.2.4 屏蔽、濾波與接地

除了部件(設備、天線、電纜)選型及其合理布局,采取的控制方法是進行合適的屏蔽、濾波和接地。

2.2.5 測試與評估

在系統完成設計和初樣之后,須測量和評估電磁兼容。系統級測試[4-5]一般包括系統級電磁兼容一般性檢查;車載平臺電氣系統電磁兼容性測試[4];電源系統電磁兼容性測試;無線設備輻射發射特性測試;無線設備同臺多機性能測試;系統內其他設備干擾試驗計劃屏蔽效能測試;發射控制試驗;關鍵設備安全裕度測試;系統電磁兼容性能評估。其中系統電磁兼容性能評估內容主要包括系統內所有設備能夠正常工作、系統工作時不會對外界或人體產生損害、系統具有抵抗外界電磁干擾的保護能力(防雷、防靜電、電源過壓保護等)以及系統的可靠性指標等。

2.2.6 組織管理

電磁兼容性管理貫穿系統全壽命期的各個階段,是一項復雜的系統工程,一般應包括分析系統電磁環境、明確電磁兼容性要求;建立電磁兼容性管理和協調程序;制訂并實施電磁兼容性實施計劃,明確各階段電磁兼容工作內容和進度要求;電磁兼容性預測與分析;系統使用頻率管理,包括報備、報批;電磁兼容性能測試、評估;電磁兼容故障診斷;電磁兼容培訓等。

3 結束語

車載雷達信息系統工程化設計是一項十分艱巨的工作,必須滿足功能性能要求,特別是工程化、一體化、綜合化要求;重視標準的應用;重視車載信息系統集成在電磁兼容方面的能力與效率,確保電磁兼容問題解決在定型前狀態。

本文總結了車載雷達信息系統的電磁兼容工程化設計方法,主要分析了車載雷達信息系統的構建工藝、設備/器件選型、布局部署、測試及管理等整個流程,可為相關設計提供一定的參考。