基于区域控制的潜艇总体电磁兼容设计方法研究＊

黄龙水 熊 勇 谢小云

（1.海军驻武汉七○一所军事代表室 武汉 430064）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

（3.武汉数字工程研究所 武汉 430074）

1 引言

电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）是设备和系统的一种能力，即设备和系统在其电磁环境中能够完成规定的功能，且不至于向其环境中产生不能忍受的干扰[1～2]。舰艇总体电磁兼容设计与控制的目标就是要确保舰艇上设备和系统的电磁兼容性，发挥其作战效能[3～4]。

现代主战潜艇一般都包括十几个系统和上千台设备，这些设备安装在船体结构上，组成了一个工程上完成指定任务的复杂的巨系统[4]。

潜艇的空间狭小、设备密布，既有不同频率、不同电平、不同波形的信号传输，又有设备间、电缆间、设备与电缆间等通过多种耦合途径而产生的骚扰能量的存在，这些都使得潜艇内部的电磁环境异常复杂而恶劣。

潜艇的总体电磁兼容设计与控制[5]是潜艇研制中的重要环节，其设计好坏直接影响了潜艇总体设计的成败和潜艇作战使用。

潜艇的电磁兼容性设计和控制一方面是要求减小电磁干扰，使潜艇中的电磁干扰得到消除或者抑制到最低可承受程度；另一方面是加强潜艇上各设备、系统抵御外界影响、适应复杂电磁环境的能力。要达到这一目的必须要有一个良好的总体电磁兼容设计控制方法和模式。

目前电磁兼容设计方法有问题解决法、标准控制法（规范法）和系统法三种[6]。潜艇总体电磁兼容设计和控制方法主要以标准控制法为基础，即遵循和贯彻相应的电磁兼容标准规范，严格要求各装艇设备和分系统必须符合这些标准。这种方法比原始的“问题解决法”先进合理，大大降低了全工程的电磁兼容风险。但是，基于标准控制法的设计为共性化设计，各种EMC标准是从实践经验中综合提炼出来而提出的一些普遍性的指标和要求，往往忽视了具体应用平台、特定区域电磁特性，针对性不够强，因而容易导致特定平台电磁兼容性的欠设计而引起电磁兼容性问题，或过设计而降低了工程的效费比。因此标准控制法在应用中，需要根据工程型号电磁环境特点，对EMC标准进行适当剪裁，提高其应用的针对性。

本文将根据潜艇各区域电磁环境的分布特点，针对潜艇分舱分区域分系统布置的总体情况，提出一种初步的分舱分区域的总体电磁兼容设计和控制方法，作为标准控制法的补充，以期实现潜艇总体电磁兼容的个性化设计和精细化控制，降低总体电磁兼容的过设计和欠设计。

2 区域级电磁兼容设计方法

2.1 潜艇平台的区域电磁环境特点

由于钢结构对电磁能量具有良好的屏蔽能力，潜艇的耐压壳体结构可以极大的衰减电磁能量，使得耐压壳体对其内外的电磁能量起到去耦合作用。因此，潜艇的总体电磁兼容设计被自然的划分为两个截然不同的大区域，耐压壳体外部（舰面区域）和耐压壳体内部（舱内区域）。

耐压壳体结构外部的指挥室围壳区域（图1）集中布置了潜艇所有的射频天线，而舱内则布置有潜艇的水舱、燃油舱、居住舱室、蓄电池组、推进系统和各种保障设备和电子电气设备等。

一般来说，潜艇内部的潜在电磁干扰源主要包括各种大功率电力电子变换装置，例如主推进电机，各种发电机系统等，而潜艇内部的电磁敏感设备则主要为各种声纳、导航和通信接收机等电子设备。

潜艇耐压壳体内部的区域采取隔断分舱的设置（图2），隔舱壁和各层间平台板以及周围的耐压壳体结构的屏蔽作用使得舱内的各个隔断舱、各个封闭舱室形成了相对独立的电磁小环境。以德国212型潜艇为例，艇上主要的潜在干扰源如永磁推进电机、柴油发电机组和燃料电池AIP系统等电力电子变换装置布置在艇上IV、V、VI舱，而敏感设备如声纳系统、导航系统、通信系统、作战系统等电子设备集中布置在II舱，少量布置在I舱，Ⅲ舱则为人员居住区域。这样的总体布局减少了空间辐射干扰的传播途径。

图1 潜艇射频天线布置

图2 潜艇耐压壳体内分舱基本设置

综上所述，潜艇平台的区域电磁环境特点可以总结如下：

1）潜艇舰面区域：各种射频天线集中布置，造成该区域的电磁环境以电场辐射环境为主，需重点关注天线间的相互作用和人员的射频安全。

2）舱内潜在干扰源布置区域：各种大功率电力电子变换设备集中布置，造成该区域的传导型和辐射型电磁环境均异常恶劣，需重点关注该区域设备系统的自兼容性以及产生的干扰通过电缆传导耦合和地电流传导耦合方式对其他区域设备的影响。

3）舱内敏感设备布置区域：各种敏感电子设备集中布置，电磁环境较好，需重点关注该区域设备系统的自兼容性以及外部产生的干扰通过电缆传导耦合和地电流传导耦合方式对该区域设备的影响。

4）舱内人员居住区域：人员集中居住，电子电气设备较少，电磁环境较好。

2.2 潜艇分舱分区域电磁兼容控制方法

2.2.1 分区域控制方法的依据和考核限值

GJB 151A电磁兼容性标准中明确规定：为了避免电磁兼容性欠设计和过设计，对于在特定系统或平台内使用的设备或系统，当具体电磁环境和工程分析表明本标准的要求不完全适用时，可对标准要求进行剪裁，加严或者放宽要求，以满足整个系统的性能，提高效费比，降低成本[7]。

潜艇平台各个系统的电磁特性各具特色，各区域的电磁环境具有很大的差异，区域电磁环境实测数据对于特定区域或系统（特别是同类型的系统和相似的区域）给出了选用和裁剪EMC标准的技术依据。

潜艇的工程设计遵循“母型法”[9]，潜艇区域级总体电磁兼容性设计的主要依据为母型艇成功范例的各区域的电磁环境实测值。因此，潜艇区域级电磁兼容设计和控制的思路可以总结为以相应的电磁兼容性标准规范为基础，结合母型艇各特定区域的实测数据，综合分析提出各区域电磁环境的设计值以及对应区域各设备和分系统的电磁兼容控制项目和控制限值。

综上，区域／舱室设备和分系统的考核限值应在现行标准的基础上，结合母型艇成功范例的实测值进行剪裁，并最终确定。

2.2.2 分区域控制方法的框架结构

设备和分系统的电磁兼容性测试标准最早由美军于1964年以美军标 MIL－STD－826[10]提出，该标准是美军各军种通用的设备电磁兼容性测试标准，其基本框架一直沿用至今。它将设备电磁兼容性测试分为四类：传导发射（Conducted Emission，简写为 CE）；辐射发射（Radiated E－mission，简写为 RE）；传导敏感度（Conducted Susceptibility，简写为CS）；辐射敏感度（Radiated Susceptibility，简写为RS）。这四类测试项目的结果可以完整的表征设备和分系统的电磁兼容性。我国军标参照了MIL－STD－826，对设备的电磁兼容性要求和测试分为CE、RE、CS、RS四类[7～8]。

根据相关电磁兼容性标准并结合潜艇平台的区域电磁环境特点，下面提出了分舱分区域的总体电磁兼容设计和控制方法，其基本框架如图3所示。

图3 潜艇平台分舱分区域电磁兼容设计框图

潜艇分舱分区域总体电磁兼容设计与控制方法：

1）舰面区域电磁兼容性设计与控制

（1）控制舰面区域人员活动区的射频场强，必须低于开放区域射频辐射考核限值。

（2）舰面区域“天线集合”设计，通过合理的布局，确保天线的耦合度符合要求，天线方向图畸变控制在允许的范围内，避免接收机的功率倒灌和阻塞干扰。

2）舱内区域电磁兼容性设计与控制

（1）人员居住区域／舱室电磁兼容控制：控制舱室内射频场强低于舱室内部射频场强考核限值，满足人员射频场安全要求。

（2）舱内潜在干扰源布置舱室／区域电磁兼容控制：

·控制舱室／区域内设备和分系统的CS、RS考核项目，须满足考核限值。

·控制舱室／区域内设备和分系统的CE项目、地电流发射项目，应满足考核限值。

·舱室／区域内设备和分系统的RE项目不做严格控制，但舱室／区域内射频场强要求应满足舱室内部射频场强考核限值。

（3）舱内潜在敏感设备布置舱室／区域电磁兼容控制：

·控制舱室／区域内设备和分系统的CS、RS和地线注入项目，须满足考核限值。

·控制舱室／区域内设备和分系统的CE项目，应满足考核限值。

·舱室／区域内设备和分系统的RE项目不做严格控制，舱室／区域内射频场强要求满足舱室内部射频场强考核限值。

3 结语

基于区域控制的潜艇总体电磁兼容设计与控制方法，是对标准控制法在潜艇平台上应用的补充。该方法针对潜艇不同舱室／区域的电磁环境特点，采用分舱分区域控制策略，对潜艇总体电磁兼容性实施更精确的设计和控制，目的是克服单纯采用标准控制法可能引起的电磁兼容性欠设计和过设计，降低总体电磁兼容性设计风险，提高工程的效费比。

[1]周开基，赵刚.电磁兼容性原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

[2]Tim Williams，Keith Armstrong.EMC for Systems and Installations[M].Newenes，2000.

[3]周玉兰，牟安成.海军舰船电磁兼容性技术[M].北京：海潮出版社，1999.

[4]候东云，孟凡民.舰船系统级电磁兼容性要求[J].舰船电子工程，2004（5）：93－94.

[5]王海生，刘洪生.潜艇电磁兼容控制[J].安全与电磁兼容，2005（2）：93－94.

[6]路宏敏，余志勇，等.工程电磁兼容[M].第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[7]GJB 151A－97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》，1997.

[8]GJB 152A－97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》，1997.

[9]马运义，许健.现代潜艇设计原理与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2012.

[10]MIL－STD－826《Electromagnetic interference test requirements and test methods》，1964.