高功率微波车辆迫停的效应机理分析

鄢振麟，许建军，肖开奇

(电子信息控制重点实验室,四川成都　610036)



高功率微波车辆迫停的效应机理分析

鄢振麟，许建军，肖开奇

(电子信息控制重点实验室,四川成都610036)

通过分析车辆电子控制单元输出的点火开关和燃油喷射信号波形在高功率微波辐射条件下的演变过程,阐明了高功率微波致使车辆发动机熄火的原因。研究结果表明,电子控制单元受到微波辐射扰乱后,点火开关信号发生意外丢失,燃油喷射信号脉冲重复周期迅速缩短,造成发动机气缸内喷入过量燃油,火花塞无法点燃油气混合物,迫使发动机转速下降甚至熄火。通过分析车辆发动机的点火系统工作原理,提出了根据监测车体辐射电磁信号获取车辆易受攻击的敏感频段的试验思路。

高功率微波;车辆迫停;电子控制单元(ECU);电磁脉冲;电磁辐射

高功率微波技术经过40余年的发展,在微波攻击武器、高功率雷达、功率输送、等离子体加热和高能粒子束加速等领域有着广泛的应用前景[1]。近年来,高功率微波技术开始应用于重要场所安全保卫和警用安防等领域。基于高功率微波技术研制的车辆迫停系统可应用于要害部位防止冲击哨卡、随行车队保护和追缉嫌疑人员车辆等多种场合,具有快速部署、攻击隐蔽、无附带性损伤和多目标攻击等特点,将成为未来公共安全装备发展的重要力量。

目前高功率微波车辆迫停系统主要有两种体制,分别是宽带和窄带体制。宽带车辆迫停系统的基本原理是通过脉冲压缩产生超高压脉冲并作用于高气压气体开关。超高压电脉冲击穿气体开关后,产生射频脉冲并通过天线辐射,形成ns级高功率电磁脉冲。典型的宽带体制代表产品如图1(a)和(b)所示[2]。图1(a)为美国Eureka公司的微波迫停系统,该系统的输出频率为350MHz～1350MHz,Marx发生器输出电压为640kV,脉冲重复频率为100Hz,单个脉冲能量达130J。图1(b)为德国DIEHL公司车辆迫停产品,系统输出峰值功率为4GW,脉冲重复频率为60Hz,中心频率为350MHz,3dB带宽为50MHz,最大辐射脉冲串持续时间为180s,针对具备电子引擎控制的75%的车辆的迫停距离为3m～15m。窄带高功率微波车辆迫停系统研制单位主要有美国陆军实验室(ARL)和英国e2v公司。图1(c)为美国陆军实验室研制的用于公路执法车上机动使用的车辆迫停系统,据报道该系统采用了峰值功率为2MW的微波功率源,辐射天线增益为13dB,等效辐射功率约为40MW[3]。图2(d)为英国e2v公司最近研制的RF Safe-Stop System工程样机,未披露具体参数信息。国内研制车辆迫停系统的单位主要有中国工程物理研究院和中国电科29所,其中中国工程物理研究院研制的宽谱电磁脉冲试验系统的参数[4-6]为:Marx发生器输出电压达500kV,脉冲重复频率为20Hz,辐射因子为195kV,中心频率为200MHz,频谱宽度为37%。

图1　国外代表性的车辆迫停系统[2-3]

关于车辆迫停领域的文献报道主要集中于系统的主要性能及参数,而针对作用对象(即车辆)的研究报道并不多见[7-8]。本文旨在分析高功率微波对车辆扰乱的效应机理,通过测定车载电子控制单元(ECU)输出信号,阐明了高功率微波攻击车辆致其熄火的原因。通过分析车辆发动机的点火系统工作原理,同步监测车体辐射电磁信号,获取车辆易受攻击的敏感频段的重要数据,有利支撑车辆迫停系统的研制工作。

1　高功率微波辐射对ECU的扰乱效应

高功率微波一般通过“前门”和“后门”耦合到电子系统,当耦合信号强度超过一定阈值后可造成电子系统的扰乱或损伤。高功率微波辐射导致车辆发动机熄火效应属于“后门”耦合方式,即通过汽车引擎盖下方的散热孔缝耦合上脉冲电场并作用于连接ECU的连接电缆使其感应脉冲电压,当感应的脉冲电压超过扰乱阈值后将造成ECU输出控制信号严重紊乱,从而导致发动机熄火。图2给出了微波辐射对车辆电子系统(主要是ECU)扰乱的主要过程,其中ECU输出的燃油喷射信号和点火信号的紊乱是致使发动机熄火的直接原因。

图2　微波辐射致使发动机熄火的攻击过程

车辆迫停系统攻击的主要对象为车载ECU,因此有必要研究ECU的主要构成。图3为车载ECU的功能简要框图,传感器部分主要包括凸轮轴位置传感器、空气流量传感器、节气门位置传感器、车速传感器、进气温度传感器、冷却水温度传感器和氧传感器,这些传感器采集的相关数据提供给ECU决策并使执行器进行相关动作。需要说明的是,图3仅给出本文工作涉及的ECU功能,因此执行器部分只描述了点火开关信号和燃油喷射信号。

图3　车载ECU功能简要框图

采用高速数字示波器顺序触发模式下获取了某型车辆ECU输出的40个燃油喷射信号脉冲重复周期数据,如图4所示。从图4中可以看出,发动机在正常怠速情况下,燃油喷射信号的脉冲重复周期PRI约为140ms～150ms。而当车辆受到高功率微波脉冲攻击后,脉冲重复周期剧烈下降并发生无规律波动,数据变化范围为6ms～44ms。这说明车辆受到微波攻击后,ECU输出的燃油喷射信号数量大幅增加,造成了发动机气缸内空燃比远远达不到正常水平,气缸内油气混合物中燃油含量过高,燃烧不充分,车辆尾部排出大量黑烟。

图4　ECU输出燃油喷射信号脉冲重复周期的变化

试验同时监测了ECU在高功率微波攻击前后输出的点火开关信号,其中横坐标为50ms/格,纵坐标为5V/格,结果如图5所示。图5(a)为车辆正常怠速情况下ECU输出的点火开关信号,脉冲重复周期约40ms。受微波攻击后,点火开关信号发生意外丢失的现象,如图5(b)中虚线框和椭圆形指示位置所示。结合图4中数据可以推断,ECU受微波攻击后,单位时间内输出的燃油喷射信号数量大幅增加,而同时点火开关信号数量无规律减少,气缸内燃油喷射过量。而当气缸内燃油含量超过一定值后,火花塞无法点燃油气混合物,造成发动机被迫熄火。

图5　ECU输出的点火开关信号的变化(a)正常怠速;(b)受微波攻击后

图6给出ECU中凸轮轴位置传感器信号的示波器截图波形,横坐标为0.5ms/格,纵坐标为5V/格,脉冲幅值为3.9V,脉冲重复周期约0.4ms。本文受试车辆凸轮轴位置传感器属于霍尔效应传感器,它通过采集曲轴转动角度测算出发动机转速数据并传输至ECU,以便ECU确定点火时刻和喷油时刻。脉冲重复周期的大小反映了发动机转速的高低。当车辆受到高功率微波攻击后,凸轮轴位置信号的脉冲重复周期迅速增大,同时脉冲幅值未发现显著变化,发动机转速快速下降并难以维持稳定,车载仪表盘发动机转速指针在低速位置附近的剧烈抖动。当受试车辆发动机被高功率微波辐射攻击至熄火后,凸轮轴位置传感器信号消失。

图6　ECU的凸轮轴位置传感器信号

2　车辆敏感频段测试

汽油发动机在正常工作时,通过火花塞周期性的击穿产生电火花从而点燃气缸内的油气混合物。发动机点火系统主要由蓄电池、点火开关、分电器、点火线圈、高压阻尼线和火花塞组成,其等效电路如图7所示[9]。次级线圈产生的高压击穿火花塞后,次级电路中的电容迅速放电。由于放电时间较短和电流较大,放电过程形成的干扰电流通过点火线圈传导至高压阻尼线和控制线等线束,形成宽频带的强烈电磁辐射,这是车辆电磁兼容设计中的难题[10-12]。本文试验利用监测车辆自身辐射的电磁信号来评估微波攻击造成的点火系统工作状态变化,从而获取车辆的易受攻击的敏感频段数据。

图7　点火系统的等效电路[9]

为了精确接收车辆的辐射信号,排除环境的杂乱频谱信号的干扰,试验在微波暗室中进行,测试原理框图如图8所示。车辆辐射的信号由ETS 公司93146型标准对数周期天线接收,经3dB功分器后分别输入Rohde&Schwarz 公司RTO1044型数字示波器和安捷伦公司E4408B型频谱仪。

图8车辆电磁辐射信号测试框图

试验选取了某型车作为效应对象,在正常怠速情况下辐射信号的时域波形如图9(a)所示,波形峰峰值约90mV,脉冲宽度约25ns。对应的频谱如图9(b)所示,可以看出低端频率主要集中于60MHz左右,高端频率主峰为753MHz左右。

图9　车辆电磁辐射信号的时域波形(a)和频谱(b)

为了定量测试车辆的敏感频段,试验框图如图10所示。试验仪器主要包括Rohde&Schwarz信号源、Amplifier Research射频功率放大器和标准天线。通过改变辐射信号的输出频率(其中本次试验频率范围为300MHz～4GHz,信号源设置为慢速扫频模式)测试车辆自身辐射信号的变化规律。试验结果表明,当车辆受到某些敏感频段(主要位于L和S波段)的信号攻击时,由于敏感频段的干扰信号作用于车辆孔缝和线束的耦合效率较高,导致ECU输出的点火信号受到严重干扰。车辆辐射信号的波形峰值发生大幅减小,辐射信号的频谱分布未发现显著改变,仪表盘指示的发动机转速指针抖动并下降。当敏感频段的干扰信号持续攻击3s以上,发动机被迫熄火。

图10效应试验框图

3　结束语

在高功率微波辐射条件下,车辆电子控制单元输出的点火开关信号和燃油喷射信号波形发生显著改变,点火开关信号发生意外丢失,燃油喷射信号脉冲重

复周期迅速缩短,直接导致发动机气缸内混入过量燃油,火花塞无法使油气混合物成功点燃,迫停发动机转速下降甚至熄火。本文通过分析了车辆发动机点火系统的工作原理,提出采用实时监测车体辐射电磁信号的试验方法,可获取车辆易受攻击的敏感频段数据。深入理解微波辐射扰乱车辆电子系统的效能过程及试验测定车辆的敏感频段对于工程研制车辆迫停系统具有重要参考价值。后续需要针对多种典型车辆的敏感频段数据进行试验测定、分析和梳理,形成效应对象数据库,为研制车辆迫停系统的频段选择方面提供重要试验数据支撑。

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Mechanism Analysis of High Power Microwave for Stopping Vehicles

YAN Zhen-lin, XU Jian-jun, XIAO Kai-qi

(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory, Chengdu 610036, China)

Mechanism of engine forced stall by high power microwave radiation is clarified by analyzing the evolutionary process of fuel injector and ignition signal outputted by electronic control unit. Experimental results suggest that accidental loss of ignition signals occurs under the condition of microwave radiation disruption. The pulse repetition interval of fuel injector signals also rapidly decreases. Because excess gasoline is ejected into engine cylinder, mixture of gasoline and air cannot be ignited by spark plug, and the engine speed is forced slowdown until completely stop. The principle of ignition system of engine is analyzed. Measured method of frequency susceptibility for vehicle engine is proposed by monitoring the emitted electromagnetic signal of the engine.

high power microwave; system of stopping vehicles; electronic control unit; electromagnetic pulse; electromagnetic radiation

1673-3819(2016)04-0134-04

2016-06-11

2016-07-01

鄢振麟(1984-),男,江西南丰人，博士,工程师,研究方向为高功率微波。

许建军(1974-),男,博士,高级工程师。

TN12；U467.5

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.027

肖开奇(1962-),男,博士,研究员。