军队医疗卫生电子装备电磁易损性研究

张 胜，徐 林，宁 旭，张海生，秦明新

（陆军军医大学生物医学工程与影像医学系电子工程学教研室，重庆 400038）

0 引言

电磁脉冲在扩散的过程中会在一瞬间发出最强的能量，并以光速扩散，对其影响范围内任何未加保护的电子设备产生干扰或破坏作用[1]。1962年，美国在太平洋约翰斯顿岛高空进行氢弹核爆试验时产生的电磁脉冲致使数千千米以内的电气设备和电子系统失灵，甚至烧毁，美国军事专家随即组织研究，后期受国际核不扩散条约的限制，美军更为关注非核电磁脉冲武器的发展，出现了高功率微波、超宽带等电磁脉冲武器[2]。1991年，美军在海湾战争期间首次使用电磁炸弹，由于其特有的攻击特点，此后的数次战争中电磁脉冲武器都发挥了重要作用[3]。

电磁脉冲武器攻击将造成通信、防空和指挥中心电子系统瘫痪，电子设备损毁[4]。随着科技的发展，医疗卫生电子装备电路集成度更高，灵敏度更强，特别是检测人体生物电信号的设备更趋于小型化、智能化，使得电子系统对电磁能量的敏感度和易损性与日俱增。调研中发现，目前我军师以下部队配备的医疗设备种类中，约有60%包含电子元器件，在没有任何加固保护的情况下，医疗卫生电子装备遭受电磁脉冲武器攻击将严重削弱我军卫勤保障能力，给伤员的救治工作带来极大影响。因此，开展我军医疗卫生电子装备电磁易损性研究具有重要的现实意义。本文重点围绕未来战场我军可能遭遇的电磁脉冲武器攻击样式，介绍我军医疗卫生电子装备电磁易损性研究进展，提出意见与建议，为下一步我军在该方面的工作重点和科学研究明确方向。

1 国外电磁脉冲武器发展现状

世界各军事强国对电磁脉冲武器发展高度重视。20世纪70年代，美、俄、德、法等发达国家在高功率微波技术及其对电子设备和武器装备的效应方面开展了大量的基础性研究工作[5-6]。美国于20世纪80年代率先研制出非核电磁脉冲武器，即高功率微波弹，90年代开展弹载高功率微波武器研制[7-8]。2014年，美国开始推行以“创新驱动”为核心的第三次“抵消战略”，认为高功率微波是一项能够改变未来战争规则的技术，开展了多种高功率微波武器样机系统研究，如反电子高功率微波先进导弹计划（Counter-Electronics HPM Advanced Missile Project，CHAMP），如图1（a）所示[9-10]。2012年在犹他试验场反电子高功率微波先进导弹（counter-electronics HPM advanced missile，CHAM）飞过时，沿线电子系统均遭受攻击，出现降级或失效现象，房屋内计算机和监控系统失灵，如图1（b）所示[9-10]。美国空军已将高功率、高频率和紧凑性作为高功率微波武器研究重点，CHAMP试验成功表明高功率微波武器技术已趋于成熟，不断走向实战化[11]。

图1 美国CHAMP项目及CHAM演示试验[9-10]

俄罗斯在高功率微波武器研制方面同美国一样，处于世界领先水平，早在20世纪80年代前苏联时期就已开展高功率微波效应试验[12-13]。在2001年马来西亚武器展上，俄罗斯展示了一款名为“Ranets-E”的电磁脉冲武器系统，其工作在X波段、输出功率超过500 MW，能产生重复频率500 Hz、10～20 ns的强电磁脉冲，能确保摧毁14 km以内的来袭战机或制导弹药的电子设备，破坏40 km以内的电子设备[12-13]。2016年7月，俄罗斯KRET公司披露了为第六代无人作战飞机安装高功率微波武器的计划，可使敌方飞机电子设备失效，攻击半径可达数十千米[14]。2017年10月，据英国媒体报道，该公司正在研发一款大功率超高频脉冲武器——“阿拉布加”（Alabuga）导弹，可瘫痪3.5 km2区域内所有电子设备，甚至可对地下100 m深的电磁设备进行有效打击[15]。

英、德、法、日、印等其他军事强国在电磁脉冲武器方面也有大量的研究成果，但总体水平低于美国和俄罗斯[15-16]。

从目前各国电磁脉冲武器研究进展来看，未来战场高功率微波武器对我军医疗卫生电子装备威胁最大，应重点加强高功率微波武器的电磁易损与防护研究[17-19]。

2 电磁易损性研究现状

电磁易损性指的是设备和分系统、系统在电磁干扰影响下性能降级或不能完成规定任务的特性[20]。美国在该领域研究起步早，机构完善且标准齐全。美国拥有12家电磁易损性研究试验场，其中陆军2家、海军与海军陆战队7家、空军5家[21]。以陆军白沙导弹靶场为例，该基地拥有美国陆军研究实验室（Army Research Laboratory，ARL）生存力和致命性分析局下属的先进电磁易损性评估研究室及美国陆军最大的微波暗室，最大可测试100 t的武器装备，众多专家可完成美军赋予的各项电磁易损性研究任务[22]。

美国已建立起较为全面的电磁防护标准和完整的元件级及系统级试验测试数据库，已成为其他国家研究电磁易损性的重要参考。早在1986年，美国便完成了电子元器件易损性测试，并通过国防部指令（DoDD）、国防部指示（DoDI）和标准（MIL-STD）等系列文件内容来保证军用和民用系统、设备能够在所处电磁环境中正常工作[23-24]。以美军2012年颁布的机载医疗设备检测标准（Joint Enroute Care Equipment Test Standard）为例，其中明确规定美军航空医疗器材必须满足美军标MIL-STD-461E、MIL-STD-461F和MIL-STD-464C的要求。美国佛罗里达州埃格林空军基地对救护直升机进行电磁兼容性测试场景如图2所示[25]。

图2 美国佛罗里达州埃格林空军基地对救护直升机进行电磁兼容性测试[25]

俄罗斯国防部自20世纪70年代就在圣彼得堡和莫斯科附近建成了多个超大规模的有界波模拟器，用于模拟源区核电磁脉冲和高空核电磁脉冲环境[26]。1993年，俄罗斯完成了电磁脉冲对微电子电路的效应实验和防护技术研究，其武器系统一般都满足电磁兼容性、抗静电和抗电磁脉冲的技术指标[27]。

由于各国对电磁脉冲武器攻击效能保密等原因，医疗卫生电子装备电磁易损性相关试验方面鲜有公开报道，主要针对手机、射频识别（radio frequency identification，RFID）等对医疗设备电磁干扰等进行研究[28-29]。但从公开的高功率微波对电子系统破坏效应资料判断，当功率密度达到0.01～1 μW/cm2时，医疗卫生电子装备系统将受到影响，详见表1[30-31]。

目前，我国部分高校和研究所在电磁易损性研究方面也做了大量工作，取得了很多成果，例如：原军械工程学院和国防科技大学等高校相继建成了一些强电磁脉冲模拟系统[26，32]；西北核技术研究所对单片机系统、单片机传输系统、直流固态继电器输入端等进行了效应试验研究[33-35]；中国工程物理研究院对复杂系统辐射易损性、分析方法、地面通信系统、集成电路瞬态扰动效应实验方法进行了研究[23]。

表1 高功率微波对医疗卫生电子装备破坏阈值[30-31]

3 我军医疗卫生电子装备电磁易损性研究现状

3.1 电磁易损性研究相关标准

我国军用电磁兼容标准研究和制定通常采用等效转换国际标准和自行研发相结合的方式，GJB 151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》、GJB 152A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》主要参照了美军标MIL-STD-461D/MIL-SID-462D，从2013年开始执行的GJB 151B—2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》则大部分参照了美军标MIL-SID-461F。从总体上看，我国军标电磁兼容的标准及其测量体系建设要滞后美军5～10 a，在军用卫生装备领域电磁易损性的建设差距更大，到目前为止并没有专门针对军用医疗卫生电子装备提出的电磁兼容与防护标准。我军卫生机构主要配备的通用卫生装备和医疗器材多数采用国内商业化民用产品及其规范，满足的是国内外民用产品的电磁兼容标准，并不符合现代战场复杂电磁环境条件下的使用，例如YY 0505—2012《医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求》所规定的电场辐射敏感度的要求是10 V/m，与军用标准GJB 151B—2013规定的极限200 V/m相差甚远。因此，现有军队医疗卫生电子装备中的电子信息和控制系统在电磁脉冲武器的攻击下极易遭受破坏。

3.2 研究现状

近些年，多家单位在医疗卫生电子装备电磁易损性方面做了大量研究。

3.2.1 系统级

原总后勤部卫生部药品仪器检验所联合原军械工程学院静电与电磁防护研究所开展了多种型号的心电图机、监护仪、彩超机的电磁易损性试验，包括连续波电场辐射抗扰度试验、超宽谱电磁脉冲辐射场效应试验、高空核爆炸核电磁脉冲辐射场效应试验、混响室连续波强场效应试验和静电放电抗扰度试验[36]。试验表明：大部分受试设备均不能满足GJB 151A—1997所确定的辐射场兼容性要求，在规定的辐射条件下出现不同程度的性能降低甚至死机现象，严重影响了设备的正常使用。个别受试设备即使通过了GB/T 17626系列电磁兼容试验标准检测要求，但当静电放电电压少量超过GB/T 17626规定值时便出现异常。因此，即使通过了国家电磁兼容性测试的设备，也难以保证满足GJB 151A—1997的要求，更不能保证在战时复杂电磁环境下的正常工作。虽然所有受试设备在辐射源撤除，系统重启后均能恢复正常工作，尚未造成硬损伤，但在战时环境下将会严重影响设备的急救监护功能，贻误治疗时机。

原第四军医大学生物医学工程学院以国家军用标准GJB 151A—1997和GJB 152A—1997为参考，选取心电图机、多参数监护仪等多种急救和诊断卫生装备开展了电场辐射发射、电磁辐射敏感度、电源线传导发射和电缆束注入传导敏感度4项通用测试试验[19]。大部分受试设备均在30 MHz～1 GHz的电场辐射发射和电磁辐射敏感度试验中出现了较为严重的问题，而传导发射和传导敏感度试验结果基本符合国军标要求。试验表明：国内军队现阶段配备的卫生装备在战场复杂电磁环境下功能正常性均受到不同程度的影响，应重视卫生装备在复杂电磁环境下的分析研究。

原第三军医大学劳动卫生学教研室分别现场应用高功率微波武器暴露和实验室模拟武器电磁暴露，检测不同暴露方式、暴露强度、暴露时间条件下的武器级电磁暴露对工作状态、待机状态和关机状态的便携式心电图机的影响[37]。试验表明：武器级电磁暴露对便携式心电图机有明显的损坏效应，表现为自动关机、打印故障、显示屏心电波形显示异常、显示屏损坏、按键失灵、电池损毁、接通的导联损毁和单片机损毁等。武器级电磁暴露对便携式心电图机的损毁效应与暴露方式、功率密度、暴露时间和心电图机的工作状态有关。功率密度越高，暴露时间越长，微波暴露对心电图机的损毁效应越强，而且在工作状态下更易受损。便携式心电图机内电子元件中单片机最易被高能微波暴露损毁。此外，高能脉冲能够损毁便携式心电图机的电池系统，需要重点加固和防护。

原第三军医大学大坪医院以某款便携式监护仪为研究对象，分别进行混响室射频辐射、超宽带电磁脉冲辐射和有界波电磁脉冲模拟器模拟产生高空核爆电磁脉冲辐射3种试验[38-39]。混响室射频辐射试验表明：所选用的监护仪对射频电磁辐射具有一定的抗干扰能力，异常状态多表现为测量波形基线漂移、畸变。监护仪对于不同频率的电磁干扰具有不同的电磁敏感性，所选用的监护仪对390 MHz左右的电磁干扰最为敏感，其临界场强最低。超宽带电磁脉冲辐射试验表明：超宽带电磁脉冲对监护仪具有显著的干扰效应，被测设备与脉冲源的距离越近，辐射场强度越大，干扰越大。相比射频连续波，电磁脉冲对监护仪的干扰更严重，需重点进行防护。有界波电磁脉冲模拟器模拟产生高空核爆电磁脉冲辐射试验表明：监护仪的干扰电场阈值均小于高空核爆电磁脉冲在近地空间所形成的电场峰值（大约50 kV/m），监护仪在工作状态下将受到高空核爆电磁脉冲的显著影响。

上述单位所做试验重点围绕我军典型医疗卫生电子装备系统级展开研究，更加注重系统级功能性损伤，尚未开展医疗卫生电子装备元件级（芯片级）电磁易损性的试验，未能对元件级（芯片级）损毁机理进行深入分析研究。

3.2.2 元件级（芯片级）

各元器件对医疗卫生电子装备系统功能的实现起到至关重要的作用，微电子系统对外部电磁环境极为敏感，加强元件级（芯片级）在高功率微波作用下的失效模式和失效机理研究对于系统抗高功率微波的防护和加固具有重要意义。

近些年，元件级电磁易损性研究以早期具有军事背景的高校为主，已对典型电子器件的电磁损伤效应和毁伤机理开展了相关研究：西安电子科技大学针对典型双极晶体管，从器件内部电场强度、电流密度和温度分布变化的分析出发，研究了在强电磁脉冲作用下其内在损伤过程与机理[40-41]。研究表明，双极晶体管损伤部位在不同幅度的注入电压作用下是不同的，注入电压幅度较低时，发射区中心下方的集电区附近首先烧毁；而在高幅度注入电压作用下，由于基区、外延层、衬底构成的PIN结构发生击穿，导致靠近发射极一侧的基极边缘处首先发生烧毁。中北大学主要针对电磁脉冲弹的损伤机理和效能评估进行了电磁仿真研究[42-43]。西北核技术研究所也开展了电磁脉冲作用下PIN二极管的响应研究并进行了数值模拟研究，分析了PIN管在脉冲电压上升沿时间内出现的电流过冲现象[44]。原军械工程学院分析了辐照法和注入法的特点，采用注入法开展了半导体器件电磁脉冲损伤阈值的研究[45]。这些研究为我军开展医疗卫生电子装备元件级（芯片级）研究提供了方法借鉴和理论支撑。

4 问题与改进策略

（1）目前，国内相对于美军成规模研究电磁环境效应的机构还不多，研究我军医疗卫生电子装备电磁易损性的单位数量更少，专业人才储备不足，严重制约我军卫勤装备的进一步发展。因此，应加大此领域研究单位的合作，增强专业人才培养力度，加强科技创新资源优化配置，挖掘全社会科技创新潜力，提高我军卫勤装备保障能力水平。

（2）由于缺少军用医疗卫生电子装备电磁兼容与防护标准，导致我军在采购医疗卫生电子装备时随意性很大，很多医疗卫生电子装备无法实现在复杂电磁条件下的正常运行，战场环境适应性差，给战时保障带来极大安全隐患。应抓紧研究制定我军医疗卫生电子装备电磁兼容与防护标准，规范我军集中采购医疗卫生电子装备的标准条件，引导企业生产符合我军相关电磁兼容与防护标准的电子医疗设备。

（3）总体而言，国内相关研究显得零碎而不系统、不深入，研究仅仅是得到试验结果和问题总结，却没有解决问题的措施。我军医疗卫生电子装备电磁易损性基础性研究不够，对于元件级（芯片级）电磁易损性研究等相关资料更新不及时，各研究机构信息资源共享不畅通。因此，应加强科研机构的合作与研究成果转换，积极研究未来战场电磁环境以及敌方的电磁武器的攻击特点，采取针对性的技术手段，研究对应的防护措施，尤其是急救医疗设备的防护技术方面的研究。

5 结语

军队医疗卫生电子装备电磁易损性研究是一个复杂问题。随着电磁脉冲武器技术的进一步发展，电磁对抗在信息化战争中广泛使用，复杂电磁环境对我军医疗卫生电子装备的影响不可忽视，同时伴随着新材料在医疗卫生电子装备中的不断应用，在缝隙和接口处更易受到电磁脉冲武器攻击，这些都对电磁易损性研究提出了更高要求。我军医疗卫生电子装备电磁易损性研究相对滞后，将严重制约我军在未来战场上的卫勤保障能力。未来我军在电磁易损性研究方面应更加注重多维考虑、多参数处理、元件级（芯片级）和系统级统筹研究，不断改进电磁易损性检测技术，加强医疗电子设备电磁兼容与防护性能，提高我军医疗电子设备在信息化战场环境中的生存能力，确保设备能够安全稳定运行，适应未来战场需要。