某型电台的HEMP 辐照效应试验及电磁损伤评估方法研究

卢治钢 陈岳承 刘树中 崔燕舞 王涛

（中国人民解放军32203 部队, 华阴 714200）

引 言

电磁环境效应、电磁易损性等均是设备系统的固有属性，由产品的基本原理、结构、布局、工艺、加载条件等决定[1-2]. 高空核爆电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse, HEMP)由于场强大、瞬时破坏力强，可以对电台类设备造成威胁[3-4]. 核电磁脉冲的时域波形呈双指数波的形式，核电磁场和电台系统相互作用过程中，多种耦合通道效应叠加，加上系统结构和功能本身比较复杂，要定量表征系统效应，无论采用数值计算的方法还是采用试验的方法，都面临严峻的挑战[5]. 电台类设备属于典型的通信指挥设备，HEMP 下的电台易损性评估难点具体表现在：强电磁环境和系统非线性失效存在较大的不确定性，难于预计；系统电学参数多，难以全部获得；HEMP试验成本高，风险大[4,6].

目前常用的评估方法有故障树法和基于贝叶斯统计的故障树法，两者的核心都是建立易损性故障树模型，通过试验获取底事件的失效概率，根据各系统间的“与”“或”关系，得到系统的失效概率[7].2016 年刘钰等[8]针对电子系统电磁脉冲(electromagnetic pulse, EMP)易损性评估问题，提出了基于分层贝叶斯网络(hierarchical Bayesian network,HBN)的电子系统EMP 易损性评估模型建模方法，并以某电子机械传动系统EMP 易损性评估问题为例说明了建模和计算过程. 2018 年孙晓颖等研究了基于贝叶斯网络的敏感度评估方法[9]，通过从概率角度考虑所有不确定参量来提高评估准确性，并通过试验验证了模型的有效性；同年又提出一种基于HBN 的车辆发动机系统EMP 敏感度评估方法[10]，并对评估方法进一步进行了验证. 2019 年Liu 等将联合先验概率密度函数与基于贝叶斯公式的似然函数相结合，提出了一种基于贝叶斯方法的多状态元件易损性评估方法[11]，可以得到这些参数的联合后验概率密度函数，并从实际验证了状态概率函数的估计比单一的状态概率估计更为实用. 2020 年刘钰等基于HBN 模型及贝叶斯信息融合算法建立了电子系统EMP 易损性评估模型及易损性信息融合算法[12]，研究了某星用模数转换系统的EMP 易损性评估问题，获得子系统及系统节点的易损性后验分布.

易损性评估过程中通常需要综合运用各种试验和计算方法获得必要的基础数据[13-16]，因此，研究电台类电磁易损性评估对于统一规划和指导易损性评估流程中的系统分析、试验、计算以及数据融合等各项工作具有重要意义. 本文在系统敏感特性分析的基础上，提出了一种基于故障树模型的易损性评估算法，并采用此方法对电台设备进行了易损性分析，给出了电台设备在强电磁环境下的易损性失效概率.

1 基于故障树模型的易损性评估算法设计

算法首先对电台的结构与敏感特性进行分析；然后设计电台系统的敏感性评估方法；最后利用综合试验数据和系统效应现象，建立故障树模型，获得最终评估结果.

1.1 电台结构分析

超短波电台具有通信频带宽、容量大、信号稳定等优点[17]，是近距离无线电通信广泛使用的主要装备. 选用车载超短波欧讯SG-7 200 型电台，其系统功能、组成、工作原理均具有超短波电台典型特征，可作为典型效应物开展电磁易损性试验研究工作. 采用两台车载超短波电台构成试验系统，其中一台作为被试系统，一台作为陪试系统.

电台系统整体构成如图1 所示，由电台主机、话筒、天线、电压及话筒线、电源线、天线连接线组成.试验中主要考虑天线、电源线和话筒线的耦合电流及整系统的功能效应.

图1 电台系统结构组成图Fig. 1 Radio system structure

1.2 总体流程评估

本次试验借鉴给出敏感性评估试验流程的IEC标准，完成电台的系统级EMP 易损性评估. 评估流程主要分为四个阶段：子系统和设备表征阶段、系统分析阶段、系统试验阶段和易损性评估阶段. 具体实现方法如图2 所示.

图2 系统级EMP 易损性试验评估流程图Fig. 2 Flowchart of system-level electromagnetic pulse vulnerability test assessment

在系统表征阶段，判断系统敏感性数据是否已具备，如已具备可直接开展评估，如不具备则进行下一阶段；系统分析阶段是对系统功能结构和拓扑结构分析，拆解为分系统，选择重要测试点或耦合测点；系统试验阶段将综合运用低幅度辐照(连续波和脉冲波)以及高水平试验等各种试验方法获取所需的评估数据；评估阶段则是建立故障树模型，综合试验数据和系统效应现象，获得最终评估结果.

1.3 电台系统故障树模型建立

根据电台结构分析，建立电台系统的故障树模型，如图3 所示. 可以看到，子系统和单元之间都是逻辑“或”关系，即针对整系统失效的顶事件，任何一个单元或子系统的失效均将导致整系统失效. 若单元对系统功能有重大影响，其失效能够引起整系统部分或全部丧失，称为“功能关键”单元. 单元都是系统正常工作必不可少的组成部分，均为关键子系统或组件.

图3 电台系统的故障树模型Fig. 3 Fault tree of radio system structure

进一步分析子系统失效和HEMP 的关系. 故障树模型中底事件是系统分析中不再划分的最小功能单元的失效，该单元或子系统的失效与HEMP 在端口上感应的电流、电压等电磁应力有关[13-14]. 电磁应力不是微控制系统自身的组成部分，没有“失效”的概念，该参数只能包含在最小功能单元失效的底事件中. 因此从故障树模型的概念出发，不能明确给出电磁应力的表述形式. 根据模型可以给出故障树的结构函数：

式中，P(Vi)为包含Vi单元的电磁应力参数.

为进行故障树定量分析，进而求出顶事件发生概率和各单元重要度，需要通过辐照试验的方法得出各个单元的电磁应力参数P(Vi).

2 HEMP 试验及易损性评估

2.1 试验方案设计

为获取系统HEMP 易损性评估所需基础数据，需要开展多种不同类型的试验，通过威胁级辐照试验和注入试验获取单元失效阈值，以确定系统对HEMP 激励的响应. 试验分为两轮开展：第一轮试验在设备不加电状态下，在X，Y，Z三个方向上均开展辐照试验，综合验证试验结果，探索各方向耦合规律；第二轮试验在加电状态下开展，研究工作状态的电台在HEMP 辐照下的效应现象.

1)试验布局

电台天线高约1.2 m，可开展全尺寸威胁级辐照试验，试验采用锥形模拟器为有界波模拟器. 结合实际情况，天线与设备之间高度差约1 m 为最大耦合布局，供电线、话筒线与设备之间高度差按60 cm 考虑(主机架高60 cm). 雷达和电台放置在锥形模拟器前锥段，效应物对应天线高度大于效应物高度的两倍. 天线、电源线和话筒线的试验布局如图4 和图5所示.

图4 电台天线耦合试验测试布局Fig. 4 Radio antenna coupling test layout

图5 电源线与话筒线耦合试验布局Fig. 5 Power line and microphone line coupling test layout

图6 为测试物在辐照场内的试验布局及坐标系定义，天线长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，高度方向为Z方向. 以X方向轴线为对称线，电场探头和效应物对称放置. 采用电场探头测量辐照场波形，电流线圈(皮尔森8585C)测量耦合电流波形，分别测试天线和各类电缆的耦合电流. 每种线又分为X，Y，Z三个方向摆放，测量线缆根部耦合电流.

图6 测试物在辐照场内的试验布局及坐标系定义图Fig. 6 Test layout and coordinate system definition diagram of the test object in the irradiation field

图7～9 分别为电台天线、话筒线、电源线的威胁级辐照试验场景图.

图7 电台天线耦合电流测试现场图Fig. 7 Radio antenna coupling current test

图8 话筒线耦合电流测试现场图Fig. 8 Microphone line coupling current test

图9 电源线耦合电流测试现场图Fig. 9 Power line coupling current test

2)辐照顺序

开展雷达与电台的易损性试验时，事先不确定最高的辐照场强，试验过程采用步进法观测系统效应，直到辐照场达到预定的试验结果，系统可接受受损的风险，如图10 所示.

图10 易损性试验辐照过程Fig. 10 Irradiation process of vulnerability test

雷达与电台易损性试验从电压等级10 kV/m 开始，每次增大10 kV/m，直至60 kV/m 或者出现效应为止，共分6 个辐照水平. 在某一个辐照水平出现效应，如果是软损伤，则在该量级与上一量级的区间再分5 个辐照水平进行细化试验，直至找到损伤阈值；如果出现硬损伤，则需要将效应物维修后，在该量级与上一量级的区间再分5 个辐照水平进行细化试验，直至找到损伤阈值.

3)辐照次数

试验的重复次数与相应的置信水平相关. 试验的总次数随系统试验的方位(不小于2 个)、威胁水平(不小于3 个)和工作模式的试验要求快速增长，试验次数增加的同时试验时间和试验费用也按同比例增加，因此，试验次数应根据试验费用和置信度进行折衷. 一般情况下试验重复次数为2～5. 本文给出计划试验的次数如表1 和表2 所示.

表1 未加电状态下HEMP 试验次数Tab. 1 Times of HEMP test with power off

表2 加电状态效应试验次数Tab. 2 Test times of state effect with power on

2.2 试验过程及结果

根据电台易损性敏感分析结果，电台类设备辐照试验主要测试天线耦合、供电线耦合、话筒线耦合三种情况.

2.2.1 未加电状态下的耦合规律研究

采用2.1 节的试验方法对电台设备进行辐照式EMP 试验，分别测试电台设备的天线、电源线及话筒线的耦合电流. 图11 为电台天线辐照试验的电场与耦合电流波形，电流为Z方向.

图11 未加电状态下电台天线辐照试验电场与耦合电流波形Fig. 11 Waveform of electric field and coupling current in radio antenna irradiation test with power off

表3 为试验中的峰值电场与峰值耦合电流的试验数据. 为进一步直观反映耦合规律，绘制了峰值电场与峰值耦合电流的折线图，如图12 所示. 可以看到，耦合电流随外界电场的增大而增大，且呈现出线性关系. 经统计计算，电台天线的耦合电流与外界电场的传递关系可近似表示为1.47 A/kV.

表3 未加电状态下电台天线辐照试验数据Tab. 3 Radiation test data of radio antenna with power off

图12 未加电状态下电台天线耦合电流随电场变化规律Fig. 12 Variation of radio antenna coupling current with electric field with power off

图13 为电台话筒线辐照试验的电场与耦合电流波形，电流为Z方向.

图13 未加电状态下电台话筒线辐照试验电场与耦合电流波形Fig. 13 Waveform of electric field and coupling current in radio microphone line irradiation test with power off

表4 为未加电状态下电台话筒线辐照试验数据.电台话筒线耦合电流随电场变化规律如图14 所示.可以看到，耦合电流随外界电场的增大而增大，且呈现出线性关系. 经统计计算，电台话筒线的耦合电流与外界电场的传递关系可近似表示为1.19 A/kV.

表4 未加电状态下电台话筒线辐照试验数据Tab. 4 Radiation test data of radio microphone line irradiation test with power off

图14 未加电状态下电台话筒线耦合电流随电场变化规律Fig. 14 Waveform of electric field and coupling current in radio microphone line irradiation test with power off

图15 为电台电源线辐照试验的电场与耦合电流波形，电流为Z方向.

图15 未加电状态下电台电源线辐照试验电场与耦合电流波形Fig. 15 Waveform of electric field and coupling current in radio power line irradiation test with power off

表5 为未加电状态下电台电源线辐照试验数据，电台电源线耦合电流随电场变化规律如图16 所示. 可以看到，耦合电流随外界电场的增大而增大，且呈现出线性关系. 经统计计算，电台电源线的耦合电流与外界电场的传递关系可近似表示为2.05 A/kV.

表5 未加电状态下电台电源线辐照试验数据Tab. 5 Radiation test data of radio power line with power off

图16 未加电状态下电台电源线耦合电流随电场变化规律Fig. 16 Variation of radio power line coupling current with electric field with power off

2.2.2 加电状态下的效应试验

未加电状态下，通过对不同辐照场强下的耦合电流进行测量获取电台设备各部分组件在HEMP 下的耦合规律及相应的电场电流传递函数(图17). 在加电状态下可以实时掌握电台的损伤情况，结合未加电状态下的耦合规律，可以进一步找到电台的易损部位.

图17 加电状态下天线辐照试验电场与耦合电流波形Fig. 17 Waveforms of electric field and coupling current in antenna irradiation test with power on

加电状态试验从低场强开始逐步增大，当施加场强到50 kV/m 时，电台出现跳频故障，且屏幕乱码，如图18 所示，两台电台之间通信故障.

图18 电台在辐照场50 kV/m 时的效应现象Fig. 18 Effect phenomenon of radio equipment when the irradiation field is 50 kV/m

表6 加电状态下电台辐照试验效应Tab. 6 Radiation test station with power on

2.3 评估分析

在评估分析中，采用前文中提到的故障树方法.图19 是根据图3 在易损性评估软件中设计的电台易损性计算模型，通过输入话筒等子系统的失效概率，即可得到整个系统的失效概率. 为得到电台在威胁级辐照试验下更为准确的失效概率，将多次试验的测试数据代入易损性计算模型中，计算电台系统在50 kV/m 的辐照场强下的失效概率为78.83%，说明此类电台设备在没有防护的情况下极易受到HEMP的影响，导致系统失效.

图19 电台易损性计算模型Fig. 19 Vulnerability calculation model of radio equipment

3 总结讨论

电子元件的电磁易损性评估存在试验可重复性差、评估体系不统一等问题，关于电台设备的电磁易损性评估一直是业内研究的难点[18]. 本文开展了电台系统的辐照式HEMP 试验，并进行了电磁易损性评估分析. 试验结果显示，电台设备在辐照场为50 kV/m 时，会发生调频及屏幕乱码现象，但重启后可以恢复，说明该型民用电台在HEMP 下通信会受到显著影响. 根据设计的易损性评估体系，通过多次试验得到电台设备在50 kV/m 的辐照场强下的失效概率为78.83%. 主要结论如下：

1)电台类装备在HEMP 下耦合通道主要来自天线、话筒线及电源线，50 kV/m 的HEMP 会对电台产生调频、屏幕乱码等故障，随着辐照场强的增加电台的电磁损伤加剧.

2)基于故障树的电磁易损性评估模型可以对电台类装备的电磁易损性进行评估，评估的准确性取决于试验样本量，增加试验次数和数据库样本量对提高易损性评估准确性具有重要意义.

3)试验结果反映出HEMP 对电台设备的毁伤主要在线缆耦合，可以指导电台类装备提高抗EMP 性能. 从结果来看，耦合电流的大小主要与耦合体尺寸和辐射场强有关，在辐射场不变的情况下，合理改变天线尺寸及话筒线长度，将有效降低耦合电流.