车载雷达信息系统电磁兼容工程化设计

武志伟,黄传林

(1.海军装备部驻南京地区第二军事代表室,南京 211153;2.中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

车载雷达信息系统是一种以载车雷达为基础环境构建的指挥信息系统,主要由载车雷达、各功能车辆、方舱、指挥信息系统设备等硬件、软件组成,是一个多要素的综合体,主要功能特点包括机动性、安全性、自备能力、恶劣环境适应能力、高可靠性等。

电磁兼容性是支撑车载雷达信息系统在战场环境生存能力的一个最基本要求。车载雷达信息系统要将完成系统功能的各型、各类电子设备集成安装在一个环境如车载式方舱车厢箱体内,同时系统的电磁兼容性能应满足相关的国家标准、国家军用标准、行业标准中的电磁兼容指标。通过具体的工程化设计达成电磁兼容性能或提升电磁兼容能力,是车载雷达信息系统集成建设的重点与难点之一。本文主要从工程实施的角度,对车载系统集成过程中的要素、流程、方法以及常见的问题进行分析。

1 设计需求

电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力[1]。车载雷达信息系统的电磁兼容性能,从总体要求方面,主要考虑系统各组成设备的电磁性能的符合性、组成系统的各功能分系统电磁兼容符合性、各功能分系统集成为系统整体的电磁兼容性;从实现技术方面,主要考虑解决干扰源的抑制达到满足要求;从安全性考虑,主要解决抗干扰、抗辐射的能力,达到对人员与作战武器的有效防护[2-3]。

车载雷达信息系统需要在车内空间加装各类电子设备,各设备之间的电磁兼容问题解决不好会影响单车或多车信息系统的功能指标问题。应解决的电磁兼容问题如表1所示。

表1 车载雷达信息系统的电磁兼容问题

在现代战争中,车载雷达信息系统可能会存在诸多电磁安全问题,包括电磁信息泄露、强电磁干扰破坏和电磁特征暴露等。目前综合采用屏蔽、组合滤波、整车电磁防护设计、关键器件测试验证、电磁兼容仿真与测试以及对电磁兼容实现的评估和管理。

2 工程化设计

工程化设计的原则就是从电磁兼容三要素出发,在满足用户要求的费效比前提下,通过消除或降低干扰源的干扰、切断或削弱干扰途径,提高设备的抗干扰能力。本文重点阐述设备内的电磁干扰问题。

2.1 电磁兼容性主要控制方法

车载雷达信息系统解决电磁兼容问题的主要方法包括传输通道抑制、空间隔离、时间分离和电气隔离。

2.1.1 传输通道抑制

传输通道抑制的具体方法有屏蔽、滤波、接地、搭接、合理布线等。

(1)屏蔽

屏蔽是利用屏蔽体来阻止或降低电磁骚扰能量的传播。根据其作用方式,屏蔽可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽3类。屏蔽不仅能有效抑制辐射干扰,还可以显著降低静电干扰、电容耦合和电感耦合等干扰。

车载系统集成的屏蔽包括机箱屏蔽、车厢屏蔽和电缆屏蔽等3类:

设备机箱屏蔽。根据屏蔽效能要求,选用铝、铜、合金等不同材料进行屏蔽,对于接缝处理,可采用增加接缝面积、使用电磁密封衬垫等方法;显示窗口一般可采用屏蔽玻璃的方法;对通风窗口,可采用屏蔽金属丝网、截止波导通风孔等方法。

车厢屏蔽。一般采用铝、钢、合金等材料,对于接缝、显示窗口、通风窗口的处理与设备机箱类似。

电缆屏蔽。包括电缆线自身屏蔽及电缆与接插件连接的屏蔽。可根据需要的屏蔽效果选择不同的屏蔽方式,比如金属线编织层、薄铝箔屏蔽层、半钢性或柔性波纹管,对于不同频率,电缆两端可采取不同的屏蔽接地方法。

(2)滤波

滤波是对信号频谱进行过滤,通过分离我方需要的频率分量和其他骚扰频率分量,并消除或抑制其他骚扰频率分量的操作。通过抑制骚扰信号在信号线或电源线上传播的途径,可以有效减少电磁干扰对设备的影响。因此,合适的滤波器的设计、选择和正确使用对于抑制干扰非常重要。

在电源线上,一般可使用电源滤波器、铁氧体磁环;在信号线上,一般可使用带通滤波器,或带滤波功能的连接器或铁氧体磁环。

(3)接地

接地是电子设备工作中重要且关键的技术措施,用于实现必要的抗干扰功能,可以分为安全接地和信号接地两类。接地就是为电路或系统提供一个零电位参考点,同时也为电路或系统与地之间搭建起低阻抗通路。

在车辆的外部接口板上一般设有接地柱,系统工作前使用接地电缆连接地桩,并可靠接地。当系统使用交流电时,必须要保证设备安全接地和接零保护接地。另外,在整车系统的雷电保护措施中,车辆的防雷接地一般由避雷针、下导体和接头组成。

信号接地为系统中的信号电流提供低阻抗路径,使其回流到信号源。根据不同设备的需求,电路和设备的接地方式可以分为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地等几种方式。

2.1.2 空间隔离

空间隔离是一种可以有效抑制空间辐射骚扰和感应耦合骚扰的方法。通过增加干扰源与敏感设备之间的间隔与距离,使环境中的干扰电磁场在到达敏感设备时,其干扰强度衰减到其敏感度阈值以下,进而达到抑制电磁干扰的目的。空间隔离也包括在有限空间内调整骚扰源辐射方向和控制骚扰源电场、磁场的空间取向。例如,在车辆内部配置各种通信设备时,由于空间有限,需要采取措施避免天线间的相互干扰(即天线之间的耦合)。常见做法是增加天线之间的距离,或控制天线方向图的方位角,从而实现空间的分离。

2.1.3 时间分离

大丫说，她让老K给骗惨了。是在文革的时候，老K把小秃子领到一个空房子，在水泥地上骗奸了她。以后又有了好几次这样的事。然后老K把她给蹬了。一夜工夫，小秃子剩下的头发全都掉光了，丑透了，总戴个头巾。后来，小秃子做了一个假发套，当妓女了，被抓过多次。你说，这不都是老K造的孽吗？

时间分离方法是当使用其他方法不能较好地抑制,且干扰源非常强时,在干扰信号停止传输的阶段传输有用信号,或者为了防止强电磁干扰导致的损坏,当强干扰信号发射时,暂时关闭易受干扰的敏感设备的方法,包括主动时间分离和被动时间分离,其中主动时间分离适用于有用信号和干扰信号出现时间有确定先后关系的情况;被动时间分离则须要根据干扰信号和有用信息的出现特点,迅速封闭其中一个信息,以确保时间上不重叠、不叠加的信号条件。

2.1.4 电气隔离

电气隔离是防止回路内信息传输干扰的最有效手段,而且还保证了信息的正常耦合传递。常用的电气隔离与耦合方式包括电气耦合、电磁耦合、电光耦合等。直流DC/DC变压器间可降低共电源内阻影响,而信号线间也可通过电光隔离来降低干扰。

2.2 工程设计流程

车载雷达信息系统电磁兼容性工程设计是一个循环上升的过程,通过反复分析、设计、实施、测试、整改,最终完成系统的工程设计。具体流程如图1所示。

图1 电磁兼容性工程设计流程

2.2.1 部件选型

根据用户对系统总战术技术指标的要求,结合系统的总体技术设计,合理选择系统中的不同部件,具体包括接插件选型、电缆选型、设备选型、天线选型等。

2.2.2 设备、电缆、天线等布局设计

完成部件选择后,结合人-机-环操作使用要求、电磁兼容要求,对设备、电缆、天线等部件进行布局设计。

2.2.3 系统布局设计

当车载雷达系统在野外开设时,应能实现对地理环境的探测,包括周围环境中山、树、河流等地理状况,从而找到比较开阔的地域,以利于电台等设备的良好通信。在考虑车载雷达信息系统所处空间状况的同时,还应对周围的电磁环境进行测试[4]。

2.2.4 屏蔽、滤波与接地

除了部件(设备、天线、电缆)选型及其合理布局,采取的控制方法是进行合适的屏蔽、滤波和接地。

2.2.5 测试与评估

在系统完成设计和初样之后,须测量和评估电磁兼容。系统级测试[4-5]一般包括系统级电磁兼容一般性检查;车载平台电气系统电磁兼容性测试[4];电源系统电磁兼容性测试;无线设备辐射发射特性测试;无线设备同台多机性能测试;系统内其他设备干扰试验计划屏蔽效能测试;发射控制试验;关键设备安全裕度测试;系统电磁兼容性能评估。其中系统电磁兼容性能评估内容主要包括系统内所有设备能够正常工作、系统工作时不会对外界或人体产生损害、系统具有抵抗外界电磁干扰的保护能力(防雷、防静电、电源过压保护等)以及系统的可靠性指标等。

2.2.6 组织管理

电磁兼容性管理贯穿系统全寿命期的各个阶段,是一项复杂的系统工程,一般应包括分析系统电磁环境、明确电磁兼容性要求;建立电磁兼容性管理和协调程序;制订并实施电磁兼容性实施计划,明确各阶段电磁兼容工作内容和进度要求;电磁兼容性预测与分析;系统使用频率管理,包括报备、报批;电磁兼容性能测试、评估;电磁兼容故障诊断;电磁兼容培训等。

3 结束语

车载雷达信息系统工程化设计是一项十分艰巨的工作,必须满足功能性能要求,特别是工程化、一体化、综合化要求;重视标准的应用;重视车载信息系统集成在电磁兼容方面的能力与效率,确保电磁兼容问题解决在定型前状态。

本文总结了车载雷达信息系统的电磁兼容工程化设计方法,主要分析了车载雷达信息系统的构建工艺、设备/器件选型、布局部署、测试及管理等整个流程,可为相关设计提供一定的参考。