复杂电磁环境下野战卫勤装备面临的挑战及其应对措施

复杂电磁环境下野战卫勤装备面临的挑战及其应对措施
严富勇;车彬
【摘要】The Complicated Electromagnetic environment in battlefield is addressed. The theory of the electron unit of field medical equipment is analyzed. The challenge faced by the electron equipment in the Complicated Electromagnetic environment at war time is put forward from the mechanism of interference and the damage of Electromagnetic Pulse (EMP) on microelectronic equipment. The survivability of field medical equipment in the complicated electromagnetic environment can be greatly enhanced through grounding, shielding and so on.%介绍了战场复杂电磁环境及其主要成因,阐述了野战卫勤装备部分微电子设备系统的工作原理,从电磁脉冲对微电子设备的干扰与损伤机理的角度,提出了卫勤装备在复杂电磁环境下面临的危害与挑战,应用接地、电磁屏蔽及其他防护技术方法,提高了野战卫勤装备微电子设备系统在战时复杂电磁环境下的生存率.
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2011(032)011
【总页数】2页(P102-103)
【关键词】复杂电磁环境;卫勤装备;电磁干扰;电磁屏蔽
【作者】严富勇;车彬
【作者单位】116017 辽宁大连沈阳军区卫生技术干部训练中心;116017 辽宁大连沈阳军区卫生技术干部训练中心
【正文语种】中文
【中图分类】R821.4;O441.4
随着信息技术在军事领域的广泛应用，高技术条件下的局部信息化战争已以一种新的作战形式登上战争的舞台。

电磁战是主导未来信息化战争的一种基本形式，其应用基础为电磁波。

电磁波是由迅速变化的电磁场在空间的传播构成[1]。

在特定的
战场环境里，一定的空域、时域、频域上，数量繁多、能量各异、样式复杂的电磁波信号相互重叠、动态交迭就构成了战场复杂电磁环境[2]。

随着科学技术的发展及新材料、新工艺的不断涌现，医疗卫生装备正不断向机械化、自动化、智能化方向迈进[3]。

近年来，野战卫勤装备如野战手术车、野战急救车、野战运血车、野战X线诊断车等一批高自动化、高智能化装备陆续列装部队，极
大地提高了卫勤保障能力。

这些装备广泛应用了以微电子电路器件为基础的信息处理系统，如用于心理干预的生物反馈诊疗仪、用于诊断的野战X线车等。

其信息
处理系统基本都由信息采集系统和微计算机或单片计算机系统构成，工作框图如图1所示。

信息采集系统将采集到生物、光、电及其他类型的信号转换成计算机识别的数字信号。

其工作流程为：传感器将采集到的非电信号转换成模拟电信号，再由模拟量/
数字量转换器（A/D），经过采样、量化转换成在时间上离散的数字信号，计算机或单片计算机系统作为应用软件的运行平台，主要进行信号的分析、处理，并通过显示器、打印机等设备输出结果。

信号采集系统和计算机系统都采用了大量的微电子技术，在现代大规模集成电路中，数百甚至上千个元器件集成在一个芯片上。

这种由微电子元器件集成的芯片对电磁脉冲极为敏感。

现代战场的复杂电磁环境是各种天然、人为电磁能量共同作用的结果，各种构成复杂电磁环境的分量都会对野战卫勤装备造成危害。

因此，只有充分认识到这种潜在
威胁，才能使野战卫勤装备得到有效的防护。

当带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，介质产生电离而使带电体上的静电荷部分消失或全部消失的现象叫做静电放电（electro-static discharge，ESD）。

静电放电可形成瞬时高电位、强电场、大电流（其电流波形的上升时间小于1 ns），并伴有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲（ESD EMP）。

实验表明，静电放电电磁脉冲对微电子设备有较强的干扰作用。

较强的静电电磁脉冲放电能使数字信号“0”状态对应的低电平和“1”状态对应的高电平界限模糊不清，从而
使整个输出无效或失真，严重时可造成计算机系统“死机”、“反复启动”甚至“无法开机”。

雷电放电是一种最为常见的自然电磁现象，其特点是放电路径长、电压峰值高、瞬时电流强、破坏作用大[4]。

威力大的雷电放电可使云层中数十亿库仑的电荷瞬间
转移到大地而对地面目标形成较强的冲击效应，从而形成雷击电磁脉冲（lightning electromagnetic pulse，LENP）。

雷击电磁脉冲效应主要表现在雷击时瞬间输出的强电流在雷电通道周围形成强大的电磁场。

这种强大的电磁场会使微电子电路中耦合出强电流，导致设备自身的干扰和设备间的相互干扰，严重时甚至造成部分硬件设备永久性损坏。

人为电磁环境包括无意电磁干扰和有意电磁干扰。

无意干扰指设备正常使用形成的电磁能量泄露，而非特意用于攻击对方的微电子设备，如雷达系统。

有意电磁干扰是指特意用于干扰、破坏对方的微电子设备，达到使对方军事装备和设备不能正常工作的目的，如电子战干扰源、电磁脉冲武器等。

战时对野战卫勤装备的威胁主要来自有意电磁干扰，瞬间的电磁效应可使数据采集误差增大、内存数据改变，使应用程序不能正常运行或出现死循环等现象，强大的电磁脉冲有可能对计算机系统造成毁灭性的破坏。

高能微波电效应产生的瞬间高电压可击穿系统内部的A/D转换器，使原始信号严重失真。

高能微波热效应产生的
高温可以使微电子元器件融化、变形，或使计算机系统烧毁。

电子设备的数字化、信息处理的高速化、设备构件的小型化使得野战卫勤装备微电子系统的抗干扰能力不断降低。

复杂电子环境下对野战卫勤装备电子设备的有效防护是保证其正常运转的重要措施之一。

目前，对卫勤装备的防护措施常用的有接地技术和屏蔽技术。

采用可靠的接地是保证卫勤装备可靠性和抑制电磁干扰的技术措施之一。

从本质上讲，接地的目的是利用大地作为电位参考点将卫勤装备微电子设备系统内的某个原件电位限定在一个固定值上，这样不但能保证装备微电子设备电路系统的稳定工作，而且能有效防止外界电磁场的干扰。

装备的可靠接地可使因静电感应而积累在外壳上的大量电荷通过大地释放，避免静电高压瞬时释放造成的静电放电电磁脉冲的干扰。

从卫勤装备电磁脉冲防护的角度，接地可分为2大类，即安全和防雷击接地、电磁抑制和信号接地。

屏蔽技术是电磁辐射防护中基本和有效的技术措施之一。

其主要原理是：将对电磁脉冲敏感的电子设备在空间上与电磁辐射环境相隔离，减少电磁脉冲场对设备和系统的影响[5]。

广义上讲，电场和磁场不可分割，屏蔽技术主要是指电磁场的屏蔽。

若在近场以电场为主的情况下，磁场可忽略；反之，则以磁场为主。

（1）电场屏蔽。

对卫勤装备微电子设备系统，如计算机系统可采用高电导率的材料，如钢板、铜板等作为屏蔽体并良好接地，这样可将外围电场终止在屏蔽体表面并通过良好的接地释放感应电荷，既能防止系统外电场与系统内电路的电场耦合，也能防止计算机内部重要信息的泄露。

（2）磁场屏蔽。

磁场屏蔽可分为低频和高频2种频率磁场的屏蔽。

在电子设备中，低频磁场的屏蔽是个比较“困难”的问题，其原因是磁屏蔽体效能远不如电屏蔽和电磁屏蔽[6]。

磁场屏蔽的屏蔽机理与磁场的频率有直接的关系。

对于低频磁场（包括直流恒定磁场）的屏蔽，屏蔽体必须采用高磁导率材料，如铁
磁合金、硅钢片、碳钢合金等。

利用高导磁材料对干扰磁场在屏蔽体内构成阻磁回路，防止磁场进入被屏蔽的系统。

这就要求所选用的屏蔽材料不仅要有较高的磁导率，而且要在被屏蔽磁场中处于非饱和状态。

对于高频磁场的屏蔽，主要是利用电磁感应现象在金属屏蔽体上的感应涡流产生的反干扰磁场来达到屏蔽的目的。

因此，屏蔽体应采用高电导率材料，如铜、铝等。

在同一外干扰磁场中，屏蔽体表面感生的涡流越大，屏蔽作用越明显。

对于同一屏蔽体，外界干扰场强频率越高，屏蔽效果越好。

（3）电磁场屏蔽。

电磁波在穿透金属导体或对电磁波有衰减作用的阻挡层时会急剧衰减，并在临界体表面发生反射。

干扰电磁波在金属或阻挡物表面的反射可抵消一部分干扰电磁场，达到一定的屏蔽效果。

电磁波在金属内的损耗表现形式为感生涡流。

干扰电磁场通过金属屏蔽物时，金属屏蔽物会产生感生涡流，感生涡流形成的反磁场将抵消一部分干扰磁场，这可以理解成对干扰电磁场的损耗。

无数次的电磁波反射和感生涡流形成反磁场的损耗，使干扰电磁场的强度逐渐衰减，从而达到屏蔽效果。

在实际应用和战时紧急情况下，采用电磁屏蔽涂料层的简易电磁防护也是常用的防护措施之一，如在野战X线诊断车的高频X射线发生控制系统、计算机成像系统等设备部件表面涂上一层特制的电磁屏蔽涂料，也可以达到防止系统外的电磁脉冲辐射的效果，而且还可以保证战时电子设备系统间的电磁耦合，防止系统内部的电磁干扰。

当今，部队列装了许多以高精度、低功耗、高灵敏度的大规模集成电路系统装备。

未来的复杂战场电磁环境将对这些装备构成巨大威胁。

因此，恶劣的战场电磁环境对装备的防护也提出了更高的要求。

如何提高野战卫勤装备在复杂电磁环境下的生存能力是一项紧迫而又艰巨的任务，也是卫勤分队提高保障能力的关键因素。

【相关文献】
[1]彭仲秋.瞬间电磁场[M].北京：高等教育出版社，1989：9-11.
[2]李楠，张雪飞.战场复杂电磁环境构成分析[J].装备环境工程，2008，5（1）：16-17.
[3]李祖江，吕庆友.野战卫生技术车辆[M].北京：解放军出版社，2006：1-2.
[4]虞昊，臧庚媛，张勋文，等.现代防雷技术基础[M].北京：清华大学出版社，1995：17-21.
[5]周璧华，陈彬，石立华.电磁脉冲及其工程防护[M].北京：国防工业出版社，2004：275.
[6]周旭.电子设备防干扰原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2006：114-115.。