確保無人機在強電磁環境下的安全飛行僅靠局部模塊是不解決問題的，需要統籌考慮。本文分析了強電磁脈沖環境下無人機的電磁耦合路徑和毀傷效應，從光電系統、天線端口以及機體設計三方面給出了無人機強電磁脈沖防護的思路，并形成了系統的電磁防護解決方案，為保障無人機在強電磁環境下的生存能力和作戰能力提供了技術支撐及未來發展建議。
美國先后于2015年、2017年發布報告強調要重塑電磁頻譜領域的優勢地位、決勝電磁戰。電子干擾、高功率微波攻擊等作戰手段將成為應對灰色地帶挑釁的有效措施，電磁戰正成為控制戰爭規模和進程的重要手段，是未來沖突的主要對抗形式。面對戰爭模式的轉變，強電磁干擾及毀傷將是直接導致無人機失控甚至癱瘓的關鍵所在。因此，我國無人機必須具備抗電磁干擾和高功率微波毀傷的能力，應采取可靠的電磁防護措施，提高無人裝備系統的電磁防護水平。
1、無人機電磁耦合路徑
強電磁脈沖可以覆蓋無人機機載設備的全部工作頻段，瞬時強大的電磁脈沖能量通過無人機的光電窗口、射頻傳感器端口或機體上的孔、縫耦合至無人機機載設備，對機載設備造成瞬態干擾甚至永久毀傷。
強電磁脈沖主要有“前門”耦合和“后門”耦合兩種形式。“前門”耦合指電磁能量通過天線、傳輸線纜耦合到系統電子設備內部；“后門”耦合是指電磁能量通過機體上的孔、縫等形成的耦合。
在無人機機體結構設計過程中，機體蒙皮材料分為全部金屬材料和部分金屬+復合材料兩種。如果機體外蒙皮全部采用金屬材料，由于金屬機身所具有的屏蔽特性，此時無人機的電磁耦合路徑主要集中于機上各天線端口以及機身蒙皮可能存在的口蓋、縫隙等部位；如果機體蒙皮全部或部分采用復合材料，由于機身復合材料不具有電磁屏蔽特性，導致無人機機載設備完全暴露在外界強電磁輻照之下，可能導致無人機機載設備被嚴重干擾甚至無法正常工作。無人機的電磁耦合路徑如圖1。
2、強電磁脈沖武器對無人機的作用流程及毀傷效應
強電磁脈沖武器通過耦合路徑對無人機電子設備內部的作用流程如圖2。
強電磁脈沖對無人機的作用效應主要可分為干擾、擾亂/翻轉、降級、損壞四種，具體毀傷如下：
（1）干擾，指強電磁脈沖作用在無人機電子設備內部時，造成設備內部噪聲增加或出現新的干擾信號，影響設備的正常工作。例如，強電磁脈沖可能會造成無人機機載設備及數據傳輸受影響甚至失效，迫使無人機與地面站之間通訊中斷，導致無人機自行降落或者返航。
（2）擾亂/翻轉，指強電磁脈沖造成無人機機載設備或系統工作失常，設備工作混亂、工作指令中斷，在沒有人為干預情況下，機載設備或系統不能自動恢復正常工作。
（3）降級，指強電磁脈沖使無人機機載設備或系統關鍵器件性能下降或非關鍵器件損壞，導致無人機整個系統性能下降。
（4）損壞，指強電磁脈沖耦合進入無人機設備電子元器件內部，導致元器件暫時失效或燒毀，致使無人機航電計算機中的存儲器喪失記憶能力，使無人機陷于癱瘓甚至墜機。
3、無人機系統電磁防護設計
無人機系統電磁防護技術運用自頂向下、分級防護的設計思想，建立全機電磁防護的分析模型，針對強電磁脈沖防護的薄弱環節，通過仿真，不斷對系統設計方案進行分析、評估、測試、優化、調整，直至滿足總體電磁防護技術要求。
設計過程中通過系統級的電磁耦合路徑分析仿真，發現威脅源產生干擾或毀傷的各耦合路徑并量化威脅程度；再結合系統級物理電磁防護設計技術，針對耦合路徑產生的電磁效應，進行預設計；然后將設計結果進行仿真驗證分析，直到滿足整體指標。如此迭代分析的結果，作為物理電磁防護材料和器件的設計指標。
為防御外部強電磁攻擊或干擾，需要對整體防護材料、各部位防護器件及射頻前端電磁脈沖抑制、接收機和計算機電磁防護、各類設備（包括存儲設備）機箱電磁屏蔽、線纜屏蔽進行全方位設計，系統地規劃、論證分指標，共同實現最終防護目標。
無人機系統電磁防護設計技術框架如圖3，無人機電磁防護架構如圖4。
3.1光電系統的電磁加固
無人機光電系統前端結構組成如圖5。電磁輻射能量通過光學窗口，由光學望遠組件傳遞到艙內的紅外探測器，并將數字圖像數據傳輸到接口電路，由接口電路傳輸到信號處理機，伺服控制電路完成陀螺穩定平臺的控制驅動，實現目標的搜索。
（1）光學窗口
（2）密封外罩
3.2天線端口電磁防護設計
（1）頻率選擇雷達天線罩設計
無人機雷達天線罩采用頻率選擇表面（FSS）技術制備，通過該技術可制備出具有頻率選擇功能的雷達天線罩，實現電磁波帶內通過、帶外吸收的功能。天線罩設計涉及頻率選擇表面基本單元的選型、設計，天線罩結構優化和工藝設計三個方面。
（2）瞬態抑制組件研制
當天線處于實際工作電磁環境時，由于天線的暴露性，其耦合電壓或電流遠遠大于天線后置電子設備的額定閾值。設計天饋脈沖瞬態抑制器件電路時，對于敏感器件或電路，如一些二極管、集成電路等，只使用一級浪涌保護電路往往不能達到防護效果，尤其是高頻干擾信號，需要設計多級防護電路。
設計天饋脈沖抑制器件電路時,第一級防護使用氣體放電管泄放耦合的大電流；第二級防護使用半導體放電管，抑制高功率微波（HPM）、核電磁脈沖(HEMP)及靜電(ESD)等快上升沿的電磁脈沖，泄放第一級無法響應而殘留的能量；第三級防護使用具備高速回路特性的TVS管，將電壓嵌位到一個較低的水平，起到對敏感器件的精密防護作用。如果三級防護還不能很好保護敏感器件，可以使用四級防護電路，把電壓嵌位到要求值。天饋脈沖抑制器件性能參數見表1。
（3）傳輸線纜電磁防護
針對機艙內線纜束之間存在的耦合效應，通過加裝屏蔽熱縮套管對電纜進行屏蔽和隔離設計，達到抗干擾的目的。
3.3機體電磁防護設計
無人機機體防護采用結構功能一體化防護設計方法，進行電磁屏蔽、電磁吸波、結構承重參數匹配設計，在艙體中集成縫隙類、孔洞類防護材料和器件，使其抗強電磁脈沖毀傷能力極大提高，進而在無人機遭受強電磁脈沖攻擊時起到防護作用，可采取的防護措施見表3。
采用結構功能一體化設計方法制作的無人機機體，具備電磁屏蔽、電磁吸波、降噪、輕質、裝飾、承重，結構功能一體化等特點，結構功能一體化電磁防護復合器件技術指標見表4。
4、結語
無人機的空間狹小、機載電子設備繁多、頻率范圍寬等特點，導致機內電磁環境復雜，致使其在強電磁環境下執行任務時更容易受到干擾。隨著大功率電磁輻射干擾機、高功率微波和電磁脈沖等電磁能量武器在未來戰場越來越多的應用，戰場電磁環境日益惡劣。因此，提升無人機自身的電磁防護性能，確保其在強電磁環境下的可靠性和安全性迫在眉睫。提升無人機強電磁環境適應性，后續應重點考慮以下幾個方面：
（1）采用自頂向下的防護設計理念，針對存在電磁干擾/毀傷的薄弱環節，不斷深化對干擾源、傳播途徑和敏感設備在空域、時域、頻域、能域不同維度的電磁防護設計;
（2）研究探索無人機裝備強電磁脈沖驗證和評估方法；
（3）加快推進抗強電磁脈沖材料和器件在無人機上的實裝應用，通過裝機驗證來檢驗和牽引新一代材料和器件的研發。
作者：王永勝李偉郭文卿（中國電子科技集團公司第三十三研究所）
來源：《安全與電磁兼容》
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