强电磁环境下无人机的电磁防护技术

确保无人机在强电磁环境下的安全飞行仅靠局部模块是不解决问题的，需要统筹考虑。本文分析了强电磁脉冲环境下无人机的电磁耦合路径和毁伤效应，从光电系统、天线端口以及机体设计三方面给出了无人机强电磁脉冲防护的思路，并形成了系统的电磁防护解决方案，为保障无人机在强电磁环境下的生存能力和作战能力提供了技术支撑及未来发展建议。

全文发表在2020 年第 5 期《安全与电磁兼容》

强电磁环境下无人机的电磁防护技术（摘）

作者：王永胜 李伟 郭文卿

（中国电子科技集团公司第三十三研究所）

【旅法学者陶明博士近日谈到，“上大学时，当年的实验室主任告诉我: 防电磁干扰是最难的。”当今的电磁环境比几十年前复杂许多倍，更何况暴露在空间的无人机所要面临的强电磁干扰！

不久前，中光防雷在答复投资者提问时称：“我公司目前研制的信号射频电磁脉冲防护模块可以安装在大型无人机上。”迄今尚未查询到中光公司提及的“信号射频电磁脉冲防护模块”介绍资料，故摘编本文，以飨大家。

据了解，中光防雷公司此前参与设立了产业投资基金成都鹰击长空投资中心；鹰击长空持有成都纵横自动化技术股份有限公司157.6万股，占注册资本比例为2.4%。成都纵横自动化技术股份有限公司创立于 2010 年，由包括成都鹰击长空投资中心（有限合伙）在内的十家机构和个人投资者组成。主要致力于为用户提供工业无人机整体解决方案。】

摘要：

分析了强电磁脉冲环境下无人机的电磁耦合路径和毁伤效应，从光电系统、天线端口以及机体设计三方面给出了无人机强电磁脉冲防护的思路，并形成了系统的电磁防护解决方案，为保障无人机在强电磁环境下的生存能力和作战能力提供了技术支撑及未来发展建议。

引言

美国先后于 2015 年、2017 年发布报告强调要重塑电磁频谱领域的优势地位、决胜电磁战。电子干扰、高功率微波攻击等作战手段将成为应对灰色地带挑衅的有效措施，电磁战正成为控制战争规模和进程的重要手段，是未来冲突的主要对抗形式。面对战争模式的转变，强电磁干扰及毁伤将是直接导致无人机失控甚至瘫痪的关键所在。因此，我国无人机必须具备抗电磁干扰和高功率微波毁伤的能力，应采取可靠的电磁防护措施，提高无人装备系统的电磁防护水平。

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无人机电磁耦合路径

强电磁脉冲可以覆盖无人机机载设备的全部工作频段，瞬时强大的电磁脉冲能量通过无人机的光电窗口、射频传感器端口或机体上的孔、缝耦合至无人机机载设备，对机载设备造成瞬态干扰甚至永久毁伤。

强电磁脉冲主要有“前门”耦合和“后门”耦合两种形式。“前门”耦合指电磁能量通过天线、传输线缆耦合到系统电子设备内部 ；“后门”耦合是指电磁能量通过机体上的孔、缝等形成的耦合。

在无人机机体结构设计过程中，机体蒙皮材料分为全部金属材料和部分金属 + 复合材料两种。如果机体外蒙皮全部采用金属材料，由于金属机身所具有的屏蔽特性，此时无人机的电磁耦合路径主要集中于机上各天线端口以及机身蒙皮可能存在的口盖、缝隙等部位 ；如果机体蒙皮全部或部分采用复合材料，由于机身复合材料不具有电磁屏蔽特性，导致无人机机载设备完全暴露在外界强电磁辐照之下，可能导致无人机机载设备被严重干扰甚至无法正常工作。无人机的电磁耦合路径如图 1。

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强电磁脉冲武器对无人机的作用流程及毁伤效应

强电磁脉冲武器通过耦合路径对无人机电子设备内部的作用流程如图 2。

强电磁脉冲对无人机的作用效应主要可分为干扰、扰乱 / 翻转、降级、损坏四种，具体毁伤如下 ：

（1）干扰，指强电磁脉冲作用在无人机电子设备内部时，造成设备内部噪声增加或出现新的干扰信号，影响设备的正常工作。例如，强电磁脉冲可能会造成无人机机载设备及数据传输受影响甚至失效，迫使无人机与地面站之间通讯中断，导致无人机自行降落或者返航。

（2）扰乱 / 翻转，指强电磁脉冲造成无人机机载设备或系统工作失常，设备工作混乱、工作指令中断，在没有人为干预情况下，机载设备或系统不能自动恢复正常工作。

（3）降级，指强电磁脉冲使无人机机载设备或系统关键器件性能下降或非关键器件损坏，导致无人机整个系统性能下降。

（4）损坏，指强电磁脉冲耦合进入无人机设备电子元器件内部，导致元器件暂时失效或烧毁，致使无人机航电计算机中的存储器丧失记忆能力，使无人机陷于瘫痪甚至坠机。

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无人机系统电磁防护设计

无人机系统电磁防护技术运用自顶向下、分级防护的设计思想，建立全机电磁防护的分析模型，针对强电磁脉冲防护的薄弱环节，通过仿真，不断对系统设计方案进行分析、评估、测试、优化、调整，直至满足总体电磁防护技术要求。

设计过程中通过系统级的电磁耦合路径分析仿真，发现威胁源产生干扰或毁伤的各耦合路径并量化威胁程度 ；再结合系统级物理电磁防护设计技术，针对耦合路径产生的电磁效应，进行预设计 ；然后将设计结果进行仿真验证分析，直到满足整体指标。如此迭代分析的结果，作为物理电磁防护材料和器件的设计指标。

为防御外部强电磁攻击或干扰，需要对整体防护材料、各部位防护器件及射频前端电磁脉冲抑制、接收机和计算机电磁防护、各类设备（包括存储设备）机箱电磁屏蔽、线缆屏蔽进行全方位设计，系统地规划、论证分指标，共同实现最终防护目标。

无人机系统电磁防护设计技术框架如图 3，无人机电磁防护架构如图 4。

3.1光电系统的电磁加固（略）

无人机光电系统前端结构组成如图 5。电磁辐射能量通过光学窗口，由光学望远组件传递到舱内的红外探测器，并将数字图像数据传输到接口电路，由接口电路传输到信号处理机，伺服控制电路完成陀螺稳定平台的控制驱动，实现目标的搜索。

（1）光学窗口

（2）密封外罩

3.2天线端口电磁防护设计

（1）频率选择雷达天线罩设计

无人机雷达天线罩采用频率选择表面（FSS）技术制备，通过该技术可制备出具有频率选择功能的雷达天线罩，实现电磁波带内通过、带外吸收的功能。天线罩设计涉及频率选择表面基本单元的选型、设计，天线罩结构优化和工艺设计三个方面。

（2）瞬态抑制组件研制

当天线处于实际工作电磁环境时，由于天线的暴露性，其耦合电压或电流远远大于天线后置电子设备的额定阈值。设计天馈脉冲瞬态抑制器件电路时，对于敏感器件或电路，如一些二极管、集成电路等，只使用一级浪涌保护电路往往不能达到防护效果，尤其是高频干扰信号，需要设计多级防护电路。

设计天馈脉冲抑制器件电路时 , 第一级防护使用气体放电管泄放耦合的大电流 ；第二级防护使用半导体放电管，抑制高功率微波（HPM）、核电磁脉冲 (HEMP)及静电 (ESD) 等快上升沿的电磁脉冲，泄放第一级无法响应而残留的能量 ；第三级防护使用具备高速回路特性的 TVS 管，将电压嵌位到一个较低的水平，起到对敏感器件的精密防护作用，如图 12。如果三级防护还不能很好保护敏感器件，可以使用四级防护电路，把电压嵌位到要求值。天馈脉冲抑制器件性能参数见表 1。

（3）传输线缆电磁防护

针对机舱内线缆束之间存在的耦合效应，通过加装屏蔽热缩套管对电缆进行屏蔽和隔离设计，达到抗干扰的目的。

3.3机体电磁防护设计

无人机机体防护采用结构功能一体化防护设计方法，进行电磁屏蔽、电磁吸波、结构承重参数匹配设计，在舱体中集成缝隙类、孔洞类防护材料和器件，使其抗强电磁脉冲毁伤能力极大提高，进而在无人机遭受强电磁脉冲攻击时起到防护作用，可采取的防护措施见表 3。

采用结构功能一体化设计方法制作的无人机机体，具备电磁屏蔽、电磁吸波、降噪、轻质、装饰、承重，结构功能一体化等特点，结构示意图如图 14，结构功能一体化电磁防护复合器件技术指标见表 4。

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结语

无人机的空间狭小、机载电子设备繁多、频率范围宽等特点，导致机内电磁环境复杂，致使其在强电磁环境下执行任务时更容易受到干扰。随着大功率电磁辐射干扰机、高功率微波和电磁脉冲等电磁能量武器在未来战场越来越多的应用，战场电磁环境日益恶劣。因此，提升无人机自身的电磁防护性能，确保其在强电磁环境下的可靠性和安全性迫在眉睫。提升无人机强电磁环境适应性，后续应重点考虑以下几个方面 ：

（1）采用自顶向下的防护设计理念，针对存在电磁干扰 / 毁伤的薄弱环节，不断深化对干扰源、传播途径和敏感设备在空域、时域、频域、能域不同维度的电磁防护设计 ;

（2）研究探索无人机装备强电磁脉冲验证和评估方法 ；

（3）加快推进抗强电磁脉冲材料和器件在无人机上的实装应用，通过装机验证来检验和牵引新一代材料和器件的研发。

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