摘要：强电磁脉冲对车辆平台电磁安全构成了严重威胁。为了评估强电磁脉冲对车辆平台电磁安全造成的威胁程度，对其在强电磁脉冲源攻击下的耦合机理和毁伤效应进行研究，基于时域有限积分法建立强电磁脉冲攻击模型，对天馈系统、车辆舱体、电控系统在强电磁环境下的耦合效应进行了仿真计算，实现了车辆平台电磁安全威胁程度的量化分析，分析结果可作为车辆平台强电磁安全防护研究的设计输入和理论支撑。
0 引 言
复杂电磁环境下，电磁安全威胁与防护问题日益突出，电子设备和计算机信息系统成为强电磁脉冲攻击的“头号目标”[1]。作为重要机动指挥与任务保障的车辆平台，电子化程度越来越高，车辆行车控制、通信保障等计算机信息系统不断增加，车辆内部链路数激增，导致电磁脉冲敏感源和耦合路径不断增多。信息化水平在提高车辆平台任务保障能力的同时，使得其面临着越来越严重的强电磁脉冲攻击威胁。为了提升车辆平台在强电磁环境条件下的适应性，首先要获取脉冲能量在车辆内部耦合产生的效应数值，其次评估强电磁脉冲对车辆产生的威胁程度，最后有针对性地进行电磁安全防护设计。本文从强电磁脉冲对车辆平台的耦合路径和毁伤效应两方面进行电磁安全威胁分析研究，建立电磁仿真模型，量化分析在50 kV/m核电磁脉冲攻击下车辆平台的效应数值，以期为电磁安全防护的设计提供设计输入和理论支撑。
1 强电磁脉冲耦合机理
强电磁脉冲辐射源是一种利用强电磁能量对目标进行攻击的装置，从产生形式上分为高空核电磁脉冲、高功率微波以及电磁炸弹。辐射源以高功率、宽频谱的方式对目标进行辐射，使得电子设备感应电压强度超过器件耐压阈值，从而造成系统损坏或瘫痪[1]。
车辆平台电子设备分布在任务系统和底盘电气系统中。任务系统主要指通信系统，包含车辆舱室内接收设备和车顶天线两部分。底盘电气系统主要由电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）、传感器、执行机构以及内部的信号传输线缆组成。强电磁脉冲通过“前门”耦合和“后门”耦合两种方式将脉冲能量耦合到车辆平台电子设备中，如图1所示。
“前门”耦合的主要对象是带有天线的任务系统。电磁脉冲能量通过前门耦合进入接收设备，并在车辆内部形成强电磁辐射场，对车内电子设备产生作用。“后门”耦合的主要对象是车体缝隙、玻璃、孔洞以及处于辐射区域的底盘电控系统线缆等。强电磁脉冲通过后门耦合进入车辆内部，对车内电子设备及车辆平台电控系统产生作用。
强电磁脉冲产生的高电压大电流对电子设备产生高压击穿、微波加热、器件烧毁、电涌浪击、瞬态干扰等效应，从而导致车辆平台任务系统功能失效或车辆丧失机动性[2]。
2 强电磁脉冲作用效应
强电磁脉冲作用效应是指电磁脉冲源产生电磁脉冲能量，通过各种耦合途径将电磁能量传输到敏感设备，从而对敏感设备的正常运行造成影响的过程。如表1所示，根据不同作用级别，将强电磁脉冲对目标的作用效应分为功能紊乱和系统毁伤[3]。
功能紊乱是指电磁脉冲能量造成的瞬态干扰电压进入目标电路的信号传输链路中，电路中原始信息没有改变，但在传输途中被干扰，导致输出结果发生变化，使得系统功能异常。通信系统链路被干扰会引起通信中断，丧失任务功能或降低功能指标。底盘电控系统链路被干扰会引起控制电路逻辑指令出错，执行机构工作紊乱，导致车辆工作异常。
系统毁伤是指进入电子设备的强电磁脉冲能量在设备元器件上或组件输入端产生的电流、电压超过元器件本身的阈值，造成器件或组件的击穿、烧毁等永久性失效。任务系统中的通信电台、信息处理设备以及电控系统中的电控单元（ECU）和各类传感器基本都是集成电路，其受损或被破坏的效应阈值非常低。在功率密度为1～100W/cm2（自由空间条件下，波阻抗为120π Ω，计算得出的场强值为2 000～20000 V/m）的电磁脉冲环境下，计算机系统中敏感器件将会发生物理性损毁[3]。
3 强电磁脉冲效应量化计算
3.1 算法描述
电子设备在高场强高电压下会产生功能紊乱和系统毁伤效应。为了对车辆平台进行电磁安全防护设计，需要知道强电磁脉冲攻击环境下，响应场强和电压是否达到了功能紊乱和系统毁伤的量值。一般通过攻击效应试验测试或理论计算的方法，得到车辆内部产生的场强和电子设备上耦合到的瞬态电压值。
车辆平台尺寸较大，攻击试验实施难度高，且属于毁伤性试验，试验成本高昂。因此，在前期研究过程中，采取数学计算方式，将其等效为电磁场工程问题进行理论求解。电磁场工程问题的解决一般要进行理论公式推导，建立解析方程，然后求出精确解。对于车辆平台这种复杂目标，只能将物理问题抽象为计算模型，借助计算机仿真模拟，采用电磁场仿真算法，即可用仿真结果实现物理问题的求解。
电磁场数值仿真的计算方法有多种，如时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）、有限元法（Finite Element Method，FEM）、矩量法（Method of Moments，MOM）和时域有限积分法（Finite Integration Time Domain，FITD）。每个算法都有对应解决问题的类型。车辆平台结构尺寸较大，结构复杂，且强电磁脉冲在频谱上呈现宽频瞬态特征。因此，选用时域有限积分法（FITD）进行强电磁脉冲模拟攻击的仿真计算，建立仿真模型，通过一次激励求解整个宽频带的瞬态响应结果。
3.2 计算机建模
强电磁脉冲攻击效应发生的三要素是攻击源（源）、传输路径（路径）和被攻击目标（受体），因此需要对三要素进行计算机建模。
攻击源建模时需要考虑脉冲能量的峰值大小、攻击范围以及能量在频谱上的分布。高空核电磁脉冲具有攻击范围广、场强幅度大、频谱分布宽的特点，且脉冲能量分布在100 MHz以下[4]。车辆平台任务系统中广泛应用的超短波通信电台和底盘电控系统信号工作频率都在100 MHz以下。高空核电磁脉冲能量通过辐射方式在攻击目标的工作频率范围内进行耦合，会对电子设备和电子系统产生更大毁伤，因此将高空核电磁脉冲参数作为典型辐射源进行辐射源建模。
高空核电磁脉冲在理想远场辐射条件下，等效为在自由空间传输的平面波，空间波阻抗为120π Ω，时域波形用双指数函数的数学表达式表示：
式中，E0 为峰值场强，量值为50 kV/m，k 为修正系数，
为表征脉冲前沿的参数，
为表征脉冲后沿参数。表2中列出了几种主要的电磁脉冲波形表达式参数，tr 为上升时间，tf 为衰落时间。
与贝尔实验室标准和1976年出版物标准相比，IEC标准规定的高空核电磁脉冲波形前沿和持续时间大大减小，脉冲的前沿非常陡峭，高频成分更加丰富，对系统的抗电磁脉冲能力提出了更高要求[4]。因此，选用IEC标准参数进行建模，激励源时域波形如图2所示。
被攻击目标（车辆平台）模型要素包括前门耦合和后门耦合两种耦合途径。超短波天线模拟前门耦合途径，电磁脉冲能量通过信号接收通道进行耦合，考察天线端口50 Ω负载电压和瞬时电压在车体内部形成的场强。车体结构为理想金属材料，不透射电磁能量，考察电磁脉冲能量通过缝隙、玻璃进入车体内感应形成的场强和在车辆底盘电气系统内产生的瞬时电压。被攻击目标（车辆平台）三维模型如图3所示。
基于计算机辅助建模，建立强电磁脉冲攻击模型，如图4所示，由辐射源①、传输路径②和攻击目标③组成。
3.3 量化分析
3.3.1 天线系统耦合计算
车载超短波天线在50 kV/m强电磁信号的辐照下，天线端口耦合到的电压瞬态响应和经由天线端口在车体内产生的场强响应结果如图5、图6所示。超短波天线端口耦合电压达到1.4 kV，足以烧毁许多电子元器件；微处理器的损坏电压为5 V，存储器的毁坏电压为7～15 V；由超短波天线耦合的能量在车内形成的场强达到4 000 V/m（自由空间条件下，波阻抗为120π，等效功率密度为32 W/cm2）。由表1可知，载体的金属表面产生感应电流、电压，通过导体、电缆和各种缝隙耦合到平台内其他任务电子设备中，造成敏感器件发生物理性损毁，导致任务系统功能丧失。
3.3.2 车辆舱体耦合效应
车辆舱体主要包含基本舱体结构、车窗和缝隙等。基本舱体结构由金属材料组成，厚度大，电磁场屏蔽效能好。因此，设定强电磁脉冲能量通过车窗玻璃、缝隙等后门耦合的方式进入车辆内部。玻璃、缝隙耦合产生的场强响应，如图7所示。
强电磁脉冲通过后门耦合方式，以缝隙和玻璃两种途径进入车辆舱室内部，形成的电场场强瞬态值超过了5 000 V/m。这种后门耦合产生的场强比由天线系统前门耦合产生的场强瞬态值还要高，对舱室内电子设备同样造成了巨大威胁。
3.3.3 底盘电控系统耦合效应
车辆底盘电控系统由传感器器、ECU和执行机构等组成。ECU包含了输入、输出以及微处理器三部分，其中微处理器包含控制模块、存储模块、驱动模块和信号处理模块等，最易受到强电磁脉冲的干扰，从而影响电控系统的正常工作。ECU内部的控制部分根据传感器返回的输入信号发出相应的执行指令，通过输出链路将指令传输到执行器。因此，将ECU中的通信链路作为重点分析对象，建立通信线路耦合模型，设置单线线缆Le1、Le2表示ECU内部的线缆结构。两线缆的四个端口分别表示为Necu1、Necu2、Necu3和Necu4，模型如图8所示。
在50 kV/m的强电磁脉冲环境，各个线缆端所耦合到的电压如图9～图12所示。
线缆端口Necu1耦合到的电压值在600～1000V，线缆端口Necu2耦合到的电压值在500～800V，线缆端口Necu3耦合到的电压值在500～600V，线缆端口Necu4耦合到的电压值在600～700V。由仿真结果可知，车辆ECU传输链路上耦合到的电压为500～1000 V。
车辆ECU不是一个单独的模块，有电源输入输出、信号接收和信号输出。它与执行器模块、传感器模块、电源模块以及总线模块等都是物理连接，造成了其他关联模块上承受500～1000 V的瞬时脉冲电压。同时，车辆电控系统信号传输线缆，CAN总线、电源线都是没有屏蔽的普通导线，强电磁脉冲能量也很容易从这些线缆耦合到信号链路中。
电磁脉冲干扰耦合对电子器件和信号链路产生的乱真响应，会使信号传输和指令控制产生紊乱，造成车辆发动机工作异常。车辆上采用的电子控制单元，都由微处理单元和其他半导体器件组成。模块之间输入输出链路中都是弱电模拟信号或者逻辑时序信号，如油门信号范围为0.75～2.2 V，排气制动信号为0.5～5 V，油轨压力传感器为0.5～5 V，转速传感器信号为5 V等。这些信号都是保障车辆正常工作的关键控制信号。速度/正时传感器、压力传感器以及温度传感器等设备，在高压信号干扰下，传感器发生损坏或者数据回传信号失真。发动机控制电路在强电压冲击下也可能被损坏，或者控制链路上的执行信号失真。上述情形的发生都可能导致发动机系统在控制喷油时间、喷油量时序上出现问题。发动机在运转过程中，对于喷油时序、喷油量有严格要求。喷油时序紊乱，喷油量过多或者过少，都会导致发动机系统熄火。对于这种情况，国内已经研制出了电磁脉冲车辆迫停装置，通过电磁脉冲影响发动机电控系统中发动机的喷油时序和喷油量使发动机熄火，从而达到车辆停止的目的[5-6]。因此，强电磁脉冲对电控系统的耦合量级会让车辆平台丧失机动性。
4 结 语
随着技术的发展，车辆信息化水平和强电磁脉辐射源的技术水平都进入快速发展期，导致车辆平台电磁安全面临的威胁变得更加现实。本文基于电磁场仿真算法，对强电磁脉冲在车辆平台上产生的效应进行量化计算和分析。结果表明，强电磁脉冲产生的瞬时脉冲能量通过前门耦合和后门耦合对车辆任务电子装备和底盘电子设备造成的威胁量级足以使其丧失功能或者损毁。研究成果为电磁安全防护工程设计人员提供了量化指标和设计输入，对车辆平台提升抗电磁攻击性能具有重要意义。
参考文献：
[1] 张晓丽,杨家海,孙晓晴等.分布式云的研究进展综述[J].软件学报,2018,29(07):2116-2132.
[2] 胡光永.基于云计算的数据安全存储策略研究[J].计算机测量与控制,2011,19(10):2539-2541.
[3] 罗象宏,舒继武.存储系统中的纠删码研究综述[J].计算机研究与发展,2012,49(01):1-11.
[4] Plank,James S.A Tutorial on Reed-Solomon Coding for Fault-Tolerance in RAID-like Systems[J].Software Practice & Experience,2015,27(09):995-1012.
[5] 滕鹏国,张景中,陈亮等.随机阵列码:一种高容灾易扩展的RAID存储容灾方法[J].工程科学与技术,2017,49(03):110-116.
作者简介：
郑浩月，中国电子科技网络信息安全有限公司，硕士，工程师，主要研究方向电磁防护仿真与设计；
贺志昂，东风越野车有限公司，学士，工程师，主要研究方向车辆电子设备与特种防护；
宋 滔，中国电子科技网络信息安全有限公司，硕士，研究员级高级工程师，主要研究方向为系统电磁防御；
陈益龙，中国电子科技网络信息安全有限公司，硕士，工程师，主要研究方向系统电磁仿真；
贺 宇，中国电子科技网络信息安全有限公司，硕士，工程师，主要研究方向为强电磁脉冲防护；
何小东，中国电子科技网络信息安全有限公司，硕士，工程师，主要研究方向为系统电磁仿真。
（本文选自《通信技术》2019年第二期）
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