醫(yī)療衛(wèi)生裝備抗高功率微波技術分析

1、<p>　　醫(yī)療衛(wèi)生裝備抗高功率微波技術分析</p><p>　　【摘要】隨著高功率微波研究不斷深入，高功率微波武器在戰(zhàn)場上的應用日益廣泛，未來戰(zhàn)場復雜的電磁環(huán)境對我軍醫(yī)療衛(wèi)生裝備提出了嚴峻的考驗。本文列舉了高功率微波的常用閾值，探討了醫(yī)療衛(wèi)生裝備的HPM防護措施，以保證在未來復雜電磁環(huán)境下我軍醫(yī)療裝備能夠正常工作，發(fā)揮其野外急救和生命體參數(shù)監(jiān)測的作用，為未來戰(zhàn)爭提供可靠的衛(wèi)勤保障。 </p>

2、;<p>　　【關鍵詞】高功率微波 醫(yī)療衛(wèi)生裝備 電磁干擾 HPM防護 </p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　高功率微波（High Power Microwave，簡稱HPM）是指微波脈沖峰值功率大于100MW以上的微波，由于HPM本身具備的優(yōu)點，其應用越來越受到各個領域的重視。HPM武器是利用高功率微波的射束能量

3、干擾和摧毀敵方電子設備、破壞敵方武器系統(tǒng)或殺傷作戰(zhàn)人員的定向能武器，自海灣戰(zhàn)爭以來，其作為一種潛在的新概念武器，已經(jīng)在集“陸、海、空、天、電磁”五維一體的空間立體式信息化戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用[1]。在未來戰(zhàn)場上，它必將得到更為廣泛的應用，這對我軍雷達、通信、計算機、各種戰(zhàn)術導彈、預警飛機、隱形飛機、車輛點火系統(tǒng)等武器裝備構(gòu)成了極大的威脅，同時，對我軍后勤保障系統(tǒng)中的醫(yī)療衛(wèi)生裝備也提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[2]。 </p><

4、;p>　　隨著現(xiàn)代電子和工程技術的發(fā)展，醫(yī)療衛(wèi)生裝備對電磁信號的敏感度也越來越高，尤其是檢測人體生物電生理信號的儀器，其檢測結(jié)果會受到干擾，嚴重時會產(chǎn)生強電擊危及生命；如果是帶有計算機系統(tǒng)的醫(yī)療裝備，大幅度的共模干擾，還會引起計算機邏輯錯誤、信息丟失等。比如，在戰(zhàn)場上常用氣動式電控呼吸機急救設備，其工作原理是依靠中心供氧或氣泵為氣源，通過微機控制對患者進行控制呼吸與輔助呼吸及自主呼吸，一旦電子控制線路受到HPM攻擊和破壞，泵送氣源

5、頻率將紊亂，儀器將無法正常工作，對患者生命帶來極大危險[3]。在未來信息化戰(zhàn)爭環(huán)境下，高功率微波對我軍醫(yī)療裝備的影響已經(jīng)不可避免，因此，加強醫(yī)療裝備的HPM防護勢在必行。 </p><p>　　2 HPM對醫(yī)療衛(wèi)生裝備的作用機制 </p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學儀器逐漸向微型化、智能化方向發(fā)展，其核心部件基本都由微處理器控制。高功率微波主要通過微波的熱效應對醫(yī)療裝備中

6、的元器件如單片機、電阻、電容、半導體器件等產(chǎn)生破壞。典型的HPM失效效應是電子元器件的燒毀，其次是使電氣子系統(tǒng)的性能受到影響，以及使其工作狀態(tài)改變。 </p><p>　　2.1 HPM破壞機制 </p><p>　　HPM對醫(yī)療衛(wèi)生裝備等電子設備的作用機制，概括起來主要有以下兩方面[4]： </p><p>　?。?）電效應，是指在高功率微波下金屬表面或金屬導線

7、上產(chǎn)生感應電流或電壓并對此電子元器件產(chǎn)生的效應，如造成電子元器件狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)、器件性能的下降和半導體器件的擊穿等。 </p><p>　?。?）熱效應，是指微波照射電介質(zhì)材料時，該材料會吸熱升溫的現(xiàn)象。材料單位體積吸收的功率值與電場強度平方成正比，隨著材料導電率的升高而增加，此外，還與介電常數(shù)和微波頻率有關。這種熱效應會使目標瞬間被加熱。輕者，醫(yī)療裝備的電子系統(tǒng)受到干擾而失效；重者，整個系統(tǒng)將被摧毀。 </p

8、><p>　　2.2 HPM破壞閾值 </p><p>　　HPM的攻擊目標主要是各種武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺中最關鍵而又最脆弱的電子設備以及衛(wèi)勤系統(tǒng)中的急救儀器，同時，在其作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)所有電子或電氣設備都會受到威脅[5]。根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，列舉一些高功率微波對電子元器件、醫(yī)療衛(wèi)生裝備的計算機系統(tǒng)、一些軍用設備的破壞閾值。表1給出了電磁脈沖對各種電子元器件干擾和破壞的閾值。表2給出了高功率微波對

9、醫(yī)療衛(wèi)生裝備的計算機系統(tǒng)的破壞閾值。 </p><p>　　由此看出，HPM對不同類型的電子元器件產(chǎn)生干擾和破壞的能量不同，對醫(yī)療衛(wèi)生裝備的計算機系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和破壞的功率密度也不同。軍用醫(yī)療設備多為傳感器電子產(chǎn)品，比如用于戰(zhàn)場急救的監(jiān)護儀，主要用于檢測人體生理參數(shù)指標，包括脈搏、呼吸、血壓等，而這些電生理信號是十分微弱的，極易受到干擾，若外界電磁波能量過大，就會對軍用電子設備產(chǎn)生直接破壞，使其無法正常工作。 &l

10、t;/p><p>　　2.3 HPM破壞途徑和過程 </p><p>　　高功率微波進入醫(yī)療電子設備的途徑是多種的，主要是通過前門耦合和后門耦合兩種途徑。所謂前門耦合，是指HPM能量通過天線或傳感器等媒介耦合到其接收和發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)，以破壞其前端電子設備。如果入射的HPM能量的主要頻譜分量在前門通道的通頻帶內(nèi)，會有很強的HPM能量耦合到內(nèi)部系統(tǒng)的界面上。例如，弱微波能量通過前門耦合，沖擊和觸發(fā)電

11、子系統(tǒng)產(chǎn)生假的干擾信號，干擾雷達、通信、導航等設備的正常工作，或使其過載而失效。能量稍大，即可能燒毀微波檢波二極管、混頻器等。后門耦合，是指HPM能量通過機盒的縫隙或小孔滲透到系統(tǒng)中。若耦合進入電子系統(tǒng)的微波能量較少時，可干擾其電子設備，使電路功能產(chǎn)生混亂，出現(xiàn)誤碼，信息傳輸中斷，抹掉記憶信息等；當耦合進入電子系統(tǒng)的微波能量較大時，會造成電路系統(tǒng)和電子器件、計算機芯片等永久損傷或燒毀。 </p><p>　　HP

12、M對電子設備或電氣裝置的破壞過程主要包括滲透、傳輸和破壞三個環(huán)節(jié)。 </p><p>　　首先電磁波由天線、電纜、各種端口部分或者表面的媒介向內(nèi)部滲透，其能量變成隨時間、空間變化的大電流、大電壓，然后以電磁脈沖滲透的上述部分作為能量中轉(zhuǎn)站傳輸?shù)絻?nèi)部脆弱的部位（電子元器件、集成電路等），最后進入空間結(jié)構(gòu)的電磁脈沖作用于非常小的高密度的脆弱部位（電子元件、集成電路芯片及連接點等），由于能量密度極高而造成破壞。 &l

13、t;/p><p>　　3 醫(yī)療衛(wèi)生裝備的HPM防護 </p><p>　　醫(yī)療衛(wèi)生裝備是軍事裝備中極其重要的一部分，且絕大多數(shù)裝備都屬于電子產(chǎn)品，如監(jiān)護儀、呼吸機、麻醉機、輸液泵等，其內(nèi)部元器件及集成電路在高功率微波環(huán)境下都會受到不同程度的破壞，生理信號的監(jiān)測、傳輸和處理也會受到電磁波的干擾，甚至失效或損壞而不能正常工作。因此，加強醫(yī)療衛(wèi)生裝備的HPM防護研究已經(jīng)成為軍事醫(yī)學領域亟待解決的問

14、題，具有重要的意義。HPM武器從不同途徑對電子設備構(gòu)成殺傷，為了有效防護HPM武器，需要根據(jù)其對目標殺傷的途徑和破壞效應采取相應的防護措施。目前，通常的防護措施主要有電磁防護、HPM耦合通道防護、HPM加固等。 </p><p><b>　　3.1 電磁防護 </b></p><p>　　電磁防護是目前電子設備普遍采用的方法，主要包括電磁屏蔽、接地處理、濾波等。(1)

15、屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或減少電磁能的傳輸，達到電磁防護的一種重要手段。有效的加固方法是使所用醫(yī)療設備完全置于一種不讓電磁場到達被保護的設備的箱體，但是，所有的設備都需要獲得電力，并且與外界通信，雖然現(xiàn)在很多醫(yī)療設備的設計采用藍牙無線通信，但難以避免檢測人體生理參數(shù)的測試探頭多數(shù)為有線連接，這些進入點為高功率微波的電氣瞬態(tài)進入提供了機會。若改用光纖通信，在滿足傳送數(shù)據(jù)要求的同時，必須對所有進入箱體的導電通路加裝電磁抑制器件。同樣，如果選擇

16、合適的吸波材料可以將反射未完全的部分吸收掉，而不至于進入系統(tǒng)內(nèi)部造成破壞。(2)接地處理是最基本的電磁防護措施，通過適當?shù)姆椒ㄅc大地連接，以提高電子設備電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。機殼接地，可以有效的抑制外界電磁場的影響，避免機殼電荷累積過多導致放電而造成的干擾和破壞。(3)濾波方法指設計適當?shù)臑V波器來去除電磁干擾的方法。濾波器可以由電阻、電感、電容一類無源或有源器件組成選擇性網(wǎng)絡，以阻止有用頻帶之外的其它成分通過，完成濾波作用；也可以由鐵氧

17、體一類有損耗材料組成，由它把不希望的頻率</p><p>　　3.2 HPM耦合通道防護 </p><p>　　根據(jù)電磁波進入醫(yī)療衛(wèi)生裝備的方式可以分為對從前門耦合進入電子設備的HPM防護和對從后門耦合進入電子設備的HPM防護。 </p><p>　　(1) 對從前門耦合進入電子設備的HPM防護,由于電子設備工作時的對外端口(如天線)是必須的，電磁干擾從前門耦合進

18、入電子系統(tǒng)通常難以避免。在強微波照射下，常規(guī)電子防御措施如采用新頻段、擴展信號頻譜、增大有效輻射功率、提高接收機的信噪比等將全部失效，因為HPM武器的功率更強，頻譜更寬，即使不燒毀電子設備，也會形成壓制性干擾。在弱微波能量輻射下，醫(yī)療衛(wèi)生裝備的常規(guī)反干擾措施依然可行。 </p><p>　　(2) 對從后門耦合進入電子設備的HPM防護,醫(yī)療衛(wèi)生裝備機箱上的任何小孔、縫隙的作用都非常像一個微波腔體中的槽口，能讓微波

19、輻射直接激勵或進入腔體。HPM進入裝備腔體后就會對腔體內(nèi)的集成電路和一些敏感器件產(chǎn)生干擾或破壞。所以對于后門耦合的防護來說，首先考慮的應是阻止HPM侵入醫(yī)療裝備的腔體中。 </p><p>　　3.3 醫(yī)療裝備HPM加固 </p><p>　　HPM加固，是指在電子設備中，綜合性能、成本、復雜程度，在極寬頻率范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)電子系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，采用各種手段使系統(tǒng)免于HPM的損傷的工作過程。

20、</p><p>　　對于軍用醫(yī)療裝備，一般加固戰(zhàn)略分為兩種：(1)控制耦合，通過控制天線和后門進入點，或者通過系統(tǒng)設計，采用諸如吸收提、限幅器、濾波器和屏蔽等措施反射或衰減入射的HPM場；(2)降低敏感度，設計足夠堅固的子系統(tǒng)和組件，在遭遇HPM環(huán)境后仍能執(zhí)行使命。 </p><p>　　不同于一般電子設備，醫(yī)療設備是用于檢測和監(jiān)測人體生理弱信號，其對電磁的敏感度更高，防護和加固的要求也

21、更加嚴格。從防護策略上考慮，可以采用分級防護的方法，即系統(tǒng)級防護、設備級防護、組件級防護、元器件防護。根據(jù)醫(yī)療設備的HPM電磁加固技術，開展二極管等元器件的終端保護裝置研究，計算機主板等的屏蔽技術研究，敏感元器件等的應用研究。 </p><p><b>　　4 結(jié)束語 </b></p><p>　　隨著HPM技術的進一步發(fā)展以及HPM武器的廣泛適應，未來戰(zhàn)場的電磁環(huán)

22、境變得更加惡劣，這對我軍醫(yī)療衛(wèi)生裝備的抗電磁干擾性提出了更高的要求。如何提高醫(yī)療衛(wèi)生裝備的抗電磁干擾性，提高我軍衛(wèi)勤保障能力，是當前各級醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)面臨的嚴峻而又現(xiàn)實的問題。只有立足我軍現(xiàn)有的衛(wèi)生技術裝備的發(fā)展水平，掌握HPM對各類醫(yī)療裝備的作用規(guī)律，采取更加新穎可靠的防護措施，才能充分發(fā)揮現(xiàn)有醫(yī)療衛(wèi)生裝備的性能，提高我軍衛(wèi)勤保障的能力。 </p><p><b>　　參 考 文 獻 </b>

23、;</p><p>　　[1]呂文紅，郭銀景，唐富華等. 電磁兼容原理及應用教程[M]. 北京：清華大學出版社, 2008. </p><p>　　[2]霍元義. 電磁干擾及電磁干擾對醫(yī)療儀器設備的影響與對策[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2004, 6: 172–174. </p><p>　　[3] Mats G. Backstrom, Karl Gunnar L

24、ovstrand.Susceptibility of Electronic Systems to High-Power Microwaves: Summary of Test Experience [J].IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, 2004, 3(46):396-403. </p><p>　　[4]劉勇波, 樊祥，韓濤. 高功率微波作用