电磁泄漏

电磁泄漏（精选4篇）

电磁泄漏 篇1

1. 引言

随着我军数字化、信息化建设的步伐, 军队科研和工作普遍自动化, 大大提高了军队各个部门的工作效率, 但是同时产生了比较大的安全隐患。在军事系统中, 大量的情报数据是靠计算机通信以及它们的终端来处理、传输和显示的, 这些电子设备主要由数字电路和开关电路构成, 处理的数字信号会通过电源线、地线、数据线和控制线传输, 产生含有机密信息的电磁辐射, 这种含有机密信息的电磁辐射泄露能够向敌方的电子情报收集站提供严格保密的情报计划和作战行动的线索。这种获取方式比其它方式得到的信息和情报更及时、准确、广泛、连续、安全可靠和隐蔽。

TEMPEST技术主要研究由于电磁辐射而导致的有用信息的电磁泄漏, 避免、降低和抑制有用信息的电磁辐射。美国是最早研究TEMPEST的国家之一, 也是发展最快的国家, 其技术代表了当今世界的最高技术水平。

我军必须对这项技术给与高度重视, 提高防止电磁泄漏的认识, 推广防止电磁泄漏的方法, 增加防止电磁泄漏的设备, 从而让军队信息系统的保密工作得到快速的发展和完善。

2. TEMPEST技术介绍

2.1 TEMPEST概念。

TEMPEST (transient electro-magnetic pulse emanation standard) 技术是瞬态电磁脉冲发射标准的缩写, 它研究的对象是处理敏感信息设备和系统的信息泄漏问题。任何电子设备或线路, 如果存在时变电流信号就会产生电磁波, 发射强度与电流的强度和变化率成正比。发射信号沿自由空间或沿着接近发射源的导体进行传播。

T E M P E S T有“红黑”的概念, 如果时变电流信号与涉密信息有关, 则称为红信号 (Red Signal) , 而把与信息无关的系统、部件、电路、元件和连线列为黑区。对于红区部分要求严格, 而对于黑区要求相对较低。该时变电流信号引起的发射被称为泄漏发射 (Compromising Emanation) , 该发射信号可以远距离接收, 能够被重构, 复原涉密信息的内容。根据《NACSIM 5000 (美国国家通信安全信息备忘录) TEMPES基本理论》, 红信号电磁泄漏发射通常可分为红信号基带信号发射、红信号调制信号发射、冲激信号发射和其它红信号发射;按照发射场特性, 又可分为红信号辐射发射与传导发射二类。原有TEMPEST标准和规范的目标就是以某种方式控制这种发射, 防止红信号被截收和分析[1]。

2.2 TEMPEST泄漏发射模型。

TEMPEST泄漏发射模型如图1所示, 按照发射场特性, 泄漏发射的信道分为辐射发射与传导发射两类。

图1中, 发射源代表各种信息设备, 如计算机, 信息设备存在时变电流信号, 它会产生携带信息的电磁信号并在自由空间辐射泄漏发射出去, 图中的辐射发射信道满足信号多径传播和按距离的指数衰减的规律。模型中的噪声是普遍存在的, 它限制了接收机的接收还原能力。发射源的信息还会通过与外界联系的信号线和电源线等管线传导发射出去[2]

3. 军队信息系统电磁泄漏分析

军队信息系统是信息技术设备和信息处理设备的总称。现今部队大部分信息设备的红信号都是数字信号, 数字信号电平的大小和沿的陡峭程度 (越陡峭意味着电流变化越快) , 决定了发射强度的高低[3]。

3.1 军队信息系统电磁泄漏途径。

按麦克斯韦理论, 在电磁场的空间某处有电荷的加速运动, 或电流随时间变化所引起的扰动就会向四周传播。信息设备内部的电流变化都会产生电磁场的发射。

3.1.1 计算机系统的电磁泄漏。

计算机及其外设产生的电磁泄漏, 主要以辐射发射和传导发射两种方式进行, 它伴随信息的接收处理和发送的全过程。泄漏信息包括视频信息、键盘输入信息、磁盘信息等计算机处理数据。泄漏发射源包括显示器、键盘、软驱、主板及各种连接接口等。从信号的传输方式分串行数据泄漏和并行数据泄漏。计算机系统中并行信号泄漏发射之间形成同频相关干扰, 从中获取红信号十分困难。对信号威胁最大的是串行信号泄漏发射, 产生串行信号的部件有显示器、键盘、软驱、RS232通信线等。

3.1.2 视频信息的电磁泄漏。

计算机的CRT显示器有红 (R) 、绿 (G) 、蓝 (B) 三路信号, 在移位寄存器的控制之下, 这些数据转化为串行序列发送给显示器。这些串行发送的方式是导致视频信息泄漏发射的主要原因。红绿蓝三根信号线上都会有相应的基带视频信息的泄漏发射。当接受距离较远时, 可以认为红绿蓝三路信号在同一物理位置上, 其物理长度也基本一致, 此时视频信号在远区的发射场强, 是三路信号发射场的矢量和。

3.1.3 电缆的电磁泄漏。

通过计算机电源线和通信线会产生传导泄漏辐射。传输线路传导发射会引起线辐射场, 相当于传输线路的天线效应, 能够在其周围空间产生强烈的辐射电场。如RS232通信线传输的是串行数字信号, 传输电平比一般的TTL电平高很多, 发射也就更强。

3.1.4 其它信息设备的电磁泄漏。

如电话机、打印机、复印机和传真机处理信息的方式是以串行为主, 它们的电磁泄漏同样具有威胁。电话机处理的是语音信号, 它的泄漏发射含有非常直观的语音信号, 更容易被接收还原。如果办公室不只有一条电话线, 电话机的电磁泄漏还可耦合到别的电话线上。军队有些领导和机关的为了保密, 军线和地方线分两部电话, 放在同办公桌上, 其实这样军事信息安全同样会受到威胁。

4. 军队信息系统电磁泄漏防护

对利用电磁波泄漏窃取信息的防范措施。信息电磁泄露的防护方法主要包括基本方法与辅助方法两类:其中基本方法主要是电磁兼容的低辐射技术方法, 包括抑源法、屏蔽法、滤波法等;辅助方法主要是针对泄露窃取而采取的伪泄露技术方法, 包括噪声干扰法和信息加密法等[4]。

4.1 抑源法。

抑源法是防止计算机辐射泄密的根本措施。具有电磁防护的设备在设计和生产时, 已对可能产生信息辐射的元器件、集成电路、连接线和等采取了防辐射措施, 把设备的信息辐射抑制到最低限度。例如, 对于处理部队保密信息的计算机系统, 建议使用液晶显示器来代替CRT显示器, 因为液晶显示器的电磁辐射要比CRT显示器的弱得多。

4.2 电磁屏蔽法。

电磁屏蔽技术包括设备的屏蔽和环境的屏蔽, 它是从阻断TEMPEST源发射的角度采取措施, 主要指军队涉密信息设备或系统被放置在封闭的电磁屏蔽室内, 与外界联系的线路接口或门窗处均采用特殊处理的屏蔽隔离技术, 其主要材料分别是金属板和金属网等。目前已经具有满足不同防护需求的不同级别的屏蔽机房、屏蔽帐篷、屏蔽机桌、屏蔽机柜、屏蔽方舱、屏蔽包。

4.3 滤波与吸收法。

滤波不仅是抑制传导发射的直接有效方法, 而且由于滤波限制了发射源的电磁泄露, 所以也就抑制了通过连接发射源的线缆的辐射发射, 屏蔽经常要与滤波相结合才能发挥屏蔽效果。滤波器有低通、高通、带通或带阻等几种规格。连接电源线的滤波器应是反射型低通滤波器, 其输入输出阻抗与线路阻抗尽可能不匹配。经过滤波的信号, 尤其是数字信号可能会发生畸变, 必要时还需要对经滤波器而畸变的信号进行整形。

4.4 接地法。

良好的接地为电流提供低阻抗回路, 减弱电磁发射, 在信息技术设备中需要注意的情况:信号的接地、屏蔽的接地和滤波器接地。屏蔽箱体良好接地才能发挥最大屏蔽效能, 电缆屏蔽层、显示器屏幕屏蔽窗等都要良好接地。滤波器须以本地为参考才能达到较好的滤波效果。

4.5 分区隔离法。

为了有效的抑制信息电磁泄露, 对于重点和关键的防护对象可采取分区处理与电磁隔离处理, 所谓分区处理和电磁隔离处理就是根据信息泄露的可能性和防护要求, 首先将各种设备系统进行区域等级划分, 然后对使用环境中隶属不同分区的设备系统实施电磁隔离, 分区的目的是对信息按机要程度进行划分, 隔离的目的是减少电磁泄露的途径。

4.6 伪泄露技术。

伪泄露技术是通过有意设计使系统产生不带信息的伪噪声或伪泄露, 以淹没或掩饰系统中的有用设备泄露的机密信息, 使得实际侦收到的信息不是真正的信息。

4.7 噪声干扰法。

干扰技术是利用电子对抗技术原理, 采用专门设计的干扰器发射出来的电磁波和计算机辐射出来的电磁波混合在一起, 以掩盖原泄露信息的内容和特征, 使窃密者即使截获这一混合信号也无法提取其中的信息。目前干扰器的主要工作方式有白噪声干扰、相关干扰。

白噪声干扰技术的原理是使用白噪声干扰器发出白噪声, 将带有信息的电磁辐射信号掩盖, 起到阻碍和干扰接收的作用。白噪声干扰容易造成空间的电磁波污染, 也容易被接收, 使用较为简单的方法进行滤除或抑制解调接收。

相关干扰器发出能自动跟踪计算机电磁辐射信号的相关干扰信号, 使电磁辐射信号被扰乱, 起到加密的效果, 使接收方接收到电磁辐射信号无法解调出信号所携带的真实信息。由于相关干扰不需靠掩盖电磁辐射信号来进行干扰, 因此其发射功率无需很强, 所以对环境的电磁污染也很小。

4.8 防护措施的实施。

防护措施各有自身的特点和使用范围, 要根据部队信息系统的特点采用与之相适应的最佳防护措施进行防护。

(1) 采用光纤传输。光纤传输是种新型的通信方式。光纤为非导体, 可直接穿过屏蔽体, 不附加滤波器也不会引起信息泄漏。光纤内传输的是光信号, 不仅能量损耗小, 而不存在电磁信息泄漏的问题。若干年内还不可能从光纤外部窃取并还原信号。同其它传输方式相比, 光纤具有容量大、安全、可靠, 传输信息量大及抗干扰能力强等优点。

(2) 选用低辐射显示器。单色显示器的辐射比彩色显示器低得多, 使用等离子显示器或液晶显示器也能进步降低辐射。

(3) 屏蔽室和低泄射设备适合保护高密级的信息, 其中屏蔽技术较为适用于些保密等级要求较高、较重要的大型计算机设备或多台计算机集中放置的场合, 如国防军事计算中心、大型的军事指挥所、情报机构的计算中心等, 这两种防护措施的价格都很高, 同时安全性也高。

(4) 干扰器使用灵活方便, 价格便宜, 但是安全性有限, 适合处理信息密级较低的单机情况, 比如军队机要参谋的工作计算机。

(5) 做好分区隔离, 将涉及部队涉密设备按照机密等级进行分区隔离, 将机密等级比较高的设备集中放置, 采用高效昂贵的设备进行重点防护, 对于机密等级较低的设备, 可以采用可靠稳定的设备进行防护。

(6) 在网络布线和设备摆放的时候要注意红黑隔离的问题。

5. 结论

军队信息系统涉密性高, 关系国家安全, 要重视对电磁泄漏的防护。军队信息系的电磁泄漏, 主要以辐射和传导两种方式向外发射, 采取的防护方法主要有抑源法、屏蔽法、滤波法, 噪声干扰法, 接地技术, 分区隔离法, 伪泄漏技术。防止电磁辐射泄漏是一项系统工程, 要根据军队信息系统的特点采用合适的电子设备, 网络布局等与之相适应的最佳防护措施进行综和防护, 才能达到最好的防护效果。

摘要：本文主要针对电磁泄漏的安全隐患, 介绍了TEMPEST技术的概念和模型, 分析了军队信息系统电磁泄漏的途径, 并据此说明了防护电磁泄漏的方法, 最后, 提出了电磁泄漏防护的具体实施, 并说明电磁泄漏防护的系统性, 需要根据具体情况和环境, 选取合适的方法。

关键词：TEMPEST,电磁泄漏,电磁防护

参考文献

[1]王峻宁.安徽电子信息职业技术学院学报, 2004, 5

[2]朱大立, 孙德刚, 杜虹.TEMPEST防护:涉密信息电磁泄漏的盾牌, 前沿技术, 2003.2

[3]胡绍华, 袁化伦, 曾庆海.TEMPEST——军事信息安全保密的新领域.应用技术, 2004, 2

[4]卢建青.信息系统电磁泄露分析及防护, 农机使用与维修, 2009, 3

计算机的电磁信息泄漏防护 篇2

现代战争以信息战为主, 目的是干扰敌方的信息传输, 同时保护己方信息的安全性。而对于现今由数字电路组成的信息处理设备来讲, 由于其辐射频谱及谐波非常丰富, 因而很容易被窃听和解译, 造成信息泄密。以计算机视频显示器为例, 其中各种印刷电路板、各部件之间的电源、信号接口与连线、数据线、接地线、驱动电路、阴极射线管等都可以产生程度不同的电磁辐射。在辐射频谱中, 所包含的信息也各不相同, 包括时钟信息、数据信息、视频信息等。从理论上讲, 这些信息都是可以被接收和解译的, 只是难易程度有所不同。而防信息泄漏技术, 就定名为TEMPEST, 可译为“信息电磁泄漏监测和防护技术”。

由于计算机系统是各种信息处理设备中最为关键的部分, 因而利用信息设备的电磁辐射来获取信息情报更具及时性、准确性、广泛性和连续性, 且安全、可靠、隐蔽。正是这样, TEMPEST防护研究一般都是针对计算机系统及其外设配置而言的。

2 TEMPEST技术的基本方法

计算机的寄生辐射和传导所造成的电磁泄漏具有很宽的频谱, 它一方面是外部敏感设备的噪声源, 另一方面也造成计算机数据信息失密的可能。测试结果表明:CPU、内存、I/O接口、时钟、视频、字库、传输线、电源线等部位都有较强的电磁辐射, 一般辐射约40~80d B·μV, 用灵敏度较高的接收机或电视机在几百米外就可以有效地截收显示器的显示信号。在低频段, 数字时钟谐波次数低、信号较强, 更易截收显示器视频显示信息。有研究表明, 计算机显示信息泄漏的主要途径是显示控制器与显示器之间的接口传输电缆所产生的辐射。

抑制计算机的电磁泄漏的主要技术包括屏蔽技术、接地技术、滤波技术和隔离技术。

2.1 屏蔽技术

屏蔽技术用来抑制电磁辐射沿空间的传播, 即切断辐射的途径。屏蔽的实质是将关键电路用一个屏蔽堤包围起来, 使耦合到这个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减。

屏蔽机箱。屏蔽机箱对军用设备尤为重要, 其性能以屏蔽性能SE (d B) 表示。最好采用有一定厚度 (约3~5mm) 的铝金属机箱, 铝与其它金属相比具有屏蔽性好, 重量较轻, 加工容易, 价格适宜等优点。

屏蔽机箱应注意孔缝辐射的问题。实际的屏蔽机箱都有一些穿孔、孔洞和缝隙, 会引起导电的不连续性, 产生电磁泄漏, 使屏蔽效能远低于完整金属板的理论计算值。实践表明, 当孔、缝尺寸等于半波长的整数倍时, 电磁泄漏最大, 一般要求缝长或孔径小于λ/10~λ/100。

屏蔽窗。显示器必须使用屏蔽窗以防止电磁穿透。屏蔽窗可由层压在两层聚丙烯或玻璃之间的细金属丝网支撑, 也可以将金属薄膜真空沉积在光学基片上制成。屏蔽窗的透光度应保持在60%~80%以上。目前应用的柔性平面屏蔽窗、柔性弧度屏蔽窗和刚性平面窗在9k Hz~1.5GHz频率范围内, 屏蔽性能可以达到80d B以上。

关键电路屏蔽。设备内个别辐射量比较大的地方可以进行局部屏蔽, 如晶振的外壳接地。CRT设备中可做些金属小盒子, 把控制板上的行频、帧频等有关电路分别包起来, 进行局部屏蔽, 减少辐射。也可以把微机主机中母板及各种选件板、电源、外设分别放在三个屏蔽盒内, 放入大的屏蔽机箱中。

电缆屏蔽。因为电缆可以等效为电偶极子发射/接收天线, 它是计算机信息泄漏的主要途径。

常见的屏蔽电缆有以下几种:

单层编织网电缆:屏蔽层由单层导线编织成网状构成, 能提供80%~95%的覆盖率, 能对低阻抗干扰源提供防护。

·双层编织丝网电缆:有较好的高频屏蔽效能, 能对来自高频率, 诸如计算机、CAD/CAM和局域网系统的干扰或泄漏进行防护。

·编织丝网和金属箔组合封装电缆:使覆盖率大大增加, 高频特性得到更大改善。内导体使用多股双绞线还减少了串扰问题。能对频率接近1GHz或需要全屏蔽的设备提供防护, 可用于军事通信和安全部门。

2.2 接地技术

接地技术是最廉价和最有效的方法, 设计良好的地线网既能减小其电磁辐射, 又能提高其自身的抗扰性。

此处提及的接地不指安全接地和防雷接地, 而指EMC接地, 包括:屏蔽接地——为了获得最大的屏蔽效能, 屏蔽层需要很好接地。

滤波器参考地--尤其是电源滤波器, 必须以本地地位参考, 以便尽可能达到所设计的滤波效果。

2.3 滤波技术

滤波技术主要是削减沿电缆等的传导辐射, 它包括电源线滤波器和信号线滤波器等。

微机电源一般是开关电源, 工作频率约在20k Hz以上, 有电磁能量通过电源线传导出去, 因此, 在电源输入端应串接高性能滤波器。

信号线滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器。线路上的导线是最有效的接收和辐射天线, 容易产生很强的电磁辐射, 而造成信息泄漏。信号滤波器主要有:线路安装滤波器、馈通滤波器和滤波器连接器三种。

2.4 隔离技术

“红”/“黑”隔离。“红”, 是指有信息泄漏的危险;“黑”, 则表示安全。“红”色, 指红区、红线。红区, 指处理未经加密的信息区域;红线, 指未经加密的机密信息的传输线。不含未经加密的机密信息的传输线路称为黑区和黑线。将“红”与“黑”隔离开, 防止其耦合是TEMPEST技术的重要内容。

计算机采用的数字PCB使计算机的电磁辐射加重, 由于数字电路的驱动电流较大, 致使辐射的强度也较大;而数字化的信息信号一般都是非周期信号, 其辐射频谱将是窄带与宽带两种辐射的叠加, 频率可以从几兆至数百兆赫兹, 如此宽的辐射频率范围, 不可避免地会引起一系列的信息泄漏问题。

对此电路问题, 除采用屏蔽技术外, 还可以采用隔离技术来减少信息的泄漏。我们认为电磁干扰与振荡器、时钟、高重复频率信号 (地址锁存、读写控制器、RAS、CAS) 有关。因此, 最好将这些信号埋入电源层与地线层之间, 进行隔离。选用多层印制板可有效降低辐射。

3 国、内外防信息泄漏计算机的发展

美国是防信息泄漏计算机发展最早的国家之一。美国TEMPEST技术的发展代表着当前世界水平。自197 0年美国国家安全局的NACSIM5100标准发表至1982年, 美国的包容式TEMPEST计算机占主导地位。所谓包容是以屏蔽、滤波、吸收原理为基础, 以金属结构为主体, 限制电磁能量辐射的一种屏蔽结构。其特点是体积大、重量重、设计难、成本高。1982年以后, 红黑分离式TEMPEST计算机开·83·始替代包容式TEMPEST计算机。

所谓红黑分离式TEMPEST计算机, 是指在系统设计中引入红/黑工程概念, 将信息设备上的信号分为红信号和黑信号两种, 红信号是指接收到后能够被破译, 并复现出有用信息的信号。而黑信号指那些即使被接收到, 也不能复现出有用信息的信号。在红/黑工程中也定义了红设备/黑设备, 红区/黑区等概念。红黑隔离设计则使用板级隔离、系统级隔离和箱级隔离等技术把红信号和黑信号完全隔离开来, 然后再对隔离后的红信号采取特殊措施, 以使其达到极限值的要求, 而对于黑信号则达到电磁兼容的要求即可。

1997年, 英国的两位学者完成了以SoftTEMPEST技术为理论基础的攻击预防护型TEM-PEST计算机。使用软件控制计算机红信号的发射, 同时加入专用的攻击程序, 当有人企图截取信息时系统能进行自卫还击。

概括地说, TEMPEST计算机已经历了三代。第一代, 从1950年至1982年, 以包容式TEMPEST计算机为代表。第二代, 从1982年至1997年以红黑分离式TEMPEST计算机为代表。第三代, 从1997年开始, 称为“Soft-TEMPEST”计算机。

我国的计算机TEMPEST技术研究起步较晚, 但十几年来我国在防信息泄漏计算机基础理论的研究、低泄漏计算机的研制、电磁兼容材料的开发等方面取得了显著成绩。

4 结束语

现在, 研究计算机的TEMPEST技术已和研究计算机病毒一样, 被认为是设计计算机安全的重要方面, 受到国内外学者的广泛关注。因此, 必须采取有效措施, 加速发展我国的TEMPEST技术。

摘要：本文介绍了防电磁泄射技术 (TEMPEST) 及其发展状况, 分析了TEMPEST技术所采用的主要方法。

关键词：防电磁泄射技术,现状,方法

参考文献

[1]白同云, 赵姚同.电磁干扰与兼容.长沙:国防科技大学出版, 1991

三轴电磁泄漏检测仪的研究与设计 篇3

随着科学技术的发展, 人们在生产及生活中使用的电子产品数量越来越多, 这些产品在运转的同时, 往往要产生一些有用或无用的电磁能量, 这些能量会影响其它设备或系统的工作, 这就是电磁泄漏产生的电磁干扰。电磁泄漏会降低电子设备的工作性能, 同时电磁泄漏也会对人体产生危害, 所以说, 电磁波既是有益于社会发展的信息载体和能量流载体, 又是有害于人类生活的污染要素, 其危害已引起国内外高度重视, 因此, 实时准确地检测我们生活环境中电子产品的电磁泄漏污染具有非常重要的意义。

最早的磁场探测器已有2 000 a多的历史, 通过感应地球磁场辨别方向或为舰船导航。随着现代科技进步, 磁场传感器的应用越来越广泛, 磁场传感器技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及电磁设备兼容方向发展。文献[1-5]等传感器专著对各类传感器进行了论述, 文献[6]又对各种磁场传感器包括低强度磁场传感器, 通常检测1μG以下的磁场 (包括超导测磁、感应线圈、核子自旋进动测磁和光泵测磁) 、中强度磁场传感器, 通常检测1μG~10 G磁场 (包括磁通门和各向异性磁阻传感器) 、高强度磁场传感器, 通常检测10 G以上的磁场 (簧片开关和洛仑兹力装置) 国内外应用情况进行了系统总结, 总之国产的磁场测量系统精度普遍偏低, 进口测量电磁泄漏系统价格昂贵, 而且绝大多数只能测量一维磁场或二维磁场, 空间三维磁场的分布情况需要多次测量和复杂的数据处理才能得到, 无法实现快速测量。

1 三轴电磁泄漏检测仪的硬件电路设计

三轴电磁泄漏检测仪主要包括X轴磁场检测电路、Y轴磁场检测电路、Z轴磁场检测电路、信号处理电路、AD转换电路、MCU处理单元、电源电路、按键电路、数据存储电路和液晶显示电路, X轴磁场检测电路、Y轴磁场检测电路和Z轴磁场检测电路分别与对应的信号处理电路输入端对应连接, 信号处理电路的输出端与AD转换电路的模拟输入端连接, AD转换电路的数字输出端与MCU处理单元的I/O口连接, 电源电路的输出端与MCU处理单元的电源端连接, 按键电路与MCU处理单元的I/O接口连接。数据存储电路和液晶显示电路也分别与MCU处理单元连接, MCU处理单元通过红外传输与上位机进行串行通信, 原理结构如图1所示。

1.1 磁场检测电路设计

磁场检测电路包括电压转换芯片和感应线圈组成, 原理如图2所示, X、Y、Z三个感应线圈分别缠绕在开环圆柱形磁芯上, 三个开环圆柱形磁芯彼此之间相互垂直。

电压转换芯片U1为5 V转2.5 V的电源转换芯片, 为线圈提供工作电源, 当线圈周围有磁场存在时, 会在线圈中耦合出感应电动势, 感应电动势的大小与磁场强度成正比, 由于感应电动势的存在使原有的电势平衡被破坏, 这样就有电压信号输出, 如图2所示。

1.2 红外通讯接口电路设计

串行通信大多基于电信号的传递, 但是有时为了实现两设备之间的完全电隔离, 又要保障通信数据的可靠, 通常采用红外通信方式完成串行通信, 红外通信具有控制简单、实施方便、传输可靠性高等特点, 红外通信是利用950 mm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体, 即通信道。红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制和解调, 以便利用红外信道进行传输, 红外通信接口就是针对红外信道的调制和解调器。

红外通信利用红外对管来实现, 即发射部分采用红外发射管, 接收部分采用红外接收管。红外对管都属于二极管类, 可将电能直接转换成近红外光并辐射出去。单片机本身并不具备红外通信接口, 不支持红外数据传输功能, 但可以将单片机的串行接口与片外的红外发射电路和接收电路连接, 组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口, 简单可靠。接口电路设计如图3所示。

由图3可以看出, 只需利用单片机的TXD和RXD两个端口, 即可方便的实现红外通信。红外串行通信具体电路原理如图4所示。

图4中D2为红外发射管, Q1为红外接收管。DB9为九针串口, 数据通过串口通信将数据从上位机传输至串口, 通过串口的TXD引脚发送数据至红外发射管, 当红外接收管Q1接收到数据后, 再通过单片机RXD引脚, 将数据传输到单片机进行处理, D6为蓝色发光二极管, 当D6闪烁时, 说明数据正在传输。

1.3 硬件电路抗干扰设计

在进行PCB设计时, 要考虑到各种电磁干扰, PCB设计为双层板, 底层敷铜, 不放置元件, 作为地层;顶层空余的部分也尽量敷铜, 两层的地通过通孔连接, 并且尽量多打些通孔, 使得顶层和底层的地能够充分接触, 提高抗干扰能力。

2 三轴电磁泄漏检测仪的软件设计

三轴电磁泄漏检测仪的软件采用模块化设计, 首先进行系统初始化, 进入主循环, 这时判断按键电路是否有按键按下, 有则进入按键响应程序, 响应完按键程序再进入下一步;没有按键按下, 则直接进入下一步;MCU处理单元向AD转换电路发出需要数据的地址, 然后AD转换电路向MCU处理单元回传数据, 依次获得三个信号处理电路的信号数据;MCU处理单元将数据存入寄存器, 如果数据过多则覆盖最开始的数据, 同时MCU处理单元将数据在液晶上显示出, 并且按照按键的指示做出不同的显示形式。

3 结语

利用上述原理设计了三轴电磁泄漏检测仪, 由于该仪器采用三轴设计, 三个方向上的磁场可以同时检测并显示, 一次就可以测量出该位置的总磁场值, 大大减少了测量时间, 并且使用方便, 可以直观地对电子产品的电磁泄漏是否超标进行判断。该设计不同于单轴设计, 单轴设计需要依次测量X、Y、Z三轴, 分三次测量再计算获得总磁场值。本测量仪主要可以对电子产品、家电和工业电器设备等产生的30 kHz~2 kHz低频磁场泄漏强度进行精确地测量, 检测仪与上位机之间采用红外通信, 操作简单, 抗干扰性强, 并且在硬件设计时, 其本身考虑到了如何抗干扰。

参考文献

[1]刘迎春, 叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].长沙:国防科技大学出版社, 2002.

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[3]王元庆.新型传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.

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[5]潘启军, 马伟明, 赵治华, 等.磁场测量方法的发展及应用[J].电工技术学报, 2005, 20 (3) :7-13.

电磁泄漏 篇4

时域有限差分法( the finite difference time domain method,FDTD)[1,2,3]是目前电磁仿真领域使用最多的方法之一。为了在仿真区域中激励出电磁波,必须以适当的方式在仿真区域中加入激励源。 总场 - 散射场源[4,5,6]是时域有限差分法的最常用的激励源,但受时域有限差分法电场和磁场数值采样既不同位又不同时的影响,不可避免地会有入射波泄漏到散射场区,从而使计算结果带有由于电磁泄漏而产生的误差。针对这一问题,本文提出了一种用亚网格技术[7,8,9]来减少总场 - 散射场源电磁泄漏的方法,并通过数值实验证明了这一方法的有效性。

1基本原理

总场 - 散射场源产生电磁泄漏的原因是时域有限差分法固有的电场和磁场数值采样既不同位又不同时的做法,即在空间排布上,电场采样位置和磁场采样位置差半个空间步长,在时间递进上,电场采样时刻和磁场采样时刻差半个时间步长。因此本文设想,如果能够使用较小的网格进行仿真,则空间步长和时间步长都将减小,总场 - 散射场源的电磁泄漏也会得到有效的削减,但如果在整个仿真区域都使用较小的网格,势必使算法所需计算机内存和计算耗时大幅度增加。故综合考虑后采用了以下方案: 在总场区和散射场区的连接界面附近,使用少量亚网格进行仿真,而在其它区域,使用主网格进行仿真,在主网格和亚网格的交界面上,采用适当的插值方法实现主网格区和亚网格区的数据交换,其具体原理如图1所示。这样既减小了总场 - 散射场源的电磁泄漏,又使算法的总的内存需求和计算耗时不至于增加很多,实现了算法精度和算法效率之间的一个较好的平衡。

2数值实验

为了验证上述方法的有效性,文中编程进行了数值实验。编写了两套程序,两套程序模拟的都是平面波在一维空间的传播情况,但第一套程序用传统的总场 - 散射场方法加入激励源,第二套程序用本文提出的亚网格方法加入激励源。两套程序的网格长度均为 Δs = 0. 01 m,时间步长均为 Δt = Δs/3c, 其中c为光速。第二套程序的 亚网格的 长度为 Δs'= Δs /5 ,在亚网格区域仿真时 的时间步 长为 Δt'= Δt /5。模拟区域的大小为200个网格,其中总场区为中间的100个网格。第二套程序中亚网格的设置为在总场 - 散射场连接面两侧各设置5层亚网格。吸收边界条件采用Mur吸收边界条件[10,11]。

简谐源和高斯源是实践中应用较多的两种激励源,本文对由两种激励源产生的平面波都进行了仿真,两种激励源的具体形式分别为:

其中,λ = 28Δs ,n0= 200 ,ndecay= 50 。当使用简谐源时,计算时间总步数为900。当使用高斯源时, 为使高斯脉冲不致于完全离开总场区,计算时间总步数改为450。

图2 - 5分别给出了仿真结束时两套程序仿真的波形曲线。可以看出,不论是用传统的总场 - 散射场方法加入激励源,还是用本文提出的亚网格方法加入激励源,电磁泄漏都是不能绝对避免的,但究竟那种方法引起的电磁泄漏小,从图上不容易看出, 因此文中又引入了一个量S ,并定义:

其中,Ei0为散射场区中某点的电场的理论值,Ei为该点的电场的仿真值,整个求和对散射场区中所有点进行。根据该结果即可评估电磁泄漏的大小,显然该结果越小,电磁泄漏也越小。程序中计算了和四幅图对应的S值,分别为4. 78 × 10-2、4. 64 × 10-2、8. 02 × 10-6和7. 91 × 10-6,其中后两个结果比前两个结果小4个数量级,这是由于后两个结果对应的是高斯脉冲,而高斯脉冲没有完全离开总场区且高斯脉冲两侧的电场近乎为零的缘故。由这些结果可以看出,采用本文提出的方法加入激励源可以有效地减小总场 - 散射场源的电磁泄漏。

3结束语

以往的亚网格方法主要用来模拟电磁散射体的精细结构。本文把亚网格方法用于模拟总场 - 散射场源,有效地减少了总场 - 散射场源所固有的电磁泄漏。

此外,由于所有波的波动方程都是一样的,相应的时域有限差分法也大同小异,所以本文提出的方法并不局限于电磁波的数值仿真,也可推广用于其它波如声波、地震波等的数值仿真。

摘要：总场-散射场源是时域有限差分法(FDTD)最常用的激励源,但受时域有限差分法电场和磁场数值采样既不同位又不同时的影响,不可避免地会有入射波泄漏到散射场区,从而对计算结果造成影响。文中提出一种减少总场-散射场源电磁泄漏的方法,其基本原理是:在总场区和散射场区的连接界面附近,使用亚网格进行仿真,而在其它区域,使用主网格进行仿真。使用亚网格仿真时,空间步长和时间步长均明显小于使用主网格仿真时的空间步长和时间步长,从而可以明显减小在加入激励源时电场和磁场数值采样既不同位又不同时的影响,大幅度地改善计算结果。编程进行了数值实验,实验结果表明新方法在减少总场-散射场源电磁泄漏方面效果明显。