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摘要：半實物模擬測試方法是目前電子戰武器裝備在復雜電磁環境下性能評估測試的研究熱點。基于數字化地理信息的復雜電磁環境信號發生技術是實現半實物模擬測試的一種有效技術途徑。本文從復雜電磁環境模擬建模、基于數字化地理信息的電磁信號傳播模擬以及復雜樣式信號發生等三個方面介紹分析了此技術的思路、方法和發展現狀。 1.引言 電子戰是現代化戰爭中的重要組成部分，在很多場合電子戰裝備性能指標的高低直接決定了戰爭全局的勝敗。然而，電子戰裝備所在的實際戰區的電磁環境中，充斥著種類繁多的復雜電磁信號，例如雷達、導航、通信、敵方干擾、自然噪聲等信號。同時由于各種電磁信號的傳播受到實際地理環境的顯著影響，導致戰區電磁環境異常復雜。電子戰武器裝備在復雜電磁環境下的性能測試成為其研制過程中的重要內容[1]。 概括來說，武器裝備的電磁性能測試按環境不同可分為三類。第一是全實物測試，將待測裝備置于演習或實際戰區，利用實際存在的復雜電磁環境對裝備性能進行測試。此種方式最具說服力，通常作為成熟型號武器裝備的最終測試方法。但是，因為此方式成本極高、風險大，很多場合是破壞性測試，并且所得到測試結果不具備遍歷性，無法滿足裝備研制過程中的絕大多數的常規測試需求。第二種是基于計算機、數據庫等技術的全數字仿真測試。這種技術是通過數據采集或者數學建模的方式，將實際電磁環境的主要特征信息以數字格式存儲于數據庫中，在某種特定仿真算法的驅動下，對待測裝備的性能進行全數字仿真測試。此方法運行成本低、靈活便捷，通常用于裝備的前期開發過程中，偏重于對軟件算法的測試。然而由于逼真度低，與實際環境差異過大，對于正式裝備的性能測試僅具有參考作用，大多數場合無法作為最終驗證手段。第三種測試方法是半實物模擬測試，此方法是在前兩種方法有機結合的基礎上發展而來的。它利用數據采集或數學建模的方法組建數字化復雜電磁環境信息數據庫，根據實際測試場景需求，計算波形數據，基于復雜信號發生技術，通過波形發生的方式產生實際電磁信號，人為構建高逼真度的復雜電磁環境，用于裝備性能測試。這種測試方法兼備了前兩種方法的優點，測試高效便捷，打破全實物測試中測試環境的時空限制;場景豐富，根據實戰環境需求任意構建測試電磁環境信號;高逼真度，基于數字地圖數據，綜合考慮輻射源種類、裝備布局、傳播途徑、自然干擾等各種因素;成本低廉、結果全面，非損壞性測試，實現高度一致性的重復性測試，可評估裝備在各種極端條件下的性能。 基于數字化地理信息的復雜電磁環境信號發生技術是實現半實物模擬測試的一個有效技術途徑，具有場景快速便捷構建、測試遠程可控、干擾信號多參數可控、干擾效果可評的高效測試效果等優點。其技術難題主要體現在三個方面：1)復雜電磁環境模擬建模，實際的戰場電磁環境極度復雜，包括了雷達、通信、導航、干擾、噪聲等多方面的復雜樣式信號;傳播媒質多變，涵蓋地海表面、大氣層、散射體等;發射機和接收機移動式布局，拓撲結構特征復雜。2)基于數字化地理信息的電磁信號傳播模擬，不同的地理環境，例如：淡水、海水、濕地、森林和建筑物等，對電磁波的傳播具有繞射、反射、阻礙等衰減作用。而且根據具體環境的特性差異(例如海水含鹽量的不同)，每種類別地理環境所呈現的電氣性能各異，從而導致傳播模型參數變化繁復。3)復雜樣式信號發生技術，實際復雜電磁環境中信號樣式復雜多變，頻率覆蓋范圍大，涵蓋微波毫米波頻段，調制帶寬高達GHz量級，同時擁有捷變頻特性。因此，滿足上述性能指標要求的復雜樣式信號發生技術是實現復雜電磁環境信號模擬，滿足半實物模擬測試的基礎。 本文將從以上三個方面介紹基于數字化地理信息的復雜電磁環境信號發生技術的思想、方法和發展現狀。 2.復雜電磁環境模擬建模 根據國軍標(GJB6130-2007)給出的定義，復雜電磁環境是指在一定的空域、時域、頻域和功率域上，多種電磁信號同時存在，對用頻裝備運用和作戰行動產生一定影響的電磁環境。由此可知，復雜電磁環境是對某個實際場景中所含各種復雜電磁信號成分的泛稱，其主要由電子對抗環境、雷達環境、通信環境、光電環境、敵我識別電磁環境、導航電磁環境、民用電磁環境、自然電磁環境等構成[2]。每一類型的電磁環境又由不同類型的電磁輻射源生成，并對不同的信息化武器裝備產生影響，進而影響整體作戰。對復雜電磁環境建模的前提是對一個場景中種類繁復、特性復雜的信號成分進行分類、分析，進而根據每種常規信號的表征和傳播媒質進行建模[3]。最后將關注的各信號綜合，完成對實際電磁環境模擬構建。 2.1 復雜電磁環境的信號特點 復雜電磁環境所含信號成分主要分為兩類：自然因素干擾信號和人為因素干擾信號，其中人為因素干擾信號包括了無意干擾信號和對抗干擾信號。自然因素干擾信號主要源于雷電和靜電，屬于實際環境中的非可控因素。用于半實物模擬測試的電磁環境構建主要注重于特性可控的人為因素干擾信號的模擬。由于對抗干擾信號對電子武器裝備的影響顯著，形式多樣、樣式復雜，成為復雜電磁環境模擬的關鍵內容。隨著電子戰裝備的快速發展升級，所用到的電磁信號主要呈現以下四個特點：1)信號樣式復雜多樣，種類多，分布密度大。數字矢量調制技術的發展，使一系列復雜調制樣式的實現成為現實。在戰區廣泛密集分布的各種新體制雷達裝備所使用的調制格式涵蓋了線性調頻、非線性調頻、相位編碼、頻率編碼、噪聲調頻、巴克碼調制等脈內調制格式，以及脈間頻率捷變、脈組頻率捷變、分時頻率分集、PRI參差/抖動/組變/滑變、脈沖寬度組變/組合等脈間調制格式。2)信號頻率覆蓋范圍大幅度拓寬。電子裝備所用電磁信號所占用頻段不斷變寬，從高頻信號覆蓋到微波毫米波信號。3)信號調制帶寬不斷加大。例如新式合成孔徑雷達的調制帶寬達到GHz量級。4)捷變頻性能顯著提升，信號高度交疊。某些信號雷達所用的調制信號的中心頻率捷變頻時間達到百納秒量級，在1秒鐘時間內可實現數百萬次頻率捷變，對于常規接收機在同一時間可能有百萬量級的信號同時出現，交疊嚴重。 由此可見，復雜電磁環境對電子裝備的正常工作影響顯著，對其作戰運用和效能發揮提出了很大的挑戰。復雜電磁環境的逼真模擬構建是半實物模擬測試的基礎，對裝備開展復雜電磁環境試驗、研究武器裝備的電磁兼容性、檢測其電磁環境適應能力提供了便利，有利于提高武器裝備對電磁環境的適應能力，具有重要的意義。 2.2 復雜電磁環境的信號建模 根據各類輻射源對電子武器裝備的影響程度，戰區復雜電磁環境的模擬主要針對以下類型輻射源的建模，包括脈沖雷達、干擾機、塔康(TACAN)、敵我識別器(IFF)、聯合戰術信息分發系統(JTIDS)等[4]。對輻射源進行表征的基本內容可歸納為：1)一般信息，包括標識、型號、用途、體制、天線類型、水平覆蓋范圍、垂直覆蓋范圍、偵察距離、最大跟蹤距離、綜合損耗、波束個數、最大波束數量、最小掃描步進、增益最大功率、掃瞄時平臺類型、平臺性能、指揮控制關系、信號樣式等;2)發射機信息，包括型號、工作頻段、帶寬、饋線損耗、發射機類型等;3)接收機信息，包括型號、靈敏度、中心頻率、帶寬、中頻帶寬等。 在對輻射源信號建模中，通常采用脈沖描述字(PDW)對輻射源輻射信息進行描述，具體包含：脈沖載頻、脈沖寬度、脈內調制(相位編碼或頻率調制)、脈沖到達時間、脈沖到達角、脈沖幅度。電子戰環境下接收機接收到的雷達信號為各個輻射源所輻射的脈沖流的疊加。接收機接收的脈沖流以脈沖到達接收機的時間排序。輻射源脈沖流是接收機脈沖流構成的基本元素，輻射源脈沖流及脈沖參數變化形式的復雜性決定了場景的復雜性。根據輻射源脈沖流可能出現的變化形式及針對性的處理方法，可以從時域、空域和調制域等幾個方面對輻射源脈沖流進行建模。 (1)時域模型 脈沖到達時間(TOA)是脈沖流最重要的參數之一。TOA與輻射源和接收機的距離及輻射源的脈沖重復間隔(PRI)相關，輻射源類型不同則其PRI也不盡相同。 (2)空域模型 脈沖到達角(DOA)是一個與輻射源位置密切相關的信息，取決于輻射源與接收機之間的相對角度。當輻射源與接收機之間存在相對運動時，DOA是緩慢變化的。DOA參數不受輻射源本身的影響，是信號處理系統所依據的最重要、最可靠的特征。因此，有必要對DOA單獨建模和分析。 (3)調制域模型 調制域參數主要包括：脈沖載頻(RF)、脈沖寬度(PW)、脈沖幅度(PA)和脈內調制樣式(PM)。輻射源類型不同則其參數域參數也不盡相同。 根據戰情文件設置的輻射源參數，生成每個輻射源在當前仿真時間間隔內產生的PDW流，并根據每個仿真時間被動雷達的狀態參數進行信號稀釋，最后對所有輻射源的PDW流進行排序輸出。 3.基于數字化地理信息的電磁信號傳播模擬 從電磁環境模擬的需要出發，無論是自然因素干擾信號和人為因素干擾信號，要全面地模擬電磁環境產生的物理基礎，都需將影響電磁環境產生和傳播的物理環境進行詳細分解，建立基本的模擬對象，即戰場實體環境的地理信息，例如：地形、氣象、地質、地磁等因素。根據復雜電磁環境中不同輻射源所發射的電磁信號的頻率覆蓋范圍不同，信號的傳播模式各異。例如：1)表面波傳播，是指電波沿著地球表面傳播的情況。這時電波是緊靠著地面傳播的，地面的性質、地貌、地物等都會影響電波的傳播。2)天波傳播，是指經過電離層反射到地面的電波傳播。電離層是由圍繞地球的處于不同高度的4個導電層組成的，這4個導電層分別稱為D層、E層、F1層和F2層，這些導電層對短波傳播具有重要影響。3)空間波傳播，是指當發射和接收天線架設的較高時候，在視線范圍內，電磁波直接從發射天線傳播到接收天線的傳播。此時，電磁波還可以經地面反射到達接收天線，所以，接收天線處的場強是直射波和反射波的矢量和，形成的合成場強，直射波不受地面的影響，地面反射波要經過地面的反射，因此要受到反射點地質地形的影響。4)外層空間傳播，是指電磁波由地面發出，經低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播及其相反過程的傳播。5)散射傳播，是指大氣對流層中，除了有規則的片狀或層狀氣流外，還存在著不規則的氣流，這類似于水流中漩渦的不均勻體。相應地，在電離層中則有電子密度的不均勻性。當無線電波投射到這些不均勻體的時候，類似于光的散射和反射現象，電波將發生散射或反射，一部分能量傳播到接收點，這種傳播方式稱為散射傳播。6)大氣波導傳播，是指由于大氣對流層的不均勻性和電離層的存在，在一定的條件下，對某一特定的頻率形成大氣波導，使電波傳播的損耗大大減小，這種電波傳播的現象稱為大氣波導傳播。根據實際戰場電磁環境的信號成分，電子戰裝備的信號傳播模式以表面波傳播和空間波傳播為主，其受實際地理環境影響顯著。地理信息系統(GIS)是實現基于地理信息電磁信號傳播模擬建模的有效工具。 GIS系統是在軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統[5]。GIS系統處理和管理的對象是多種地理空間實際數據及其關系，包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據等，用于分析和處理一定地理區域分布的各種現象和過程。GIS系統包括3種空間數據類型：1)坐標系，如經緯度、平面直角坐標和極坐標等。2)拓撲結構，定義兩個物體之間接通和鄰接等關系。3)地理變量，如土壤種類、地質信息、氣候等。同時GIS系統支持2種數據結構，1)柵格數據結構，即像元陣列，可根據每個像元特有的行列號來卻確定位置。柵格數據結構中的每個代碼明確的代表了對應實體的屬性。它由3級機構組成，即點實體，表示柵格數據中的一個像元;線實體，表示某方向上成串的相鄰像元集合;面實體，表示聚集在一起的相鄰像元的集合。2)矢量數據結構，即通過記錄坐標的方式，盡可能的將點、線、面地理實體準確的反映出來。它具有比柵格數據更高的精確性。矢量數據可按一定的轉化規律轉化為柵格數據。柵格數據的結構特點有利于計算機處理，具有距離制圖、密度制圖、表面生成與分析、單元統計、領域統計、分類區統計、重分類和柵格計算等分析功能。 基于GIS系統的柵格數據，通過圖形的采集和矢量化處理建立起戰場區域的地形地貌圖和所要電磁輻射源的分布圖，采用數據庫技術建立電磁輻射源基礎地理信息數據庫，通過電子地圖和數據庫的連接，創建和查詢戰場電磁輻射源的特征、屬性、空間位置、探測能力及通信能力等信息。同時實現輻射源數量、空間分布、技戰術指標、戰術應用、組織序列以及電磁信號的傳播途徑、電磁輻射范圍、電磁頻譜分布全景等內容可視化，為基于戰場實際地理環境的復雜環境模擬建模提供支持。 4.復雜樣式信號發生技術 復雜樣式信號發生技術是為了最終實現復雜電磁環境中信號樣式復雜多變的電磁信號，人為構建高逼真度的復雜電磁環境，適應于各種裝備的性能測試。理想的復雜樣式信號發生技術是基于數字化復雜電磁環境信息數據庫的復雜樣式模擬軟件系統與復雜樣式信號發生模擬硬件平臺的有機結合，這種技術的優勢體現在：1)一個平臺可以根據不同武器裝備測試需求，搭載相適應的復雜電磁環境信息數據庫和模擬發生軟件，實現符合該武器裝備作戰環境的輻射源及其環境模擬;2)一代平臺可以搭載同一武器裝備的多代復雜電磁環境模擬軟件，使其具備很強模擬仿真兼容性和適用性。這種復雜樣式信號發生技術可以通過靈活的配置，實現服務于多種、多代武器裝備的測試，提高測試效能，擺脫全實物測試環境的時域、空域及地域限制，在統一平臺上滿足武器裝備對環境模擬樣式、頻譜覆蓋、調制帶寬以及信號捷變等方面的測試要求。 基于復雜電磁環境信息數據庫的模擬軟件系統中的關鍵技術點就在于適應各種裝備并包含符合裝備作戰區域地理化信息的數據庫及模型建立，這在文章的前面已重點介紹，不再贅述。而對于依賴硬件平臺來實現的復雜樣式信號發生技術關鍵指標，其涉及到的技術指標廣泛，性能指標要求很高，例如：頻率覆蓋范圍大，涵蓋微波毫米波頻段，調制帶寬高達GHz量級，同時擁有捷變頻特性。能夠支持以上高性能技術指標的復雜樣式信號發生，離不開高性能信號發生硬件平臺的支撐。目前利用信號發生硬件平臺來實現復雜電磁環境中電磁信號生成，需要重點解決的關鍵技術點有以下幾個方面：1)大帶寬任意波基帶發生技術是實現復雜電磁環境信息數據由數據量向模擬量轉變的核心單元，其調制帶寬寬，通過數模轉換后形成已調的復雜中頻模擬信號。該模擬信號將被相應的頻率合成技術搬移到所需的頻段，實現復雜樣式信號的最終輸出;2)復雜樣式信號多參數多域調制綜合仿真的數字信號合成技術，將復雜電磁環境信息數據庫中數據以數字的形式進行信號的綜合計算及處理，完成所需信號在頻域、時域、調制域以及空域的疊加，最終實現大容量、多樣式、多調制參數復雜電磁信號的編輯、定義、數據存儲、調用等任務，最后完成復雜電磁信號模擬的載波及序列組構建，為復雜樣式信號的向外發生做好準備;3)覆蓋微波毫米波且能支持復雜樣式信號發生的頻率合成技術，利用直接模擬頻率合成(ADS)方式(如微波毫米波捷變頻信號發生器)或者間接頻率合成方式(如矢量信號發生器)實現已調復雜樣式載波信號向著更高頻段擴展。 5.結論 基于數字化地理信息的復雜環境信號模擬技術是電子武器裝備半實物模擬測試的一種新的嘗試。基于此技術構建的武器裝備在復雜電磁環境下的性能評估測試系統具有操作便捷、參數可控、成本低廉、高逼真度、結果全面、場景豐富等優點。本文從復雜電磁環境模擬建模、基于數字化地理信息的電磁信號傳播模擬以及復雜樣式信號發生等三個方面介紹了此技術的思路、方法和發展現狀，對其可行性做了詳細分析。 參考文獻 [1] Paul C R.Introduction to Electromagnetic Compatibility [M]. Wiley-Interscience, 2006. [2] 劉尚和，孫國至. 復雜電磁環境內涵及效應分析[J]，裝備指揮技術學院學報，2008，19(1)：1-5. [3] 楊宗利.面向發射任務的復雜電磁環境及應用研究.博士學位論文.中國科學院研究生院.2009 [4] 閔濤.模擬戰場電磁環境建模與仿真技術研究.碩士學位論文.國防科技大學.2006. [5] 方 程，劉曉靜，屈 林. 基于GIS的戰場電磁環境可視化研究, 指揮控制與仿真, 2008, Vol.30 No.1. |
