基于數字化地理信息的復雜電磁環(huán)境信號模擬與發(fā)生

　　摘要：半實(shí)物模擬測試方法是目前電子戰武器裝備在復雜電磁環(huán)境下性能評估測試的研究熱點(diǎn)?；跀底只乩硇畔⒌膹碗s電磁環(huán)境信號發(fā)生技術(shù)是實(shí)現半實(shí)物模擬測試的一種有效技術(shù)途徑。本文從復雜電磁環(huán)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(fā)生等三個(gè)方面介紹分析了此技術(shù)的思路、方法和發(fā)展現狀。

　　關(guān)鍵詞：數字化地理信息 半實(shí)物模擬 復雜電磁環(huán)境 信號發(fā)生

　　1.引言

　　電子戰是現代化戰爭中的重要組成部分，在很多場(chǎng)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(shí)際戰區的電磁環(huán)境中，充斥著(zhù)種類(lèi)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(shí)由于各種電磁信號的傳播受到實(shí)際地理環(huán)境的顯著(zhù)影響，導致戰區電磁環(huán)境異常復雜。電子戰武器裝備在復雜電磁環(huán)境下的性能測試成為其研制過(guò)程中的重要內容[1]。

　　概括來(lái)說(shuō)，武器裝備的電磁性能測試按環(huán)境不同可分為三類(lèi)。第一是全實(shí)物測試，將待測裝備置于演習或實(shí)際戰區，利用實(shí)際存在的復雜電磁環(huán)境對裝備性能進(jìn)行測試。此種方式最具說(shuō)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(fēng)險大，很多場(chǎng)合是破壞性測試，并且所得到測試結果不具備遍歷性，無(wú)法滿(mǎn)足裝備研制過(guò)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(shù)的全數字仿真測試。這種技術(shù)是通過(guò)數據采集或者數學(xué)建模的方式，將實(shí)際電磁環(huán)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(dòng)下，對待測裝備的性能進(jìn)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，偏重于對軟件算法的測試。然而由于逼真度低，與實(shí)際環(huán)境差異過(guò)大，對于正式裝備的性能測試僅具有參考作用，大多數場(chǎng)合無(wú)法作為最終驗證手段。第三種測試方法是半實(shí)物模擬測試，此方法是在前兩種方法有機結合的基礎上發(fā)展而來(lái)的。它利用數據采集或數學(xué)建模的方法組建數字化復雜電磁環(huán)境信息數據庫，根據實(shí)際測試場(chǎng)景需求，計算波形數據，基于復雜信號發(fā)生技術(shù)，通過(guò)波形發(fā)生的方式產(chǎn)生實(shí)際電磁信號，人為構建高逼真度的復雜電磁環(huán)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(yōu)點(diǎn)，測試高效便捷，打破全實(shí)物測試中測試環(huán)境的時(shí)空限制;場(chǎng)景豐富，根據實(shí)戰環(huán)境需求任意構建測試電磁環(huán)境信號;高逼真度，基于數字地圖數據，綜合考慮輻射源種類(lèi)、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(shí)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(huán)境信號發(fā)生技術(shù)是實(shí)現半實(shí)物模擬測試的一個(gè)有效技術(shù)途徑，具有場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)。其技術(shù)難題主要體現在三個(gè)方面：1)復雜電磁環(huán)境模擬建模，實(shí)際的戰場(chǎng)電磁環(huán)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(zhì)多變，涵蓋地海表面、大氣層、散射體等;發(fā)射機和接收機移動(dòng)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(huán)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(huán)境的特性差異(例如海水含鹽量的不同)，每種類(lèi)別地理環(huán)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(fā)生技術(shù)，實(shí)際復雜電磁環(huán)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(shí)擁有捷變頻特性。因此，滿(mǎn)足上述性能指標要求的復雜樣式信號發(fā)生技術(shù)是實(shí)現復雜電磁環(huán)境信號模擬，滿(mǎn)足半實(shí)物模擬測試的基礎。

　　本文將從以上三個(gè)方面介紹基于數字化地理信息的復雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術(shù)的思想、方法和發(fā)展現狀。

　　2.復雜電磁環(huán)境模擬建模

　　根據國軍標(GJB6130-2007)給出的定義，復雜電磁環(huán)境是指在一定的空域、時(shí)域、頻域和功率域上，多種電磁信號同時(shí)存在，對用頻裝備運用和作戰行動(dòng)產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境。由此可知，復雜電磁環(huán)境是對某個(gè)實(shí)際場(chǎng)景中所含各種復雜電磁信號成分的泛稱(chēng)，其主要由電子對抗環(huán)境、雷達環(huán)境、通信環(huán)境、光電環(huán)境、敵我識別電磁環(huán)境、導航電磁環(huán)境、民用電磁環(huán)境、自然電磁環(huán)境等構成[2]。每一類(lèi)型的電磁環(huán)境又由不同類(lèi)型的電磁輻射源生成，并對不同的信息化武器裝備產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響整體作戰。對復雜電磁環(huán)境建模的前提是對一個(gè)場(chǎng)景中種類(lèi)繁復、特性復雜的信號成分進(jìn)行分類(lèi)、分析，進(jìn)而根據每種常規信號的表征和傳播媒質(zhì)進(jìn)行建模[3]。最后將關(guān)注的各信號綜合，完成對實(shí)際電磁環(huán)境模擬構建。

　　2.1 復雜電磁環(huán)境的信號特點(diǎn)

　　復雜電磁環(huán)境所含信號成分主要分為兩類(lèi)：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(wú)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(shí)際環(huán)境中的非可控因素。用于半實(shí)物模擬測試的電磁環(huán)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(zhù)，形式多樣、樣式復雜，成為復雜電磁環(huán)境模擬的關(guān)鍵內容。隨著(zhù)電子戰裝備的快速發(fā)展升級，所用到的電磁信號主要呈現以下四個(gè)特點(diǎn)：1)信號樣式復雜多樣，種類(lèi)多，分布密度大。數字矢量調制技術(shù)的發(fā)展，使一系列復雜調制樣式的實(shí)現成為現實(shí)。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(xiàn)性調頻、非線(xiàn)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(shí)頻率分集、PRI參差/抖動(dòng)/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(zhù)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(shí)間達到百納秒量級，在1秒鐘時(shí)間內可實(shí)現數百萬(wàn)次頻率捷變，對于常規接收機在同一時(shí)間可能有百萬(wàn)量級的信號同時(shí)出現，交疊嚴重。

　　由此可見(jiàn)，復雜電磁環(huán)境對電子裝備的正常工作影響顯著(zhù)，對其作戰運用和效能發(fā)揮提出了很大的挑戰。復雜電磁環(huán)境的逼真模擬構建是半實(shí)物模擬測試的基礎，對裝備開(kāi)展復雜電磁環(huán)境試驗、研究武器裝備的電磁兼容性、檢測其電磁環(huán)境適應能力提供了便利，有利于提高武器裝備對電磁環(huán)境的適應能力，具有重要的意義。

　　2.2 復雜電磁環(huán)境的信號建模

　　根據各類(lèi)輻射源對電子武器裝備的影響程度，戰區復雜電磁環(huán)境的模擬主要針對以下類(lèi)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(lián)合戰術(shù)信息分發(fā)系統(JTIDS)等[4]。對輻射源進(jìn)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(xiàn)類(lèi)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(gè)數、最大波束數量、最小掃描步進(jìn)、增益最大功率、掃瞄時(shí)平臺類(lèi)型、平臺性能、指揮控制關(guān)系、信號樣式等;2)發(fā)射機信息，包括型號、工作頻段、帶寬、饋線(xiàn)損耗、發(fā)射機類(lèi)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(jìn)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(shí)間、脈沖到達角、脈沖幅度。電子戰環(huán)境下接收機接收到的雷達信號為各個(gè)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(shí)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(chǎng)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(shí)域、空域和調制域等幾個(gè)方面對輻射源脈沖流進(jìn)行建模。

　　(1)時(shí)域模型

　　脈沖到達時(shí)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(guān)，輻射源類(lèi)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(gè)與輻射源位置密切相關(guān)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(dòng)時(shí)，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(lèi)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(gè)輻射源在當前仿真時(shí)間間隔內產(chǎn)生的PDW流，并根據每個(gè)仿真時(shí)間被動(dòng)雷達的狀態(tài)參數進(jìn)行信號稀釋?zhuān)詈髮λ休椛湓吹腜DW流進(jìn)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(huán)境模擬的需要出發(fā)，無(wú)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(huán)境產(chǎn)生的物理基礎，都需將影響電磁環(huán)境產(chǎn)生和傳播的物理環(huán)境進(jìn)行詳細分解，建立基本的模擬對象，即戰場(chǎng)實(shí)體環(huán)境的地理信息，例如：地形、氣象、地質(zhì)、地磁等因素。根據復雜電磁環(huán)境中不同輻射源所發(fā)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(zhù)地球表面傳播的情況。這時(shí)電波是緊靠著(zhù)地面傳播的，地面的性質(zhì)、地貌、地物等都會(huì )影響電波的傳播。2)天波傳播，是指經(jīng)過(guò)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(gè)導電層組成的，這4個(gè)導電層分別稱(chēng)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(fā)射和接收天線(xiàn)架設的較高時(shí)候，在視線(xiàn)范圍內，電磁波直接從發(fā)射天線(xiàn)傳播到接收天線(xiàn)的傳播。此時(shí)，電磁波還可以經(jīng)地面反射到達接收天線(xiàn)，所以，接收天線(xiàn)處的場(chǎng)強是直射波和反射波的矢量和，形成的合成場(chǎng)強，直射波不受地面的影響，地面反射波要經(jīng)過(guò)地面的反射，因此要受到反射點(diǎn)地質(zhì)地形的影響。4)外層空間傳播，是指電磁波由地面發(fā)出，經(jīng)低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播及其相反過(guò)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(zhù)不規則的氣流，這類(lèi)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(wú)線(xiàn)電波投射到這些不均勻體的時(shí)候，類(lèi)似于光的散射和反射現象，電波將發(fā)生散射或反射，一部分能量傳播到接收點(diǎn)，這種傳播方式稱(chēng)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(chēng)為大氣波導傳播。根據實(shí)際戰場(chǎng)電磁環(huán)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(shí)際地理環(huán)境影響顯著(zhù)。地理信息系統(GIS)是實(shí)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(gè)或者部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數據進(jìn)行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統[5]。GIS系統處理和管理的對象是多種地理空間實(shí)際數據及其關(guān)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(guò)程。GIS系統包括3種空間數據類(lèi)型：1)坐標系，如經(jīng)緯度、平面直角坐標和極坐標等。2)拓撲結構，定義兩個(gè)物體之間接通和鄰接等關(guān)系。3)地理變量，如土壤種類(lèi)、地質(zhì)信息、氣候等。同時(shí)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(gè)像元特有的行列號來(lái)卻確定位置。柵格數據結構中的每個(gè)代碼明確的代表了對應實(shí)體的屬性。它由3級機構組成，即點(diǎn)實(shí)體，表示柵格數據中的一個(gè)像元;線(xiàn)實(shí)體，表示某方向上成串的相鄰像元集合;面實(shí)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(guò)記錄坐標的方式，盡可能的將點(diǎn)、線(xiàn)、面地理實(shí)體準確的反映出來(lái)。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(diǎn)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(lǐng)域統計、分類(lèi)區統計、重分類(lèi)和柵格計算等分析功能。

　　基于GIS系統的柵格數據，通過(guò)圖形的采集和矢量化處理建立起戰場(chǎng)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(shù)建立電磁輻射源基礎地理信息數據庫，通過(guò)電子地圖和數據庫的連接，創(chuàng )建和查詢(xún)戰場(chǎng)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(shí)實(shí)現輻射源數量、空間分布、技戰術(shù)指標、戰術(shù)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(chǎng)實(shí)際地理環(huán)境的復雜環(huán)境模擬建模提供支持。

　　4.復雜樣式信號發(fā)生技術(shù)

　　復雜樣式信號發(fā)生技術(shù)是為了最終實(shí)現復雜電磁環(huán)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(huán)境，適應于各種裝備的性能測試。理想的復雜樣式信號發(fā)生技術(shù)是基于數字化復雜電磁環(huán)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(fā)生模擬硬件平臺的有機結合，這種技術(shù)的優(yōu)勢體現在：1)一個(gè)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(huán)境信息數據庫和模擬發(fā)生軟件，實(shí)現符合該武器裝備作戰環(huán)境的輻射源及其環(huán)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(huán)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(fā)生技術(shù)可以通過(guò)靈活的配置，實(shí)現服務(wù)于多種、多代武器裝備的測試，提高測試效能，擺脫全實(shí)物測試環(huán)境的時(shí)域、空域及地域限制，在統一平臺上滿(mǎn)足武器裝備對環(huán)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(huán)境信息數據庫的模擬軟件系統中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)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(diǎn)介紹，不再贅述。而對于依賴(lài)硬件平臺來(lái)實(shí)現的復雜樣式信號發(fā)生技術(shù)關(guān)鍵指標，其涉及到的技術(shù)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(shí)擁有捷變頻特性。能夠支持以上高性能技術(shù)指標的復雜樣式信號發(fā)生，離不開(kāi)高性能信號發(fā)生硬件平臺的支撐。目前利用信號發(fā)生硬件平臺來(lái)實(shí)現復雜電磁環(huán)境中電磁信號生成，需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：1)大帶寬任意波基帶發(fā)生技術(shù)是實(shí)現復雜電磁環(huán)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(guò)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(shù)搬移到所需的頻段，實(shí)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(shù)，將復雜電磁環(huán)境信息數據庫中數據以數字的形式進(jìn)行信號的綜合計算及處理，完成所需信號在頻域、時(shí)域、調制域以及空域的疊加，最終實(shí)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(wù)，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(fā)生做好準備;3)覆蓋微波毫米波且能支持復雜樣式信號發(fā)生的頻率合成技術(shù)，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(fā)生器)或者間接頻率合成方式(如矢量信號發(fā)生器)實(shí)現已調復雜樣式載波信號向著(zhù)更高頻段擴展。

　　5.結論

　　基于數字化地理信息的復雜環(huán)境信號模擬技術(shù)是電子武器裝備半實(shí)物模擬測試的一種新的嘗試?；诖思夹g(shù)構建的武器裝備在復雜電磁環(huán)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(chǎng)景豐富等優(yōu)點(diǎn)。本文從復雜電磁環(huán)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(fā)生等三個(gè)方面介紹了此技術(shù)的思路、方法和發(fā)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(huán)境內涵及效應分析[J]，裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，19(1)：1-5.

　　[3] 楊宗利.面向發(fā)射任務(wù)的復雜電磁環(huán)境及應用研究.博士學(xué)位論文.中國科學(xué)院研究生院.2009

　　[4] 閔濤.模擬戰場(chǎng)電磁環(huán)境建模與仿真技術(shù)研究.碩士學(xué)位論文.國防科技大學(xué).2006.

　　[5] 方 程，劉曉靜，屈 林. 基于GIS的戰場(chǎng)電磁環(huán)境可視化研究, 指揮控制與仿真, 2008, Vol.30 No.1.