檢測電磁環(huán)境的構建與評估方法研究

賈立印, 雷斌, 鐘圣

(重慶通信學院,重慶 400035)

0 引言

隨著信息化武器裝備大量投入使用,戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復雜,對裝備試驗提出了新的挑戰(zhàn)。研究裝備試驗中的復雜電磁環(huán)境構建問題,對于開展貼近實戰(zhàn)的復雜電磁環(huán)境下裝備試驗,檢測復雜電磁環(huán)境對武器裝備戰(zhàn)技指標、作戰(zhàn)使用性能以及作戰(zhàn)能力(作戰(zhàn)效能)發(fā)揮的影響,提高武器裝備對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的適應能力和掌控能力,具有重要的理論和應用意義[1]。

1 復雜電磁環(huán)境概念及內涵

復雜電磁環(huán)境是指在一定的戰(zhàn)場空間內,由空域、時域、頻域和能量上分布密集、數量繁多、樣式復雜、動態(tài)交替的多種電磁信號交迭而成、嚴重妨礙信息系統(tǒng)和電子設備正常工作、顯著影響武器裝備的作戰(zhàn)運用和效能發(fā)揮的戰(zhàn)場電磁環(huán)境[2]。

研究復雜電磁環(huán)境其目的實質上是研究如何提高中國軍隊在復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。對于這項研究,可以分成兩個大的研究方向：①部隊在復雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)法、訓法研究;②武器裝備在復雜電磁環(huán)境下的效能研究,如圖 1所示。前者是部隊在組織運用層面,以提高部隊克服惡劣電磁環(huán)境影響的整體作戰(zhàn)能力為目標,研究主體是用頻部隊;后者是在武器裝備研制層面上以提高裝備復雜電磁環(huán)境適應能力為目標,研究主體是裝備論證、研制單位。

圖 1 提高部隊在復雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)能力研究的兩個方向

因此,復雜電磁環(huán)境的研究按研究目的可分為兩個不同的研究方向：①用于指導作戰(zhàn)指揮、訓練的作戰(zhàn)區(qū)域(戰(zhàn)場)電磁環(huán)境研究;②用于檢驗裝備電磁環(huán)境適應能力的檢測電磁環(huán)境研究。

通過對裝備檢測電磁環(huán)境的研究,提高裝備電磁環(huán)境效應試驗能力,以滿足裝備研制單位預防電磁環(huán)境效應設計和電磁頻譜管理部門科學籌劃頻譜管理對試驗數據的需求。從根本上提高中國軍隊用頻裝備的電磁環(huán)境適應能力和作戰(zhàn)保障能力,進而不斷提升中國軍隊復雜電磁環(huán)境下的聯合作戰(zhàn)能力。

2 暗室內檢測電磁環(huán)境的構建

2.1 裝備檢測的特點

用頻裝備在實際戰(zhàn)場應用過程中可能面臨多種電磁現象的同時干擾,理論上可以通過單個電磁現象的矢量和計算出所產生的干擾。然而,實際上,一種電磁現象通常僅在某一時刻占主導,因此,在裝備檢測時可以進行單個電磁現象的敏感度測試,也可以將幾種電磁現象同時作用于被測裝備。在敏感度測試過程中,可以根據試驗嚴酷等級的需要,確定試驗時,是應用電磁環(huán)境的每種電磁現象,還是應用多種電磁現象對裝備進行試驗[3-4]。

2.2 檢測電磁環(huán)境的分類

裝備在其作戰(zhàn)區(qū)域或平臺上使用時,應首先要能克服地區(qū)噪聲、平臺噪聲對其產生的影響,這是最基本的環(huán)境要求。用頻裝備最基本的性能指標必須要建立在這種基礎噪聲環(huán)境之上。因此,裝備檢測電磁環(huán)境的分類應先將裝備按安裝平臺分為陸基、?；⒖栈?、天基四類,然后統(tǒng)計該裝備使用場所內及該平臺附近的其它系統(tǒng)和平臺的主要發(fā)射輻射裝備,對可能存在的各種電磁現象進行詳細劃分。

結合裝備檢測的特點,按照每種電磁現象對裝備的作用特點對電磁現象進行分類：

①將雷電、電磁脈沖、靜電放電作為單獨一類電磁現象。雷電、電磁脈沖、靜電放電屬于瞬變電磁現象,其作用于裝備的時間極短,但破壞作用較大[5]。MIL-HDBK-237D《采辦過程中電磁環(huán)境效應及頻譜保障性指南》第七章 E3試驗策略中,將雷電、靜電放電、電磁脈沖作為特殊的 E3問題,單獨進行試驗[6]。這種分類與國外如美軍、英軍對電磁現象的分類是一致;

②將非有意對抗電磁輻射作為一類電磁現象。這種電磁現象主要是指工作頻道附近相鄰信號的電磁輻射,可以稱之為非對抗干擾電磁環(huán)境。非對抗干擾環(huán)境的主要特點是：干擾信號一般不出現在接收機工作的中心頻率上,接收機工作頻率與干擾頻率之間有一定的頻率差Δf,其干擾效果的好壞及干擾場強值的大小與頻率差值的大小有直接關系;

③將電子對抗裝備產生的發(fā)射輻射作為一類電磁現象。電子對抗信號的特點是干擾信號主要出現在接收機工作的同一頻點或鄰頻上,主要由敵方施放的干擾為主,信號形式與被干擾裝備發(fā)射信號的相關性強,對裝備的影響較大。而且,針對這種干擾的防護設計或者困難或者代價太大。這種干擾通過科學頻譜規(guī)劃可在一定程度上減輕干擾影響程度;

④將平臺一定區(qū)域內存在的其它電磁現象的共同作用環(huán)境定義該平臺的基礎電磁環(huán)境。平臺基礎電磁環(huán)境,簡稱為平臺電磁環(huán)境,主要由平臺上的各種電磁發(fā)射源產生,其對裝備的作用特點是作用于裝備的持續(xù)時間長,是裝備在該平臺上工作時必須克服的外部電磁環(huán)境,是裝備設計時對裝備設計指標的最低要求。

綜上所述,用頻裝備檢測電磁環(huán)境的分類如圖2所示。

圖 2 檢測電磁環(huán)境分類

2.3 暗室內電磁環(huán)境構建可行性分析

電磁環(huán)境構建是基于 10米法電波暗室進行,電波暗室凈空間尺寸 21.5 m×13.5 m×11.5 m,對角距離為

首先需要分析兩種情況：一是試驗中被試裝備或系統(tǒng)(以下統(tǒng)一簡稱EUT)是處于實際工作狀態(tài),對于收、發(fā)信機應連通天線工作。為此,EUT與互通裝備的接收、發(fā)射天線應在暗室內并處于遠場區(qū),那么滿足遠場條件的測試頻段是多少?二是模擬其它裝備、系統(tǒng)對 EUT的電磁影響時為節(jié)約模擬源功率是否可采用近距離輻射方式?

(1)遠場條件及測試頻段

由電磁場理論可知,輻射源輻射的電磁波分為束縛電磁波和自由電磁波,前者為無功場,只存在輻射源與束縛電磁場之間的電能與磁能的轉換,不產生能量的傳播。由于需要EUT與配試裝備處于正常的通信狀態(tài),也就是說希望到達被試裝備上的是自由電磁波。束縛電磁波存在于天線近區(qū)內,自由電磁波存在于天線遠區(qū)內,兩者的分界與波長有關,當EUT的天線為線天線時,通常取 λ/2π≈ λ/6,也就是說,距波源少于 λ/6的距離內為近區(qū),希望被試裝備與配試裝備的天線的距離大于 λ/6,處于遠區(qū)內。

該暗室擬模擬電磁環(huán)境的最低頻率暫按 2MHz考慮,其波長為 150 m,近區(qū) λ/6=25 m。暗室的斜距為25.3m,可以滿足遠場條件。

對于 EUT天線為面天線時,其近區(qū)通常按 R=2D2/λ,D為天線的口徑。國外對裝備的大量試驗結果統(tǒng)計表明,對于通信裝備,影響最嚴重的電磁能量集中在 3 GHz以下。如暫按 3 GHz考慮,其波長為 0.1 m,當 D=0.9 m時,近區(qū)距離R=16 m;D=0.1 m時R=0.2 m,均滿足遠場條件。

(2)近距離輻射的可行性

討論的復雜電磁環(huán)境仿真,只要求在EUT處模擬產生一個類似實際的復雜電磁環(huán)境的電磁場強及相關特性,此時,并不一定要處于遠場區(qū)。正如同在 GJB152A的 RS103測試中,對被測裝備在 1 m處由發(fā)射天線輻射電磁波考核被測裝備的電場輻射敏感度,所用頻率范圍為 10 Hz～40 GHz。如果以遠近場的觀點看,在 1.5 GHz以下頻率被測裝備都處在近場內。所以這里可以不去區(qū)分近、遠場,只需關心在被測裝備處產生的場強大小及相關特性。

2.4 半實物仿真電磁環(huán)境構建系統(tǒng)

半實物仿真電磁環(huán)境構建系統(tǒng)主要由電磁環(huán)境信號數據庫管理系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、矢量信號發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射天線、場強監(jiān)視等系統(tǒng)組成,系統(tǒng)組成圖如圖 3所示。系統(tǒng)通過 Agilent ADS、89600仿真軟件和矢量信號發(fā)生器,完成電磁環(huán)境信號的調用、編輯和下載,其中 89600軟件負責進行單個信號的調用,以及將信號下載至信號源,Agilent ADS負責多個信號的調用、編輯和下載;功率放大器主要負責電磁環(huán)境場強值的量化;發(fā)射天線負責輸出測試所需的不同極化方式的電磁信號;場強監(jiān)視器負責場強值的監(jiān)測以保證量化的電磁環(huán)境滿足限值要求。

圖 3 電磁環(huán)境構建系統(tǒng)

Agilent ADS是安捷倫一套強大的電子設計自動化軟件,是專門針對電子系統(tǒng),電路設計仿真的 EDA工具,可以提供目前最為完整的系統(tǒng)及電路計算機和半實物仿真功能,把系統(tǒng)設計和硬件原型緊密地結合在一起,可以更快、更高效地完成產品設計[7]。安捷倫ADS軟件通過儀表連接管理器可以很容易地與各類測試儀表相連實現虛擬原型,形成軟件仿真,儀表測試驗證方案,進行半實物仿真。另外,也可以利用這些信號捕捉儀表對干擾信號,雜波信號和噪聲信號進行捕捉,然后把這些信號做為信號源帶入軟件仿真環(huán)境,提高軟件仿真的逼真度。

電磁環(huán)境構建系統(tǒng)的工作原理可以概括為：根據不同的測試需求,將所采集的電磁信號數據庫中的不同電磁信號下載到ADS軟件進行編輯處理,通過信號源產生測試環(huán)境中所需要的電磁信號,并協(xié)同功率放大器將電磁信號量化至規(guī)定的電平值,最后經發(fā)射天線在電波暗室內某一確定測試區(qū)域產生所需的檢測電磁環(huán)境。

3 用頻裝備檢測電磁環(huán)境的評估

3.1 評估系統(tǒng)組成及工作原理

電磁環(huán)境評估系統(tǒng)主要由標準場地電磁環(huán)境構建系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)組成,具體為場強探頭、光纖、光電轉換器、場強監(jiān)視器、接收天線、射頻電纜、衰減器、頻譜分析儀、89600軟件、計算機等,系統(tǒng)組成如圖 4所示。

圖 4 電磁環(huán)境評估系統(tǒng)

其工作原理為：標準場地電磁環(huán)境構建系統(tǒng)按照電磁環(huán)境的分類與分項構建出裝備檢測電磁環(huán)境,信號采集系統(tǒng)對裝備檢測電磁環(huán)境進行實時捕捉,并利用 89600軟件進行頻譜和信號特性分析,評估檢測環(huán)境的真實性和可靠性。

3.2 電磁環(huán)境評估指標

現評估系統(tǒng)的關鍵點在于評估指標體系的選取,如何確定評估指標、選取哪些評估指標成為標準場地檢測電磁環(huán)境真實性檢驗的核心。

(1)評估指標選取的基本原則

電磁環(huán)境評估指標的選取應遵循以下原則：

①一致性原則。在選取評估指標時必須保持系統(tǒng)功能與使命的一致、性能與功能的一致以及數據的表現形式與真實戰(zhàn)場電磁環(huán)境的一致;

②層次性原則。戰(zhàn)場電磁環(huán)境主要表現為各種信號的矢量疊加,然而某一地點、某一時間不同電磁信號對裝備的影響程度是有主次之分的。因此,層次性原則要求在評估電磁環(huán)境時,應正確區(qū)分主要矛盾和次要矛盾,抓住關鍵點,這樣才能建立合理的評估指標;

③可行性原則。評估的指標應是可測的,指標本身便于實際使用,度量的含義明確,具備現實的收集渠道,便于定量分析,具備可操作性;

④靈活性原則。構建電磁環(huán)境主要用于裝備電磁環(huán)境效應試驗,因此在保證環(huán)境真實性與試驗可用性的前提下,應靈活處理環(huán)境信號的參數和表現形式。

(2)電磁環(huán)境評估指標

電磁環(huán)境構建的基本要素是電磁信號,任何電磁信號都可以定量直觀地描述其特征,因此電磁環(huán)境評估指標應主要體現在電磁信號性能上[8]。電磁環(huán)境評估指標如圖 5所示。

圖5 電磁環(huán)境評估指標

①平臺基礎電磁環(huán)境：用頻裝備在自己的作戰(zhàn)區(qū)域或平臺上工作時,應首先要能克服地區(qū)噪聲、平臺基礎電磁環(huán)境對自己的影響,這是最基本的環(huán)境要求。這種電磁環(huán)境的評估指標主要是平均場強值;

②非對抗干擾電磁環(huán)境的評估指標包括頻率準確度和平均場強值或信噪比(S/N);

③電子對抗環(huán)境的評估指標主要包括干擾方式參數、干擾信號樣式、平均場強值(功率值)、頻率準確度、信號占用帶寬等;

④瞬變電磁環(huán)境評估指標主要是平均場強值。

4 結語

為評估裝備在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下的生存能力就必須進行電磁環(huán)境效應試驗,而只有在逼真的戰(zhàn)場信號環(huán)境下,才能檢驗出被試裝備的實戰(zhàn)戰(zhàn)術性能,才能為裝備的定型及部隊的作戰(zhàn)使用提供真實可信的技術依據。因此在暗室中構建真實戰(zhàn)場電磁環(huán)境是電磁環(huán)境效應試驗的基本前提。沒有逼真可靠的檢測環(huán)境就無法進行真實的電磁環(huán)境效應試驗;沒有定量描述的檢測環(huán)境就難以獲得準確的電磁環(huán)境效應試驗數據;沒有復現性強的檢測環(huán)境就不能對裝備存在的問題和影響因素進行科學合理的分析。

采用依托ADS軟件配合相應儀表構建的檢測環(huán)境不僅可以逼真模擬裝備所處的戰(zhàn)場電磁環(huán)境,而且具有很強的可重復性和良好的可控性。這將對檢測裝備在復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能具有重要應用價值,也將成為提高中國軍隊裝備性能評估和仿真能力的必然趨勢。

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