電磁環(huán)境復(fù)雜度等級評估模型

李文臣，張政超，陸 靜，楊會民，梁高波，郝光宇

(1.中國人民解放軍63880 部隊，河南洛陽 471003;2.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實驗室，河南洛陽 471003)

0 引 言

信息化條件下，隨著各類電子設(shè)備和信息化武器裝備在戰(zhàn)場上的日益廣泛應(yīng)用，戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越呈現(xiàn)出其復(fù)雜多變的重要特性［1］。如何評估復(fù)雜電磁環(huán)境條件下電子裝備的工作性能或適應(yīng)能力是國內(nèi)外電磁環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2～4］。為了檢驗復(fù)雜電磁環(huán)境下電子裝備的適應(yīng)能力，必須首先明確戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度等級評定方法。近年來，國內(nèi)已有不少學(xué)者對電磁環(huán)境復(fù)雜度評估進(jìn)行了初步研究［5～8］。文獻(xiàn)［5，6］綜合考慮了戰(zhàn)場態(tài)勢的三個指標(biāo)，對戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行了等級分類，并給出了輔助分析軟件。文獻(xiàn)［7］從信噪比空間的概念建立了電磁環(huán)境復(fù)雜度度量方法和度量標(biāo)準(zhǔn)，并給出了電臺網(wǎng)的復(fù)雜度空間等級。文獻(xiàn)［8］提出了基于相關(guān)度的戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度評估方法。以上方法具有局限性，可操作性差，不適用于偵察類設(shè)備，另外對信號密度、調(diào)制樣式、極化方式等可能對電子裝備產(chǎn)生不同影響的環(huán)境信號參數(shù)缺乏要求。

根據(jù)靶場復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗的特點(diǎn)和實際需求，如何制定滿足不同電子裝備類型的戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度等級，是通用電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗的設(shè)計難點(diǎn)。綜合考慮雷達(dá)類、通信類和偵察類設(shè)備的工作特點(diǎn)，提出了基于裝備類型的復(fù)雜度評估標(biāo)準(zhǔn)。

1 電子裝備類型及其電磁環(huán)境適應(yīng)性特點(diǎn)

戰(zhàn)場電磁環(huán)境是指在一定的戰(zhàn)場空間內(nèi)對作戰(zhàn)有影響的電磁活動和現(xiàn)象的總和［1］。復(fù)雜電磁環(huán)境是指對武器裝備運(yùn)用和作戰(zhàn)行動產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境，為了評估電子裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力，需要進(jìn)行復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗。電磁裝備適應(yīng)性試驗首先要制定統(tǒng)一的電磁環(huán)境平臺，即環(huán)境等級，然后在同一電磁環(huán)境等級下，試驗電子裝備的性能，評估電子裝備的適應(yīng)能力。由于復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗主要是針對裝備自身的工作性能，因此電磁環(huán)境等級不考慮裝備的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，從時域、頻域、空域、能量域、極化域和信號域等綜合考慮電磁環(huán)境構(gòu)建，并制定相應(yīng)的環(huán)境等級。

電磁環(huán)境等級是評估電子裝備的適應(yīng)能力的平臺，要具有普遍性、可操作性。根據(jù)靶場復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗的特點(diǎn)和實際需求，綜合考慮通用電子裝備類型，制定環(huán)境復(fù)雜度評估標(biāo)準(zhǔn)。首先按照電子裝備工作特征和信號處理方式，將電子裝備分為雷達(dá)、通信、偵察和信號環(huán)境模擬四類。

雷達(dá)類設(shè)備依靠接收雷達(dá)目標(biāo)信號為雙程衰減。通信類設(shè)備接收到通信信號為單程衰減信號，例如衛(wèi)星導(dǎo)航、應(yīng)答機(jī)和通信等電子裝備。雷達(dá)和通信類設(shè)備接收到的信號有明確的信號參數(shù)，可以采用相關(guān)接收提高信噪比。由于這兩類設(shè)備的電磁信號易被敵方偵察并實施干擾(瞄準(zhǔn)或阻塞干擾)，因此其面臨的電磁干擾環(huán)境將嚴(yán)重影響其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

偵察類設(shè)備包括電子對抗、偵察、無源探測等電子裝備，偵察信號為單程衰減信號，但接收信號參數(shù)未知。偵察類設(shè)備需要對外界未知的電磁信號進(jìn)行搜索、截獲、分選、識別等，以獲取外界電磁環(huán)境信息。電子對抗設(shè)備在偵察的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步發(fā)射同頻段噪聲和相參信號;無源探測電子設(shè)備需要通過偵察到的時頻和空間信息，對外輻射源進(jìn)行定位。由于偵察能力受戰(zhàn)場環(huán)境中我方/敵方密集電磁信號環(huán)境及敵方有意干擾設(shè)備(例如誘餌或信號模擬器等)的影響，其瞬時工作頻帶內(nèi)可能有多個目標(biāo)信號，存在著大量的重疊脈沖，分選和識別將受到影響。另外威脅輻射源的工作模式和頻率等特征參數(shù)大范圍快速變化，會造成脈沖鏈去交錯非常困難。信號分選存在的錯誤將導(dǎo)致信號的大量增批、漏批，造成識別率大幅降低。

信號環(huán)境模擬類包括各類信號模擬器，由于該類設(shè)備只是輻射電磁信號，沒有與外界環(huán)境進(jìn)行交互，因此不考慮該類設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。

2 基于電子裝備類型的電磁環(huán)境復(fù)雜度等級評定

2.1 雷達(dá)類設(shè)備的電磁環(huán)境復(fù)雜度等級

雷達(dá)類設(shè)備電磁環(huán)境復(fù)雜度等級的制定僅以外界噪聲干擾為基礎(chǔ)，不考慮相參干擾帶來的干擾積累增益。雷達(dá)的接收機(jī)噪聲功率為［9］

式中，k=1.38 ×10－23J/K 是波爾茲曼常數(shù);接收機(jī)噪聲溫度T0=290 K，K 為開爾文溫度;B 為雷達(dá)瞬時帶寬;Fn為雷達(dá)接收機(jī)噪聲系數(shù)。

噪聲干擾情況下，雷達(dá)接收到的干擾信號強(qiáng)度為

式中，PJnoise為干擾功率;Δf 為進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)帶寬內(nèi)的噪聲功率帶寬;Δf ＜B，B 為雷達(dá)瞬時帶寬;B0為噪聲干擾機(jī)的瞬時帶寬;GJ為干擾機(jī)在雷達(dá)方向上的天線增益;LJt干擾機(jī)的發(fā)射損耗;LRr為雷達(dá)接收損耗;GRJr為雷達(dá)在干擾機(jī)方向上的接收天線增益;λ 為雷達(dá)波長;Rj為雷達(dá)與干擾機(jī)的距離。

雷達(dá)目標(biāo)回波信噪比為

式中，Ptarget為目標(biāo)回波信號;Pt為雷達(dá)發(fā)射功率;GRT為目標(biāo)方向天線增益;σT為目標(biāo)RCS;λ 為雷達(dá)工作波長;Rt為目標(biāo)與雷達(dá)的距離;L 為綜合損耗;DT為目標(biāo)回波的綜合抗干擾改善因子，對于單個LFM 信號，不考慮匹配加權(quán)損耗，DT=BT。

外界無干擾時，即Pjam=0，雷達(dá)對目標(biāo)的探測距離為RRT=R0;當(dāng)存在干擾時，探測距離為RRT=gR0，0≤g≤1 為距離壓制系數(shù)。由于雷達(dá)檢測需要相同SNR，參考式(3)，得到

定義電磁環(huán)境門限系數(shù)為干擾信號強(qiáng)度與接收機(jī)噪聲信號之比(或稱為干噪比)，即

式(5)也可以表示為天線接收口面功率密度的干噪比形式，即

式中，天線口面面積S =Gλ2/(4π);G 為接收機(jī)天線增益;λ 為波長;PjamS=Pjam/S 為裝備天線口面接收到的外界干擾信號功率密度;nS=δ2/S 為接收機(jī)噪聲功率密度門限。

按照距離壓制系數(shù)定義復(fù)雜電磁環(huán)境等級，該指標(biāo)即可以體現(xiàn)外界的電磁復(fù)雜程度，又能反映電子裝備自身的環(huán)境適應(yīng)能力。將電磁環(huán)境分為4級，電磁環(huán)境等級定義為

其中0 級為簡單電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)0≤η ＜1 時，距離壓制系數(shù)1≥g ＞0.84;1 級為輕度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)1≤η ＜15 時，距離壓制系數(shù)0.84≥g ＞0.5;2 級為中度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)15≤η ＜255 時，距離壓制系數(shù)0.5≥g ＞0.25;3 級為重度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)255≤η 時，距離壓制系數(shù)0.25≥g≥0。

2.2 通信類設(shè)備的電磁環(huán)境復(fù)雜度等級

對于通信類裝備，接收機(jī)的信噪比為

式中，Ps為接收信號強(qiáng)度;Pt為其他設(shè)備發(fā)射功率;GT，GR為通信設(shè)備的天線發(fā)射和接收增益;λ 為雷達(dá)工作波長;R 為目標(biāo)與雷達(dá)的距離;L 為綜合損耗;DT為目標(biāo)回波的綜合抗干擾改善因子。

同理，電磁環(huán)境門限系數(shù)也可以表示為天線接收口面功率密度的干噪比形式，即

按照通信距離壓制系數(shù)定義復(fù)雜電磁環(huán)境等級，將電磁環(huán)境分為4 級，電磁環(huán)境等級定義為

其中0 級為簡單電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)0≤η ＜1 時，距離壓制系數(shù)1≥g ＞0.71;1 級為輕度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)1≤η ＜3 時，距離壓制系數(shù)0.71≥g ＞0.5;2 級為中度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)3≤η ＜15 時，距離壓制系數(shù)0.5≥g ＞0.25;3 級為重度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)15≤η 時，距離壓制系數(shù)0.25≥g≥0。

2.3 偵察類設(shè)備的電磁環(huán)境復(fù)雜度等級

偵察類設(shè)備的復(fù)雜電磁環(huán)境等級以天線接收端口的過門限信號的脈沖流密度為參考，制定復(fù)雜度等級與脈沖流密度的關(guān)系。脈沖流密度應(yīng)該是偵察設(shè)備瞬時帶寬內(nèi)的不同載波頻率脈沖串的疊加。偵察接收機(jī)設(shè)備在滿足對接收信號能力正常檢測的條件下，輸入端信號最小功率應(yīng)該滿足工作靈敏度，要求信號/噪聲SNR=14 dB［10］，約25 倍，即輸入端的最小功率為

考慮實際用頻裝備接收機(jī)(或天線)天線口面的信號強(qiáng)度作為電磁環(huán)境門限功率，用天線口面功率密度的W/m2表示。環(huán)境信號轉(zhuǎn)換為用頻裝備天線口面的功率密度(功率/面積)表達(dá)式

式中，T0=290 K 為接收機(jī)參考溫度;接收機(jī)瞬時帶寬B;Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù);η 為電磁環(huán)境門限系數(shù);G 為接收機(jī)天線增益;λ 為波長;S 為天線口面面積。一般偵察接收機(jī)瞬時帶寬遠(yuǎn)大于單個環(huán)境信號帶寬，因此超過該門限的外界信號都能被偵察到。

對于偵察接收機(jī)來說，過門限的信號很多的情況下，存在著大量的重疊脈沖，分選和識別將受到影響，偵察接收機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜度主要表現(xiàn)為過偵察門限信號流。假設(shè)有N 個信號脈沖流超過檢測門限，第n 個脈沖流包括相同的載波頻率和調(diào)制樣式，脈寬相同，重復(fù)周期可以是抖動參差等。

針對該類偵察系統(tǒng)，將信號重疊造成的丟失概率作為復(fù)雜環(huán)境的等級的主要因素，雷達(dá)數(shù)量越多、工作比越高，造成信號丟失概率越大。參考文獻(xiàn)［10］，可以得到第i 裝備信號脈寬與其他裝備信號的重合概率為

式中，Pi，j為在i 裝備信號脈沖寬度內(nèi)重合j 裝備信號的概率;Pi，i為自身重合概率;Pi，i=0，min(x，y)為取最小;Ti，τi分別為第i 個信號流的平均重復(fù)周期和脈沖寬度。當(dāng)只有一個脈沖串時，信號重合概率P=0。

N 個裝備的平均重合概率為

按照多信號時域重合度確定復(fù)雜度等級，不考慮過門限帶內(nèi)多信號幅度差別(多信號動態(tài)范圍變化)造成的強(qiáng)信號壓制弱信號，使偵察性能降低;不考慮脈內(nèi)擴(kuò)頻調(diào)制、頻率分集、重頻抖動參差等對信號環(huán)境復(fù)雜度的影響;不考慮偵察天線寬度和空間搜索率等影響，這部分通過后面動態(tài)仿真進(jìn)行。將偵察電磁環(huán)境分為4 級

其中0 級為簡單電磁環(huán)境，信號脈沖流重合度0≤P ＜0.1 時;1 級為輕度電磁環(huán)境，信號脈沖流0.1≤P ＜0.2 時;2 級為中度電磁環(huán)境，信號脈沖流0.2≤P ＜0.4 時;3 級為重度電磁環(huán)境，信號脈沖流0.4≤P≤1 時。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境復(fù)雜度等級動態(tài)統(tǒng)計分析

如果用頻裝備天線是掃描的，例如常規(guī)雷達(dá)天線，用頻裝備在某固定方向上的天線增益是時變性，相同背景環(huán)境情況下，用頻裝備受背景信號干擾程度是不同的，下面基于雷達(dá)、通信、偵察類設(shè)備，研究動態(tài)電磁環(huán)境場景分析復(fù)雜電磁環(huán)境復(fù)雜度等級。該評估等級綜合考慮天線的轉(zhuǎn)動、頻譜占有度、時間占有度、空間占有度和極化損耗等因素的影響，綜合評定復(fù)雜度等級。

3.1 雷達(dá)類和通信類設(shè)備的綜合電磁環(huán)境復(fù)雜度等級

外界信號到達(dá)用頻裝備天線接收口面的功率譜密度，要根據(jù)用頻裝備天線指向、外界信號方向，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到天線口面功率譜密度，同時要考慮外界信號為瞬時帶寬內(nèi)的信號。多個輻射源到達(dá)用頻裝備的天線端口面的功率譜密度為

式中，天線口面面積S =Gλ2/(4π);G 為接收機(jī)天線增益;λ 為波長;N 為輻射源數(shù)目;Δfi為第i 個輻射源與用頻裝備瞬時工作頻率的交叉頻譜寬度(如果輻射源或用頻裝備采用跳頻工作方式，則Δfi是時變量，Δfi≤B，接收機(jī)瞬時帶寬B);Pti為第i 個輻射源發(fā)射峰值功率;Bi為第i 個輻射源的瞬時帶寬;fi為第i 個輻射源的工作頻率;Gti為第i 個輻射源在用頻裝備方向的天線增益;G 為用頻裝備天線增益最大值;Gri為用頻裝備在i 個輻射源方向的接收天線增益(Gri/G 為歸一化增益);波長λ =c/f0，c 為光速;f0為用頻裝備工作頻率;Ri為兩者之間的距離;Lti為第i 個輻射源發(fā)射損耗;Lr為用頻裝備接收損耗(主要考慮極化失配損耗，交叉極化損耗一般取26 dB)。

瞬時復(fù)雜電磁環(huán)境門限系數(shù)為

雷達(dá)類設(shè)備的瞬時復(fù)雜電磁環(huán)境等級的平均數(shù)值為環(huán)境的復(fù)雜度等級，表示為

同理，對于通信類設(shè)備，瞬時復(fù)雜電磁環(huán)境等級的平均數(shù)值為環(huán)境的復(fù)雜度等級，表示為

式中，T 為積分時間長度，一般取整數(shù)個掃描周期。

3.2 偵察類設(shè)備的綜合電磁環(huán)境復(fù)雜度等級

當(dāng)環(huán)境信號超過偵察接收機(jī)檢測門限時，即當(dāng)PPi(t)＞SAth時，統(tǒng)計過門限的環(huán)境信號流數(shù)目，過門限信號流數(shù)目N 為

式中，U [ x] 為單位階躍遷函數(shù)，當(dāng)x ＞0 時為1，否則為0。

統(tǒng)計瞬時環(huán)境門限，得到

瞬時復(fù)雜電磁環(huán)境等級的平均數(shù)值為環(huán)境的復(fù)雜度等級，表示為

式中，T 為積分時間長度，一般取整數(shù)個掃描周期。

5 結(jié) 語

從頂層設(shè)計入手，制定復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗評估基本標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于裝備類型的復(fù)雜度評估模型。并初步開發(fā)了戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度等級評估軟件系統(tǒng)，利用該軟件可計算不同電子裝備所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境等級，可作為電子裝備戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗和戰(zhàn)場頻譜管控等輔助軟件系統(tǒng)，限于篇幅，相關(guān)研究在后續(xù)論文中給出。

研究成果可為復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗和作戰(zhàn)指揮研究提供重要支撐，對于復(fù)雜電磁環(huán)境外場構(gòu)建、戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度等級評估及電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能評估具有重要意義。

［1］王汝群. 戰(zhàn)場電磁環(huán)境［M］. 北京:解放軍出版社，2006:15-18.

［2］ MIL-STD-464A:Electromagnetic Environmental Effects Requirements for Systems［S］.Department of Defense Interface Standard，2002.

［3］王倫文，孫偉，潘高峰.一種電磁環(huán)境復(fù)雜度快速評估方法［J］.電子與信息學(xué)報，2010，32(12):2942-2947.

［4］王偉中，羅小明，王洪. 復(fù)雜電磁環(huán)境對雷達(dá)作戰(zhàn)能力的影響及應(yīng)對措施［J］. 四川兵工學(xué)報，2011，32(3):154-156.

［5］洪家財，侯孝明.美軍電磁環(huán)境效應(yīng)研究啟示［J］. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，20(3):10-13.

［6］朱正禧，尹成友，孫沖.戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度評估軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子工程學(xué)院學(xué)報，2011，30(2):42-45.

［7］尹成友. GJB 6520-2008 戰(zhàn)場電磁環(huán)境分類與分級方法［S］. 中國人民解放軍總裝備部，2008.

［8］張智南，劉增良，陶源，等. 基于信噪比空間的復(fù)雜電磁環(huán)境仿真模型研究［J］. 計算機(jī)工程與設(shè)計，2009，30(23):5458-5461.

［9］丁鷺飛，耿富錄. 雷達(dá)原理［M］. 西安:西安電子科技大學(xué)，2001.

［10］趙國慶.雷達(dá)對抗原理［M］. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.