葉禮邦,洪麗娜,崔建嶺,閆京海
(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,洛陽471003)
信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用,使得戰(zhàn)場中用頻裝備不斷增多。在現(xiàn)在戰(zhàn)場中,敵方、我方、民用和自然等電磁信號對裝備運(yùn)用和作戰(zhàn)行動(dòng)產(chǎn)生深刻影響。分析電磁環(huán)境的復(fù)雜度,研究它的分級、度量方法,對加深電磁環(huán)境理解,指導(dǎo)試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建和裝備性能評估,支撐裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的作戰(zhàn)運(yùn)用具有重要意義。
戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定空域、時(shí)域、頻域和能量域上,多種電磁信號同時(shí)存在,對武器裝備運(yùn)用和作戰(zhàn)行動(dòng)產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境[1]。為促進(jìn)對電磁環(huán)境的理解,掌握和評估電磁環(huán)境對裝備的影響,提高電磁環(huán)境構(gòu)建水平,對電磁環(huán)境進(jìn)行定量分析是十分必要的[2]。目前常用的復(fù)雜度評估方法有兩類[3],一類是將電磁環(huán)境作為一個(gè)主體,從空域、時(shí)域、頻域和能量域進(jìn)行分析[4~6]。度量指標(biāo)包括戰(zhàn)場電磁輻射源分布密度、視角范圍內(nèi)電磁輻射源數(shù)量、電磁輻射源工作方式平均數(shù)量和電磁環(huán)境平均功率譜密度等。另一類是從電磁環(huán)境對裝備性能和作戰(zhàn)效能的影響程度上對復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行評估[7~9],主要研究在受電磁環(huán)境影響時(shí)裝備性能,如雷達(dá)探測性能、通信可靠性的下降程度,依此劃分電磁環(huán)境的復(fù)雜度。
這兩類方法各有側(cè)重,第一類方法強(qiáng)調(diào)電磁環(huán)境是客觀存在的,指標(biāo)明確,評估結(jié)果不隨受體的改變而改變,但這種方法與實(shí)際裝備聯(lián)系不強(qiáng),電磁環(huán)境復(fù)雜度與電磁環(huán)境對裝備的影響趨勢不夠一致。第二類方法能夠充分體現(xiàn)電磁環(huán)境對裝備的影響,但是過分強(qiáng)調(diào)受體影響不僅容易將電磁環(huán)境影響與電子干擾的混淆,即使同一型號的裝備,由于生產(chǎn)工藝的差別,它對電磁環(huán)境的適應(yīng)性也會(huì)有所差別,這就導(dǎo)致同一電磁環(huán)境具有不同的復(fù)雜度等級,不利于電磁環(huán)境的描述,也不利于在同一條件下對比不同用頻裝備的電磁環(huán)境適應(yīng)性性能。
電磁環(huán)境是客觀存在的,同時(shí)其影響是通過特定裝備反映出來。由于電子信息裝備種類眾多,受電磁環(huán)境的影響方式也差異較大,要提出一種對所有電子信息裝備都適用的電磁環(huán)境復(fù)雜度分析方法存在很大的困難。同時(shí),電磁環(huán)境復(fù)雜度是針對特定裝備的,同一電磁環(huán)境對不同的裝備的影響也不一定相同。下面從電磁環(huán)境對裝備的影響機(jī)理出發(fā),分析偵察裝備面臨的電磁環(huán)境對裝備性能的影響,提出一種適用于通信偵察裝備的電磁環(huán)境復(fù)雜性定量度量方法,該方法既能體現(xiàn)電磁環(huán)境特征,又能反映裝備電磁環(huán)境適應(yīng)性能,具有較強(qiáng)的針對性和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
通信偵察是使用通信偵察設(shè)備探測、搜索、截獲敵方無線電通信信號,對信號進(jìn)行測量、分析、識別、監(jiān)視,以及對敵方通信設(shè)備測向和定位;以獲取信號頻率、電平、調(diào)制方式等技術(shù)參數(shù),以及電臺位置、通信方式、通聯(lián)特點(diǎn)、通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)和屬性等情報(bào)。
通信偵察裝備對電磁環(huán)境的變化具有很強(qiáng)的敏感性,戰(zhàn)場中的不同電磁環(huán)境會(huì)對偵察裝備性能產(chǎn)生不同的影響[10]。主要表現(xiàn)在:
(1)通信偵察裝備的偵察目標(biāo)采用快速機(jī)動(dòng),跳頻、擴(kuò)頻和猝發(fā)等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)手段,達(dá)到反偵察和抗干擾等目的。因此,偵察目標(biāo)在時(shí)域、空域、頻域上存在很大的不確定性,通信偵察裝備可能不能偵察到某些目標(biāo),造成漏檢。
(2)戰(zhàn)場中存在的電磁信號類型多樣,其中的某些信號在技術(shù)體制上與目標(biāo)信號相似,使得偵察裝備錯(cuò)誤的將此類信號誤檢測為目標(biāo)信號,造成誤檢。
(3)戰(zhàn)場中的某些電磁信號與目標(biāo)信號存在頻譜交疊,遮蓋目標(biāo)信號,同時(shí)大量的背景電磁信號的存在,會(huì)提高環(huán)境的噪聲電平,造成的漏檢。
根據(jù)電磁環(huán)境對通信偵察裝備的影響,將通信偵察裝備面臨的電磁環(huán)境分為兩類,一類是目標(biāo)信號,另一類是除去目標(biāo)信號的所有電磁信號,統(tǒng)稱為背景信號。
表1 不同類型的電磁環(huán)境對偵察電磁環(huán)境的影響
電磁信號環(huán)境的不同影響導(dǎo)致通信偵察裝備的偵察性能降低,對于不同的信號,采用不同的評估指標(biāo)計(jì)算電磁環(huán)境的復(fù)雜度。
1.2.1 目標(biāo)信號復(fù)雜度分析
針對目標(biāo)信號,偵察裝備面臨的最大威脅在于目標(biāo)信號的不確定性上。熵作為客觀事物復(fù)雜性的度量,目標(biāo)信號的信息熵可以表征目標(biāo)信號不確定程度[11~12]。因此,對于信號不確定性,可以采用基于信息熵的復(fù)雜度來表征。
通信偵察裝備一般從目標(biāo)信號的頻率、調(diào)制樣式、持續(xù)時(shí)間、方位和極化等方式識別目標(biāo)信號,因此在表征目標(biāo)信號復(fù)雜度時(shí),可以采用頻域信息熵、調(diào)制域信息熵、時(shí)域信息熵、空域信息熵等計(jì)算目標(biāo)信號的不確定性復(fù)雜度。
1.2.2 背景信號復(fù)雜度分析
背景信號對偵察裝備的影響主要為背景信號與目標(biāo)信號相似性和背景信號對目標(biāo)信號的遮擋效應(yīng)帶來的通信偵察裝備的偵察性能的降低。
(1)相似效應(yīng)復(fù)雜度
偵察裝備在工作的過程中關(guān)鍵是將目標(biāo)信號和非目標(biāo)信號區(qū)別清楚,如果目標(biāo)信號與非目標(biāo)信號在信號特征上存在很強(qiáng)的相似性,提高偵察裝備的誤檢概率。針對這一特性,可以采用目標(biāo)信號與背景信號之間的相似度復(fù)雜度來度量電磁環(huán)境的復(fù)雜度。
(2)遮擋效應(yīng)復(fù)雜度
大量的背景信號會(huì)提高整個(gè)信號的噪聲電平,或?qū)⒛繕?biāo)信號遮蓋,提高漏檢概率。針對此類信號,背景信號在時(shí)域、空域、頻域的占有程度是偵察裝備的重要威脅,可以采用信號在時(shí)域、空域、頻域上的占有復(fù)雜度CD來計(jì)算電磁環(huán)境的復(fù)雜度。
2.1.1 信息熵
對于離散的隨機(jī)變量X,其符號集為A:ai(i=1,2,…N),N是符號集的個(gè)數(shù),事件ai發(fā)生的概率為p(ai),其概率空間[X,p(x)]為
(1)
則該離散事件的信息熵為
(2)
信息熵反映了概率分布的均勻性,當(dāng)所有事件等概率發(fā)生時(shí),即:
(3)
此時(shí)離散事件具有最大的熵,即:
Hmax(X)=logN
(4)
2.1.2 目標(biāo)信號的信息熵
根據(jù)信息熵的定義,電磁環(huán)境的不確定復(fù)雜度可以表示為
CH=H(X)/Hmax(X)
(5)
根據(jù)式(5)可以得出,當(dāng)信號均勻分布時(shí),環(huán)境的不確定復(fù)雜度取最大值為1,不確定性復(fù)雜度取值范圍為[0,1]。
設(shè)在時(shí)間[t1,t2]內(nèi),頻率[f1,f2]內(nèi),空間Ω內(nèi),目標(biāo)信號在不同時(shí)間,不同位置,以多個(gè)頻率,多種調(diào)制方式工作;根據(jù)信息熵的定義,可以從頻域、調(diào)制域、時(shí)域和空域不確定復(fù)雜度對目標(biāo)信號的復(fù)雜度進(jìn)行度量。
(1)頻域信息熵
設(shè)目標(biāo)信號可能采用的頻率為fi(i=1,2,…Nf),Nf是頻率的個(gè)數(shù),設(shè)信號為頻率fi的概率為p(fi),則目標(biāo)信號的頻域信息熵為
(6)
p(fi)可以通過計(jì)算信號在頻率fi出現(xiàn)的時(shí)間長度與信號出現(xiàn)總時(shí)間長度的比值得出。
例如,某目標(biāo)可能采用的頻率集為fX={92.5,94,95.5,97,98.5},單位MHz;信號在各頻點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間為:T(fX)={12,0,18,0,30},單位min;計(jì)算得出信號出現(xiàn)的概率為p(fX)={0.2,0,0.3,0,0.5}。則目標(biāo)信號的頻域信息熵為
(2)調(diào)制域信息熵
設(shè)目標(biāo)信號可能的調(diào)制樣式為di(i=1 2,…,Nd),Nd是調(diào)制樣式數(shù),設(shè)信號為調(diào)制樣式di的概率為p(di),則目標(biāo)信號的頻域信息熵為
(7)
p(di)可以通過計(jì)算信號以調(diào)制樣式di出現(xiàn)的時(shí)間長度占信號出現(xiàn)總時(shí)間長度的比值得出。
(3)時(shí)域信息熵
設(shè)目標(biāo)信號在時(shí)域上可能的持續(xù)時(shí)間寬度為Δti(i=1,2,…Nt),Nt是持續(xù)時(shí)間寬度的個(gè)數(shù),設(shè)持續(xù)時(shí)間寬度Δti出現(xiàn)的概率為p(Δti),則目標(biāo)信號的時(shí)域信息熵為
(8)
p(Δti)可以通過計(jì)算信號持續(xù)時(shí)間寬度為Δti出現(xiàn)的次數(shù)占信號出現(xiàn)次數(shù)的比值得出。
(4)空域信息熵
設(shè)目標(biāo)信號可能出現(xiàn)的空間位置為si(i=1,2,…Ns),Ns是空間位置的個(gè)數(shù)。設(shè)在某一位置si,信號出現(xiàn)的概率為p(si),則目標(biāo)信號的空域信息熵為
(9)
p(si)可以通過計(jì)算信號以在si出現(xiàn)的時(shí)間長度占信號出現(xiàn)總時(shí)間長度的比值得出。
2.1.3 基于信息熵的不確定性復(fù)雜度
通信偵察一般需要同時(shí)對比所偵察到的信號的各個(gè)參數(shù),判斷該信號是否屬于目標(biāo)信號,因此,整個(gè)環(huán)境的不確定性復(fù)雜度可以用頻域、調(diào)制域、時(shí)域和空域不確定性復(fù)雜度的加權(quán)和表示。即:
CH=qHfCHf+qHdCHd+qHtCHt+qHsCHs
(10)
式中,qHf,qHd,qHt,qHs分別為頻域、調(diào)制域、時(shí)域和空域不確定性復(fù)雜度權(quán)值。
在不確定性復(fù)雜度計(jì)算過程中,各指標(biāo)的復(fù)雜度權(quán)值的確定是一項(xiàng)重要且復(fù)雜的工作,確定權(quán)值需要結(jié)合偵察裝備的技術(shù)特點(diǎn),例如,某偵察裝備主要是根據(jù)頻率信息識別目標(biāo)信號,則頻域的權(quán)值應(yīng)該較大。在實(shí)際操作過程中,可以綜合試驗(yàn)測試影響和專家經(jīng)驗(yàn)確定指標(biāo)權(quán)值。
設(shè)在戰(zhàn)場空間Ω中,存在電磁信號X=(x1,x2,…xn),n為電磁環(huán)境信號個(gè)數(shù),其中的信號xi與偵察目標(biāo)d在組成要素及其屬性或特征存在相似性。通過計(jì)算信號xi與偵察目標(biāo)d的相似度S(xi,d),可以體現(xiàn)環(huán)境相似復(fù)雜度。
設(shè)偵察目標(biāo)d具有k個(gè)特征指標(biāo),即d由向量d=(d1,d2,…,dk)表示,選取信號xi中與偵察目標(biāo)相同的k個(gè)特征指標(biāo),即xi由向量xi=(xi1,xi2,…,xik)表示。分別計(jì)算偵察目標(biāo)d每個(gè)特征值dj與信號xi相對應(yīng)的特征指標(biāo)xij之間的相似性φij,從而得到信號xi與偵察目標(biāo)d的相似性向量Φi=(φi1,φi2,…φik)。
當(dāng)偵察目標(biāo)的特征值dj取多個(gè)值時(shí),分別計(jì)算每種取值情況的下與環(huán)境性的相似性,再按照dj每種取值出現(xiàn)的概率為權(quán)重加權(quán)得到特征值dj與信號xi相對應(yīng)的特征指標(biāo)xij之間的相似性φij。
設(shè)信號每個(gè)特征值相似性φij對相似度權(quán)重因子為ωij,則信號xi與偵察目標(biāo)d的相似度可以描述為
(11)
根據(jù)相似度的定義,滿足0≤S(xi,d)≤1。
2.2.1 特征值的選擇
電磁環(huán)境相似度的計(jì)算是通過計(jì)算偵察目標(biāo)和電磁環(huán)境中信號的特征值的相似度來得到的。采用相似度計(jì)算環(huán)境相似復(fù)雜度的過程中,選擇特征值是計(jì)算過程的第一步。在特征值選擇的過程中,主要是參照偵察裝備的偵察體制確定。根據(jù)不同通信偵察裝備的工作方式,一般可以從頻率、調(diào)制樣式、數(shù)據(jù)速率、極化、信號帶寬,跳頻速率等選取特征參數(shù)。
2.2.2 特征值相似度計(jì)算
設(shè)dj(1≤j≤k)為目標(biāo)信號的第j個(gè)特征指標(biāo)值,將與特征值dj對應(yīng)的環(huán)境信號X中所有信號的特征值的集合為(x1j,x2j,…,xnj),將上述兩項(xiàng)聯(lián)合記為dx=(dj,x1j,x2j,…,xnj)。根據(jù)信號特征值的類型,計(jì)算方法可以分為定性和定量兩種。
1)定量指標(biāo)特征值計(jì)算方法
信號的特征值包含多種數(shù)據(jù),不同數(shù)據(jù)之間存在不同的度量,需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將其統(tǒng)一映射到相同的區(qū)間[0,1]內(nèi)。通常的做法是,需要對原始數(shù)據(jù)矩陣先作標(biāo)準(zhǔn)差變換:
(12)
其中
變換后每個(gè)變量的均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為1,消除了量綱的影響,但是,這樣得到的數(shù)據(jù)不一定在區(qū)間[0,1]上。
通過計(jì)算每個(gè)信號特征值與目標(biāo)特征值之間的距離,可以計(jì)算環(huán)境信號xi的特征值xij與目標(biāo)信號特征值dj的相似度為φij,
(14)
2)定性指標(biāo)特征值計(jì)算方法
當(dāng)特征值為定性指標(biāo)時(shí),環(huán)境信號xi的特征值xij與目標(biāo)信號特征值dj的相似度φij為
(15)
2.2.3 利用層次分析法確定權(quán)重
當(dāng)計(jì)算出相似值之后,可以采用層次分析法計(jì)算特征值的權(quán)重ωj。
將相似值作為評價(jià)因素,建立評價(jià)因素U:U={u1,u2,…uq},ui∈U,i=1,2,…,q。采用層次分析法可以確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)1~9數(shù)值標(biāo)度方法,建立判斷矩陣P
(16)
判斷矩陣需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI,以檢驗(yàn)專家的判斷是否一致,即:
(17)
為了判斷不同階矩陣是否具有滿意的一致性,用CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比來進(jìn)行判斷。RI值可查表得到。當(dāng)滿足條件
CR=CI/RI<0.10
(18)
時(shí),判斷矩陣具有滿意的一致性。
在滿足一致性檢驗(yàn)的前提下,根據(jù)判斷矩陣,計(jì)算出該判斷矩陣的最大特征根及特征向量,該特征向量為即為特征值的權(quán)重系數(shù)。
2.2.4 相似性復(fù)雜度
雖然通信偵察裝備所面對的所有信號都對引起偵察裝備的誤檢,只有相似度達(dá)到一定的程度這一效果才能顯著的提高,在計(jì)算環(huán)境相似復(fù)雜度過程中,需要根據(jù)偵察裝備的技術(shù)性能確定統(tǒng)計(jì)信號的個(gè)數(shù),一般不超過5個(gè)。因此,環(huán)境相似復(fù)雜度可以用所選信號相似性平均值表示。
(19)
式中,m為所選的統(tǒng)計(jì)相似復(fù)雜度信號的個(gè)數(shù);S′(xi,d)為所選擇信號與目標(biāo)信號d的相似度。
電磁環(huán)境占有復(fù)雜度的計(jì)算方法采用GJB 6520-2008提供的方法。
設(shè)在戰(zhàn)場空間,偵察接收機(jī)的接收范圍,偵察時(shí)間段內(nèi),電磁環(huán)境的信號功率譜密度譜為。在評估電磁環(huán)境占有復(fù)雜度過程中,將對偵察裝備工作產(chǎn)生影響的電磁環(huán)境信號功率密度譜的最小值成為電磁環(huán)境影響門限,記為,一般取高于偵察接收機(jī)的接收靈敏度10 dB。
電磁環(huán)境占有復(fù)雜度包括頻譜占有度,時(shí)間占有度和空間占有度。頻譜占有度是指在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi),電磁環(huán)境信號功率密度譜的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占有的頻帶與偵察接收機(jī)頻帶范圍的比值;時(shí)間占有度是指在一定空間和頻率范圍內(nèi),電磁環(huán)境功率密度譜的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占用的時(shí)間長度與偵察接收機(jī)工作時(shí)段的比值;空間占有度是指在一定時(shí)間和頻率范圍內(nèi),電磁環(huán)境功率密度譜的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與作戰(zhàn)空間范圍的比值,計(jì)算方法為
(20)
式中,F(xiàn)0為頻譜占有度;T0表示時(shí)間占有度;V0表示頻譜占有度;U為階躍函數(shù);S(r,t,f)為功率密度譜,單位W/m2·Hz;r為空間位置,單位m;VΩ為作戰(zhàn)空間體積,單位m3;S0為電磁環(huán)境門限,單位W/m2·Hz。
只有當(dāng)背景電磁信號在頻域、時(shí)域和空域同時(shí)與目標(biāo)信號重疊,才能造成偵察裝備對信號漏檢。因此,電磁環(huán)境占有復(fù)雜度可以表示為
(21)
在某通信偵察裝備能力試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩種電磁環(huán)境,電磁環(huán)境I均由1個(gè)目標(biāo)信號和2個(gè)背景信號組成,電磁環(huán)境II均由1個(gè)目標(biāo)信號和4個(gè)背景信號組成,詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置,見表2。
表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的電磁環(huán)境信號參數(shù)表
采用研究中提出的復(fù)雜度評估方法,分別計(jì)算這兩種電磁環(huán)境的復(fù)雜度。電磁環(huán)境I和電磁環(huán)境II的電磁環(huán)境復(fù)雜度指標(biāo)的計(jì)算值,見表3。
表3 電磁環(huán)境復(fù)雜度指標(biāo)計(jì)算值
為了簡化計(jì)算,設(shè)在計(jì)算電磁環(huán)境復(fù)雜度的過程中的頻域、調(diào)制域、時(shí)域和空域不確定性復(fù)雜度的權(quán)值相等,都為0.25;在計(jì)算相似復(fù)雜度選取相似度最大的兩個(gè)信號統(tǒng)計(jì)相似復(fù)雜度。通過計(jì)算得出:
電磁環(huán)境I的復(fù)雜度指標(biāo)為:①不確定性復(fù)雜度為0.230 8;②相似復(fù)雜度為0.526 9;③占有復(fù)雜度為0.464 2。
電磁環(huán)境II的復(fù)雜度指標(biāo)為:①不確定性復(fù)雜度為0.688 8;②相似復(fù)雜度為0.617 3;③占有復(fù)雜度為0.564 6。
電磁環(huán)境復(fù)雜度對比圖,如圖1所示。
圖1 電磁環(huán)境復(fù)雜度對比圖
從試驗(yàn)結(jié)果可以看到:
(1)環(huán)境II比環(huán)境I復(fù)雜,這說明對與通信偵察能力試驗(yàn)中,設(shè)置的目標(biāo)參數(shù)變化越大,環(huán)境信號數(shù)量越多,所構(gòu)造的環(huán)境就越復(fù)雜。這一結(jié)論與工程實(shí)踐中對電磁環(huán)境的認(rèn)識是一致的。
(2)同樣的背景信號,如環(huán)境I中的背景信號1和環(huán)境II中的背景信號1參數(shù)是一樣,但是它的相似復(fù)雜度是有差別的,原因在于相似復(fù)雜度是目標(biāo)偵察目標(biāo)有關(guān)的,偵察目標(biāo)變了,相似復(fù)雜度也將變化。同樣,同一電磁環(huán)境針對不同的偵察裝備,電磁環(huán)境復(fù)雜度是不同的,離開應(yīng)用背景計(jì)算電磁環(huán)境復(fù)雜是沒有意義的。
通過分析電磁環(huán)境對通信偵察裝備的影響,將電磁環(huán)境分為目標(biāo)信號和背景信號進(jìn)行研究,提出采用電磁環(huán)境不確定度、相似度和占有度三個(gè)指標(biāo)對通信偵察電磁環(huán)境復(fù)雜性進(jìn)行度量,并詳細(xì)介紹了不確定復(fù)雜度、相似復(fù)雜度和占有復(fù)雜度的計(jì)算方法。通過實(shí)例驗(yàn)證表明,所提出的方法針對性強(qiáng),便于電磁環(huán)境的計(jì)算,方法對電磁環(huán)境構(gòu)建和電磁環(huán)境復(fù)雜度評估具有一定的指導(dǎo)意義。
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