面向?qū)ο蟮膹?fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估方法

余松，王凡

（中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266000）

隨著電子裝備向體系化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的趨勢(shì)發(fā)展，電磁環(huán)境復(fù)雜程度呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)電子信息裝備的影響愈發(fā)突出。然而，電磁環(huán)境的復(fù)雜程度也是相對(duì)的。電磁環(huán)境只是裝備的外部因素，而電磁環(huán)境適應(yīng)性則是裝備本身的固有特性，并且與裝備的應(yīng)用場(chǎng)合、戰(zhàn)術(shù)背景、裝備技術(shù)都有密切的聯(lián)系。所以，在重視電磁環(huán)境研究的同時(shí)，更應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境影響效應(yīng)、裝備適應(yīng)性方面的研究[1-2]。

1 基于相關(guān)性的適應(yīng)性評(píng)估方法

由于對(duì)象（電子裝備）的特性不同，其對(duì)電磁環(huán)境的感知有非常大的差別，因此，在進(jìn)行電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算電磁環(huán)境所處空間范圍的頻率范圍、時(shí)間范圍、調(diào)制方式、極化方式和電子裝備的工作頻段、工作時(shí)間、調(diào)制方式、極化方式的頻率相關(guān)度、時(shí)間相關(guān)度、調(diào)制相關(guān)度、極化相關(guān)度以及能量相關(guān)度，從頻、時(shí)、調(diào)制、極化、能量5個(gè)角度進(jìn)行裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)估。

1.1 評(píng)估流程

在具體工作中，評(píng)估流程是：①分析評(píng)估需求，針對(duì)用戶(hù)關(guān)注的影響因素確定評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)，建立適應(yīng)性評(píng)估模型和指標(biāo)體系；②根據(jù)評(píng)估對(duì)象的特點(diǎn)，采集電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)特征數(shù)據(jù)和典型裝備敏感特征參數(shù)；③計(jì)算裝備和電磁環(huán)境的頻率相關(guān)度、時(shí)間相關(guān)度、調(diào)制相關(guān)度、極化相關(guān)度、能量相關(guān)度；④計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，綜合各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算基于相關(guān)性的裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性。評(píng)估流程如圖1所示。

1.2 相關(guān)性計(jì)算

1.2.1 時(shí)間相關(guān)度

電磁環(huán)境信號(hào)的功率譜密度的統(tǒng)計(jì)平均值超過(guò)電子裝備能感知電磁環(huán)境的功率譜密度門(mén)限的時(shí)間長(zhǎng)度與電子裝備作戰(zhàn)時(shí)間段的比值被稱(chēng)為電磁環(huán)境時(shí)間相關(guān)度。針對(duì)具體裝備，比如雷達(dá)接收機(jī)通斷比越大，能夠接收電磁環(huán)境信號(hào)的時(shí)間越長(zhǎng)，電磁環(huán)境時(shí)間相關(guān)度越高。具體計(jì)算公式是：

式（1）中：sT為電子裝備能感知的電磁環(huán)境的功率譜時(shí)間密度門(mén)限；U[·]為階躍函數(shù)。

1.2.2 頻率相關(guān)度

電磁環(huán)境信號(hào)的功率譜密度的統(tǒng)計(jì)平均值超過(guò)電子裝備能感知電磁環(huán)境的功率譜密度門(mén)限的頻帶與電子裝備用頻寬度的比值。對(duì)于具體裝備而言，比如雷達(dá)接收帶寬越大，就能夠接收頻帶越寬的電磁環(huán)境信號(hào)，電磁環(huán)境頻率相關(guān)度越高。具體計(jì)算公式是：

式（2）中：sF為電子裝備能感知的電磁環(huán)境的功率譜頻率密度門(mén)限；U[·]為階躍函數(shù)。

1.2.3 調(diào)制相關(guān)度

考慮到電子裝備的調(diào)制方式及其所處電磁環(huán)境中信號(hào)的調(diào)制方式的相關(guān)程度，研究電磁環(huán)境不同調(diào)制樣式的干擾信號(hào)對(duì)電子裝備有用信號(hào)調(diào)制域的影響。計(jì)算在電子裝備的工作時(shí)間、頻段、空間范圍內(nèi)所量測(cè)到的信號(hào)的調(diào)制方式和電子裝備的調(diào)制方式的相關(guān)度，具體計(jì)算公式如下：

式（3）中：m為電子信息系統(tǒng)k感知的環(huán)境中存在的其他信號(hào)數(shù)量；Mks為電子信息系統(tǒng)k的調(diào)制方式和環(huán)境中信號(hào)s的調(diào)制相關(guān)度；Cs為第s個(gè)信號(hào)的調(diào)制相關(guān)度的權(quán)重。

Mks定義為在設(shè)備工作時(shí)間[t2，t]內(nèi)，電磁環(huán)境歸一化功率譜與通信信號(hào)歸一化功率譜的相關(guān)系數(shù)，其表達(dá)式為：

式（4）中：S′（t，f）為電磁環(huán)境歸一化功率譜密度；SC′（t，f）為通信信號(hào)歸一化功率譜密度；C[S′（f），SC′（f）]為 t時(shí)刻 S′（t，f）和 SC′（t，f）的相關(guān)系數(shù)。

t時(shí)刻 S′（t，f）和 SC′（t，f）的相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為：

式（5）中：S′（f）和SC′（f）分別為t時(shí)刻電磁環(huán)境和通信信號(hào)歸一化功率譜。

1.2.4 能量相關(guān)度（功率壓制率）

電子裝備能感知的電磁環(huán)境功率譜密度與電磁環(huán)境信號(hào)功率譜密度平均值的比值為：

式（6）中：s0為電子裝備能感知的電磁環(huán)境信號(hào)的功率譜密度門(mén)限。

圖1 基于相關(guān)性的適應(yīng)性評(píng)估流程

1.2.5 極化相關(guān)度

考慮電子裝備的極化方式及其所處電磁環(huán)境中信號(hào)的極化方式的相關(guān)程度，研究電磁環(huán)境干擾信號(hào)不同極化方式對(duì)電子裝備有用信號(hào)極化域的影響，具體表達(dá)式為：

式（8）中：L為可識(shí)別的電磁信號(hào)極化方式個(gè)數(shù)；ρC為通信天線(xiàn)的極化橢圓的軸比（長(zhǎng)軸和短軸的比值）；ρl為第l個(gè)可識(shí)別的電磁環(huán)境信號(hào)極化橢圓的軸比；θ為通信信號(hào)與電磁環(huán)境信號(hào)極化橢圓長(zhǎng)軸之間的夾角；“+”和“-”分別對(duì)應(yīng)天線(xiàn)與信號(hào)來(lái)波極化旋轉(zhuǎn)方向相同和相反。

2 基于作戰(zhàn)效能的適應(yīng)性評(píng)估方法

基于電子裝備的作戰(zhàn)效能變化率進(jìn)行電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估時(shí)，以雷達(dá)/雷達(dá)對(duì)抗裝備為研究重點(diǎn)。在實(shí)際作戰(zhàn)和試驗(yàn)演練中，由于裝備所處作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)對(duì)象和作戰(zhàn)任務(wù)上都不相同，導(dǎo)致其所處的電磁環(huán)境也不同，所以，其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮也不同。評(píng)估電子裝備在不同電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能可直接反應(yīng)其對(duì)所處電磁環(huán)境的適應(yīng)性。

在實(shí)際工作中，具體評(píng)估流程是：①分析評(píng)估需求，針對(duì)用戶(hù)關(guān)注的影響因素確定評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)，建立適應(yīng)性評(píng)估模型和指標(biāo)體系；②根據(jù)評(píng)估對(duì)象的特點(diǎn)，采集電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)特征數(shù)據(jù)和典型裝備敏感特征參數(shù)；③判斷裝備類(lèi)型（以雷達(dá)裝備、雷達(dá)偵察裝備、雷達(dá)干擾裝備為例），利用電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)雷達(dá)等電子裝備的干擾分析技術(shù)，計(jì)算雷達(dá)裝備/雷達(dá)偵察裝備/雷達(dá)干擾裝備效能指標(biāo)；④計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，綜合各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算基于作戰(zhàn)效能的裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性。評(píng)估流程如圖2所示。

圖2 基于作戰(zhàn)效能的適應(yīng)性評(píng)估流程

3 綜合評(píng)估方法

深度分析電磁環(huán)境數(shù)據(jù)組成中影響作戰(zhàn)和武器裝備效應(yīng)的關(guān)鍵因素，基于“大數(shù)據(jù)”[3]理念建立電磁環(huán)境特征與裝備效應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將由大數(shù)據(jù)理念分析出來(lái)的影響裝備效應(yīng)的敏感因子代入適應(yīng)性評(píng)估方法中，綜合基于相關(guān)性的裝備和電磁環(huán)境在時(shí)域/頻域/調(diào)制域/極化域/能量域的相關(guān)度計(jì)算結(jié)果、電子裝備受電磁環(huán)境影響作戰(zhàn)效能變化率計(jì)算結(jié)果，利用層次分析法（AHP）[4]結(jié)合最優(yōu)指標(biāo)法的綜合評(píng)估方法，給出電子裝備適應(yīng)性評(píng)估結(jié)果。綜合評(píng)估方法如下。

3.1 確定原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)矩陣

該矩陣內(nèi)容為各評(píng)估對(duì)象的評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)（可由試驗(yàn)或仿真計(jì)算獲?。O(shè)有m個(gè)評(píng)估對(duì)象，每個(gè)評(píng)估對(duì)象有n個(gè)評(píng)估指標(biāo)，則原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)以矩陣表示，即：

3.2 確定最優(yōu)指標(biāo)

確定最優(yōu)指標(biāo)，構(gòu)成最優(yōu)值向量 y，即 y＝（x1，x2，x3，…，xn）.其中，元素xj的確定有2種可能：①如果該元素為高優(yōu)指標(biāo)，則 xj＝max｛xj1，xj2，…，xjm｝（j＝1，2，…，n）；②如果該元素為低優(yōu)指標(biāo)，則xj＝min｛xj1，xj2，…，xjm｝（j＝1，2，…，n）.

3.3 數(shù)據(jù)歸一化處理

歸一化后的數(shù)據(jù)矩陣記為：

式（10）中，元素zij由歸一化處理所得，對(duì)于高優(yōu)指標(biāo)，；對(duì)于低優(yōu)指標(biāo)，.其中，xj為最優(yōu)指標(biāo)值，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m.

3.4 確定權(quán)重系數(shù)

用AHP法確定權(quán)重有3種方法，即冪法、和積法和方根法。

3.5 計(jì)算評(píng)價(jià)值Mj

計(jì)算評(píng)價(jià)值Mj，進(jìn)行排序評(píng)價(jià)，即：

式（11）中：wi為各項(xiàng)指標(biāo)的組合權(quán)重，Mj值越大，表明第j個(gè)評(píng)估對(duì)象電磁環(huán)境適應(yīng)性越好。因此，可按照Mj值的大小進(jìn)行分級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

圍繞復(fù)雜電磁環(huán)境下裝備適應(yīng)性分析評(píng)估等應(yīng)用需求，提出基于相關(guān)性的適應(yīng)性評(píng)估方法、基于作戰(zhàn)效能的適應(yīng)性評(píng)估方法和綜合評(píng)估方法，在武器裝備論證、研制、試驗(yàn)、訓(xùn)練、應(yīng)用等全生命周期均有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］肖凱寧，賈立印，雷斌，等.武器裝備電磁環(huán)境適應(yīng)性分析方法研究［J］.通信對(duì)抗，2010，110（2）：48-52.

［2］戴幻堯，李林，崔建嶺，等.防空武器系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)的特征分析及仿真［J］.中國(guó)電子科學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，8（1）：60-65.

［3］維克托·邁爾-舍恩伯格.大數(shù)據(jù)時(shí)代：生活、工作與思維的大變革［M］.杭州：浙江人民出版社，2013.

［4］張炳江.層次分析法及其應(yīng)用案例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.