海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建研究

李 楠，王 標(biāo)，底明曦，邵榮營(yíng)

(1.解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001； 2.解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001;3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著電磁技術(shù)和用頻設(shè)備的廣泛應(yīng)用，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，電磁頻譜資源越來(lái)越重要，尤其是在信息化元素極為豐富的海戰(zhàn)場(chǎng)，復(fù)雜的電磁環(huán)境給對(duì)海作戰(zhàn)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代化對(duì)海作戰(zhàn)越來(lái)越依賴于各種各樣的信息化作戰(zhàn)裝備和系統(tǒng)，并且融合了雷達(dá)、電子戰(zhàn)、光電、通信、導(dǎo)航、敵我識(shí)別、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙測(cè)遙控等多終端情報(bào)數(shù)據(jù)，整合后上報(bào)作戰(zhàn)指揮中心進(jìn)行統(tǒng)籌管理、綜合運(yùn)用、直接控制與指揮等工作，因而需要基于多頻譜在海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下進(jìn)行陸、海、空、天多軍種協(xié)同作戰(zhàn)[1]。構(gòu)建的海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境可實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)裝備和系統(tǒng)從設(shè)計(jì)研制定性試驗(yàn)，到作戰(zhàn)試驗(yàn)內(nèi)外場(chǎng)鑒定，再到列裝真實(shí)外場(chǎng)作戰(zhàn)試驗(yàn)的各階段全面性、科學(xué)性、逼真性的有效試驗(yàn)，同時(shí)還可進(jìn)行海戰(zhàn)場(chǎng)電磁裝備頻譜規(guī)劃與應(yīng)用管理測(cè)試[2-3]。

本文首先介紹海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的主要特征，總結(jié)了海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法與系統(tǒng)組成，并闡述海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹了一種陣列式內(nèi)場(chǎng)電磁環(huán)境射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)和部分模擬仿真測(cè)試結(jié)果，以期為海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的相關(guān)研究部署以及部隊(duì)開展相關(guān)作戰(zhàn)裝備和系統(tǒng)的試驗(yàn)和戰(zhàn)術(shù)演練訓(xùn)練提供借鑒。

1 海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境特征分析

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境是一個(gè)多頻譜、大帶寬、高密度、多參數(shù)捷變的復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境，具有如下幾大主要特征[4-5]：

(1) 極寬的信號(hào)頻段。對(duì)海作戰(zhàn)的電磁信號(hào)幾乎覆蓋整個(gè)電磁頻譜，包括從高頻到微波、毫米波、紅外和激光等頻段，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境異常復(fù)雜。

(2) 復(fù)雜的信號(hào)形式。對(duì)海作戰(zhàn)裝備和系統(tǒng)采用了各種復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)和有源干擾信號(hào)等，包括常規(guī)脈沖、頻率編碼和相位編碼等復(fù)雜調(diào)制脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻參差、重頻抖動(dòng)、重頻滑變、重頻編碼、脈沖壓縮等雷達(dá)信號(hào)，還包括各類樣式的壓制干擾和欺騙干擾等有源干擾信號(hào)。

(3) 大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)海作戰(zhàn)裝備的輻射源功率和距離可以在非常大的范圍內(nèi)變化，電磁信號(hào)的幅度具有極大的變化范圍。從而對(duì)作戰(zhàn)裝備的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍提出了極高的要求，方能截獲如此復(fù)雜電磁環(huán)境下的低可觀測(cè)信號(hào)、微弱信號(hào)以及大功率輻射信號(hào)。

(4) 極高的電磁信號(hào)密度。對(duì)海作戰(zhàn)環(huán)境中，戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的電磁信號(hào)脈沖密度超過(guò)百萬(wàn)個(gè)脈沖/s量級(jí)，部分重點(diǎn)區(qū)域的電磁信號(hào)脈沖密度甚至將高達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)脈沖/s的量級(jí)。

為了能夠逼真地再現(xiàn)復(fù)雜、多變、密集的電磁環(huán)境，對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建提出了極高的要求。首先，海戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境構(gòu)建必須是靈活可變的，能夠快速反映海戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)環(huán)境的復(fù)雜多變；其次，必須能夠達(dá)到生成每秒高達(dá)百萬(wàn)個(gè)量級(jí)的脈沖信號(hào)能力，滿足海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境構(gòu)建的電磁信號(hào)脈沖密度；最后還必須能夠逼真、高效地再現(xiàn)海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的各類電磁信號(hào)特征和信號(hào)參數(shù)。當(dāng)前海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)[2-3]：

(1) 體系結(jié)構(gòu)更加開放

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境采用模塊化的構(gòu)建思路，開放型體系結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)若干應(yīng)用層次，根據(jù)被試裝備和系統(tǒng)的不同試驗(yàn)需求靈活配置，具有非常大的可擴(kuò)展性和靈活性。

(2) 系統(tǒng)級(jí)能力不斷提升

隨著一體化綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)成為對(duì)海作戰(zhàn)裝備的主流，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境構(gòu)建得到充分發(fā)展和不斷完善，滿足電子戰(zhàn)作戰(zhàn)裝備綜合一體化試驗(yàn)、鑒定和評(píng)估的迫切需求，可實(shí)現(xiàn)武器裝備系統(tǒng)從設(shè)計(jì)研制定性試驗(yàn)，到作戰(zhàn)試驗(yàn)內(nèi)外場(chǎng)鑒定，再到列裝外場(chǎng)作戰(zhàn)試驗(yàn)的各階段全面性、科學(xué)性、逼真性的有效試驗(yàn)，同時(shí)還可進(jìn)行電磁裝備頻譜規(guī)劃與應(yīng)用管理測(cè)試。

(3) 復(fù)雜電磁環(huán)境模擬能力不斷增強(qiáng)

現(xiàn)代海戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，尤其是相控陣、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)等新體制電子戰(zhàn)裝備的應(yīng)用，要求海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬構(gòu)建能力不斷增強(qiáng)，不僅表現(xiàn)在復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境的信號(hào)密度、頻段范圍，而且表現(xiàn)在電磁環(huán)境信號(hào)的種類、體制等多方面。

(4) 戰(zhàn)術(shù)演練和訓(xùn)練能力不斷提升

構(gòu)建海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境不但要適應(yīng)對(duì)海作戰(zhàn)武器裝備的試驗(yàn)、評(píng)估、鑒定，更需要適應(yīng)對(duì)海作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)演練和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，構(gòu)建接近實(shí)戰(zhàn)條件下的復(fù)雜電磁環(huán)境，對(duì)電子戰(zhàn)武器裝備的海戰(zhàn)場(chǎng)使用戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行研究，為實(shí)體戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用提供有力依據(jù)。

2 海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法

海戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法主要包括數(shù)字模擬仿真方式、內(nèi)場(chǎng)注入方式、內(nèi)場(chǎng)輻射方式和外場(chǎng)輻射方式[2-3]。

數(shù)字模擬仿真方式主要是通過(guò)建立試驗(yàn)中各種雷達(dá)裝備、導(dǎo)引頭、偵察裝備、干擾設(shè)備等被試電子戰(zhàn)裝備的的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)模擬和仿真技術(shù)、軟件和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成來(lái)產(chǎn)生實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)的數(shù)字信息，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算驗(yàn)證電子戰(zhàn)裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境和電子干擾環(huán)境下的適應(yīng)能力。

內(nèi)場(chǎng)注入式和內(nèi)場(chǎng)輻射式的電磁環(huán)境構(gòu)建方法均是半實(shí)物仿真系統(tǒng)，因其具有測(cè)試性能全面、保密性好、靈活性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。

內(nèi)場(chǎng)注入方式主要采用饋線以及必要的射頻控制器件，等效模擬天線的指向特性和信號(hào)的幅相特性，并通過(guò)饋線實(shí)現(xiàn)被試設(shè)備和試驗(yàn)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸，無(wú)需建設(shè)微波暗室。

采用內(nèi)場(chǎng)輻射方式時(shí)，模擬生成的射頻信號(hào)通過(guò)天線輻射到空間，經(jīng)由被測(cè)設(shè)備的接收天線接收后注入到被測(cè)設(shè)備的接收機(jī)，以進(jìn)行電子戰(zhàn)裝備的試驗(yàn)、鑒定和性能評(píng)估。典型的內(nèi)場(chǎng)輻射式電磁環(huán)境包括由微波暗室、目標(biāo)陣列與饋電控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)、電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)錄取回訪系統(tǒng)等構(gòu)建組成的陣列式射頻仿真系統(tǒng)[6-7]。

對(duì)海作戰(zhàn)武器系統(tǒng)和裝備在經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室數(shù)字模擬仿真分析以及內(nèi)場(chǎng)模擬仿真試驗(yàn)后，有必要進(jìn)行外場(chǎng)真實(shí)條件下的輻射式試驗(yàn)，以便充分檢驗(yàn)作戰(zhàn)裝備的性能。外場(chǎng)輻射式試驗(yàn)通常利用試驗(yàn)靶場(chǎng)的海、陸、空等環(huán)境，根據(jù)被試裝備的不同需求，構(gòu)建海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境，實(shí)現(xiàn)裝備的試驗(yàn)、鑒定、性能評(píng)估和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。具有與實(shí)際海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)相同的真實(shí)感、效果好等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建需要根據(jù)被試對(duì)海作戰(zhàn)裝備的試驗(yàn)需求，解決如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電磁信號(hào)環(huán)境、復(fù)雜海洋環(huán)境以及被試裝備的動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題，使其能夠更加真實(shí)地反映對(duì)海作戰(zhàn)的具體情況，確保所構(gòu)建的電磁環(huán)境的真實(shí)性和可靠性。從理論上講所構(gòu)建的電磁環(huán)境越接近對(duì)海作戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，被試裝備的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)就具備越高的可信度和真實(shí)性。

當(dāng)前，海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：頻段占用度、時(shí)間占用度、空間覆蓋率。

(1) 頻譜占用度。頻譜占用度F0是指在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，電磁信號(hào)功率密度譜的平均值超過(guò)指定電磁環(huán)境門限所占有的頻帶與作戰(zhàn)用頻范圍的比值。

(2) 時(shí)間占用度。時(shí)間占用度T0是指在一定的空間和頻率范圍內(nèi)，電磁環(huán)境信號(hào)的信號(hào)功率密度譜的平均值超過(guò)指定的電磁門限所占用的時(shí)間長(zhǎng)度與作戰(zhàn)時(shí)間段的比值。

(3) 空間覆蓋率?？臻g覆蓋率S0是指在一定的時(shí)間和頻率范圍內(nèi)，電磁環(huán)境的信號(hào)功率密度譜的平均值超過(guò)指定的電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與作戰(zhàn)空間范圍的比值。

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的復(fù)雜等級(jí)X可由上述頻段占用度、時(shí)間占用度和空間覆蓋率來(lái)確定，即：

(1)

3 海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)學(xué)模型

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境涉及各種體制的雷達(dá)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等作戰(zhàn)裝備產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)模擬、有源干擾信號(hào)模擬、通信信號(hào)模擬、背景輻射信號(hào)模擬等諸多體制的信號(hào)，本文從部分雷達(dá)信號(hào)、有源干擾信號(hào)等方面選擇部分典型信號(hào)的構(gòu)建模型加以闡述和探討。

3.1 雷達(dá)信號(hào)模擬模型

對(duì)海作戰(zhàn)裝備雷達(dá)系統(tǒng)種類繁多，從雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)形式上細(xì)分，典型的對(duì)海作戰(zhàn)裝備雷達(dá)系統(tǒng)包括連續(xù)波雷達(dá)、常規(guī)脈沖雷達(dá)、頻率捷變雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、頻率分集雷達(dá)、重頻周期調(diào)制雷達(dá)以及各種組合體制雷達(dá)等。

(1) 常規(guī)脈沖信號(hào)

常規(guī)脈沖信號(hào)是最簡(jiǎn)單卻最重要的雷達(dá)信號(hào)模式，其數(shù)學(xué)模型可表示為:

(2)

式中：rect(·)為矩形脈沖函數(shù);τ為信號(hào)的脈沖寬度;f0為雷達(dá)載頻。

(2) 線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)是一種應(yīng)用最為廣泛的脈壓信號(hào)，其頻率隨著時(shí)間線性變化。LFM信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(3)

式中：調(diào)頻斜率k=B/τ，B為信號(hào)帶寬。

(3) 頻率捷變信號(hào)

為了盡量提高雷達(dá)的抗干擾能力，目前很多雷達(dá)信號(hào)都采用了頻率捷變技術(shù)。捷變頻雷達(dá)有多種形式，通常包括脈內(nèi)捷變、脈間捷變、脈組捷變。這里以脈間捷變信號(hào)為例，一個(gè)捷變周期內(nèi)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可表示為：

s(t)=

(4)

式中：fn表示第n個(gè)脈沖的載頻，脈沖與脈沖之間的載頻是跳變的;φ(t)為脈內(nèi)調(diào)制;Tr(n-1)為前(n-1)個(gè)脈沖的重復(fù)周期之和，N為捷變點(diǎn)數(shù)。

3.2 干擾信號(hào)模擬模型

對(duì)海作戰(zhàn)裝備面臨的有源干擾類型主要分為壓制干擾、欺騙干擾和組合式干擾。壓制干擾的主要工作原理是采用噪聲或類似噪聲的干擾信號(hào)遮蓋或淹沒目標(biāo)回波信號(hào)，導(dǎo)致雷達(dá)無(wú)法檢測(cè)到目標(biāo)的信息。欺騙干擾的工作原理是采用假的目標(biāo)信息作用于雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤系統(tǒng)，使雷達(dá)不能正確檢測(cè)真實(shí)的目標(biāo)或不能正確測(cè)量真實(shí)目標(biāo)的各種參數(shù)信息，從而達(dá)到迷惑和擾亂雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤的目的。組合式干擾通常是壓制干擾和欺騙干擾的疊加，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種干擾的效果[8]。

(1) 壓制干擾

壓制干擾是利用大功率特點(diǎn)，大大降低雷達(dá)接收到目標(biāo)回波的信噪比，從而造成雷達(dá)無(wú)法檢測(cè)到目標(biāo)。壓制干擾的主要干擾信號(hào)是噪聲，能干擾任何形式的信號(hào)。根據(jù)干擾噪聲帶寬相對(duì)于被干擾雷達(dá)接收帶寬的比值關(guān)系，壓制干擾可細(xì)分為窄帶式、阻塞式、掃頻式三類形式。根據(jù)噪聲調(diào)制方式，壓制干擾可細(xì)分為噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾和噪聲調(diào)相干擾。

(2) 欺騙干擾

欺騙干擾就是通過(guò)模擬真實(shí)目標(biāo)信號(hào)并在時(shí)延、多普勒頻域等維度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制而制造出假目標(biāo)，從而對(duì)雷達(dá)造成迷惑，導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)真實(shí)目標(biāo)，這里介紹幾種常見的欺騙干擾的模型。

(a) 假目標(biāo)干擾

假目標(biāo)干擾就是產(chǎn)生多個(gè)與真實(shí)目標(biāo)距離、速度不同的假目標(biāo)信號(hào)。假目標(biāo)干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(5)

(b) 拖引干擾

拖引干擾包括距離拖引、速度拖引或兩種樣式的組合拖引，主要是產(chǎn)生區(qū)別于真實(shí)目標(biāo)的假的回波時(shí)延或多普勒頻率信號(hào)，使雷達(dá)獲得錯(cuò)誤的距離或速度信息。

4 海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的核心要求之一就是要模擬逼真的電磁環(huán)境，生成接近于真實(shí)的海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)場(chǎng)景，檢驗(yàn)對(duì)海作戰(zhàn)裝備的性能以及指標(biāo)效果，以評(píng)估裝備的作戰(zhàn)效果。為實(shí)現(xiàn)海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建，有必要對(duì)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

4.1 復(fù)雜電磁環(huán)境精細(xì)模擬技術(shù)

為了滿足海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的精細(xì)模擬功能，對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境構(gòu)建的時(shí)、頻、能、空域進(jìn)行全參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜對(duì)海作戰(zhàn)戰(zhàn)情下的環(huán)境構(gòu)建和模擬。

(1) 空域：在終端顯控單元態(tài)勢(shì)運(yùn)行軟件中進(jìn)行平臺(tái)參數(shù)設(shè)置，仿真實(shí)際海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境態(tài)勢(shì)下平臺(tái)以及被試裝備的位置和相對(duì)距離關(guān)系，根據(jù)一定仿真周期步長(zhǎng)計(jì)算距離參數(shù)，下發(fā)至模擬系統(tǒng)的信號(hào)源單元，在信號(hào)源單元中根據(jù)平臺(tái)與被試裝備的距離進(jìn)行距離等效修正計(jì)算，使得被試設(shè)備在距離和信號(hào)功率上與所構(gòu)建的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境相同。

(2) 時(shí)域：在終端顯控單元態(tài)勢(shì)運(yùn)行軟件中設(shè)置被試裝備的參數(shù)，包括各雷達(dá)開關(guān)機(jī)時(shí)間(模式切換時(shí)間)、重頻、脈寬以及分集、抖動(dòng)等時(shí)域調(diào)制參數(shù)，并將參數(shù)下發(fā)至信號(hào)源單元。在信號(hào)源單元中收到系統(tǒng)初始化命令及第1幀參數(shù)后，將到達(dá)時(shí)間(TOA)計(jì)數(shù)器清零，并完成第1幀時(shí)間參數(shù)的解算，在收到試驗(yàn)運(yùn)行命令開始時(shí)刻TOA開始計(jì)數(shù)，并按各時(shí)間數(shù)據(jù)產(chǎn)生信號(hào)。如果多部雷達(dá)有同時(shí)到達(dá)信號(hào)，則根據(jù)脈沖丟失準(zhǔn)則進(jìn)行脈沖丟失處理。

(3) 頻域：在終端顯控單元態(tài)勢(shì)運(yùn)行軟件中設(shè)置被試裝備的參數(shù)，包括各雷達(dá)中心頻率、線性或非線性調(diào)頻參數(shù)、頻率捷變參數(shù)、分集參數(shù)等，并將參數(shù)下發(fā)至信號(hào)源單元，在信號(hào)源單元中采用“高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陳列(FPGA)+寬帶直接數(shù)字合成器(DDS)”的成熟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)頻率參數(shù)查找表得到本振和變頻控制碼，控制各模塊進(jìn)行頻率生成，同時(shí)使用寬帶DDS產(chǎn)生中頻雷達(dá)信號(hào)，包括信號(hào)的頻率和頻率調(diào)制參數(shù)也可以精確模擬。

(4) 能域：在終端顯控單元態(tài)勢(shì)運(yùn)行軟件中設(shè)置被試裝備的距離下發(fā)至信號(hào)源單元；在信號(hào)源單元中根據(jù)雷達(dá)方程、等效縮比模型，計(jì)算發(fā)射雷達(dá)信號(hào)的功率，并查表產(chǎn)生控制程控衰減器的控制碼，進(jìn)行信號(hào)的幅度控制。

4.2 復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)波形產(chǎn)生技術(shù)

(1) 任意波形產(chǎn)生技術(shù)

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境構(gòu)建的重要工作之一是相關(guān)任意波形的基帶信號(hào)產(chǎn)生，目前主流采用基于寬帶DDS技術(shù)與大規(guī)模FPGA+高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)架構(gòu)設(shè)計(jì)任意波形發(fā)生器,構(gòu)造任意調(diào)制波形，工作頻段覆蓋0.05～40 GHz的寬頻帶，涵蓋當(dāng)前各種調(diào)制體制的信號(hào)樣式。在雷達(dá)信號(hào)參數(shù)的模擬方面，能夠模擬連續(xù)波、常規(guī)脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻抖動(dòng)、重頻參差、重頻滑變、脈沖多普勒、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等信號(hào)樣式，載頻、重頻、脈寬、調(diào)制等信號(hào)參數(shù)獨(dú)立控制，可模擬單一參數(shù)的變化也可以模擬多參數(shù)的復(fù)合變化。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境構(gòu)建中基帶信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)的核心是實(shí)現(xiàn)具有調(diào)頻、調(diào)相功能的寬帶DDS器件。在FPGA內(nèi)部通過(guò)DDS IP核構(gòu)建DDS的相位累加器、只讀存儲(chǔ)器(ROM)和數(shù)字控制接口，實(shí)現(xiàn)寬帶DDS器件。寬帶DDS不僅能直接合成信號(hào)頻率，而且可以直接合成任意信號(hào)的波形。

(2) 數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建必須具備模擬雷達(dá)目標(biāo)回波、欺騙干擾信號(hào)、壓制干擾信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)模擬等能力。隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建中越來(lái)越多地采用寬帶數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)(DRFM)，DRFM技術(shù)具有輸出信號(hào)有較高的相參性、射頻存儲(chǔ)精度高、信號(hào)存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、信號(hào)產(chǎn)生樣式豐富、處理時(shí)間快、控制方式靈活等優(yōu)勢(shì)，而廣泛應(yīng)用于電子對(duì)抗系統(tǒng)、射頻模擬仿真等復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建。DRFM技術(shù)通過(guò)將被試?yán)走_(dá)/導(dǎo)引頭發(fā)射信號(hào)直接采樣、存儲(chǔ)、回放從而生成目標(biāo)回波信號(hào)、雜波信號(hào)、干擾信號(hào)，由于產(chǎn)生的信號(hào)和被試?yán)走_(dá)/導(dǎo)引頭發(fā)射信號(hào)相參，因而能夠逼真地模擬目標(biāo)回波和干擾信號(hào)。

4.3 復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)大功率發(fā)射技術(shù)

海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建面臨的發(fā)射功率需求逐步提高，尤其是以大功率輻射為特征的外場(chǎng)輻射式試驗(yàn)，峰值輻射功率要求甚至高達(dá)兆瓦量級(jí)，這為電磁環(huán)境構(gòu)建過(guò)程中功率發(fā)射單元的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求和挑戰(zhàn)。海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建過(guò)程中功率發(fā)射單元主要包括行波管發(fā)射機(jī)、固態(tài)發(fā)射機(jī)、多波束發(fā)射機(jī)和固態(tài)陣面體制等發(fā)射機(jī)[9-10]。

行波管發(fā)射機(jī)采用主振放大鏈?zhǔn)桨l(fā)射機(jī)方案，行波管電源(HVPS)提供柵控行波管工作所需的各級(jí)電源，并對(duì)行波管的加電和斷電順序設(shè)置硬件連鎖，同時(shí)對(duì)行波管工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。場(chǎng)放電源和調(diào)制器為場(chǎng)放和數(shù)控衰減器提供工作電源，并對(duì)場(chǎng)放射頻工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制，以便與整機(jī)狀態(tài)同步。

固態(tài)發(fā)射機(jī)相比行波管發(fā)射機(jī)具有更寬的瞬時(shí)帶寬、更高的效率、更高的可靠性以及更大的靈活性。固態(tài)發(fā)射機(jī)主要由功放組件、功放電源、控制三大部分組成。

多波束功率發(fā)射機(jī)具有合成功率大，波束切換快等優(yōu)點(diǎn)，主要由前級(jí)微波組件、波束選擇開關(guān)矩陣、多元介質(zhì)透鏡、固態(tài)功放/行波管、大功率微波開關(guān)矩陣、電源等組成，其組成原理如圖1所示。

圖1 多波束發(fā)射機(jī)基本原理示意圖

微波功率晶體管制造水平的不斷提高和固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有力地促進(jìn)了固態(tài)有源相控陣發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)通過(guò)空間合成技術(shù)可形成兆瓦量級(jí)大功率干擾模擬信號(hào)，大功率微波空間功率合成技術(shù)能突破傳統(tǒng)器件功率的限制，對(duì)大量的微波進(jìn)行空間功率合成，極大地提高連續(xù)波干擾的輻射功率。

5 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

前文所述的海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法和關(guān)鍵技術(shù)已在諸多海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬仿真的工程實(shí)踐中得到充分應(yīng)用。圖2所示為陣列輻射式內(nèi)場(chǎng)電磁環(huán)境射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于能量重心原理并通過(guò)在射頻仿真微波暗室中構(gòu)設(shè)球面三元組來(lái)產(chǎn)生具有連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡的威脅輻射源、目標(biāo)回波、有源干擾等海戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)環(huán)境，逼真模擬對(duì)海作戰(zhàn)裝備所面臨的復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境，具備對(duì)作戰(zhàn)裝備的整機(jī)性能檢驗(yàn)、測(cè)試和評(píng)估能力。其中，幾種典型的雷達(dá)信號(hào)模擬和有源干擾信號(hào)模擬的測(cè)試結(jié)果如圖3～圖5所示，驗(yàn)證了該試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。

圖2 陣列輻射式內(nèi)場(chǎng)電磁環(huán)境射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 32部和64部雷達(dá)威脅輻射源模擬

圖4 單部雷達(dá)信號(hào)模擬

圖5 壓制干擾和欺騙干擾模擬

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建內(nèi)、外場(chǎng)結(jié)合的海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境，逼真模擬對(duì)海作戰(zhàn)裝備面臨的敵我雙方釋放的高密度、高強(qiáng)度、多頻譜、多體制、動(dòng)態(tài)變化的電磁波信號(hào)，以及海戰(zhàn)場(chǎng)密集背景信號(hào)環(huán)境所組成的復(fù)雜電磁環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)裝備實(shí)戰(zhàn)性能和實(shí)戰(zhàn)效能的測(cè)試、試驗(yàn)、定型、評(píng)估、鑒定、訓(xùn)練，具有重要的軍事效益。基于此背景本文首先介紹了海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的主要特征，總結(jié)了目前海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境構(gòu)建方法和系統(tǒng)組成，介紹了海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境幾種典型雷達(dá)信號(hào)和干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，并闡述了海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹了一種陣列輻射式內(nèi)場(chǎng)電磁環(huán)境射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)和模擬仿真測(cè)試結(jié)果，對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建相關(guān)研究、作戰(zhàn)裝備試驗(yàn)和部隊(duì)訓(xùn)練等具有較高的參考價(jià)值。