基于UE4的電子試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)設(shè)備電磁干擾分析

郭海亮，陳金勇，張 維，郭國(guó)君，杜 明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著科技裝備和信息化的迅猛發(fā)展,復(fù)雜電磁環(huán)境已成為信息化的重要特征之一。在應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的電子裝備適應(yīng)性試驗(yàn)和基地化訓(xùn)練時(shí),構(gòu)建和應(yīng)用電磁環(huán)境的水平成為評(píng)估訓(xùn)練成效的關(guān)鍵要素。為此,基于信息化時(shí)代的電子試驗(yàn)場(chǎng)已初步具備構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。然而,隨著技術(shù)的不斷提升,仍需進(jìn)一步提高復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法、條件等方面的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化水平。這將有助于更準(zhǔn)確地模擬戰(zhàn)場(chǎng)上的復(fù)雜電磁環(huán)境,進(jìn)一步提高訓(xùn)練的實(shí)用性和效果評(píng)估的可靠性。

針對(duì)電磁環(huán)境和設(shè)備建模的研究有很多。文獻(xiàn)[1-2]以電磁干擾預(yù)測(cè)方程為基礎(chǔ),構(gòu)建電磁兼容系統(tǒng)發(fā)射機(jī)模型和接收機(jī)模型。文獻(xiàn)[3]定義了電磁干擾余量 (Interference Margin,IM),進(jìn)行系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測(cè)分析。文獻(xiàn)[4-5]研究了電磁兼容中的電磁干擾發(fā)射機(jī)原理,建立基于發(fā)射機(jī)模型的基波、諧波、非諧波和互調(diào)模型。文獻(xiàn)[6]將接收機(jī)模型分為敏感度模型、頻率選擇性模型、亂真響應(yīng)模型、互調(diào)模型和減敏模型,建立了接收機(jī)模型,定義了接收機(jī)的敏感度門(mén)限。文獻(xiàn)[7]針對(duì)接收機(jī)內(nèi)的非線性問(wèn)題,以及多個(gè)干擾信號(hào)在接收機(jī)前端發(fā)生混頻或其諧波分量發(fā)生混頻的問(wèn)題,建立了接收機(jī)互調(diào)模型。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了對(duì)電波傳播路徑的損耗模型。文獻(xiàn)[9]根據(jù)不同地質(zhì)建立了地波傳播模型。

針對(duì)電磁干擾分析的研究也有很多。文獻(xiàn)[10]基于傳統(tǒng)分級(jí)篩選法提出了一種新穎的車載通信系統(tǒng)電磁干擾預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[11]只考慮干擾發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的功率幅度,并采用自由空間傳輸模型,剔除未對(duì)接收機(jī)造成干擾的發(fā)射機(jī)。文獻(xiàn)[12]根據(jù)GJB 8848—2016對(duì)關(guān)鍵通信設(shè)備的要求,將車載接收機(jī)的干擾余量限值定為-6 dB。文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)色散的原因在于高頻部分,從而提出了SF-FDTD算法,將高頻成分濾除來(lái)突破Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)穩(wěn)定條件。文獻(xiàn)[14]利用Keller繞射分解固定形狀的繞射錐束,提高了追蹤效率。文獻(xiàn)[15-17]針對(duì)現(xiàn)實(shí)高鐵環(huán)境進(jìn)行了傳播測(cè)量和建模,彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗S機(jī)模型的局限性。文獻(xiàn)[18]基于LabVIEW軟件對(duì)發(fā)射機(jī)對(duì)中可能存在的干擾問(wèn)題進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。

電子裝備適應(yīng)性試驗(yàn)與基地化訓(xùn)練在復(fù)雜電磁環(huán)境中進(jìn)行,電磁環(huán)境的構(gòu)設(shè)與應(yīng)用水平對(duì)于評(píng)估訓(xùn)練效果至關(guān)重要。電子試驗(yàn)場(chǎng)已初步具備構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境的能力,然而,當(dāng)前技術(shù)的不斷提升帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的靜態(tài)仿真模型構(gòu)建技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備的仿真、模擬等工作,且相應(yīng)的干擾分析技術(shù)并不完善,無(wú)法有效綜合利用各參試設(shè)備模型、場(chǎng)地環(huán)境模型、設(shè)備具體布設(shè)位置和設(shè)備架設(shè)高度等信息實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的干擾分析,因此如何對(duì)設(shè)備、電磁環(huán)境和地理環(huán)境等靜態(tài)模型進(jìn)行細(xì)致建模并以此模型結(jié)合真實(shí)環(huán)境下設(shè)備及環(huán)境相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)干擾分析仿真,是研究的重中之重。

針對(duì)以上問(wèn)題,提出了一種大型綜合電子試驗(yàn)場(chǎng)電磁環(huán)境建模與電磁干擾分析技術(shù),主要貢獻(xiàn)如下:

①綜合考慮所采取的干擾分析方法,所建立的設(shè)備和環(huán)境模型能全面反映干擾分析所需參數(shù)。各參試設(shè)備模型需綜合考慮近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。針對(duì)設(shè)備模型近場(chǎng)區(qū)域,采用時(shí)域有限差分算法計(jì)算用頻設(shè)備近場(chǎng)區(qū)域場(chǎng)分布,分析發(fā)射設(shè)備對(duì)近場(chǎng)范圍內(nèi)接收設(shè)備的影響。針對(duì)設(shè)備模型遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,綜合考慮設(shè)備頻譜特性,根據(jù)干擾計(jì)算需求,建立基于設(shè)備的典型性能指標(biāo)模型。同時(shí)根據(jù)三維地理模型建立相應(yīng)環(huán)境模型,準(zhǔn)確描述電磁波在該環(huán)境的反射、透射和散射等情況,所建模型及各模型參數(shù)基于Unreal Engine 4 (UE4)平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。

②場(chǎng)區(qū)相互作用及干擾分析可最大程度反映場(chǎng)區(qū)內(nèi)各試驗(yàn)?zāi)芊窦嫒葸\(yùn)行,并提供空間、時(shí)間、頻率建議調(diào)整方案。因此建立電磁干擾分析模型,基于各種用頻規(guī)定、周邊電磁環(huán)境數(shù)據(jù)以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息,結(jié)合各參試設(shè)備模型、場(chǎng)地環(huán)境模型、設(shè)備具體布設(shè)位置和設(shè)備架設(shè)高度等信息,運(yùn)用各種干擾仿真分析方法,并提出一種基于設(shè)備空間位置的時(shí)域有限差分(Finite Difference Time-Domain,FDTD)網(wǎng)格劃分方法,進(jìn)行場(chǎng)區(qū)內(nèi)設(shè)備的相互作用和干擾分析。同時(shí)需分析單項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)備通信可視性、通信覆蓋范圍等。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型主要分為設(shè)備模型和環(huán)境模型,其中設(shè)備模型分為發(fā)射機(jī)模型和接收機(jī)模型,并在UE4平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。UE4是美國(guó)Epic游戲公司研發(fā)的一款3A級(jí)次時(shí)代游戲引擎[19]。由于其強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)能力和開(kāi)源策略,UE4除了在游戲行業(yè)被使用外,還被廣泛應(yīng)用到視頻制作行業(yè)、影視行業(yè)、直播娛樂(lè)行業(yè)、軍事訓(xùn)練、汽車設(shè)計(jì)和建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)行業(yè)等。

1.1 設(shè)備模型

發(fā)射機(jī)模型:主要研究不同試驗(yàn)設(shè)備間的相互干擾,因此將干擾設(shè)備與發(fā)射設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)在工作過(guò)程中,產(chǎn)生正常工作信號(hào)的同時(shí),還會(huì)在某些頻率上產(chǎn)生輻射信號(hào),比如諧波輻射和亂真輻射。這些輻射信號(hào)落在接收機(jī)帶寬范圍內(nèi)會(huì)對(duì)接收機(jī)造成諧波干擾或亂真干擾。因此,在建立發(fā)射機(jī)模型的過(guò)程中,需要考慮發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、頻率、增益和帶寬等參數(shù)。對(duì)此,建立了發(fā)射機(jī)基波輻射模型和發(fā)射機(jī)諧波輻射模型。圖1為基于UE4的發(fā)射機(jī)模型。

圖1 發(fā)射機(jī)模型Fig.1 Transmitter model

①發(fā)射機(jī)基波輻射模型

(1)

(2)

②發(fā)射機(jī)諧波輻射模型

發(fā)射機(jī)諧波輻射主要是由發(fā)射機(jī)內(nèi)部器件的非線性導(dǎo)致的,諧波輻射分量的頻率是基波頻率的整數(shù)倍,且隨著倍數(shù)的增加,功率逐漸減小。諧波功率變化也服從正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)偏差與諧波次數(shù)無(wú)關(guān),其諧波輻射幅度模型為:

(3)

表1 發(fā)射機(jī)諧波輻射模型參數(shù)Tab.1 Parameters of transmitter harmonic radiation model

接收機(jī)模型:實(shí)際情況下接收機(jī)除了接收目標(biāo)信號(hào)外,還會(huì)接收到某些帶外干擾信號(hào)。對(duì)此,考慮接收機(jī)模型為敏感度模型、亂真響應(yīng)模型。圖2為基于UE4的接收機(jī)模型。

圖2 接收機(jī)模型Fig.2 Receiver model

①接收機(jī)敏感度模型

接收機(jī)靈敏度通常由接收機(jī)的噪聲電平來(lái)表示。接收機(jī)靈敏度和噪聲系數(shù)、工作帶寬和溫度等因素有關(guān),計(jì)算如下:

S=kTFBR,

(4)

式中:S為接收機(jī)基波靈敏度,單位dBm;k為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度,單位K;BR為接收機(jī)工作帶寬,單位Hz;F為接收機(jī)噪聲系數(shù),單位dB。

②接收機(jī)亂真響應(yīng)模型

接收機(jī)亂真響應(yīng)是指接收機(jī)帶外干擾信號(hào)與接收機(jī)本振信號(hào)發(fā)生混頻產(chǎn)生的干擾,從而使接收機(jī)產(chǎn)生亂真響應(yīng)。

接收機(jī)的亂真響應(yīng)模型與發(fā)射機(jī)諧波輻射模型類似,平均亂真響應(yīng)敏感度門(mén)限模型可表示為:

S(fp)=S(f)+I×lgp+J,

(5)

式中:S(fp)為接收機(jī)對(duì)諧波的靈敏度,單位dBm;S(f)為接收機(jī)對(duì)基波信號(hào)的靈敏度,p為諧波次數(shù),I、J為接收機(jī)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通用參數(shù)如表2所示。

表2 接收機(jī)亂真響應(yīng)模型參數(shù)Tab.2 Parameters of receiver spurious response model

1.2 環(huán)境模型

環(huán)境模型是根據(jù)三維地理模型建立的,環(huán)境中物體的材質(zhì)會(huì)影響到其介電常數(shù)和復(fù)電導(dǎo)率等信息,進(jìn)而影響到電磁波的反射、繞射和散射系數(shù)?？傮w仿真場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 總體仿真場(chǎng)景Fig.3 Overall simulation scenario

電磁計(jì)算流程如圖4所示。環(huán)境模型根據(jù)電磁波波長(zhǎng)劃分為近場(chǎng)區(qū)域和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,針對(duì)設(shè)備模型近場(chǎng)區(qū)域,綜合考慮邊界條件,采用計(jì)算電磁學(xué)算法,如FDTD法等,計(jì)算該用頻設(shè)備近場(chǎng)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)分布,分析發(fā)射設(shè)備對(duì)近場(chǎng)范圍內(nèi)接收設(shè)備的影響。針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域,綜合考慮用頻設(shè)備的頻譜特性,根據(jù)干擾計(jì)算需求,建立基于設(shè)備的典型性能指標(biāo)的模型,通過(guò)對(duì)信號(hào)傳播的路徑損耗、多徑時(shí)延和空間分布等進(jìn)行計(jì)算,得到接收端信號(hào)關(guān)鍵參數(shù)的變化,進(jìn)而可以用于設(shè)備之間的干擾分析。

圖4 電磁計(jì)算流程Fig.4 Electromagnetic calculation process

電磁輻射區(qū)的劃分計(jì)算如下:

(6)

式中:λ為波長(zhǎng),D為天線最大尺寸,單位m;R為輻射區(qū)劃分界限,單位m。當(dāng)輻射距離大于R時(shí),劃分為遠(yuǎn)場(chǎng),反之劃分為近場(chǎng)。

在實(shí)際電磁波傳輸環(huán)境中,由于通信設(shè)備之間有一定的距離,當(dāng)設(shè)備收發(fā)天線處于對(duì)方遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)時(shí),必須考慮空間的傳輸損耗。因而需要對(duì)常見(jiàn)環(huán)境下的電波傳播損耗進(jìn)行建模分析。

①自由空間傳播

工程上常用的自由空間傳播損耗公式如下:

Lbf=32.4+20 lgf+20 lgd,

(7)

式中:f為信號(hào)頻率,單位MHz;d為收發(fā)天線的距離,單位km。

②擴(kuò)展Hata模型

實(shí)際測(cè)試環(huán)境為郊區(qū)環(huán)境,相對(duì)空曠, Okumura-Hata模型較為適用,符合場(chǎng)景預(yù)期。在此基礎(chǔ)上,選擇采用擴(kuò)展Hata模型,其基本傳播損耗公式為:

(8)

式中:

F(h1,d)=(44.9-6.55 lgh1)lgd,

(9)

h1為發(fā)射機(jī)天線有效高度,h2為接收機(jī)天線有效高度,α(h2)為接收天線高度修正因子。

(10)

在郊區(qū)或鄉(xiāng)村環(huán)境下,損耗模型變化如下:

2 干擾分析方法

2.1 電磁干擾原理分析

在通信系統(tǒng)電磁干擾預(yù)測(cè)中,將電磁干擾源和敏感設(shè)備分別統(tǒng)稱為發(fā)射機(jī)和接收機(jī),將干擾源耦合到敏感設(shè)備上的干擾功率大小統(tǒng)稱為干擾量。通過(guò)比較發(fā)射機(jī)作用于接收機(jī)的有效干擾功率和接收機(jī)的敏感度門(mén)限,可以確定系統(tǒng)是否存在潛在的電磁干擾環(huán)境。接收機(jī)的受擾程度可以用干擾余量來(lái)描述:

IM(f,t)=PE-S(f),

(12)

式中:IM(f,t)為接收機(jī)的干擾余量,單位dB;PE為發(fā)射機(jī)耦合到接收機(jī)天線端口的有效干擾功率,單位dBm;S(f)為接收機(jī)的靈敏度,單位dBm。

接收機(jī)天線端口的有效干擾功率計(jì)算如下:

PE=P(f)+Gtx(θtx,φtx)-L(f,d)+Grx(θrx,φrx),

(13)

式中:PE為接收機(jī)前端的干擾功率,單位dBm;P(f)為發(fā)射機(jī)基波和雜散發(fā)射功率,單位dBm;Gtx(θtx,φtx)為發(fā)射天線在接收方向的增益,單位dB;Grx(θrx,φrx)為接收天線在發(fā)射方向的增益,單位dB;L(f,d)為傳播損耗,單位dB。

當(dāng)接收機(jī)接收到多個(gè)干擾源的干擾信號(hào)時(shí),接收機(jī)干擾余量的計(jì)算如下:

(14)

式中:Pi為第i臺(tái)干擾發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)造成的有效干擾功率。

在電磁干擾分析系統(tǒng)中,當(dāng)IM>0時(shí),表示系統(tǒng)受到干擾;IM=0表示系統(tǒng)處于臨界干擾,無(wú)法確定是否存在電磁干擾環(huán)境;IM<0表示系統(tǒng)處于兼容狀態(tài),不存在電磁干擾環(huán)境。

2.2 干擾分析流程

電磁干擾分析中,根據(jù)空間、時(shí)間和工作頻率等因素對(duì)所有發(fā)射機(jī)進(jìn)行篩選,以確定潛在的干擾源。首先從時(shí)間和空間上對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行篩選,如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作時(shí)間同步或空間布局擁擠,說(shuō)明可能存在EMI環(huán)境,把這部分可能對(duì)接收機(jī)造成干擾的發(fā)射機(jī)保留下來(lái),建立干擾發(fā)射-響應(yīng)對(duì)。

在幅度篩選這一階段,只考慮干擾發(fā)射機(jī)和敏感接收機(jī)的功率幅度電平,并采用路徑傳播模型,對(duì)干擾發(fā)射-響應(yīng)組合做進(jìn)一步分析,排除不會(huì)造成干擾的發(fā)射機(jī)。干擾余量計(jì)算方法如下:

基波干擾余量(FIM):

(15)

發(fā)射機(jī)干擾余量(TIM):

(16)

接收機(jī)干擾余量(RIM):

(17)

亂真干擾余量(SIM):

(18)

首先計(jì)算FIM,當(dāng)FIM小于干擾余量限值,表明沒(méi)有受到干擾;當(dāng)FIM超過(guò)設(shè)定閾值,繼續(xù)計(jì)算TIM和RIM;當(dāng)TIM或RIM超過(guò)閾值,繼續(xù)計(jì)算SIM,否則跳過(guò)SIM,并進(jìn)行下一階段的預(yù)測(cè)分析。

根據(jù)干擾發(fā)射機(jī)輻射的電磁波頻率和發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離計(jì)算路徑傳播損耗,對(duì)每個(gè)發(fā)射-響應(yīng)對(duì)的電磁干擾余量進(jìn)行計(jì)算。

3 干擾分析技術(shù)

3.1 改進(jìn)的FDTD法

FDTD法是一種數(shù)值算法,該方法基于Maxwell方程組,通過(guò)將Maxwell方程組中的旋度方程用有限差分形式代替微分方程,得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)各分量。同時(shí),該方法采用空間網(wǎng)格來(lái)模擬研究對(duì)象的電磁特性,并選擇適當(dāng)?shù)膱?chǎng)初始值和吸收邊界條件。通過(guò)迭代計(jì)算空間中的電場(chǎng)和磁場(chǎng),在一定的時(shí)間步長(zhǎng)下模擬電磁波的傳播和與物體的相互作用。這樣可以在計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間中得到包含時(shí)間變量的Maxwell方程的四維數(shù)值解,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播過(guò)程的時(shí)域模擬計(jì)算。

首先,將空間分成很多網(wǎng)格單元,用Δx、Δy、Δz分別表示在x、y、z坐標(biāo)方向的網(wǎng)格空間步長(zhǎng):(i,j,k)=(iΔx,jΔy,kΔz)。

令f(x,y,z,t)代表電場(chǎng)或磁場(chǎng)的某一分量,在時(shí)間和空間域中的離散表示如下:

f(x,y,z,t)=f(iΔx,jΔy,kΔz,nΔt)=fn(i,j,k)。

(19)

以x方向場(chǎng)強(qiáng)為例,經(jīng)過(guò)中心差分后的離散方程為:

(20)

式中:ε(m)、σ(m)、μ(m)為對(duì)空間的媒質(zhì)特性進(jìn)行描述,Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

在劃分網(wǎng)格區(qū)域的過(guò)程中,結(jié)合發(fā)射機(jī)和接收機(jī)實(shí)際空間位置,將激勵(lì)源和接收源設(shè)置在仿真區(qū)域邊緣,減少仿真網(wǎng)格數(shù)量,同時(shí)節(jié)省了仿真計(jì)算資源,加快了仿真速度。z軸等于0。簡(jiǎn)要二維平面示意如圖5所示。

(a)激勵(lì)源位于上方

以20 m距離為例,藍(lán)色長(zhǎng)條為激勵(lì)源,綠色為探測(cè)器。圖5(a)為激勵(lì)源在探測(cè)器上方的位置,此時(shí)劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)自動(dòng)適應(yīng)激勵(lì)源和探測(cè)器的位置,將二者放在仿真區(qū)域2個(gè)角落邊緣。圖5(b)為激勵(lì)源位于探測(cè)器下方位置的情形。

同時(shí),為防止仿真造成的邊緣反射,在添加完美匹配層(PML)的同時(shí),將發(fā)送源和接收源放置在仿真區(qū)域的2個(gè)角落,盡可能減少仿真資源。此外,為防止激勵(lì)源和接收器落在仿真區(qū)域外圍的PML,將二者分別遠(yuǎn)離PML至少2個(gè)波長(zhǎng),減小不必要的誤差。

3.2 射線跟蹤法

繞射定律描述了繞射點(diǎn)的位置和繞射射線的方向。根據(jù)繞射定律,如果繞射射線和入射射線在同一介質(zhì)中傳播,則它們與繞射點(diǎn)所在的邊之間形成相同的夾角,并且分布在垂直于繞射點(diǎn)所在邊的平面的兩側(cè)。當(dāng)入射射線以斜角照射邊時(shí),繞射射線將形成一個(gè)錐形;當(dāng)入射射線以垂直角度照射邊時(shí),繞射錐將退化為圓盤(pán)形狀。

幾何繞射理論對(duì)幾何光學(xué)進(jìn)行了重要修正,使其成為高頻計(jì)算的關(guān)鍵方法。幾何繞射理論能夠計(jì)算陰影區(qū)域的場(chǎng)景,但在計(jì)算陰影邊界的過(guò)渡區(qū)域時(shí),繞射公式可能會(huì)產(chǎn)生奇異性。為解決這一問(wèn)題,Kouyoumjian和Pathak提出了一致性繞射理論,通過(guò)在繞射系數(shù)中引入過(guò)渡函數(shù),確保繞射場(chǎng)在穿越陰影邊界時(shí)仍保持有界。在陰影邊界上,過(guò)渡函數(shù)和繞射系數(shù)以相同的速率趨近于零,從而得到有界的繞射場(chǎng)。

當(dāng)幾何光學(xué)射線遇到任何形式的表面不連續(xù),例如邊緣、尖頂或斜角入射曲面時(shí),將形成無(wú)法進(jìn)入的陰影區(qū)域。幾何光學(xué)理論無(wú)法計(jì)算陰影區(qū)域的場(chǎng)景,并且其在陰影邊界附近的場(chǎng)景計(jì)算結(jié)果也不準(zhǔn)確。通過(guò)深入研究繞射現(xiàn)象,提出了邊緣繞射射線的概念,以修正幾何光學(xué)無(wú)法計(jì)算陰影區(qū)域場(chǎng)景的缺點(diǎn),并擴(kuò)展了幾何光學(xué)的應(yīng)用范圍,形成了幾何繞射理論。

①反射電磁計(jì)算

入射電波存在2種不同的極化方式,通常將電波分解為水平極化波分量和垂直極化波分量,分別對(duì)應(yīng)水平極化和垂直極化。入射面是入射射線與垂直于入射面法線方向且經(jīng)過(guò)反射點(diǎn)的射線所構(gòu)成的平面。其中電波在傳播過(guò)程中極化方向平行于入射面的電場(chǎng)分量稱為平行極化波分量,極化方向垂直于入射面的電場(chǎng)分量稱為垂直極化波分量。假設(shè)反射點(diǎn)為Q,接收點(diǎn)為S,則場(chǎng)點(diǎn)S處的反射波末場(chǎng)為:

hr(S)=hi(Q)·R·A(s)·e-jks,

(23)

(24)

式中:R⊥和R∥分別為垂直極化、平行極化的反射系數(shù)。

(25)

(26)

(27)

式中:ε為介電常數(shù),σ為反射面的電導(dǎo)率,ω為角頻率。

②繞射電磁計(jì)算

繞射射線用幅度、相位和極化來(lái)描述,在繞射點(diǎn)處的入射電場(chǎng)乘以繞射系數(shù)、擴(kuò)散因子和一個(gè)相位項(xiàng),假設(shè)P為繞射射線上任意場(chǎng)點(diǎn),距繞射點(diǎn)M的距離為s。

hd(P)=hi(M)·D·A(s)·e-jks,

(28)

式中:D為繞射系數(shù)。在射線基坐標(biāo)系下可以表示為:

(29)

根據(jù)UTD理論,并矢繞射系數(shù)為:

(30)

(31)

式中:D⊥為垂直極化波繞射系數(shù),D∥為水平極化波繞射系數(shù),n為楔因子,在90°拐角處為3/2;β0為入射射線與楔的夾角。

(32)

式中:Li、Ld為距離參數(shù),F(x)為過(guò)渡函數(shù)。

(33)

③透射電磁計(jì)算

透射過(guò)程由三部分組成:折射入介質(zhì)、在介質(zhì)中傳播和折射出介質(zhì)。假設(shè)射線在Q點(diǎn)穿透前路徑總距離為s,則反射波場(chǎng)點(diǎn)Q處的透射波末場(chǎng)與反射點(diǎn)Q處入射波末場(chǎng)的關(guān)系為:

(34)

式中:Tin為入射波透射系數(shù),Tout為出射波透射系數(shù),s′為射線在介質(zhì)中傳播的距離,T為折射系數(shù)。

(35)

式中:

(36)

(37)

4 仿真結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)基于UE4平臺(tái)搭建大型電子綜合試驗(yàn)場(chǎng),針對(duì)場(chǎng)區(qū)不同類型、不同數(shù)量的設(shè)備,構(gòu)建環(huán)境基礎(chǔ)仿真模型和設(shè)備干擾分析模型。

試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)域是總面積為4 km2的不規(guī)則區(qū)域,考慮地形、房屋、水面和樹(shù)木等實(shí)際環(huán)境,并在UE4平臺(tái)中進(jìn)行三維可視化。

此外,考慮天氣、晝夜等變化因素,即在不同天氣、不同時(shí)間的情況下,每種材質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)也會(huì)有變化。表3為常見(jiàn)地質(zhì)的電參數(shù)平均值。

表3 常見(jiàn)地質(zhì)的電參數(shù)平均值Tab.3 Average value of electrical parameters in common geology

根據(jù)不同的地表類型,將地表電參數(shù)劃分為晴天、陰天和雨天等天氣。一些主要物體的材質(zhì)及其介電常數(shù)和電導(dǎo)率如表4所示。

表4 常見(jiàn)材質(zhì)的電參數(shù)平均值Tab.4 Average value of electrical parameters of common materials

針對(duì)不同設(shè)備種類的實(shí)驗(yàn)類型,將設(shè)備模型分為發(fā)射機(jī)模型和接收機(jī)模型,并通過(guò)UE4平臺(tái)可視化展現(xiàn)。每臺(tái)設(shè)備模型主要參數(shù)包括:天線高度、發(fā)射功率、發(fā)射頻率、接收頻率、帶寬、接收靈敏度、天線架高、天線增益、極化方式、航向角和俯仰角。其中,航向角以正北方向?yàn)閰⒖枷?。以小型天線為例,具體參數(shù)如表5所示。

針對(duì)場(chǎng)區(qū)存在的不同設(shè)備種類,進(jìn)行不同類型的仿真試驗(yàn)。由于天線實(shí)際增益和發(fā)射功率較小,選取10、20 m的距離作為干擾試驗(yàn)仿真分析距離。圖6為發(fā)射天線和接收天線距離10 m的UE4的仿真場(chǎng)景。

圖6 10 m仿真場(chǎng)景Fig.6 10 m simulation scene diagram

表6為10 m距離的實(shí)際場(chǎng)景測(cè)量與系統(tǒng)仿真測(cè)試的基波干擾余量結(jié)果對(duì)比。

表6 小型天線10 m距離測(cè)試Tab.6 10 m distance test of small antenna

從表6可以看出,由于環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化性,環(huán)境底噪也在不斷波動(dòng),導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的接收功率會(huì)隨之波動(dòng)。因此,可通過(guò)接收功率和底噪計(jì)算出信號(hào)的信噪比。接收信號(hào)的信噪比雖然也會(huì)有一定的小幅度波動(dòng),但基本穩(wěn)定在31～33 dB。由此可以計(jì)算出干擾過(guò)程中的基波干擾余量,并與系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

經(jīng)過(guò)3次測(cè)量,底噪波動(dòng)較大,導(dǎo)致接收天線的接收功率變化幅度隨之增大,最大達(dá)到7 dB左右,但是信噪比基本穩(wěn)定。由此可以看出,在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,即使是同一環(huán)境也會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的變化,導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果有一定的測(cè)量誤差。而仿真系統(tǒng)在相同情況下只可能有一種結(jié)果,仿真系統(tǒng)計(jì)算出的干擾余量與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比,誤差在0.13～1.6 dB,最小誤差為0.13 dB。

在實(shí)際環(huán)境中,由于環(huán)境的動(dòng)態(tài)多變性,在測(cè)量過(guò)程中會(huì)存在測(cè)量誤差,同時(shí),在計(jì)算過(guò)程中,也有可能出現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算誤差。因此,在進(jìn)行仿真過(guò)程中,需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)量。

為了進(jìn)一步測(cè)量小型天線在更遠(yuǎn)距離的仿真情況,將仿真距離提升到了20 m,此時(shí)接收信噪比大幅降低,如圖7所示。

圖7 20 m仿真場(chǎng)景Fig.7 20 m simulation scene diagram

系統(tǒng)在模擬實(shí)際場(chǎng)景中,在參數(shù)設(shè)置上無(wú)法做到與實(shí)際環(huán)境完全一致。圖7中的仿真距離為19.941 m,與20 m相差不大。然而,當(dāng)設(shè)備相距較遠(yuǎn)時(shí),UE4系統(tǒng)在計(jì)算二者之間的距離時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。

表7為20 m距離的實(shí)際場(chǎng)景測(cè)量與系統(tǒng)仿真測(cè)試的基波干擾余量結(jié)果對(duì)比。

表7 小型天線20 m距離測(cè)試Tab.7 20 m distance test of small antenna

可以看出,在20 m的距離下,信噪比減小了12 dB左右,其干擾余量與系統(tǒng)仿真計(jì)算的干擾余量最大誤差為1.44 dB,不超過(guò)3 dB。3次測(cè)量的均值為60.17 dB,與仿真值相差1.13 dB。

此外,還進(jìn)行了多種類型的干擾余量仿真計(jì)算,分別為基波干擾、基波亂真干擾、諧波干擾和諧波亂真干擾。仿真系統(tǒng)在10～60 m距離下的4種干擾余量計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 小型天線多類型干擾仿真Tab.8 Multi-type interference simulation of small antenna

從表8可以看出,接收靈敏度為-80 dBm的情況下,4種干擾類型中,最主要且最嚴(yán)重的干擾是基波干擾。在50 m范圍內(nèi),基波干擾余量大于0,這意味著50 m內(nèi)會(huì)受到基波干擾。其他3種干擾余量均小于0,其中諧波干擾余量相比另外2種又大很多,可以看出除了基波干擾,其次是諧波干擾影響較大。

基波干擾余量如圖8所示?？梢钥闯?隨著距離的增加,干擾余量呈非線性趨勢(shì)不斷減小,在57 m左右干擾余量降為0。

綜上,根據(jù)實(shí)際環(huán)境測(cè)量與系統(tǒng)仿真測(cè)試對(duì)比,可以得出,仿真系統(tǒng)在UE4平臺(tái)中具有一定的有效性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于UE4平臺(tái)的大型電子綜合試驗(yàn)場(chǎng)的干擾分析方法。通過(guò)構(gòu)建設(shè)備發(fā)射機(jī)模型和接收機(jī)模型,采用FDTD法、射線跟蹤法等方法,分析了場(chǎng)內(nèi)不同類型的設(shè)備試驗(yàn)、可能設(shè)備間的干擾余量,并考慮基波干擾、基波亂真干擾、諧波干擾和諧波亂真干擾4種干擾類型,分析了場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在的干擾類型,為試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的頻譜優(yōu)化和資源調(diào)度提供了數(shù)據(jù)支撐。