多辐射平台运动区域电磁环境预测方法*

董俊，洪丽娜，汪连栋，陈翔

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳　471003)



综合保障性技术

多辐射平台运动区域电磁环境预测方法*

董俊，洪丽娜，汪连栋，陈翔

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳471003)

摘要：针对目前电磁环境预测手段还不能满足未来复杂电磁环境变化要求的问题，开展多辐射平台面临的区域电磁环境预测方法研究，利用建模仿真方法预测多平台区域综合电磁环境。首先，简要阐述了开展电磁环境预测研究的现实需求和总体思路。然后，从电磁环境构成要素提取和电磁环境建模方面进行了介绍。最后，在电磁环境建模基础上设计了电磁环境预测软件系统，并进行了仿真实验。结果表明，该方法能够实现多辐射平台协同工作场景中电磁态势显示和动态电磁环境再现与分析。

关键词：多平台；区域；电磁环境；预测；建模；仿真

0引言

随着电子信息系统的广泛应用，电磁辐射源数量迅速增长，导致开放空间、局部工作及生活空间中电磁环境变得越来越复杂。反之，日益复杂的电磁环境又会对电子信息系统产生严重影响[1]。为了保证处于一定区域内复杂电磁环境下的电子信息系统充分发挥其效能，必须充分认识和了解未来可能面临的复杂电磁环境对系统的影响，从而合理的运用电子信息系统，这就提出了对未来复杂电磁环境特点进行预测的现实要求[2]。

基于上述背景，本文提出一种多辐射平台运动区域电磁环境预测方法，以区域内电子信息系统大规模协同工作电磁环境预测为研究目标，以机群面临的外部干扰和内部互扰电磁环境为研究对象，利用建模仿真的方法，建立全局干扰电磁环境和局部辐射源密集区域互扰电磁环境预测与分析模型集，开发电磁环境预测系统，实现典型区域电磁环境预测及规律验证，预测空中机群面临的区域综合电磁环境，为解决多辐射平台外部干扰环境和内部互扰环境预测的难题提供技术支撑。

1电磁环境要素提取

电磁环境要素提取，是进行电磁环境建模的基础。根据电磁环境现象产生和存在的物理基础，将电磁环境分解为环境实体和电磁信号2部分，其物理基础如图1所示。

相应的，对于电磁环境要素的提取，将要素分为2类： 实体构成要素和信号环境要素。实体构成要素用来描述形成区域电磁环境的实体环境，信号环境要素用来描述由实体构成要素形成的空中平台运动区域空间电磁信号环境。根据上述分类提取下列实体构成要素和信号环境要素，如图2所示。

图1　电磁环境的物理基础Fig.1　Physical basic of electromagnetic environment

2电磁环境要素建模

2.1辐射平台外部干扰电磁环境建模

为了准确地表现平台外部干扰电磁信号环境，对信号环境进行定量的表述，并为复杂电磁环境的仿真与预测提供充分的模型支持，在对电磁环境构成要素进行概念抽象的基础上，对平台、设备和传播环境进行数学模型抽象和分解，分别建立信号环境模型、天线模型、传播模型、仿真共用模型。根据脉冲、 连续波和噪声信号的特点分别建立3类信号的描述模型，根据信号样式建立信号模型，根据信号的传输路径建立信号传播模型，全部模型如图3所示[3-4]。

图2　区域空间电磁环境要素Fig.2　Electromagnetic environment elements of region

数学模型的应用参数根据平台运动区域和电子信息设备使用情况确定，主要关注信号模型、信号描述模型、信号传播模型和天线模型。根据天线扫描样式、扫描速度确定天线扫描模型的参数设置；根据设备天线特点，确定天线方向图模型及参数设置；根据航线和天气情况等确定信号传输模型及参数设置。

上述模型中，信号描述模型主要用于对信号变化特征进行描述，是进行电磁环境预测结果可视化的重要基础。

脉冲信号描述字(pulse description word,PDW)定义为：{ 脉冲前沿到达时间(time of arrival,TOA)、脉冲载频(radio frequency,RF)、脉冲功率密度(power density,PD)、相位(phase,PH)、脉冲宽度(pulsewidth,PW)、脉冲到达角(angle of arrival,AOA)}。

连续波信号描述字(signal description word,SDW)定义为：{ 信号瞬时频率(carrier frequency,CF)、平均带宽(mean band width,MBW)、平均时宽(mean time width,MTW)、带内频谱序列(frequency spectrum sequence,FSS)、带内功率密度序列(power density spectrum sequence,PDSS)}。

噪声统计信号描述字(noise description word,NDW)定义为：{ 噪声调制类型(noise modulation,NM)、噪声功率密度(noise power density,NPD)、噪声干扰信号带宽(noise band width,NBW)}。

部分信号描述模型如下：

(1) TOA模型

脉冲前沿到达时间TOA主要和脉冲发射时间t及脉冲传播时间τ有关，第n个雷达脉冲的TOA表达式为

TOA(n)=t(n)+τ(n)，

(1)

式中：脉冲发射时间t与雷达的脉冲重复周期PRI有关，脉冲传播时间τ与传播距离R及传播速度c等因素有关。对于脉冲发射时间，如果上一脉冲发射时间为t(n-1)，则

t(n)=t(n-1)+PRI，

(2)

对于重频固定雷达，PRI模型为

PRI=PRI0+N，

(3)

式中:PRI0为雷达脉冲重复周期；N为随机噪声，服从均匀分布。

(2) MBW模型

(4)

式中：s(t)为时域连续波信号。

(3) MTW模型

(5)

式中：S(ω)为连续波信号频谱。

2.2多辐射平台内部互扰电磁环境建模[5-7]

针对平台本身所携带的电子信息设备可能产生多平台间互相干扰的问题，建立平台模型和平台天线模型，剖分之后进行电磁场问题求解。

图3　外部干扰电磁环境模型Fig.3　Model of exterior jam electromagnetic environment

针对具有复杂结构的平台及天线系统，根据惠更斯等效原理选择合适的闭合面的S，并设置等效源(惠更斯源)的源分布—表面电流密度Js与表面磁流密度Jms。以S面为界将平台及天线系统分解为2个关联的问题：内问题和外问题。为了应用等效原理，以飞机及机载天线为对象，以天线闭合面S为等效面，在等效面S上设置外法向单位矢量n，如图4所示。

图4　等效问题Fig.4　Epuivalence problem

内问题(天线结构)包含原有天线，S面内原来的场和S面外的零场。根据等效原理，除了天线上的激励源，还需要在S面设置表面电流-Js和表面磁流-Ms，其中

(6)

(7)

同理，外问题(地面结构)含有原来地面的几何结构，S面外原来的场和S面内的零场。除此之外，也需要在S面上设置表面电流Js和表面磁流Ms，其中E, H是原问题中沿S上的电场和磁场。对于不

同的平台结构表面使用不同的数值方法进行计算。对于图5的等效问题来说，内问题和外问题以等效电流和磁流作为衔接，共享表面电流信息，从而完成原问题整个结构的等效计算。

建立了平台模型和天线模型之后，运用合适的电磁场计算方法求解平台间互扰电磁场问题。通过上述方法对3架飞机建立等效计算模型，计算3架飞机间某区域的电场分布如图5所示。

图5　3架飞机之间某区域电场分布Fig.5　Electric field distributing between three planes

3电磁环境预测应用系统设计及预测实验

3.1系统总体设计

电磁环境预测软件系统包括电磁环境数据库管理与应用、电磁环境仿真与预测两大功能模块。预测软件体系结构如图6所示。

电磁环境数据库管理与应用模块包括数据库和数据库管理软件两部分。数据库包括雷达设备数据库、通信设备数据库、背景噪声数据库和其他参数数据库等4个子库。

图6　软件系统体系结构图Fig.6　Structure of software system

电磁环境仿真与预测模块包括工作场景管理与控制、仿真管理与控制和仿真结果显示3个子模块。工作场景管理与控制模块根据平台运动特点编制工作场景设计与开发平台，并形成工作场景文件供仿真管理与控制模块调用。仿真管理与控制模块通过调用工作场景文件进行参数设置，根据仿真模型进行雷达、通信和噪声信号传播过程仿真，生成预定工作区域的电磁信号环境数据。仿真结果显示模块实现可视化输出，输出结果包括数据文件、统计图表和基于电子地图的二维电磁态势显示[8-10]。

3.2典型区域电磁环境预测实验

下面以机群协同工作为例，进行机群内、外部电磁环境预测。首先进行工作场景设置，主要进行电子信息设备工作位置的部署和机群航迹设置。设置效果如图7所示。

图7　机群工作场景设置图Fig.7　Air fleet work scene set

飞机位于某位置时面临的干扰电磁环境预测结果如图8，9所示，机间互扰电磁环境显示如图10所示。

图8　雷达信号环境预测结果Fig.8　Prediction result of radar signals environment

图9　通信信号环境预测结果Fig.9　Prediction result of communication signals environment

图10　机间电磁环境显示Fig.10　Showing of electromagnetic environment between planes

4结束语

本文围绕区域复杂电磁环境预测需求，提出了多辐射平台外部和内部相结合的区域电磁环境预测方法。通过对典型区域电磁环境进行分析，利用建模仿真的方法，开发了区域复杂电磁环境仿真与预测系统，并对典型区域内空中运动平台面临的雷达类和通信类电子信息系统所形成的电磁信号环境进行了预测。可以为电子信息系统的研制、检测分析以及频谱管理应用提供支持。

参考文献：

[1]王汝群. 战场电磁环境概论[M].北京：解放军出版社，2010.

WANG Ru-qun. Introduction to Battlefield Electromagnetic Environment [M]. Beijing: Chinese People’s Liberation Army Press, 2010.

[2]李超峰，焦培南，聂文强. 射线追踪技术在城市环境场强预测计算中的应用[J].电波科学学报，2005,20(5):660-665.

LI Chao-feng, JIAO Pei-nan, NIE Wen-qiang. Application of Ray-Tracing to Field Strength Prediction in Urban Environments[J]. Chinese Journal Of Radio Science, 2005,20(5): 660-665.

[3]王英，何小光，余贵水. 海上电波传播预测模型研究与仿真[J]. 电子测试，2010(9)：15-20.

WANG Ying, HE Xiao-guang, YU Gui-shui. Research and Simulation of Radio Propagation Model over the Ocean [J]. Electronic Test, 2010(9):15-20.

[4]李炳伟，万福，吴爱民．复杂电磁环境模型及仿真框架的构建[J]．航天电子对抗，2009，25(6)：40-42．

LI Bing-wei, WAN Fu, WU Ai-min. Complex Electromagnet Circumstance Model and Simulation Framework Building [J]. Aerospace Electronic Warfare, 2009, 25(6): 40-42.

[5]叶红霞，金亚秋. 三维随机粗糙面上导体目标散射的解析一数值馄合算法[J]. 物理学报，2008,57(2):839-846.

YE Hong-xia, JIN Ya-qiu. A Hybird Analytical-Numercial Algorithm for Scattering from a 3-D Target Above a Randomly Rough Surface[J]. Acta Physica Sinica, 2008, 57(2): 839-846.

[6]赵欣楠，程光伟. 雷达系统间电磁兼容性的计算与预测[J]. 火控雷达技术，2007，36(4)：48-51.

ZHAO Xin-nan, CHENG Guang-wei. Prediction and Evaluation of EMC in Radar Systems [J]. Fire Control Radar Technology, 2007,36(4):48-51.

[7]黄红瑕. 复杂媒质中瞬态电磁场快速算法的研究[D]. 保定：华北电力大学，2011.

HUANG Hong-xia.Research on Fast Algorithm of Transient Electromagnetic Fields in Complex Medium [D].Baoding: North China Elecctric Power University, 2011.

[8]高颖，王凤华，胡占涛，等. 复杂电磁环境预测系统设计与实现[J]. 现代电子技术，2013, 36(17) :146-150.

GAO Ying, WANG Feng-hua, HU Zhan-tao,et al. Design and Implementation of Prediction System for Complex Electromagnetic Environment [J]. Modern Electronics Technique, 2013, 36(17):146-150.

[9]程健，郭丹丹，张俊华. 基于空间电磁环境模拟的系统间电磁兼容性预测分析软件设计[J]. 计量技术，2011(8)：7-10.

CHENG Jian, GUO Dan-dan, ZHANG Jun-hua. Prediction and Analysis Software Design of Intersystem Electromagnetic Compatibility Based on the Simulation of Space Electromagnetic Environment[J]. Metering Technology，2011(8):7-10.

[10]刘易勇，孙树栋，郭恩全，等. 电磁干扰预测试系统研制[J]. 测控技术，2003，22(11)：37-41.

LIU Yi-yong, SUN Shu-dong, GUO En-quan,et al. Development of EMI Pretesting System [J]. Remote Control Technology, 2003,22(11):37-41.

[11]徐文杰，周新力，李福琦，等. 基于ANN的电磁环境预测分析[J]. 舰船电子工程，2010，30(11)：159-161.

XU Wen-jie, ZHOU Xin-li, LI Fu-qi, et al. Prediction and Analysis of Electromagnetic Environment Based on ANN [J]. Ship Electronic Engineering, 2010，30(11)：159-161.

[12]连世伟，李修和，沈阳，等. 基于GM(1，1)模型的电磁环境复杂度预测方法[J]. 火力与指挥控制，2012，37(11)：33-36.

LIAN Shi-wei, LI Xiu-he, SHEN Yang, et al.Study on Complexity Prediction of Electromagnetic Environment Based on GM(1,1) [J]. Fire Control & Commend Control, 2012，37(11)：33-36.

[13]李光所. 舰船电磁环境预测分析方法[J]. 船舶，2010，10(5)：41-43.

LI Guang-suo. Predictive Analysis on Shipboard Electromagnetic Environment [J]. Ship & Boat, 2010，10(5)：41-43.

[14]贾志军，张琪，徐慨. 基于FEKO的编队短波装备间电磁兼容预测研究[J]. 舰船电子对抗，2013，36(2)：92-95.

JIA Zhi-jun, ZHANG Qi, XU Kai. Research into Prediction of Electromagnetic Compatibility Among Formation Shortwave Equipments Based on FEKO [J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2013，36(2)：92-95.

[15]盛楠，廖成，张青洪，等. 基于OpenMP的多辐射源二维电波传播预测方法[J]. 电波科学学报，2013，28(4)：611-615.

SHENG Nan, LIAO Cheng, ZHANG Qing-hong,et al. Approach for Modeling 2-D Radio Wave Propagation of Multi-Radiation Sources Based on OpenMP [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2013，28(4)：611-615.

Prediction Methods of Regional Electromagnetic Environment Radiated by Movement Multi-Platform

DONG Jun, HONG Li-na, WANG Lian-dong, CHEN Xiang

(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,Henan Luoyang 471003, China)

Abstract:The current electromagnetic environment prediction methods can't meet the requirement of complex electromagnetic environment in future very well. It’s necessary to study the modeling and simulation to predict the electromagnetic environment radiated by multi-platform. First, the realistic demand and the overall idea of electromagnetic environment prediction are briefly described. Then electromagnetic environment elements extraction and electromagnetic environment modeling are introduced. Finally, electromagnetic environment prediction software is designed based on the modeling and the simulation tests are carried out. Results show that this method can display the electromagnetic situation radiated by multi-platform and realize the dynamic electromagnetic environment representation and analysis.

Key words:multi-platform；regional; electromagnetic environment; prediction; modeling; simulation

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-06-25

作者简介：董俊(1980-)，男，湖北当阳人。工程师，硕士，主要研究方向为复杂电磁环境特性与模拟。

通信地址：471003河南省洛阳市085信箱33号E-mail：dj0636@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.030

中图分类号：O441；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-02-0190-07