基于灰色关联度分析的电磁环境逼真度验证方法

李艳莉,田 晓

(1.电子科技大学成都学院， 成都 611731； 2.中国西南电子技术研究所， 成都 610036)

信息化战场上复杂电磁环境深刻地影响着作战行动，构建贴近实战的电磁环境对人员和装备进行试验和训练很有必要，如何评估所构设电磁环境的质量是电磁环境试验的基本问题[1-2]。实际应用中，利用战场中的监测设备测量整个作战空域的多维度参数，通过定性或定量评估方法给出电磁环境的复杂度、威胁度、相关度等评估等级。这些评价结果将用于反馈调整电磁环境构建的质量。通过对电磁环境的评价，不断对生成的电磁环境进行优化以满足作战需求[3]。

电磁环境生成和推演宏观逼真度是用来描述想定电磁环境与构设电磁环境在特定空间、整体的、宏观的电磁环境特征的相似性，从电磁环境复杂度评估指标中提取宏观逼真度，也就是从频域、时域、空域和能域中提取频谱占用度、时间占有度和空间覆盖率等指标进行测量和统计，对电磁环境进行与真实作战场景的相似性的度量，满足不同规模、不同作战场景和不同作战任务的仿真需求[4-5]。

1 复杂电磁环境场景构建

根据作战需求构建一个典型的陆空典型战场复杂电磁环境的测试场景如图1，陆空战场的复杂电磁环境场景的主要参数设置如表1所示。

图1 陆空战场复杂电磁环境测试场景

目标类型装备名称目标位置目标尺寸(长宽高)目标参数运动参数辐射源FPS-117雷达XR1,YR1,ZR1LR1,WR1,HR1f:1215～1 400 MHz,Pt:24.8 kW,Gt:38.5 dB,…圆周扫描,扫描周期10 sMPQ-53雷达XR2,YR2,ZR2LR2,WR2,HR2f:5 250～5 750 MHz,Pt:200 kW,Gt:41 dB,…电扫……………AN/APG-79XRn,YRn,ZRnLRn,WRn,HRnf:9 700～9 900 MHz,Pt:22 kW,Gt:37 dB,…电扫超短波通信XC1,YC1,ZR1LC1,WC1,HC1f:225～400 MHz,Pt:10 W,Gt:-5 dB,…-……………干扰设备XJn,YJn,ZJnLJn,WJn,HRnf:2～18 GHz,Pt:500 W,Gt:18 dB,电扫主战装备坦克XEQ1,YEQ1,ZEQ1LEQ1,WEQ1,HEQ1金属,RCS:8 m2速度50 km/h通信车XEQ2,YEQ2,ZEQ2LEQ2,WEQ2,HEQ2金属,RCS:10 m2速度60 km/h……………直升机Xap1,Yap1,Zap1Lap1,Wap1,Hap1金属,RCS:15 m2速度400 km/h地物道路XObj1,YObj1,ZObj1LObj1,WObj1,HObj1建筑物类型,结构—……………桥梁XObjn,YObjn,ZObnLObjn,WObjn,HObjn介电常数、磁导率—地貌草地XTR1,YTR1,ZTR1LTR1,WTR1,HTR1介电常数、磁导率沙漠XTR2,YTR2,ZTR2LTR2,WTR2,HTR2介电常数、磁导率……………丛林XTRm,YTRm,ZTR2mLTRm,WTRm,HTRm树木类型、树木密度、高度

2 电磁环境中时域、空域、频域、功率域测试参数

通过时域、频域、空域和能量域四个维度对电磁环境态势进行多维度表征[6]。

1) 功率域特性参数

功率域参数表示特定区域、特定时段、特定频谱范围的频谱分布特征，在一定作战空间VΩ、时间范围[t1,t2]和频率范围[f1,f2]内，信号强度表示为[7]

(1)

式(1)中：AP为信号平均功率密度谱；S(r,t,f)为功率谱密度；r为空间位置坐标；VΩ为作战空间体积。

2) 时域特征参数

时域特征参数通常用单位时间内超过一定强度的信号功率密度等参数来表示。在一定作战空间VΩ和频率范围f1,f2内，定义时间占有度为电磁环境功率谱密度均值超过某一电磁环境门限所占用的时间段与作战时间段的比值[7]：

(2)

式(2)中：U为单位阶跃函数；S0为电磁环境门限；双重积分是对频率和空间进行积分。

3) 空域特征参数

空域特征参数通常用空间覆盖率表征，是指在一定时间范围[t1,t2]和频率[f1,f2]范围内，电磁信号平均功率密度谱超过指定电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值[7]：

(3)

式(3)中：双重积分是对时间和频率进行积分。

4) 频域特征参数

频域特征参数通常用频率占用度表示，在一定的作战空间VΩ和时间范围[t1,t2]内，不同频率出的信号平均功率谱可以表示为[7]

(4)

式(4)中，双重积分是对时间和空间进行积分。

由上式可计算出在一定时间和作战空间范围内电磁信号所占有的频谱范围，简记为ΔB。

此时，根据具体环境，设定一个S(f)门限。假设超过门限的频谱宽度为Δ，那么频谱占用度为

FO=Δ/ΔB

(5)

可见，频谱占用度越大，电磁环境越复杂。

3 复杂电磁环境逼真度测试方法

3.1 外场缩比测试场景

外场缩比模拟测试的试验场地需求为1 000 m×1 000 m区域，需要考虑外场测试环境(基础设施、大型固定试验设施、配套条件)、受试设备架设安全性、操作便捷性等因素，外场缩比模型的组成如图2所示。对外场区域进行空间栅格离散，栅格尺寸约100 m×100 m，栅格坐标为(xi,yj)。外场地貌涵盖阔叶林、草地、建筑物、道路、简易桥梁模型。根据作战想定和任务规划对作战部队进行部署，分别部署L/S/C/X波段雷达模、通信设备、某型主战坦克、某型装甲车、指挥控制系统、地空导弹车模型，将直升机模型架设于30m高塔上。

在外场栅格(xp,yp)位置部署3 MHz～18 GHz无线电频谱监测设备及辐射信号测试设备，对雷达、通信设备、陆军主战装备传感器辐射信号进行实时观察与测试，沿着栅格坐标(xi,yj)移动无线电频谱监测设备及辐射信号测试设备，对外场区域内所有电磁栅格内的电磁环境多参数进行测试。

图2 陆战场复杂电磁环境外场测试布局图

3.2 逼真度测试方法

按照第1节设置的测试场景，在暗室中搭建一套缩比战场模型，根据图1和表1设计的陆空战场的复杂电磁场景，按照可仿真计算的最小栅格进行剖分，对每个栅格分别测试仿真模型和外场缩比模型的时域、频域、空域、能量域和极化域参数矩阵，形成整幅作战场景的多域电磁参数的统计值，然后通过灰关联的方法，计算仿真场景和外场缩比实物场景的逼真度。整个场景的模型验证的方法框图如图3所示。

图3 复杂电磁环境的模型验证方法框图

下面以10 km×10 km的陆战场电磁场景为例，按照1 km×1 km的准则进行作战场景的栅格剖分，分别得到整幅电磁场景的实测缩比场景和计算数字电磁场景的的时间占有度、频域占有度和空域覆盖度的参数矩阵。

(6)

(7)

(8)

分别为极大距离和极小距离，反映了整个系统对单个特征参数关联程度的影响。

根据构建仿真场景电磁环境特征参数与外场缩比模型电磁环境特征参数之间的极大和极小距离来定义参数之间的关联系数，于是所构建电磁环境对于标准环境的灰关联系数矩阵为

(9)

式(9)中:ξ为分辨系数，通常取ξ=0.5。假设(h，j)处的关联系数权重为whj，关联系数的权重矩阵为

(10)

并有

(11)

算法中，参数矩阵为同一指标，各灰关联系数的相对重要性相同，权重矩阵的系数都取相同值。

对灰关联系数进行聚焦，得到作战试验所构建的电磁环境相对于标准环境的逼真程度为[10]

(12)

4 复杂电磁环境的模型验证实例

在作战试验实施过程中，利用辐射源信号模拟器、实物缩比模型、复杂地形地貌构建不同作战阶段的电磁环境，电磁环境监测设备对作战试验的作战空域进行监测，记录每个电磁栅格的电磁功率密度谱和电磁信号密度，作战试验不同阶段所构建电磁环境与数字仿真模型中要求电磁环境的频谱占有度分别如表2和表3所示。

表2 数字仿真模型的电磁栅格的频谱占有度

表3 外场缩比模型的电磁栅格的频谱占有度参数

可以做出数字仿真模型和外场缩比模型构建的电磁环境电磁栅格的频域参数分布特性曲面分别如图4和图5所示。

图4 数字仿真模型电磁栅格的频谱分布

图5 外场缩比模型电磁栅格的频谱分布

通过灰关联分析算法可以得出两者的逼真度为0.94。同理可以分析电磁环境其他维度参数的电磁环境逼真度。