海战场复杂电磁环境构建研究

李 楠，王 标，底明曦，邵荣营

(1.解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001； 2.解放军92493部队，辽宁 葫芦岛 125001;3.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着电磁技术和用频设备的广泛应用，战场电磁环境变得日益复杂，电磁频谱资源越来越重要，尤其是在信息化元素极为丰富的海战场，复杂的电磁环境给对海作战提出了更高的要求和挑战。现代化对海作战越来越依赖于各种各样的信息化作战装备和系统，并且融合了雷达、电子战、光电、通信、导航、敌我识别、卫星导航、遥测遥控等多终端情报数据，整合后上报作战指挥中心进行统筹管理、综合运用、直接控制与指挥等工作，因而需要基于多频谱在海战场复杂电磁环境下进行陆、海、空、天多军种协同作战[1]。构建的海战场复杂电磁环境可实现作战装备和系统从设计研制定性试验，到作战试验内外场鉴定，再到列装真实外场作战试验的各阶段全面性、科学性、逼真性的有效试验，同时还可进行海战场电磁装备频谱规划与应用管理测试[2-3]。

本文首先介绍海战场电磁环境的主要特征，总结了海战场复杂电磁环境构建方法与系统组成，并阐述海战场复杂电磁环境构建的关键技术，最后介绍了一种阵列式内场电磁环境射频仿真试验系统和部分模拟仿真测试结果，以期为海战场复杂电磁环境构建的相关研究部署以及部队开展相关作战装备和系统的试验和战术演练训练提供借鉴。

1 海战场复杂电磁环境特征分析

海战场电磁环境是一个多频谱、大带宽、高密度、多参数捷变的复杂电磁信号环境，具有如下几大主要特征[4-5]：

(1) 极宽的信号频段。对海作战的电磁信号几乎覆盖整个电磁频谱，包括从高频到微波、毫米波、红外和激光等频段，海战场电磁环境异常复杂。

(2) 复杂的信号形式。对海作战装备和系统采用了各种复杂的雷达信号和有源干扰信号等，包括常规脉冲、频率编码和相位编码等复杂调制脉冲、频率捷变、频率分集、重频参差、重频抖动、重频滑变、重频编码、脉冲压缩等雷达信号，还包括各类样式的压制干扰和欺骗干扰等有源干扰信号。

(3) 大的信号动态范围。对海作战装备的辐射源功率和距离可以在非常大的范围内变化，电磁信号的幅度具有极大的变化范围。从而对作战装备的灵敏度和动态范围提出了极高的要求，方能截获如此复杂电磁环境下的低可观测信号、微弱信号以及大功率辐射信号。

(4) 极高的电磁信号密度。对海作战环境中，战区内的电磁信号脉冲密度超过百万个脉冲/s量级，部分重点区域的电磁信号脉冲密度甚至将高达几百万个脉冲/s的量级。

为了能够逼真地再现复杂、多变、密集的电磁环境，对海战场的复杂电磁环境构建提出了极高的要求。首先，海战场的电磁环境构建必须是灵活可变的，能够快速反映海战场电磁信号环境的复杂多变；其次，必须能够达到生成每秒高达百万个量级的脉冲信号能力，满足海战场电磁环境构建的电磁信号脉冲密度；最后还必须能够逼真、高效地再现海战场复杂多变的各类电磁信号特征和信号参数。当前海战场复杂电磁环境构建呈现以下发展趋势[2-3]：

(1) 体系结构更加开放

海战场复杂电磁环境采用模块化的构建思路，开放型体系结构能够适应若干应用层次，根据被试装备和系统的不同试验需求灵活配置，具有非常大的可扩展性和灵活性。

(2) 系统级能力不断提升

随着一体化综合电子战系统成为对海作战装备的主流，海战场电磁环境构建得到充分发展和不断完善，满足电子战作战装备综合一体化试验、鉴定和评估的迫切需求，可实现武器装备系统从设计研制定性试验，到作战试验内外场鉴定，再到列装外场作战试验的各阶段全面性、科学性、逼真性的有效试验，同时还可进行电磁装备频谱规划与应用管理测试。

(3) 复杂电磁环境模拟能力不断增强

现代海战场的电磁环境日益复杂，尤其是相控阵、合成孔径雷达(SAR)、逆合成孔径雷达(ISAR)等新体制电子战装备的应用，要求海战场电磁环境模拟构建能力不断增强，不仅表现在复杂电磁信号环境的信号密度、频段范围，而且表现在电磁环境信号的种类、体制等多方面。

(4) 战术演练和训练能力不断提升

构建海战场电磁环境不但要适应对海作战武器装备的试验、评估、鉴定，更需要适应对海作战的战术演练和战术训练，构建接近实战条件下的复杂电磁环境，对电子战武器装备的海战场使用战术进行研究，为实体战场应用提供有力依据。

2 海战场复杂电磁环境构建方法和评价标准

2.1 海战场复杂电磁环境构建方法

海战场的复杂电磁环境构建方法主要包括数字模拟仿真方式、内场注入方式、内场辐射方式和外场辐射方式[2-3]。

数字模拟仿真方式主要是通过建立试验中各种雷达装备、导引头、侦察装备、干扰设备等被试电子战装备的的数学模型，利用计算机模拟和仿真技术、软件和网络构成来产生实际战场的复杂电磁环境信号的数字信息，通过数学计算验证电子战装备在复杂电磁环境和电子干扰环境下的适应能力。

内场注入式和内场辐射式的电磁环境构建方法均是半实物仿真系统，因其具有测试性能全面、保密性好、灵活性强、经济效益高等优点。

内场注入方式主要采用馈线以及必要的射频控制器件，等效模拟天线的指向特性和信号的幅相特性，并通过馈线实现被试设备和试验设备之间的信号传输，无需建设微波暗室。

采用内场辐射方式时，模拟生成的射频信号通过天线辐射到空间，经由被测设备的接收天线接收后注入到被测设备的接收机，以进行电子战装备的试验、鉴定和性能评估。典型的内场辐射式电磁环境包括由微波暗室、目标阵列与馈电控制系统、转台分系统、电磁环境监测及数据录取回访系统等构建组成的阵列式射频仿真系统[6-7]。

对海作战武器系统和装备在经历实验室数字模拟仿真分析以及内场模拟仿真试验后，有必要进行外场真实条件下的辐射式试验，以便充分检验作战装备的性能。外场辐射式试验通常利用试验靶场的海、陆、空等环境，根据被试装备的不同需求，构建海战场复杂电磁环境，实现装备的试验、鉴定、性能评估和战术训练。具有与实际海战场作战相同的真实感、效果好等优点。

2.2 海战场复杂电磁环境构建评价标准

海战场复杂电磁环境构建需要根据被试对海作战装备的试验需求，解决如何实现相应的电磁信号环境、复杂海洋环境以及被试装备的动态参数的设置问题，使其能够更加真实地反映对海作战的具体情况，确保所构建的电磁环境的真实性和可靠性。从理论上讲所构建的电磁环境越接近对海作战的战场环境，被试装备的试验结构就具备越高的可信度和真实性。

当前，海战场复杂电磁环境构建的主要评价指标包括：频段占用度、时间占用度、空间覆盖率。

(1) 频谱占用度。频谱占用度F0是指在一定的时间和空间范围内，电磁信号功率密度谱的平均值超过指定电磁环境门限所占有的频带与作战用频范围的比值。

(2) 时间占用度。时间占用度T0是指在一定的空间和频率范围内，电磁环境信号的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁门限所占用的时间长度与作战时间段的比值。

(3) 空间覆盖率。空间覆盖率S0是指在一定的时间和频率范围内，电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值。

海战场复杂电磁环境构建的复杂等级X可由上述频段占用度、时间占用度和空间覆盖率来确定，即：

(1)

3 海战场复杂电磁环境数学模型

海战场复杂电磁环境涉及各种体制的雷达系统、电子战系统等作战装备产生的雷达信号模拟、有源干扰信号模拟、通信信号模拟、背景辐射信号模拟等诸多体制的信号，本文从部分雷达信号、有源干扰信号等方面选择部分典型信号的构建模型加以阐述和探讨。

3.1 雷达信号模拟模型

对海作战装备雷达系统种类繁多，从雷达系统的信号形式上细分，典型的对海作战装备雷达系统包括连续波雷达、常规脉冲雷达、频率捷变雷达、脉冲压缩雷达、脉冲多普勒雷达、频率分集雷达、重频周期调制雷达以及各种组合体制雷达等。

(1) 常规脉冲信号

常规脉冲信号是最简单却最重要的雷达信号模式，其数学模型可表示为:

(2)

式中：rect(·)为矩形脉冲函数;τ为信号的脉冲宽度;f0为雷达载频。

(2) 线性调频信号

线性调频信号(LFM)是一种应用最为广泛的脉压信号，其频率随着时间线性变化。LFM信号的数学模型可表示为：

(3)

式中：调频斜率k=B/τ，B为信号带宽。

(3) 频率捷变信号

为了尽量提高雷达的抗干扰能力，目前很多雷达信号都采用了频率捷变技术。捷变频雷达有多种形式，通常包括脉内捷变、脉间捷变、脉组捷变。这里以脉间捷变信号为例，一个捷变周期内信号的数学模型可表示为：

s(t)=

(4)

式中：fn表示第n个脉冲的载频，脉冲与脉冲之间的载频是跳变的;φ(t)为脉内调制;Tr(n-1)为前(n-1)个脉冲的重复周期之和，N为捷变点数。

3.2 干扰信号模拟模型

对海作战装备面临的有源干扰类型主要分为压制干扰、欺骗干扰和组合式干扰。压制干扰的主要工作原理是采用噪声或类似噪声的干扰信号遮盖或淹没目标回波信号，导致雷达无法检测到目标的信息。欺骗干扰的工作原理是采用假的目标信息作用于雷达的目标检测和跟踪系统，使雷达不能正确检测真实的目标或不能正确测量真实目标的各种参数信息，从而达到迷惑和扰乱雷达对真实目标检测和跟踪的目的。组合式干扰通常是压制干扰和欺骗干扰的叠加，能同时实现这两种干扰的效果[8]。

(1) 压制干扰

压制干扰是利用大功率特点，大大降低雷达接收到目标回波的信噪比，从而造成雷达无法检测到目标。压制干扰的主要干扰信号是噪声，能干扰任何形式的信号。根据干扰噪声带宽相对于被干扰雷达接收带宽的比值关系，压制干扰可细分为窄带式、阻塞式、扫频式三类形式。根据噪声调制方式，压制干扰可细分为噪声调幅干扰、噪声调频干扰和噪声调相干扰。

(2) 欺骗干扰

欺骗干扰就是通过模拟真实目标信号并在时延、多普勒频域等维度进行适当的调制而制造出假目标，从而对雷达造成迷惑，导致无法检测真实目标，这里介绍几种常见的欺骗干扰的模型。

(a) 假目标干扰

假目标干扰就是产生多个与真实目标距离、速度不同的假目标信号。假目标干扰信号的数学模型可表示为：

(5)

(b) 拖引干扰

拖引干扰包括距离拖引、速度拖引或两种样式的组合拖引，主要是产生区别于真实目标的假的回波时延或多普勒频率信号，使雷达获得错误的距离或速度信息。

4 海战场复杂电磁环境构建关键技术

海战场复杂电磁环境构建的核心要求之一就是要模拟逼真的电磁环境，生成接近于真实的海战场作战场景，检验对海作战装备的性能以及指标效果，以评估装备的作战效果。为实现海战场复杂电磁环境构建，有必要对相关的关键技术进行研究。

4.1 复杂电磁环境精细模拟技术

为了满足海战场复杂电磁环境构建的精细模拟功能，对海战场电磁环境构建的时、频、能、空域进行全参数控制，实现复杂对海作战战情下的环境构建和模拟。

(1) 空域：在终端显控单元态势运行软件中进行平台参数设置，仿真实际海战场环境态势下平台以及被试装备的位置和相对距离关系，根据一定仿真周期步长计算距离参数，下发至模拟系统的信号源单元，在信号源单元中根据平台与被试装备的距离进行距离等效修正计算，使得被试设备在距离和信号功率上与所构建的海战场环境相同。

(2) 时域：在终端显控单元态势运行软件中设置被试装备的参数，包括各雷达开关机时间(模式切换时间)、重频、脉宽以及分集、抖动等时域调制参数，并将参数下发至信号源单元。在信号源单元中收到系统初始化命令及第1帧参数后，将到达时间(TOA)计数器清零，并完成第1帧时间参数的解算，在收到试验运行命令开始时刻TOA开始计数，并按各时间数据产生信号。如果多部雷达有同时到达信号，则根据脉冲丢失准则进行脉冲丢失处理。

(3) 频域：在终端显控单元态势运行软件中设置被试装备的参数，包括各雷达中心频率、线性或非线性调频参数、频率捷变参数、分集参数等，并将参数下发至信号源单元，在信号源单元中采用“高性能现场可编程门陈列(FPGA)+宽带直接数字合成器(DDS)”的成熟系统结构，根据频率参数查找表得到本振和变频控制码，控制各模块进行频率生成，同时使用宽带DDS产生中频雷达信号，包括信号的频率和频率调制参数也可以精确模拟。

(4) 能域：在终端显控单元态势运行软件中设置被试装备的距离下发至信号源单元；在信号源单元中根据雷达方程、等效缩比模型，计算发射雷达信号的功率，并查表产生控制程控衰减器的控制码，进行信号的幅度控制。

4.2 复杂电磁环境信号波形产生技术

(1) 任意波形产生技术

海战场电磁环境构建的重要工作之一是相关任意波形的基带信号产生，目前主流采用基于宽带DDS技术与大规模FPGA+高速数模转换器(DAC)架构设计任意波形发生器,构造任意调制波形，工作频段覆盖0.05～40 GHz的宽频带，涵盖当前各种调制体制的信号样式。在雷达信号参数的模拟方面，能够模拟连续波、常规脉冲、频率捷变、频率分集、重频抖动、重频参差、重频滑变、脉冲多普勒、线性调频、非线性调频、相位编码等信号样式，载频、重频、脉宽、调制等信号参数独立控制，可模拟单一参数的变化也可以模拟多参数的复合变化。

海战场电磁环境构建中基带信号产生技术的核心是实现具有调频、调相功能的宽带DDS器件。在FPGA内部通过DDS IP核构建DDS的相位累加器、只读存储器(ROM)和数字控制接口，实现宽带DDS器件。宽带DDS不仅能直接合成信号频率，而且可以直接合成任意信号的波形。

(2) 数字储频技术

海战场复杂电磁环境构建必须具备模拟雷达目标回波、欺骗干扰信号、压制干扰信号和雷达信号模拟等能力。随着数字技术的快速发展，海战场复杂电磁环境构建中越来越多地采用宽带数字储频技术(DRFM)，DRFM技术具有输出信号有较高的相参性、射频存储精度高、信号存储时间长、信号产生样式丰富、处理时间快、控制方式灵活等优势，而广泛应用于电子对抗系统、射频模拟仿真等复杂电磁环境构建。DRFM技术通过将被试雷达/导引头发射信号直接采样、存储、回放从而生成目标回波信号、杂波信号、干扰信号，由于产生的信号和被试雷达/导引头发射信号相参，因而能够逼真地模拟目标回波和干扰信号。

4.3 复杂电磁环境信号大功率发射技术

海战场复杂电磁环境构建面临的发射功率需求逐步提高，尤其是以大功率辐射为特征的外场辐射式试验，峰值辐射功率要求甚至高达兆瓦量级，这为电磁环境构建过程中功率发射单元的设计提出了非常高的要求和挑战。海战场复杂电磁环境构建过程中功率发射单元主要包括行波管发射机、固态发射机、多波束发射机和固态阵面体制等发射机[9-10]。

行波管发射机采用主振放大链式发射机方案，行波管电源(HVPS)提供栅控行波管工作所需的各级电源，并对行波管的加电和断电顺序设置硬件连锁，同时对行波管工作状态进行检测。场放电源和调制器为场放和数控衰减器提供工作电源，并对场放射频工作状态进行调制，以便与整机状态同步。

固态发射机相比行波管发射机具有更宽的瞬时带宽、更高的效率、更高的可靠性以及更大的灵活性。固态发射机主要由功放组件、功放电源、控制三大部分组成。

多波束功率发射机具有合成功率大，波束切换快等优点，主要由前级微波组件、波束选择开关矩阵、多元介质透镜、固态功放/行波管、大功率微波开关矩阵、电源等组成，其组成原理如图1所示。

图1 多波束发射机基本原理示意图

微波功率晶体管制造水平的不断提高和固态发射机技术的不断进步，有力地促进了固态有源相控阵发射技术的发展，该技术通过空间合成技术可形成兆瓦量级大功率干扰模拟信号，大功率微波空间功率合成技术能突破传统器件功率的限制，对大量的微波进行空间功率合成，极大地提高连续波干扰的辐射功率。

5 实现与验证

前文所述的海战场复杂电磁环境构建方法和关键技术已在诸多海战场电磁环境模拟仿真的工程实践中得到充分应用。图2所示为阵列辐射式内场电磁环境射频仿真试验系统，该系统基于能量重心原理并通过在射频仿真微波暗室中构设球面三元组来产生具有连续运动轨迹的威胁辐射源、目标回波、有源干扰等海战场电磁信号环境，逼真模拟对海作战装备所面临的复杂电磁信号环境，具备对作战装备的整机性能检验、测试和评估能力。其中，几种典型的雷达信号模拟和有源干扰信号模拟的测试结果如图3～图5所示，验证了该试验系统构建海战场复杂电磁环境的能力。

图2 阵列辐射式内场电磁环境射频仿真试验系统

图3 32部和64部雷达威胁辐射源模拟

图4 单部雷达信号模拟

图5 压制干扰和欺骗干扰模拟

6 结束语

通过构建内、外场结合的海战场复杂电磁环境，逼真模拟对海作战装备面临的敌我双方释放的高密度、高强度、多频谱、多体制、动态变化的电磁波信号，以及海战场密集背景信号环境所组成的复杂电磁环境，可以实现作战装备实战性能和实战效能的测试、试验、定型、评估、鉴定、训练，具有重要的军事效益。基于此背景本文首先介绍了海战场电磁环境的主要特征，总结了目前海战场电磁环境构建方法和系统组成，介绍了海战场复杂电磁环境几种典型雷达信号和干扰信号的数学模型，并阐述了海战场复杂电磁环境构建关键技术，最后介绍了一种阵列辐射式内场电磁环境射频仿真试验系统和模拟仿真测试结果，对海战场复杂电磁环境构建相关研究、作战装备试验和部队训练等具有较高的参考价值。