检测电磁环境的构建与评估方法研究

贾立印, 雷斌, 钟圣

(重庆通信学院,重庆 400035)

0 引言

随着信息化武器装备大量投入使用,战场电磁环境越来越复杂,对装备试验提出了新的挑战。研究装备试验中的复杂电磁环境构建问题,对于开展贴近实战的复杂电磁环境下装备试验,检测复杂电磁环境对武器装备战技指标、作战使用性能以及作战能力(作战效能)发挥的影响,提高武器装备对战场电磁环境的适应能力和掌控能力,具有重要的理论和应用意义[1]。

1 复杂电磁环境概念及内涵

复杂电磁环境是指在一定的战场空间内,由空域、时域、频域和能量上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态交替的多种电磁信号交迭而成、严重妨碍信息系统和电子设备正常工作、显著影响武器装备的作战运用和效能发挥的战场电磁环境[2]。

研究复杂电磁环境其目的实质上是研究如何提高中国军队在复杂电磁环境下的作战能力。对于这项研究,可以分成两个大的研究方向：①部队在复杂电磁环境下的战法、训法研究;②武器装备在复杂电磁环境下的效能研究,如图 1所示。前者是部队在组织运用层面,以提高部队克服恶劣电磁环境影响的整体作战能力为目标,研究主体是用频部队;后者是在武器装备研制层面上以提高装备复杂电磁环境适应能力为目标,研究主体是装备论证、研制单位。

图 1 提高部队在复杂电磁环境下作战能力研究的两个方向

因此,复杂电磁环境的研究按研究目的可分为两个不同的研究方向：①用于指导作战指挥、训练的作战区域(战场)电磁环境研究;②用于检验装备电磁环境适应能力的检测电磁环境研究。

通过对装备检测电磁环境的研究,提高装备电磁环境效应试验能力,以满足装备研制单位预防电磁环境效应设计和电磁频谱管理部门科学筹划频谱管理对试验数据的需求。从根本上提高中国军队用频装备的电磁环境适应能力和作战保障能力,进而不断提升中国军队复杂电磁环境下的联合作战能力。

2 暗室内检测电磁环境的构建

2.1 装备检测的特点

用频装备在实际战场应用过程中可能面临多种电磁现象的同时干扰,理论上可以通过单个电磁现象的矢量和计算出所产生的干扰。然而,实际上,一种电磁现象通常仅在某一时刻占主导,因此,在装备检测时可以进行单个电磁现象的敏感度测试,也可以将几种电磁现象同时作用于被测装备。在敏感度测试过程中,可以根据试验严酷等级的需要,确定试验时,是应用电磁环境的每种电磁现象,还是应用多种电磁现象对装备进行试验[3-4]。

2.2 检测电磁环境的分类

装备在其作战区域或平台上使用时,应首先要能克服地区噪声、平台噪声对其产生的影响,这是最基本的环境要求。用频装备最基本的性能指标必须要建立在这种基础噪声环境之上。因此,装备检测电磁环境的分类应先将装备按安装平台分为陆基、海基、空基、天基四类,然后统计该装备使用场所内及该平台附近的其它系统和平台的主要发射辐射装备,对可能存在的各种电磁现象进行详细划分。

结合装备检测的特点,按照每种电磁现象对装备的作用特点对电磁现象进行分类：

①将雷电、电磁脉冲、静电放电作为单独一类电磁现象。雷电、电磁脉冲、静电放电属于瞬变电磁现象,其作用于装备的时间极短,但破坏作用较大[5]。MIL-HDBK-237D《采办过程中电磁环境效应及频谱保障性指南》第七章 E3试验策略中,将雷电、静电放电、电磁脉冲作为特殊的 E3问题,单独进行试验[6]。这种分类与国外如美军、英军对电磁现象的分类是一致;

②将非有意对抗电磁辐射作为一类电磁现象。这种电磁现象主要是指工作频道附近相邻信号的电磁辐射,可以称之为非对抗干扰电磁环境。非对抗干扰环境的主要特点是：干扰信号一般不出现在接收机工作的中心频率上,接收机工作频率与干扰频率之间有一定的频率差Δf,其干扰效果的好坏及干扰场强值的大小与频率差值的大小有直接关系;

③将电子对抗装备产生的发射辐射作为一类电磁现象。电子对抗信号的特点是干扰信号主要出现在接收机工作的同一频点或邻频上,主要由敌方施放的干扰为主,信号形式与被干扰装备发射信号的相关性强,对装备的影响较大。而且,针对这种干扰的防护设计或者困难或者代价太大。这种干扰通过科学频谱规划可在一定程度上减轻干扰影响程度;

④将平台一定区域内存在的其它电磁现象的共同作用环境定义该平台的基础电磁环境。平台基础电磁环境,简称为平台电磁环境,主要由平台上的各种电磁发射源产生,其对装备的作用特点是作用于装备的持续时间长,是装备在该平台上工作时必须克服的外部电磁环境,是装备设计时对装备设计指标的最低要求。

综上所述,用频装备检测电磁环境的分类如图2所示。

图 2 检测电磁环境分类

2.3 暗室内电磁环境构建可行性分析

电磁环境构建是基于 10米法电波暗室进行,电波暗室净空间尺寸 21.5 m×13.5 m×11.5 m,对角距离为

首先需要分析两种情况：一是试验中被试装备或系统(以下统一简称EUT)是处于实际工作状态,对于收、发信机应连通天线工作。为此,EUT与互通装备的接收、发射天线应在暗室内并处于远场区,那么满足远场条件的测试频段是多少?二是模拟其它装备、系统对 EUT的电磁影响时为节约模拟源功率是否可采用近距离辐射方式?

(1)远场条件及测试频段

由电磁场理论可知,辐射源辐射的电磁波分为束缚电磁波和自由电磁波,前者为无功场,只存在辐射源与束缚电磁场之间的电能与磁能的转换,不产生能量的传播。由于需要EUT与配试装备处于正常的通信状态,也就是说希望到达被试装备上的是自由电磁波。束缚电磁波存在于天线近区内,自由电磁波存在于天线远区内,两者的分界与波长有关,当EUT的天线为线天线时,通常取 λ/2π≈ λ/6,也就是说,距波源少于 λ/6的距离内为近区,希望被试装备与配试装备的天线的距离大于 λ/6,处于远区内。

该暗室拟模拟电磁环境的最低频率暂按 2MHz考虑,其波长为 150 m,近区 λ/6=25 m。暗室的斜距为25.3m,可以满足远场条件。

对于 EUT天线为面天线时,其近区通常按 R=2D2/λ,D为天线的口径。国外对装备的大量试验结果统计表明,对于通信装备,影响最严重的电磁能量集中在 3 GHz以下。如暂按 3 GHz考虑,其波长为 0.1 m,当 D=0.9 m时,近区距离R=16 m;D=0.1 m时R=0.2 m,均满足远场条件。

(2)近距离辐射的可行性

讨论的复杂电磁环境仿真,只要求在EUT处模拟产生一个类似实际的复杂电磁环境的电磁场强及相关特性,此时,并不一定要处于远场区。正如同在 GJB152A的 RS103测试中,对被测装备在 1 m处由发射天线辐射电磁波考核被测装备的电场辐射敏感度,所用频率范围为 10 Hz～40 GHz。如果以远近场的观点看,在 1.5 GHz以下频率被测装备都处在近场内。所以这里可以不去区分近、远场,只需关心在被测装备处产生的场强大小及相关特性。

2.4 半实物仿真电磁环境构建系统

半实物仿真电磁环境构建系统主要由电磁环境信号数据库管理系统、计算机控制系统、矢量信号发生器、功率放大器、发射天线、场强监视等系统组成,系统组成图如图 3所示。系统通过 Agilent ADS、89600仿真软件和矢量信号发生器,完成电磁环境信号的调用、编辑和下载,其中 89600软件负责进行单个信号的调用,以及将信号下载至信号源,Agilent ADS负责多个信号的调用、编辑和下载;功率放大器主要负责电磁环境场强值的量化;发射天线负责输出测试所需的不同极化方式的电磁信号;场强监视器负责场强值的监测以保证量化的电磁环境满足限值要求。

图 3 电磁环境构建系统

Agilent ADS是安捷伦一套强大的电子设计自动化软件,是专门针对电子系统,电路设计仿真的 EDA工具,可以提供目前最为完整的系统及电路计算机和半实物仿真功能,把系统设计和硬件原型紧密地结合在一起,可以更快、更高效地完成产品设计[7]。安捷伦ADS软件通过仪表连接管理器可以很容易地与各类测试仪表相连实现虚拟原型,形成软件仿真,仪表测试验证方案,进行半实物仿真。另外,也可以利用这些信号捕捉仪表对干扰信号,杂波信号和噪声信号进行捕捉,然后把这些信号做为信号源带入软件仿真环境,提高软件仿真的逼真度。

电磁环境构建系统的工作原理可以概括为：根据不同的测试需求,将所采集的电磁信号数据库中的不同电磁信号下载到ADS软件进行编辑处理,通过信号源产生测试环境中所需要的电磁信号,并协同功率放大器将电磁信号量化至规定的电平值,最后经发射天线在电波暗室内某一确定测试区域产生所需的检测电磁环境。

3 用频装备检测电磁环境的评估

3.1 评估系统组成及工作原理

电磁环境评估系统主要由标准场地电磁环境构建系统和信号采集系统组成,具体为场强探头、光纤、光电转换器、场强监视器、接收天线、射频电缆、衰减器、频谱分析仪、89600软件、计算机等,系统组成如图 4所示。

图 4 电磁环境评估系统

其工作原理为：标准场地电磁环境构建系统按照电磁环境的分类与分项构建出装备检测电磁环境,信号采集系统对装备检测电磁环境进行实时捕捉,并利用 89600软件进行频谱和信号特性分析,评估检测环境的真实性和可靠性。

3.2 电磁环境评估指标

现评估系统的关键点在于评估指标体系的选取,如何确定评估指标、选取哪些评估指标成为标准场地检测电磁环境真实性检验的核心。

(1)评估指标选取的基本原则

电磁环境评估指标的选取应遵循以下原则：

①一致性原则。在选取评估指标时必须保持系统功能与使命的一致、性能与功能的一致以及数据的表现形式与真实战场电磁环境的一致;

②层次性原则。战场电磁环境主要表现为各种信号的矢量叠加,然而某一地点、某一时间不同电磁信号对装备的影响程度是有主次之分的。因此,层次性原则要求在评估电磁环境时,应正确区分主要矛盾和次要矛盾,抓住关键点,这样才能建立合理的评估指标;

③可行性原则。评估的指标应是可测的,指标本身便于实际使用,度量的含义明确,具备现实的收集渠道,便于定量分析,具备可操作性;

④灵活性原则。构建电磁环境主要用于装备电磁环境效应试验,因此在保证环境真实性与试验可用性的前提下,应灵活处理环境信号的参数和表现形式。

(2)电磁环境评估指标

电磁环境构建的基本要素是电磁信号,任何电磁信号都可以定量直观地描述其特征,因此电磁环境评估指标应主要体现在电磁信号性能上[8]。电磁环境评估指标如图 5所示。

图5 电磁环境评估指标

①平台基础电磁环境：用频装备在自己的作战区域或平台上工作时,应首先要能克服地区噪声、平台基础电磁环境对自己的影响,这是最基本的环境要求。这种电磁环境的评估指标主要是平均场强值;

②非对抗干扰电磁环境的评估指标包括频率准确度和平均场强值或信噪比(S/N);

③电子对抗环境的评估指标主要包括干扰方式参数、干扰信号样式、平均场强值(功率值)、频率准确度、信号占用带宽等;

④瞬变电磁环境评估指标主要是平均场强值。

4 结语

为评估装备在战场复杂电磁环境下的生存能力就必须进行电磁环境效应试验,而只有在逼真的战场信号环境下,才能检验出被试装备的实战战术性能,才能为装备的定型及部队的作战使用提供真实可信的技术依据。因此在暗室中构建真实战场电磁环境是电磁环境效应试验的基本前提。没有逼真可靠的检测环境就无法进行真实的电磁环境效应试验;没有定量描述的检测环境就难以获得准确的电磁环境效应试验数据;没有复现性强的检测环境就不能对装备存在的问题和影响因素进行科学合理的分析。

采用依托ADS软件配合相应仪表构建的检测环境不仅可以逼真模拟装备所处的战场电磁环境,而且具有很强的可重复性和良好的可控性。这将对检测装备在复杂战场电磁环境下的作战效能具有重要应用价值,也将成为提高中国军队装备性能评估和仿真能力的必然趋势。

[1]李莉,孙振华,李立伟.装备定型试验中复杂电磁环境研究[J].装备指挥技术学院学报,2009(02)：73-76.

[2]安霆,宋学君,孙国至,等.电磁环境效应及建模分析方法研究[J].电气技术,2007(06)：16-19.

[3]RONALD PIRICH,CARROL BASANEZ,PRAVEEN ANUMOLU.E-lectromagnetic Environmental Effects Modeling[J]Simulation＆Test Validation for Cosite Mitigation-An Overview,2008(2-2)：1-6.

[4]ZHOU CHANGLIN,ZHAN ZHAN.Research on the Electromagnetic Environment Effect on Wireless Communication Systems[C].USA：IEEE,2008：1478-1481.

[5]安霆,刘尚合,孙国至.某型装备的 UWB电磁脉冲效应研究[J].高电压技术,2008(11)：2428-2432.

[6]MIL-HDBK-237D-2005.采办过程中的电磁环境效应和频谱保障性指南[S].中国：中国航空学会环境工程学会,2006.

[7]高沈,康荣宗,刘洛琨,等.一种基于ADS和Matlab的锁相环电路设计方法[J].通信技术,2009,42(05)：34-36.

[8]邹阳森,刘东.复杂电磁环境系统的效能评估[J].兵工自动化,2009(11)：86-88.