基于自然地理空间的战场电磁环境模型及评估方法*

马延明 李仁松

(海军兵种指挥学院 广州 510430)

基于自然地理空间的战场电磁环境模型及评估方法*

马延明 李仁松

(海军兵种指挥学院 广州 510430)

对战场电磁环境的描述和评估是其他应用研究的基础。简单物理化和形象化的描述,以及基于这种表述方法的对战场电磁环境的综合评价存在客观性、实用性不强的缺点。在地理空间上从自然辐射、人工辐射源和接收设备、电磁波传播环境几方面出发所建立的战场电磁环境描述方法,以及在此基础上建立的多指标评价方法,可克服上述缺点。

战场电磁环境;描述;评估

Class NumberTM15

1 引言

战场电磁环境是战场环境的重要组成部分,也是研究的一个难点。战场电磁环境通常从电磁波的时域、频域、空间功率密度谱等几个特征上进行表述,典型函数是时变功率谱S(r,t,f)函数,它表示任一空间位置在任一时刻、频率、单位面积上在单位时间、单位带宽流过的电磁能量。用这种物理描述方法,在借助战场电磁侦测技术获取相关信息后,可用于武器装备的环境适应性设计论证。由于不同电子设备,在同样电磁环境条件下所受到的影响并不相同,因此即便将战场的每一处的电磁环境都搞清楚(实际上不太可能),部队也还是难以利用这些信息准确估计可能受到的影响。

从文献[2～3,5～6]可以看出,不论是模糊评估模型、层次分析法还是基于D-S证据理论的定量分析方法,企图对战场电磁环境影响建立起一个简单的评估办法,都使评估结果客观性降低、物理意义不明确而不便于应用。需要换个角度,以方便部队在作战训练中的理解和应用为目的来思考如何描述和评估战场电磁环境。

2 建立在自然地理空间基础上的战场电磁环境模型

2.1 战场空间点的电磁环境模型

对地理空间点的电磁场物理特征的描述,是建立战场电磁环境模型的基础。文献[3～4]中所使用的时变功率谱S(r,t,f)函数由于不包含电磁波

2.2 基于地理空间坐标的战场辐射源电磁环境模型

上述战场空间点的电磁环境模型只具有理论意义,在实践上甚至难以给出一个确切的表达式。如果从军事实践意义上解决这一问题,可以用辐射源加辐射传输函数的办法解决和式的有限分量问题。

2.2.1 辐射源的表示

从电磁信号的视角看,自然和人工电磁辐射源所辐射的电磁信号(电磁波)可以视为由某个基础频率及其许多经过幅度、相位甚至极化方向调制的倍频信号的合成波。其数学表达方法可以用空间矢量

式中,K为自然数;ω表示基础角频率;矢量Ak表示基频的k倍频信号的电场或磁场强度和方向,是时间t的函数;θk表示基频的k倍频信号的初始相位角,也是时间t的函数。

在这个表达式中,辐射源辐射电磁波所携带的信息以各频率信号的幅值、极化方向、相位角等携带。

对于自然干扰源(如闪电辐射、电焊的电火花辐射)则可以当成其所携带的信息是随机信号,在信号接收系统中是一种干扰。因此,任意一个电磁辐射源所辐射的信号都可以用式(1)的形式表示。

2.2.2 自然环境的电磁波传播函数

战场的地形地貌、植被和建筑物、战场大气环境、电离层等都对电磁波传播产生影响,理论上存在一个以自然环境为变量的传递函数,该函数由3个子函数组成,如果分别用矢量r1、r2表示战场空间的两个坐标点,则

Fa(r1,r2)表示位于电磁信号从r1点出发到达r2点后场强和极化方向的改变;

fω(r1,r2)表示位于电磁信号从r1点出发到达r2点后,频率的漂移;

fθ(r1,r2)表示位于电磁信号从r1点出发到达r2点后,相位的漂移。

为简便起见,定义一个矩阵函数F(r1,r2),如果位于r1点的辐射信号为A(1),到达r2点后变为A(2),则

不难理解,矩阵函数F(r1,r2)的形式将随战场大气环境以及电离层等条件的改变而发生变化。到目前为止,已经有一些基于地理信息系统(GIS)的软件可以部分实现该函数的功能。尽管矩阵函数F(r1,r2)的实现难度很大,可以预想必须由一个复杂的计算机软件来实现其功能,但在实际战术应用中却有很实际的用途,是一个必须解决的问题。

2.2.3 基于辐射源的战场电磁环境模型

在战场的任意一点r0,电磁信号的构成可以看作由一个当地背景噪声信号和有限个异地辐射源信号经空间传播后在本地的叠加,如果用A(0)来表示该地点的电磁信号,B(0)表示该地点的本地噪声信号,则B(0)是一个随机向量,通常情况下其平均强度随方向有所变化。

设异地点ri辐射源的辐射信号为A(i)(i=1,2,3,…,n)

则

3 对战场电磁环境的评估方法

将战场电磁环境分成战时和平时两种状态分别进行评估具有更强的实用性。平时对战场电磁环境的评估,主要应从获取各处的背景噪声B(0)和环境的电磁波传输矩阵函数F(r1,r2)入手,解决部队平时战备、训练和各种勤务过程中所出现的问题,如陆上指挥所无线电通信盲区的预测问题,警戒雷达探测范围变化的预先估计问题等。特别是由于气候、气象条件改变所引起的雷达观测范围和通信异常变化问题,是平时部队所经常遇到却没有有效解决的问题。因此,平时对电磁环境的评估可以依托不断完善的F(r1,r2)功能软件从解决局部重点地区开始向外逐步扩展。

战时战场电磁环境形成过程的特殊性给评估带来较大问题,本文参考文献中所提出的几种方法,由于战时难以获得实时的测量数据而无法进行实时评估。因此,依托统计数据的评估结果只具有统计意义,可以用于装备研制中的设计过程,却无法作为作战指挥时的决策依据。战时战场上的辐射源与兵力行动密切相关,因此辐射源的数量、位置、辐射信号特征都随时可能发生变化,因此无法利用式(3)计算特定位置的电磁环境。要解决这一问题,需要借助对作战问题的研究结果,利用与估计敌我双方兵力兵器相似的方法,预先估计战场上可能出现的辐射源及其辐射信号特征,然后再利用式(3)可以估算特定地点的电磁环境,进一步可以利用文献[4]的方法对电磁环境作出进一步评价。

当前许多对电磁环境的复杂度评估的方法,忽视了战场电磁环境几乎完全由人工构建出来并随时可以随意改变,实际上它更像是一种作战力量而不是供作战力量在其上行动的舞台。不能简单套用对自然环境进行描述、评价的方法。以环境的角度研究战场电磁环境,必须从较少变化的因素:背景噪声B(0)和环境电磁波传输矩阵函数F(r1,r2)入手,文献[9]提到了多种软件和方法用于解决电磁波传输矩阵函数的相关问题,有可供应用的软件包。相信随着研究的深入,许多困扰部队多年的雷达、通信装备使用可靠性问题将得以解决。

[1]王汝群.战场电磁环境[M].北京:解放军出版社,2006

[2]邵涛.战场电磁环境复杂度定量评估方法研讨[J].电光与控制,2010(1)

[3]代合鹏,等.电磁环境复杂度定量分析方法研究[J].微波学报,2009(6)

[4]陈行勇.面向对象的战场电磁环境复杂度评估[J].电子信息对抗技术,2010(3)

[5]董志勇,等.基于层次分析法的人为电磁环境复杂程度评估[J].指挥控制与仿真,2008(10)

[6]吴三元,等.复杂电磁环境评估方法研究[J].信息化研究,2010(5)

[7]赵保军,等.复杂电磁环境威胁模型研究[J].现代防御技术,2009(8)

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

[9]焦培南,等.雷达环境与电波传播特性[M].北京:电子工业出版社,2007,7

A Battlefield Electromagnetic Environment Model and Assessment Methods Based on Geographical Space

Ma Yanming Li Rensong
(Naval Arms Command Academy,Guangzhou 510430)

The description and assessment of the battlefield electromagnetic environment is the basis of other applied research.Simplified physics model or visualize description is inapplicable,therefore,comprehensive evaluation of battlefield electromagnetic environment based on these methods is deficient in objectivity and practicality.Such deficiency can be overcome by describing battlefield electromagnetic environment with respect to radiation in nature,artificial radiative sources and receivers,electromagnetic wave propagation environment,and the multi-standard evaluation method based on it.

battlefield electromagnetic environment,description,assessment

TM15

2010年8月13日,

2010年9月20日

马延明,男,副教授,研究方向:战场环境。的方向、极化特征,不能满足实际对抗需要。理论上,任意时刻、空间点处的电磁场的描述可以用该点的瞬时电磁场强值加以描述,并且由于电场和磁场场强的矢量叠加特性,这种表述具有唯一性。即对于任一空间点P(x,y,z),在任一时刻t,该点的磁场强度矢量H=h(x,y,z,t),电场强度矢量E=e(x,y,z,t)。这种表达方式尽管精确,却不好用。由于磁场强度矢量H和电场强度矢量E的瞬时值实际上是由向各个方向传播的、各种频率、各种极化方向、不同场强的电磁波的场强叠加的结果,因而理论上我们可以用一个 ∑和式或积分式来表示H和E。根据实际战场情况,考虑频率在300GHz以下的常用电磁频段内,合成H和E的电磁波来源可分为自然辐射和人工辐射两大类,其中人工辐射可以归结为有限个辐射源的辐射波经传播路径上的折射、反射、散射、吸收等效应后的结果;自然辐射部分依辐射特征又可分为强度、频谱、方向、极化特征都没有明显统计特征、又难以准确确定来源的部分(通常被称为背景噪声)和能够确定来源的部分(如闪电、宇宙辐射)。由此,可以将H和E用一个代表背景噪声的随机函数和有限个代表可确认辐射源的矢量函数的矢量和表达。