电磁环境复杂度等级评估模型

李文臣，张政超，陆 静，杨会民，梁高波，郝光宇

(1.中国人民解放军63880 部队，河南洛阳 471003;2.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)

0 引 言

信息化条件下，随着各类电子设备和信息化武器装备在战场上的日益广泛应用，战场电磁环境越来越呈现出其复杂多变的重要特性［1］。如何评估复杂电磁环境条件下电子装备的工作性能或适应能力是国内外电磁环境领域的研究热点［2～4］。为了检验复杂电磁环境下电子装备的适应能力，必须首先明确战场电磁环境复杂度等级评定方法。近年来，国内已有不少学者对电磁环境复杂度评估进行了初步研究［5～8］。文献［5，6］综合考虑了战场态势的三个指标，对战场电磁环境进行了等级分类，并给出了辅助分析软件。文献［7］从信噪比空间的概念建立了电磁环境复杂度度量方法和度量标准，并给出了电台网的复杂度空间等级。文献［8］提出了基于相关度的战场电磁环境复杂度评估方法。以上方法具有局限性，可操作性差，不适用于侦察类设备，另外对信号密度、调制样式、极化方式等可能对电子装备产生不同影响的环境信号参数缺乏要求。

根据靶场复杂电磁环境适应性试验的特点和实际需求，如何制定满足不同电子装备类型的战场电磁环境复杂度等级，是通用电子装备复杂电磁环境适应性试验的设计难点。综合考虑雷达类、通信类和侦察类设备的工作特点，提出了基于装备类型的复杂度评估标准。

1 电子装备类型及其电磁环境适应性特点

战场电磁环境是指在一定的战场空间内对作战有影响的电磁活动和现象的总和［1］。复杂电磁环境是指对武器装备运用和作战行动产生一定影响的电磁环境，为了评估电子装备的复杂电磁环境适应能力，需要进行复杂电磁环境适应性试验。电磁装备适应性试验首先要制定统一的电磁环境平台，即环境等级，然后在同一电磁环境等级下，试验电子装备的性能，评估电子装备的适应能力。由于复杂电磁环境适应性试验主要是针对装备自身的工作性能，因此电磁环境等级不考虑装备的战术应用环节，从时域、频域、空域、能量域、极化域和信号域等综合考虑电磁环境构建，并制定相应的环境等级。

电磁环境等级是评估电子装备的适应能力的平台，要具有普遍性、可操作性。根据靶场复杂电磁环境适应性试验的特点和实际需求，综合考虑通用电子装备类型，制定环境复杂度评估标准。首先按照电子装备工作特征和信号处理方式，将电子装备分为雷达、通信、侦察和信号环境模拟四类。

雷达类设备依靠接收雷达目标信号为双程衰减。通信类设备接收到通信信号为单程衰减信号，例如卫星导航、应答机和通信等电子装备。雷达和通信类设备接收到的信号有明确的信号参数，可以采用相关接收提高信噪比。由于这两类设备的电磁信号易被敌方侦察并实施干扰(瞄准或阻塞干扰)，因此其面临的电磁干扰环境将严重影响其作战效能的发挥。

侦察类设备包括电子对抗、侦察、无源探测等电子装备，侦察信号为单程衰减信号，但接收信号参数未知。侦察类设备需要对外界未知的电磁信号进行搜索、截获、分选、识别等，以获取外界电磁环境信息。电子对抗设备在侦察的基础上，需要进一步发射同频段噪声和相参信号;无源探测电子设备需要通过侦察到的时频和空间信息，对外辐射源进行定位。由于侦察能力受战场环境中我方/敌方密集电磁信号环境及敌方有意干扰设备(例如诱饵或信号模拟器等)的影响，其瞬时工作频带内可能有多个目标信号，存在着大量的重叠脉冲，分选和识别将受到影响。另外威胁辐射源的工作模式和频率等特征参数大范围快速变化，会造成脉冲链去交错非常困难。信号分选存在的错误将导致信号的大量增批、漏批，造成识别率大幅降低。

信号环境模拟类包括各类信号模拟器，由于该类设备只是辐射电磁信号，没有与外界环境进行交互，因此不考虑该类设备的环境适应性。

2 基于电子装备类型的电磁环境复杂度等级评定

2.1 雷达类设备的电磁环境复杂度等级

雷达类设备电磁环境复杂度等级的制定仅以外界噪声干扰为基础，不考虑相参干扰带来的干扰积累增益。雷达的接收机噪声功率为［9］

式中，k=1.38 ×10－23J/K 是波尔兹曼常数;接收机噪声温度T0=290 K，K 为开尔文温度;B 为雷达瞬时带宽;Fn为雷达接收机噪声系数。

噪声干扰情况下，雷达接收到的干扰信号强度为

式中，PJnoise为干扰功率;Δf 为进入雷达接收机带宽内的噪声功率带宽;Δf ＜B，B 为雷达瞬时带宽;B0为噪声干扰机的瞬时带宽;GJ为干扰机在雷达方向上的天线增益;LJt干扰机的发射损耗;LRr为雷达接收损耗;GRJr为雷达在干扰机方向上的接收天线增益;λ 为雷达波长;Rj为雷达与干扰机的距离。

雷达目标回波信噪比为

式中，Ptarget为目标回波信号;Pt为雷达发射功率;GRT为目标方向天线增益;σT为目标RCS;λ 为雷达工作波长;Rt为目标与雷达的距离;L 为综合损耗;DT为目标回波的综合抗干扰改善因子，对于单个LFM 信号，不考虑匹配加权损耗，DT=BT。

外界无干扰时，即Pjam=0，雷达对目标的探测距离为RRT=R0;当存在干扰时，探测距离为RRT=gR0，0≤g≤1 为距离压制系数。由于雷达检测需要相同SNR，参考式(3)，得到

定义电磁环境门限系数为干扰信号强度与接收机噪声信号之比(或称为干噪比)，即

式(5)也可以表示为天线接收口面功率密度的干噪比形式，即

式中，天线口面面积S =Gλ2/(4π);G 为接收机天线增益;λ 为波长;PjamS=Pjam/S 为装备天线口面接收到的外界干扰信号功率密度;nS=δ2/S 为接收机噪声功率密度门限。

按照距离压制系数定义复杂电磁环境等级，该指标即可以体现外界的电磁复杂程度，又能反映电子装备自身的环境适应能力。将电磁环境分为4级，电磁环境等级定义为

其中0 级为简单电磁环境，环境门限系数0≤η ＜1 时，距离压制系数1≥g ＞0.84;1 级为轻度电磁环境，环境门限系数1≤η ＜15 时，距离压制系数0.84≥g ＞0.5;2 级为中度电磁环境，环境门限系数15≤η ＜255 时，距离压制系数0.5≥g ＞0.25;3 级为重度电磁环境，环境门限系数255≤η 时，距离压制系数0.25≥g≥0。

2.2 通信类设备的电磁环境复杂度等级

对于通信类装备，接收机的信噪比为

式中，Ps为接收信号强度;Pt为其他设备发射功率;GT，GR为通信设备的天线发射和接收增益;λ 为雷达工作波长;R 为目标与雷达的距离;L 为综合损耗;DT为目标回波的综合抗干扰改善因子。

同理，电磁环境门限系数也可以表示为天线接收口面功率密度的干噪比形式，即

按照通信距离压制系数定义复杂电磁环境等级，将电磁环境分为4 级，电磁环境等级定义为

其中0 级为简单电磁环境，环境门限系数0≤η ＜1 时，距离压制系数1≥g ＞0.71;1 级为轻度电磁环境，环境门限系数1≤η ＜3 时，距离压制系数0.71≥g ＞0.5;2 级为中度电磁环境，环境门限系数3≤η ＜15 时，距离压制系数0.5≥g ＞0.25;3 级为重度电磁环境，环境门限系数15≤η 时，距离压制系数0.25≥g≥0。

2.3 侦察类设备的电磁环境复杂度等级

侦察类设备的复杂电磁环境等级以天线接收端口的过门限信号的脉冲流密度为参考，制定复杂度等级与脉冲流密度的关系。脉冲流密度应该是侦察设备瞬时带宽内的不同载波频率脉冲串的叠加。侦察接收机设备在满足对接收信号能力正常检测的条件下，输入端信号最小功率应该满足工作灵敏度，要求信号/噪声SNR=14 dB［10］，约25 倍，即输入端的最小功率为

考虑实际用频装备接收机(或天线)天线口面的信号强度作为电磁环境门限功率，用天线口面功率密度的W/m2表示。环境信号转换为用频装备天线口面的功率密度(功率/面积)表达式

式中，T0=290 K 为接收机参考温度;接收机瞬时带宽B;Fn为接收机噪声系数;η 为电磁环境门限系数;G 为接收机天线增益;λ 为波长;S 为天线口面面积。一般侦察接收机瞬时带宽远大于单个环境信号带宽，因此超过该门限的外界信号都能被侦察到。

对于侦察接收机来说，过门限的信号很多的情况下，存在着大量的重叠脉冲，分选和识别将受到影响，侦察接收机工作环境的复杂度主要表现为过侦察门限信号流。假设有N 个信号脉冲流超过检测门限，第n 个脉冲流包括相同的载波频率和调制样式，脉宽相同，重复周期可以是抖动参差等。

针对该类侦察系统，将信号重叠造成的丢失概率作为复杂环境的等级的主要因素，雷达数量越多、工作比越高，造成信号丢失概率越大。参考文献［10］，可以得到第i 装备信号脉宽与其他装备信号的重合概率为

式中，Pi，j为在i 装备信号脉冲宽度内重合j 装备信号的概率;Pi，i为自身重合概率;Pi，i=0，min(x，y)为取最小;Ti，τi分别为第i 个信号流的平均重复周期和脉冲宽度。当只有一个脉冲串时，信号重合概率P=0。

N 个装备的平均重合概率为

按照多信号时域重合度确定复杂度等级，不考虑过门限带内多信号幅度差别(多信号动态范围变化)造成的强信号压制弱信号，使侦察性能降低;不考虑脉内扩频调制、频率分集、重频抖动参差等对信号环境复杂度的影响;不考虑侦察天线宽度和空间搜索率等影响，这部分通过后面动态仿真进行。将侦察电磁环境分为4 级

其中0 级为简单电磁环境，信号脉冲流重合度0≤P ＜0.1 时;1 级为轻度电磁环境，信号脉冲流0.1≤P ＜0.2 时;2 级为中度电磁环境，信号脉冲流0.2≤P ＜0.4 时;3 级为重度电磁环境，信号脉冲流0.4≤P≤1 时。

3 复杂电磁环境复杂度等级动态统计分析

如果用频装备天线是扫描的，例如常规雷达天线，用频装备在某固定方向上的天线增益是时变性，相同背景环境情况下，用频装备受背景信号干扰程度是不同的，下面基于雷达、通信、侦察类设备，研究动态电磁环境场景分析复杂电磁环境复杂度等级。该评估等级综合考虑天线的转动、频谱占有度、时间占有度、空间占有度和极化损耗等因素的影响，综合评定复杂度等级。

3.1 雷达类和通信类设备的综合电磁环境复杂度等级

外界信号到达用频装备天线接收口面的功率谱密度，要根据用频装备天线指向、外界信号方向，统一转换到天线口面功率谱密度，同时要考虑外界信号为瞬时带宽内的信号。多个辐射源到达用频装备的天线端口面的功率谱密度为

式中，天线口面面积S =Gλ2/(4π);G 为接收机天线增益;λ 为波长;N 为辐射源数目;Δfi为第i 个辐射源与用频装备瞬时工作频率的交叉频谱宽度(如果辐射源或用频装备采用跳频工作方式，则Δfi是时变量，Δfi≤B，接收机瞬时带宽B);Pti为第i 个辐射源发射峰值功率;Bi为第i 个辐射源的瞬时带宽;fi为第i 个辐射源的工作频率;Gti为第i 个辐射源在用频装备方向的天线增益;G 为用频装备天线增益最大值;Gri为用频装备在i 个辐射源方向的接收天线增益(Gri/G 为归一化增益);波长λ =c/f0，c 为光速;f0为用频装备工作频率;Ri为两者之间的距离;Lti为第i 个辐射源发射损耗;Lr为用频装备接收损耗(主要考虑极化失配损耗，交叉极化损耗一般取26 dB)。

瞬时复杂电磁环境门限系数为

雷达类设备的瞬时复杂电磁环境等级的平均数值为环境的复杂度等级，表示为

同理，对于通信类设备，瞬时复杂电磁环境等级的平均数值为环境的复杂度等级，表示为

式中，T 为积分时间长度，一般取整数个扫描周期。

3.2 侦察类设备的综合电磁环境复杂度等级

当环境信号超过侦察接收机检测门限时，即当PPi(t)＞SAth时，统计过门限的环境信号流数目，过门限信号流数目N 为

式中，U [ x] 为单位阶跃迁函数，当x ＞0 时为1，否则为0。

统计瞬时环境门限，得到

瞬时复杂电磁环境等级的平均数值为环境的复杂度等级，表示为

式中，T 为积分时间长度，一般取整数个扫描周期。

5 结 语

从顶层设计入手，制定复杂电磁环境适应性试验评估基本标准，提出了基于装备类型的复杂度评估模型。并初步开发了战场电磁环境复杂度等级评估软件系统，利用该软件可计算不同电子装备所面临的复杂电磁环境等级，可作为电子装备战术训练、电磁环境适应性试验和战场频谱管控等辅助软件系统，限于篇幅，相关研究在后续论文中给出。

研究成果可为复杂电磁环境适应性试验和作战指挥研究提供重要支撑，对于复杂电磁环境外场构建、战场电磁环境复杂度等级评估及电子装备复杂电磁环境下的作战效能评估具有重要意义。

［1］王汝群. 战场电磁环境［M］. 北京:解放军出版社，2006:15-18.

［2］ MIL-STD-464A:Electromagnetic Environmental Effects Requirements for Systems［S］.Department of Defense Interface Standard，2002.

［3］王伦文，孙伟，潘高峰.一种电磁环境复杂度快速评估方法［J］.电子与信息学报，2010，32(12):2942-2947.

［4］王伟中，罗小明，王洪. 复杂电磁环境对雷达作战能力的影响及应对措施［J］. 四川兵工学报，2011，32(3):154-156.

［5］洪家财，侯孝明.美军电磁环境效应研究启示［J］. 装备指挥技术学院学报，2009，20(3):10-13.

［6］朱正禧，尹成友，孙冲.战场电磁环境复杂度评估软件设计与实现［J］.电子工程学院学报，2011，30(2):42-45.

［7］尹成友. GJB 6520-2008 战场电磁环境分类与分级方法［S］. 中国人民解放军总装备部，2008.

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［9］丁鹭飞，耿富录. 雷达原理［M］. 西安:西安电子科技大学，2001.

［10］赵国庆.雷达对抗原理［M］. 西安:西安电子科技大学出版社，2001.