基于半实物平台的战场复杂电磁环境信号生成与实现

2017-06-05刘姜玲

中国电子科学研究院学报 2017年2期

关键词：实物战场频谱

邵康，刘姜玲

(中国电子科学研究院，北京 100041)

工程与应用

基于半实物平台的战场复杂电磁环境信号生成与实现

邵康，刘姜玲

(中国电子科学研究院，北京 100041)

针对战场复杂电磁环境试验测试需求，基于现有的仪器和仿真软件，搭建了战场复杂电磁环境信号半实物激励系统。本文首先对战场复杂电磁环境信号进行分类，并对不同类型电磁环境信号进行了建模仿真，然后对半实物系统的硬件平台的搭建进行了介绍，通过搭建的半实物激励系统生成了不同类型复杂电磁信号，包括单个类型信号以及不同类型混合信号，利用实时频谱分析仪对生成的复杂信号进行了测试。最终通过与仿真结果的对比分析，验证了该方法的可行性。

战场复杂电磁环境；半实物激励系统；信号生成

0 引言

现代信息化战场以电子技术和信息技术为基础在信息领域进行对抗。各种雷达、通信、导航、敌我识别、电子战装备等军用辐射体的功率越来越大，数量成倍增长，频谱越来越宽，使战场电磁环境越来越复杂。复杂电磁环境对电子信息系统的严重影响已经成为军用武器装备的极具挑战性的难题。以预警机为例，近年来，在我军模拟进行的多场现代战争条件下的军事训练与演习，暴露出了大量电子信息装备的电磁环境适应性问题。预警机任务电子系统在复杂电磁环境中所出现的性能下降、功能失效等适应性问题与其所处的电磁环境态势、战场态势等要素密切相关，但对其内部作用机理尚不能完全明晰。

为高效评估预警机任务电子系统的性能，检测复杂电磁环境对装备威力的发挥、作战使用性能、作战效能的影响，需对复杂电磁环境进行构建，构建方法包括外场实兵模拟、半实物仿真模拟和数字仿真模拟，然而外场实兵模拟构建方法虽然能够真实逼真模拟装备的实际复杂环境，但是外场环境容易受到地理天线等因素的影响，且组织外场试验会耗费大量人力、物力和财力，经济投入太大，全数字模拟仿真能够将所有场景通过计算机仿真的方法进行构建模拟，评估装备的复杂电磁环境适应性，但是该方法对各种装备、信号模型的模拟难度较高，半实物方法是综合了上述两种方法的优点，是一种性价比较高的方法。很多文献[1-5]对半实物在装备系统进行电磁兼容和电磁环境设计方法等方面都提出了应用，如北京航空航天大学提出了构建半实物平台分析预测飞机油量表系统的电磁干扰，并提出设计整改措施[6]，中国电科54所提出一种依托ADS及Agilent89601软件配合测试仪表构成的半实物仿真系统[7]，这个系统能应用于构建电磁环境，但其对工作环境有具体要求，并且所产生的信号有限。本文提出一种适用性强、动态性强、应用多样、贴近真实情况、易操作的构建复杂电磁环境的半实物系统．通过应用实例验证了该系统的性能。

1 战场复杂电磁环境信号构成

通常来说，复杂战场电磁环境主要由通信环境、雷达环境、光电环境、电子对抗环境、民用电磁环境和自然电磁环境等组成[8]。依据战场复杂电磁环境的特点，通过梳理预警机在战场所面临的复杂电磁环境干扰信号，得到预警机战场电磁环境干扰信号的类型主要包括如下几种：

1)雷达信号

雷达信号按照工作波形划分为连续波雷达和脉冲雷达，雷达信号分类如图1所示。

图1 雷达信号模型分类

2)通信信号

通信信号根据工作模式的不同分为模拟调制信号和数字调制信号，具体分类如图2所示。

图2 通信信号模型分类

3)电子干扰信号

电子干扰信号主要包括雷达干扰和通信干扰，信号模型分类如图3所示。

图3 电子干扰信号模型分类

上述信号类型可以通过SystemVue软件构建仿真模型真实产生，并通过半实物系统的矢量信号源发射出来。

上述信号主要以调制信号为主，文献[3]给出了调制信号通用的数学模型表达式，如下所示

cos[ωk,m(t+τk)+φk(t)]

(1)

如果有M个干扰信号叠加，其数学模型为：

cos[ωk,m(t+τk)+φk(t)]}

(2)

公式(2)中各参数含义与公式(1)相同，信号将基于上述数学模型在SystemVue仿真软件中加以实现。

2 战场电磁环境信号实现方法

依据战场复杂电磁环境信号构成以及半实物激励系统由复杂电磁环境信号仿真服务器、矢量信号发生器以及实时频谱分析仪组成。基于软件无线电技术将雷达信号、通信信号、电子干扰信号等在SystemVue软件中构建仿真模型，并将仿真构建的波形信号下载至矢量信号发生器之中，将仿真信号真实地产生出来，模拟复杂战场环境信号，信号实现流程如图4所示。

图4 复杂电磁环境信号实现流程图

其中，信号波形计算软件采用Keysight公司的SystemVue软件，信号发生器使用E8267D，信号输出后，应使用频谱分析仪进行监测，检查产生的信号是否正确，本系统使用的频谱仪为泰克公司的RSA6106A。实时频谱仪对产生的信号进行分析，包括时域、频域、调制域、星座图、灰度图、瀑布图等方面。半实物复杂电磁环境信号激励系统的实物如图5所示。

图5 基于软件的半实物激励系统实物图

3 单个类型环境信号生成方法

使用半实物激励系统平台分别构建模拟产生线性调频雷达信号、单脉冲雷达信号、调幅信号以及QPSK调制信号四种类型，其信号参数如表1所示。

使用SystemVue软件对上述信号进行仿真模型构建，并将仿真信号波形下载至矢量信号发生器之中，通过实时频谱分析仪监测的信号频域特性，该过程为信号模型的半实物仿真方法。同时，上述信号类型还可以通过矢量信号源或者专用雷达模拟器等设备发射，并使用实时频谱分析仪监测信号特性，该过程为信号测试方法。两种方法得到的单个类型信号的频域特性对比如图6所示。

表1 单个类型战场电磁环境信号参数列表

图6 线性调频雷达信号频谱对比图

图7 单脉冲雷达信号频谱对比图

图8 调频信号频谱对比图

图9 QPSK信号频谱对比图

图10 通信窄带干扰信号频谱对比图

图11 QPSK信号星座图

由图6～图10可以看出，通过半实物激励系统建模仿真得到的信号波形与实际测试的波形基本一致；实时频谱仪对QPSK信号进行星座图解调如图11所示。可以看到，半实物激励系统发射的典型数字调制信号的星座图与理论上的星座图分析相一致。因此，通过上述仿真与实测对比分析，验证了本文构建的半实物激励系统产生单个类型信号波形的准确性。

4 战场电磁环境综合建模技术研究

搭建完成的战场电磁环境信号激励半实物平台不仅能够生成单个类型电磁信号，还能够实现的功能指标如下：

1)具有复杂电磁信号模拟发生功能；

2)具有模拟复杂电磁信号在空中传输的功能；

3)具有信号延迟功能，用于构建高密度电磁信号；

针对复杂电磁环境的特点，需要将之前建立的不同辐射源信号模型综合起来，从空域、时频、频域等不同维度进行综合构建，模拟构建复杂战场电磁环境。

1)不同类型的雷达信号混合仿真模型的构建

建立线性调频雷达信号和非线性调频雷达信号两个模型，设置线性调频雷达的时延为10 μs(时域维度)，非线性调频雷达信号的衰减为5 dB(空域维度)，两个信号的载波频率分别为1 GHz和980 MHz(频域维度)，则生成的信号波形频域特性如图12所示。

图12 不同类型雷达信号混合频谱图

2)不同类型的通信信号混合仿真模型的构建

建立不同载波频率的BPSK、QPSK以及MPSK等通信信号，码元类型均为PN9，载波频率分别为1 GHz、980 MHz以及1.02 GHz，则生成的信号波形的频域特性如图13所示。

图13 不同类型通信信号混合频谱图

3)通信雷达信号混合仿真建模

建立不同载波频率不同类型的通信雷达信号，构建线性调频雷达信号、非线性调频雷达信号、单脉冲雷达信号以及QPSK通信信号，其设置参数如下表所示。

表2 雷达通信混合信号参数列表

对上述信号模型进行建模后所生成的信号波形频域特性如图14所示。

图14 雷达通信混合信号频谱图

由图14中可以看出，本系统通过仿真模型模拟产生的信号波形与单个信号类型合路的频谱基本一致，由此验证了半实物战场复杂电磁环境信号激励系统自定义产生复杂电磁环境信号的可行性。

5 结语

基于半实物平台的战场电磁环境信号能够依据软件对信号仿真模型的搭建，模拟干扰信号，将波形下载至矢量信号源，并通过实时频谱分析仪进行监测，能够自定义各种复杂的电磁环境信号类型，搭建的半实物激励系统能够应用于系统的复杂电磁环境效应试验。由于复杂电磁环境对功率要求较高，目前该系统的发射功率较小(最高只能达到+30 dBm)，可进行小功率注入测试，后续扩展中需要增加功率放大器、辐射天线等设备，实现对装备进行空间辐照测试。

[1] 郭淑霞, 董中要, 刘孟江等. 复杂电磁环境模拟技术研究[J]. 国外电子测量技术,2013,32(7): 21-25.[2] 刘丽明, 黄文亮, 孙璐璐. 海战场复杂电磁环境构建方法[J]. 舰船电子对抗, 2010.8,33(4):15-17.

[3] 李莉, 孙振华, 李立伟等. 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, 2009,20(2):73-76.[4] 张显, 詹海洋, 王宇等. 一种复杂电磁环境的构建方法[J]. 空军预警学院学报, 2011.2,8(1):355-358.

[5] 丁萧, 陈亚洲. 战场复杂电磁环境的仿真与构建方法研究[J]. 装备环境工程, 2011.2,8(1):33-37.

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[7] 易卿武, 郑晓冬.基于半实物仿真的复杂信号生成设计[J]. 无线电工程, 2012, 42(10): 30-32.

[8] 高斌, 唐晓斌. 复杂电磁环境效应研究初探[J]. 中国电子科学研究院学报, 2008,3(4): 345-350.

The Generation and Realization of Electromagnetic Environment Signals on Battlefield Based on Semi-physics Platform

SHAO Kang， LIU Jiang-ling

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

according to the requirement of complex electromagnetic environment (EME) test on battlefield, the EME signals semi-physics inspiration system on battlefield would be built. In this paper, the complex EME signals would be divided into several kinds. Then the simulation model of different type of the signals would be built and simulated. And also the hardware platform of the semi-physics system would be introduced. With that system, the actual signals simulated by the simulation model would be generated though vector signal generator, including simple type signal and combined signals of several types. Finally, the accuracy of generated signals would be test using real time spectrum analyzer. Finally, the feasibility of the method mentioned would be proved though the comparison analyze between simulation and test result.

complex electromagnetic environment on battlefield; semi-physics inspiration system; signal generation

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.014

2016-12-15

2017-02-06

总装备部“十二五”预先研究项目(51333050302)

TP391.9；O441

1673-5692(2017)02-176-05