賈立印, 雷斌, 鐘圣

(重慶通信學院,重慶 400035)

0 引言

隨著信息化武器裝備大量投入使用,戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復雜,對裝備試驗提出了新的挑戰(zhàn)。研究裝備試驗中的復雜電磁環(huán)境構(gòu)建問題,對于開展貼近實戰(zhàn)的復雜電磁環(huán)境下裝備試驗,檢測復雜電磁環(huán)境對武器裝備戰(zhàn)技指標、作戰(zhàn)使用性能以及作戰(zhàn)能力(作戰(zhàn)效能)發(fā)揮的影響,提高武器裝備對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的適應能力和掌控能力,具有重要的理論和應用意義[1]。

1 復雜電磁環(huán)境概念及內(nèi)涵

復雜電磁環(huán)境是指在一定的戰(zhàn)場空間內(nèi),由空域、時域、頻域和能量上分布密集、數(shù)量繁多、樣式復雜、動態(tài)交替的多種電磁信號交迭而成、嚴重妨礙信息系統(tǒng)和電子設(shè)備正常工作、顯著影響武器裝備的作戰(zhàn)運用和效能發(fā)揮的戰(zhàn)場電磁環(huán)境[2]。

研究復雜電磁環(huán)境其目的實質(zhì)上是研究如何提高中國軍隊在復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。對于這項研究,可以分成兩個大的研究方向：①部隊在復雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)法、訓法研究;②武器裝備在復雜電磁環(huán)境下的效能研究,如圖 1所示。前者是部隊在組織運用層面,以提高部隊克服惡劣電磁環(huán)境影響的整體作戰(zhàn)能力為目標,研究主體是用頻部隊;后者是在武器裝備研制層面上以提高裝備復雜電磁環(huán)境適應能力為目標,研究主體是裝備論證、研制單位。

圖 1 提高部隊在復雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)能力研究的兩個方向

因此,復雜電磁環(huán)境的研究按研究目的可分為兩個不同的研究方向：①用于指導作戰(zhàn)指揮、訓練的作戰(zhàn)區(qū)域(戰(zhàn)場)電磁環(huán)境研究;②用于檢驗裝備電磁環(huán)境適應能力的檢測電磁環(huán)境研究。

通過對裝備檢測電磁環(huán)境的研究,提高裝備電磁環(huán)境效應試驗能力,以滿足裝備研制單位預防電磁環(huán)境效應設(shè)計和電磁頻譜管理部門科學籌劃頻譜管理對試驗數(shù)據(jù)的需求。從根本上提高中國軍隊用頻裝備的電磁環(huán)境適應能力和作戰(zhàn)保障能力,進而不斷提升中國軍隊復雜電磁環(huán)境下的聯(lián)合作戰(zhàn)能力。

2 暗室內(nèi)檢測電磁環(huán)境的構(gòu)建

2.1 裝備檢測的特點

用頻裝備在實際戰(zhàn)場應用過程中可能面臨多種電磁現(xiàn)象的同時干擾,理論上可以通過單個電磁現(xiàn)象的矢量和計算出所產(chǎn)生的干擾。然而,實際上,一種電磁現(xiàn)象通常僅在某一時刻占主導,因此,在裝備檢測時可以進行單個電磁現(xiàn)象的敏感度測試,也可以將幾種電磁現(xiàn)象同時作用于被測裝備。在敏感度測試過程中,可以根據(jù)試驗嚴酷等級的需要,確定試驗時,是應用電磁環(huán)境的每種電磁現(xiàn)象,還是應用多種電磁現(xiàn)象對裝備進行試驗[3-4]。

2.2 檢測電磁環(huán)境的分類

裝備在其作戰(zhàn)區(qū)域或平臺上使用時,應首先要能克服地區(qū)噪聲、平臺噪聲對其產(chǎn)生的影響,這是最基本的環(huán)境要求。用頻裝備最基本的性能指標必須要建立在這種基礎(chǔ)噪聲環(huán)境之上。因此,裝備檢測電磁環(huán)境的分類應先將裝備按安裝平臺分為陸基、?；?、空基、天基四類,然后統(tǒng)計該裝備使用場所內(nèi)及該平臺附近的其它系統(tǒng)和平臺的主要發(fā)射輻射裝備,對可能存在的各種電磁現(xiàn)象進行詳細劃分。

結(jié)合裝備檢測的特點,按照每種電磁現(xiàn)象對裝備的作用特點對電磁現(xiàn)象進行分類：

①將雷電、電磁脈沖、靜電放電作為單獨一類電磁現(xiàn)象。雷電、電磁脈沖、靜電放電屬于瞬變電磁現(xiàn)象,其作用于裝備的時間極短,但破壞作用較大[5]。MIL-HDBK-237D《采辦過程中電磁環(huán)境效應及頻譜保障性指南》第七章 E3試驗策略中,將雷電、靜電放電、電磁脈沖作為特殊的 E3問題,單獨進行試驗[6]。這種分類與國外如美軍、英軍對電磁現(xiàn)象的分類是一致;

②將非有意對抗電磁輻射作為一類電磁現(xiàn)象。這種電磁現(xiàn)象主要是指工作頻道附近相鄰信號的電磁輻射,可以稱之為非對抗干擾電磁環(huán)境。非對抗干擾環(huán)境的主要特點是：干擾信號一般不出現(xiàn)在接收機工作的中心頻率上,接收機工作頻率與干擾頻率之間有一定的頻率差Δf,其干擾效果的好壞及干擾場強值的大小與頻率差值的大小有直接關(guān)系;

③將電子對抗裝備產(chǎn)生的發(fā)射輻射作為一類電磁現(xiàn)象。電子對抗信號的特點是干擾信號主要出現(xiàn)在接收機工作的同一頻點或鄰頻上,主要由敵方施放的干擾為主,信號形式與被干擾裝備發(fā)射信號的相關(guān)性強,對裝備的影響較大。而且,針對這種干擾的防護設(shè)計或者困難或者代價太大。這種干擾通過科學頻譜規(guī)劃可在一定程度上減輕干擾影響程度;

④將平臺一定區(qū)域內(nèi)存在的其它電磁現(xiàn)象的共同作用環(huán)境定義該平臺的基礎(chǔ)電磁環(huán)境。平臺基礎(chǔ)電磁環(huán)境,簡稱為平臺電磁環(huán)境,主要由平臺上的各種電磁發(fā)射源產(chǎn)生,其對裝備的作用特點是作用于裝備的持續(xù)時間長,是裝備在該平臺上工作時必須克服的外部電磁環(huán)境,是裝備設(shè)計時對裝備設(shè)計指標的最低要求。

綜上所述,用頻裝備檢測電磁環(huán)境的分類如圖2所示。

圖 2 檢測電磁環(huán)境分類

2.3 暗室內(nèi)電磁環(huán)境構(gòu)建可行性分析

電磁環(huán)境構(gòu)建是基于 10米法電波暗室進行,電波暗室凈空間尺寸 21.5 m×13.5 m×11.5 m,對角距離為

首先需要分析兩種情況：一是試驗中被試裝備或系統(tǒng)(以下統(tǒng)一簡稱EUT)是處于實際工作狀態(tài),對于收、發(fā)信機應連通天線工作。為此,EUT與互通裝備的接收、發(fā)射天線應在暗室內(nèi)并處于遠場區(qū),那么滿足遠場條件的測試頻段是多少?二是模擬其它裝備、系統(tǒng)對 EUT的電磁影響時為節(jié)約模擬源功率是否可采用近距離輻射方式?

(1)遠場條件及測試頻段

由電磁場理論可知,輻射源輻射的電磁波分為束縛電磁波和自由電磁波,前者為無功場,只存在輻射源與束縛電磁場之間的電能與磁能的轉(zhuǎn)換,不產(chǎn)生能量的傳播。由于需要EUT與配試裝備處于正常的通信狀態(tài),也就是說希望到達被試裝備上的是自由電磁波。束縛電磁波存在于天線近區(qū)內(nèi),自由電磁波存在于天線遠區(qū)內(nèi),兩者的分界與波長有關(guān),當EUT的天線為線天線時,通常取 λ/2π≈ λ/6,也就是說,距波源少于 λ/6的距離內(nèi)為近區(qū),希望被試裝備與配試裝備的天線的距離大于 λ/6,處于遠區(qū)內(nèi)。

該暗室擬模擬電磁環(huán)境的最低頻率暫按 2MHz考慮,其波長為 150 m,近區(qū) λ/6=25 m。暗室的斜距為25.3m,可以滿足遠場條件。

對于 EUT天線為面天線時,其近區(qū)通常按 R=2D2/λ,D為天線的口徑。國外對裝備的大量試驗結(jié)果統(tǒng)計表明,對于通信裝備,影響最嚴重的電磁能量集中在 3 GHz以下。如暫按 3 GHz考慮,其波長為 0.1 m,當 D=0.9 m時,近區(qū)距離R=16 m;D=0.1 m時R=0.2 m,均滿足遠場條件。

(2)近距離輻射的可行性

討論的復雜電磁環(huán)境仿真,只要求在EUT處模擬產(chǎn)生一個類似實際的復雜電磁環(huán)境的電磁場強及相關(guān)特性,此時,并不一定要處于遠場區(qū)。正如同在 GJB152A的 RS103測試中,對被測裝備在 1 m處由發(fā)射天線輻射電磁波考核被測裝備的電場輻射敏感度,所用頻率范圍為 10 Hz～40 GHz。如果以遠近場的觀點看,在 1.5 GHz以下頻率被測裝備都處在近場內(nèi)。所以這里可以不去區(qū)分近、遠場,只需關(guān)心在被測裝備處產(chǎn)生的場強大小及相關(guān)特性。

2.4 半實物仿真電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)

半實物仿真電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)主要由電磁環(huán)境信號數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、矢量信號發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射天線、場強監(jiān)視等系統(tǒng)組成,系統(tǒng)組成圖如圖 3所示。系統(tǒng)通過 Agilent ADS、89600仿真軟件和矢量信號發(fā)生器,完成電磁環(huán)境信號的調(diào)用、編輯和下載,其中 89600軟件負責進行單個信號的調(diào)用,以及將信號下載至信號源,Agilent ADS負責多個信號的調(diào)用、編輯和下載;功率放大器主要負責電磁環(huán)境場強值的量化;發(fā)射天線負責輸出測試所需的不同極化方式的電磁信號;場強監(jiān)視器負責場強值的監(jiān)測以保證量化的電磁環(huán)境滿足限值要求。

圖 3 電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)

Agilent ADS是安捷倫一套強大的電子設(shè)計自動化軟件,是專門針對電子系統(tǒng),電路設(shè)計仿真的 EDA工具,可以提供目前最為完整的系統(tǒng)及電路計算機和半實物仿真功能,把系統(tǒng)設(shè)計和硬件原型緊密地結(jié)合在一起,可以更快、更高效地完成產(chǎn)品設(shè)計[7]。安捷倫ADS軟件通過儀表連接管理器可以很容易地與各類測試儀表相連實現(xiàn)虛擬原型,形成軟件仿真,儀表測試驗證方案,進行半實物仿真。另外,也可以利用這些信號捕捉儀表對干擾信號,雜波信號和噪聲信號進行捕捉,然后把這些信號做為信號源帶入軟件仿真環(huán)境,提高軟件仿真的逼真度。

電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)的工作原理可以概括為：根據(jù)不同的測試需求,將所采集的電磁信號數(shù)據(jù)庫中的不同電磁信號下載到ADS軟件進行編輯處理,通過信號源產(chǎn)生測試環(huán)境中所需要的電磁信號,并協(xié)同功率放大器將電磁信號量化至規(guī)定的電平值,最后經(jīng)發(fā)射天線在電波暗室內(nèi)某一確定測試區(qū)域產(chǎn)生所需的檢測電磁環(huán)境。

3 用頻裝備檢測電磁環(huán)境的評估

3.1 評估系統(tǒng)組成及工作原理

電磁環(huán)境評估系統(tǒng)主要由標準場地電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)組成,具體為場強探頭、光纖、光電轉(zhuǎn)換器、場強監(jiān)視器、接收天線、射頻電纜、衰減器、頻譜分析儀、89600軟件、計算機等,系統(tǒng)組成如圖 4所示。

圖 4 電磁環(huán)境評估系統(tǒng)

其工作原理為：標準場地電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)按照電磁環(huán)境的分類與分項構(gòu)建出裝備檢測電磁環(huán)境,信號采集系統(tǒng)對裝備檢測電磁環(huán)境進行實時捕捉,并利用 89600軟件進行頻譜和信號特性分析,評估檢測環(huán)境的真實性和可靠性。

3.2 電磁環(huán)境評估指標

現(xiàn)評估系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于評估指標體系的選取,如何確定評估指標、選取哪些評估指標成為標準場地檢測電磁環(huán)境真實性檢驗的核心。

(1)評估指標選取的基本原則

電磁環(huán)境評估指標的選取應遵循以下原則：

①一致性原則。在選取評估指標時必須保持系統(tǒng)功能與使命的一致、性能與功能的一致以及數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式與真實戰(zhàn)場電磁環(huán)境的一致;

②層次性原則。戰(zhàn)場電磁環(huán)境主要表現(xiàn)為各種信號的矢量疊加,然而某一地點、某一時間不同電磁信號對裝備的影響程度是有主次之分的。因此,層次性原則要求在評估電磁環(huán)境時,應正確區(qū)分主要矛盾和次要矛盾,抓住關(guān)鍵點,這樣才能建立合理的評估指標;

③可行性原則。評估的指標應是可測的,指標本身便于實際使用,度量的含義明確,具備現(xiàn)實的收集渠道,便于定量分析,具備可操作性;

④靈活性原則。構(gòu)建電磁環(huán)境主要用于裝備電磁環(huán)境效應試驗,因此在保證環(huán)境真實性與試驗可用性的前提下,應靈活處理環(huán)境信號的參數(shù)和表現(xiàn)形式。

(2)電磁環(huán)境評估指標

電磁環(huán)境構(gòu)建的基本要素是電磁信號,任何電磁信號都可以定量直觀地描述其特征,因此電磁環(huán)境評估指標應主要體現(xiàn)在電磁信號性能上[8]。電磁環(huán)境評估指標如圖 5所示。

圖5 電磁環(huán)境評估指標

①平臺基礎(chǔ)電磁環(huán)境：用頻裝備在自己的作戰(zhàn)區(qū)域或平臺上工作時,應首先要能克服地區(qū)噪聲、平臺基礎(chǔ)電磁環(huán)境對自己的影響,這是最基本的環(huán)境要求。這種電磁環(huán)境的評估指標主要是平均場強值;

②非對抗干擾電磁環(huán)境的評估指標包括頻率準確度和平均場強值或信噪比(S/N);

③電子對抗環(huán)境的評估指標主要包括干擾方式參數(shù)、干擾信號樣式、平均場強值(功率值)、頻率準確度、信號占用帶寬等;

④瞬變電磁環(huán)境評估指標主要是平均場強值。

4 結(jié)語

為評估裝備在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下的生存能力就必須進行電磁環(huán)境效應試驗,而只有在逼真的戰(zhàn)場信號環(huán)境下,才能檢驗出被試裝備的實戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)性能,才能為裝備的定型及部隊的作戰(zhàn)使用提供真實可信的技術(shù)依據(jù)。因此在暗室中構(gòu)建真實戰(zhàn)場電磁環(huán)境是電磁環(huán)境效應試驗的基本前提。沒有逼真可靠的檢測環(huán)境就無法進行真實的電磁環(huán)境效應試驗;沒有定量描述的檢測環(huán)境就難以獲得準確的電磁環(huán)境效應試驗數(shù)據(jù);沒有復現(xiàn)性強的檢測環(huán)境就不能對裝備存在的問題和影響因素進行科學合理的分析。

采用依托ADS軟件配合相應儀表構(gòu)建的檢測環(huán)境不僅可以逼真模擬裝備所處的戰(zhàn)場電磁環(huán)境,而且具有很強的可重復性和良好的可控性。這將對檢測裝備在復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能具有重要應用價值,也將成為提高中國軍隊裝備性能評估和仿真能力的必然趨勢。

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