葉禮邦，耿宏峰，趙琳鋒，焦 斌

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

電磁環(huán)境對電子裝備影響及復(fù)雜度計(jì)算方法

葉禮邦，耿宏峰，趙琳鋒，焦 斌

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

電磁環(huán)境對不同電子裝備的影響存在差異，導(dǎo)致無法用一種方法對復(fù)雜度進(jìn)行度量。在分析電磁環(huán)境對電子裝備影響的基礎(chǔ)上，將電子裝備分為兩類：發(fā)射并接收電磁信號的裝備和接收非合作目標(biāo)電磁信號的裝備。以通信偵察裝備和通信裝備為例，研究了電磁環(huán)境對電子裝備的影響，并分別給出了兩類電子裝備對應(yīng)的復(fù)雜度計(jì)算指標(biāo)和計(jì)算方法。提出的計(jì)算方法可以有效地分析電磁環(huán)境復(fù)雜度，為電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算和電磁環(huán)境構(gòu)建提供技術(shù)參考。

電磁環(huán)境；電子裝備；復(fù)雜度；信息熵；相似性；占有度

0 引言

隨著電子裝備的廣泛運(yùn)用，用頻設(shè)備越來越多。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用者都關(guān)心電子裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的技術(shù)性能。為了檢驗(yàn)電子裝備的適應(yīng)能力，建立一個與電子裝備任務(wù)環(huán)境相一致的電磁環(huán)境場景，并在此基礎(chǔ)上開展測試是十分必要的[1]。在電子裝備試驗(yàn)過程中，不僅需要建立電磁環(huán)境，還需要對建立的電磁環(huán)境的復(fù)雜度進(jìn)行定量的分析，以便于對比測試不同電磁環(huán)境復(fù)雜度等級對電子裝備的影響。

分析電子裝備面臨的電磁環(huán)境的復(fù)雜度，可以從兩個角度進(jìn)行分析，一類是將電磁環(huán)境作為一個主體，從空域、時域、頻域和能量域進(jìn)行分析[2-4]。度量指標(biāo)包括輻射源分布密度、裝備頻段范圍內(nèi)電磁輻射源數(shù)量、輻射源工作方式平均數(shù)量、電磁環(huán)境平均功率譜密度等。另一類是從電磁環(huán)境對電子裝備性能的影響程度上對復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行評估[5-7]，研究在受電磁環(huán)境影響時設(shè)備性能的下降程度，劃分電磁環(huán)境的復(fù)雜度。這兩類方法各有側(cè)重，方法一強(qiáng)調(diào)電磁環(huán)境是客觀存在的，指標(biāo)明確，分析結(jié)果不隨受體的改變而改變，但這種方法與電子裝備聯(lián)系不強(qiáng)。方法二能夠充分體現(xiàn)電磁環(huán)境對裝備的影響，但是過分強(qiáng)調(diào)受體影響，容易將電磁環(huán)境影響與有意干擾混淆。

電磁環(huán)境對電子裝備的影響與裝備的使用方式有著密切的關(guān)系，電磁環(huán)境對主動發(fā)送電磁信號的設(shè)備(如通信裝備、雷達(dá)裝備)和只接收電磁信號的裝備(如偵察裝備)的影響存在較大的差別，采用同一的復(fù)雜度評估標(biāo)準(zhǔn)是不科學(xué)的。因此，本文從分析電磁環(huán)境對不同電子裝備的性能的影響入手，提出一種適用于電子裝備的電磁環(huán)境復(fù)雜性定量度量方法，該方法既能體現(xiàn)電磁環(huán)境特征，又能反映電磁環(huán)境對電子裝備的影響，具有較強(qiáng)的針對性。

1 電磁環(huán)境對電子裝備的影響

電子裝備的種類很多，但面對電磁環(huán)境的影響，電子裝備可以分為兩類，一類是發(fā)射并接收友方電磁信號的設(shè)備，如雷達(dá)、通信裝備。這類裝備的特點(diǎn)是接收友方發(fā)射的信號，掌握信號格式、特點(diǎn)等信息，在接收過程中只是需要降低傳輸過程環(huán)境對信號的影響，將所需信息從中提取出來。另一類是接收非合作方發(fā)射的電磁信號獲取信息的設(shè)備，如通信偵察裝備、雷達(dá)偵察裝備。這類裝備的特點(diǎn)是不發(fā)射電磁信號，所以不會遭到針對性的干擾；但是此類裝備所接收的目標(biāo)信號是非合作信號，如何獲取目標(biāo)信號的特征是其工作的主要目的，目標(biāo)信號采用一些特殊的體制和抗截獲手段都有可能導(dǎo)致偵察裝備無法正常地接收到信號，而復(fù)雜電磁環(huán)境也會導(dǎo)致獲取目標(biāo)信號的特征變得更加困難。

特別需要指出的是，上述兩類電子裝備中，同一類裝備因?yàn)閼?yīng)用目的的不同，電磁環(huán)境對裝備的影響也是存在不少差異。例如雷達(dá)設(shè)備因?yàn)榻邮栈夭ㄐ盘?，所以在分析電磁環(huán)境過程中，需要對雜波信號進(jìn)行特別考慮，但對于通信裝備來說就不需考慮。因此，提出一種能夠適應(yīng)所有裝備的電磁環(huán)境復(fù)雜性度量方法是十分困難的。下面以通信偵察裝備和通信裝備為例，分析電磁環(huán)境對電子裝備的影響，分析的方法和思路可以推廣到其它的電子裝備。

1.1 電磁環(huán)境對通信偵察裝備影響分析

通信偵察裝備對電磁環(huán)境的變化具有很強(qiáng)的敏感性，任務(wù)環(huán)境中不同的電磁信號會對通信偵察裝備的偵察性能產(chǎn)生不同的影響[8]。如表1所示，主要表現(xiàn)在：

1)由于通信偵察裝備的任務(wù)目標(biāo)快速的移動、發(fā)射信號頻率的快速轉(zhuǎn)換等原因，偵察裝備面臨的信號存在很大的不確定性，使得通信偵察裝備可能不能偵察到某些目標(biāo)，造成漏檢。

2)任務(wù)環(huán)境中存在的電磁信號類型多樣，其中的某些信號在技術(shù)體制上與目標(biāo)信號相似，使得通信偵察裝備錯誤地將此類信號誤檢測為目標(biāo)信號，造成誤檢。

表1 不同類型的電磁環(huán)境對通信偵察裝備的影響

1.2 電磁環(huán)境對通信裝備影響分析

對于通信裝備來說，有意干擾是其面臨的最大威脅，環(huán)境中的背景信號也會對通信裝備的性能產(chǎn)生影響。主要影響表現(xiàn)在：

1) 有意干擾落入接收機(jī)工作頻帶內(nèi)，導(dǎo)致通信接收機(jī)的干信比增加，影響接收機(jī)對信號的正常解調(diào)，通信接收機(jī)無法正確地接收通信信息。

2) 通信裝備所處環(huán)境中的背景信號，雖然不是所有信號都在通信裝備的工作頻段內(nèi)，但其諧波、雜波等信號的頻段與通信裝備的工作頻段相同，對通信裝備產(chǎn)生互調(diào)或交調(diào)效應(yīng)，對裝備正常工作造成影響。

2 通信偵察裝備復(fù)雜度指標(biāo)與計(jì)算方法

2.1 目標(biāo)信號復(fù)雜度指標(biāo)與計(jì)算方法

2.1.1 復(fù)雜度指標(biāo)

通信偵察裝備面臨的最大威脅在于目標(biāo)信號的不確定性上。熵作為客觀事物復(fù)雜性的度量，目標(biāo)信號的信息熵可以表征目標(biāo)信號不確定程度[9-10]。因此，對于信號不確定性，可以采用基于信息熵的復(fù)雜度CH來表征。

通信偵察裝備一般從目標(biāo)信號的頻率、調(diào)制樣式、持續(xù)時間、方位等方式識別目標(biāo)信號，因此在計(jì)算目標(biāo)信號復(fù)雜度時，可以采用頻域信息熵、調(diào)制域信息熵、時域信息熵、空域信息熵等計(jì)算目標(biāo)信號的不確定性復(fù)雜度。

2.1.2 目標(biāo)信號復(fù)雜度計(jì)算方法

對于離散的隨機(jī)變量X，其符號集為A:ai(i=1,2,…,N)，N是符號集的個數(shù)，事件ai發(fā)生的概率為p(ai)，其概率空間[X，p(x)]如下：

(1)

則該離散事件的信息熵為：

(2)

信息熵反映概率分布的均勻性，當(dāng)所有事件等概率發(fā)生時，即：

(3)

此時離散事件具有最大的熵，即：

Hmax(X)=lgN

(4)

根據(jù)信息熵的定義，通信偵察裝備電磁環(huán)境的不確定復(fù)雜度可以表示為：

CH=H(X)/Hmax(X)

(5)

根據(jù)公式(5)可以得出，當(dāng)信號均勻分布時，環(huán)境的不確定復(fù)雜度取最大值為1。不確定性復(fù)雜度取值范圍為[0,1]。

設(shè)在時間[t1,t2]內(nèi)，頻率[f1,f2]內(nèi)，空間Ω內(nèi)，目標(biāo)信號在不同時間、不同位置，以多個頻率、多種調(diào)制方式工作，根據(jù)信息熵的定義，可以從頻域、調(diào)制域、時域和空域等方面對目標(biāo)信號的復(fù)雜度進(jìn)行度量。

1) 頻域信息熵

設(shè)目標(biāo)信號可能采用的頻率為fi(i=1，2，…，Nf)，Nf是頻率的個數(shù)，設(shè)信號為頻率fi的概率為p(fi)，則目標(biāo)信號的頻域信息熵為：

(6)

p(fi)可以通過計(jì)算信號在頻率fi出現(xiàn)的時間長度與信號出現(xiàn)總時間長度的比值得出。

2) 調(diào)制域信息熵

設(shè)目標(biāo)信號可能的調(diào)制樣式為di(i=1，2，…，Nd)，Nd是調(diào)制樣式數(shù)，設(shè)信號為調(diào)制樣式di的概率為p(di)，則目標(biāo)信號的頻域信息熵為：

(7)

p(di)可以通過計(jì)算信號以調(diào)制樣式di出現(xiàn)的時間長度占信號出現(xiàn)總時間長度的比值得出。

3) 時域信息熵

設(shè)目標(biāo)信號在時域上可能的持續(xù)時間寬度為Δti(i=1，2，…，Nt)，Nt是持續(xù)時間寬度的個數(shù)，設(shè)持續(xù)時間寬度Δti出現(xiàn)的概率為p(Δti)，則目標(biāo)信號的時域信息熵為：

(8)

p(Δti)可以通過計(jì)算信號持續(xù)時間寬度為Δti出現(xiàn)的次數(shù)占信號出現(xiàn)次數(shù)的比值得出。

4) 空域信息熵

設(shè)目標(biāo)信號可能出現(xiàn)的空間位置為si(i=1，2，…，Ns)，Ns是空間位置的個數(shù)。設(shè)在某一位置si，信號出現(xiàn)的概率為p(si)，則目標(biāo)信號的空域信息熵為：

(9)

p(si)可以通過計(jì)算信號在si出現(xiàn)的時間長度占信號出現(xiàn)總時間長度的比值得出。

2.2 背景信號復(fù)雜度指標(biāo)與計(jì)算方法

2.2.1 復(fù)雜度指標(biāo)

背景信號對通信偵察裝備的影響主要是背景信號與目標(biāo)信號相似性帶來的影響，這種影響使得通信偵察裝備將背景信號誤檢為目標(biāo)信號。通信偵察裝備在工作的過程中關(guān)鍵是將目標(biāo)信號和非目標(biāo)信號區(qū)別清楚，如果目標(biāo)信號與非目標(biāo)信號在信號特征上存在很強(qiáng)的相似性，通信偵察裝備就有可能將這些非目標(biāo)信號誤認(rèn)為是目標(biāo)信號，造成一定的誤檢。針對這一特性，可以采用目標(biāo)信號與背景信號之間的相似復(fù)雜度CS來計(jì)算電磁環(huán)境的復(fù)雜度。

電磁環(huán)境相似度的計(jì)算是通過計(jì)算偵察目標(biāo)和電磁環(huán)境中信號的特征值的相似度來得到的。采用相似度計(jì)算環(huán)境相似復(fù)雜度的過程中，選擇特征值是計(jì)算過程的第一步，主要是參照通信偵察裝備的技術(shù)體制確定。根據(jù)不同通信偵察裝備的工作方式，一般可以從頻率、調(diào)制樣式、數(shù)據(jù)速率、極化、信號帶寬、頻率變換速率等中選取特征參數(shù)。

2.2.2 相似度計(jì)算方法

設(shè)在戰(zhàn)場空間Ω中，存在電磁信號X=(x1,x2,…,xn)，n為電磁環(huán)境信號個數(shù)，其中的信號xi與偵察目標(biāo)d在組成要素及其屬性或特征存在相似性。通過計(jì)算信號xi與偵察目標(biāo)d的相似度S(xi,d)，可以評估環(huán)境相似復(fù)雜度。

設(shè)偵察目標(biāo)d具有k個特征指標(biāo)，即d由向量d=(d1,d2,…,dk)表示，選取信號xi中與偵察目標(biāo)相同的k個特征指標(biāo)，即xi由向量xi=(xi1,xi2,…,xik)表示。分別計(jì)算偵察目標(biāo)d每個特征值dj與信號xi相對應(yīng)的特征指標(biāo)xij之間的相似性φij，從而得到信號xi與偵察目標(biāo)d的相似性向量Φi=(φi1,φi2,…,φik)。

當(dāng)偵察目標(biāo)的特征值dj取多個值時，分別計(jì)算每種取值情況下偵察目標(biāo)特征與環(huán)境特征的相似性，再以dj每種取值出現(xiàn)的概率為權(quán)重，加權(quán)得到特征值dj與信號xi相對應(yīng)的特征指標(biāo)xij之間的相似性φij。

設(shè)信號每個特征值相似性φij對相似度權(quán)重因子為ωij，則信號xi與偵察目標(biāo)d的相似度可以描述為：

φij

(10)

根據(jù)相似度的定義，滿足0≤S(xi,d)≤1。

設(shè)dj(1≤j≤k)為目標(biāo)信號的第j個特征指標(biāo)值，和特征值dj對應(yīng)的環(huán)境信號X中所有信號的特征值的集合為(x1j,x2j,…,xnj)，將上述兩項(xiàng)聯(lián)合記為dx=(dj,x1j,x2j,…,xnj)。根據(jù)信號特征值的類型，計(jì)算方法可以分為定性和定量兩種。

1) 定量指標(biāo)特征值計(jì)算方法

信號的特征值包含多種數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)之間存在不同的度量，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其統(tǒng)一映射到相同的區(qū)間[0,1]內(nèi)。通常的做法是對原始數(shù)據(jù)矩陣先作標(biāo)準(zhǔn)差變換：

(11)

變換后每個變量的均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，消除了量綱的影響，但是，這樣數(shù)據(jù)不一定在區(qū)間[0,1]上，還需要把數(shù)據(jù)壓縮到[0,1]區(qū)間上。

(12)

通過計(jì)算每個信號特征值與目標(biāo)特征值之間的距離，可以計(jì)算環(huán)境信號xi的特征值xij與目標(biāo)信號特征值dj的相似度φij：

(13)

2) 定性指標(biāo)特征值計(jì)算方法

當(dāng)特征值為定性指標(biāo)時，如調(diào)制樣式等指標(biāo)，環(huán)境信號xi的特征值xij與目標(biāo)信號特征值dj的相似度為φij：

(14)

2.2.3 復(fù)雜度計(jì)算方法

雖然通信偵察裝備所面對的所有信號都會引起偵察裝備的誤檢，但是只有相似度達(dá)到一定程度這一效果才能顯著提高，在計(jì)算環(huán)境相似復(fù)雜度過程中，需要根據(jù)偵察裝備的技術(shù)性能確定統(tǒng)計(jì)信號的個數(shù)，一般選擇相似性最高的5個信號進(jìn)行計(jì)算。因此，環(huán)境相似復(fù)雜度可以用所選信號相似性平均值表示。

(15)

式中，m為所選統(tǒng)計(jì)相似復(fù)雜度信號的個數(shù)，S(xi,d)為所選擇信號的與目標(biāo)信號d的相似度。

2.3 通信偵察裝備復(fù)雜度綜合計(jì)算方法

根據(jù)計(jì)算的目標(biāo)信號復(fù)雜度和背景信號環(huán)境復(fù)雜度，可以計(jì)算出通信偵察裝備電磁環(huán)境復(fù)雜度：

CT(X)=(CH(X)CS(X))1/2

(16)

3 通信裝備復(fù)雜度指標(biāo)與計(jì)算方法

3.1 復(fù)雜度指標(biāo)

通信裝備面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境包括兩類：有意干擾和背景信號。這兩種信號均直接或間接地在通信裝備的工作頻帶內(nèi)提高信號噪聲電平，對通信信號產(chǎn)生壓制作用。針對這一效應(yīng)機(jī)理，不論是有意干擾信號還是背景信號，均可以用在時域、空域、頻域的占有程度來描述通信裝備面臨的威脅，兩種信號對通信接收機(jī)的影響是一致的，在分析時可以統(tǒng)稱為電磁環(huán)境信號。因此占有度是評估通信裝備電磁環(huán)境復(fù)雜度的指標(biāo)，包括頻域占有度、時域占有度和空域占有度。

頻域占有度是指在一定的時間和空間范圍內(nèi)，電磁環(huán)境信號功率密度譜的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占有的頻帶與接收機(jī)頻帶范圍的比值；時域占有度是指在一定空間和頻率范圍內(nèi)，電磁環(huán)境功率密度譜的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占用的時間長度與接收機(jī)工作時段的比值；空間占有度是指在一定時間和頻率范圍內(nèi)，電磁環(huán)境功率密度譜的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與通信裝備分布空間范圍的比值。

在評估電磁環(huán)境占有復(fù)雜度過程中，將對通信裝備工作產(chǎn)生影響的電磁環(huán)境信號功率密度譜的最小值稱為電磁環(huán)境影響門限，記為S0，一般取高于通信接收機(jī)的接收靈敏度10dB。

3.2 計(jì)算方法

設(shè)在戰(zhàn)場空間Ω，通信接收機(jī)的接收范圍為[f1,f2]，在通信時間段[t1,t2]內(nèi)，電磁環(huán)境的信號功率譜密度譜為S(r,t,f)。

根據(jù)占有度定義，占有度的計(jì)算方法為：

(17)

式中，F(xiàn)0為頻譜占有度，T0表示時間占有度，V0表示空間占有度；U為階躍函數(shù)；S(r，t，f)為功率密度譜，單位W/(m2·Hz)；r為空間位置，單位m；VΩ為作戰(zhàn)空間體積，單位m3；S0為電磁環(huán)境門限，單位W/(m2·Hz)。

只有當(dāng)電磁環(huán)境電磁信號在頻域、時域和空域同時與目標(biāo)信號重疊，才能造成通信裝備性能的下降。因此，通信裝備的電磁環(huán)境復(fù)雜度可以表示為：

CD(X)=(F0T0V0)1/3

(18)

4 結(jié)束語

電磁環(huán)境對不同裝備的影響是不同的，這就導(dǎo)致分析電磁環(huán)境對電子裝備的影響變得十分困難。要提出一種適合所有電子裝備的電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算方法是不科學(xué)的，必須在分析電磁環(huán)境對裝備的影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，得出影響裝備性能的關(guān)鍵因素，建立評估電磁環(huán)境復(fù)雜度的指標(biāo)?；谶@樣的思路，本文在分析電磁環(huán)境對電子裝備的影響的基礎(chǔ)上，將電子裝備分為兩類，并以通信偵察裝備和通信裝備為例，分析了電磁環(huán)境對電子裝備的影響，給出了兩類復(fù)雜度計(jì)算的指標(biāo)和計(jì)算方法。本文提出的計(jì)算方法可以有效地計(jì)算電子裝備面臨的電磁環(huán)境復(fù)雜度，為電子裝備電磁環(huán)境構(gòu)建和電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算提供技術(shù)參考?！?/p>

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Effect on electronic equipment by electromagnetic environment and the method for complexity evaluation

Ye Libang, Geng Hongfeng, Zhao Linfeng, Jiao Bin

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China, Luoyang 471003, Henan， China)

The complexity of electromagnetic environment can’t be measured in a uniform way because the electromagnetic environment has different effect on different types of electronic equipment. Based on the analysis of the effect of the electromagnetic environment on the electronic equipment, the electronic equipment is divided into two categories, the equipment that transmits and receives electromagnetic signals and the equipment that receives the electromagnetic signals transmitted by non-cooperative parties. The effect of electromagnetic environment on the equipment is studied by analyzing the communication reconnaissance equipment and communication equipment as an example, and the complexity evaluation index and method for the two types of equipment are given. The method can effectively and efficiently evaluate electromagnetic environment complexity, which will provide important reference for complexity evaluation and construction of electromagnetic environment．

electromagnetic environment； electronic equipment； complexity； information entropy； similarity coefficient； occupancy

2016-11-15；2017-01-06修回。

葉禮邦(1981-)，男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⑾到y(tǒng)仿真試驗(yàn)與效能評估。

TN97

A