半實物模擬測試方法是目前電子戰(zhàn)武器裝備在復雜電磁環(huán)境下性能評估測試的研究熱點?；跀?shù)字化地理信息的復雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術是實現(xiàn)半實物模擬測試的一種有效技術途徑。本文從復雜電磁環(huán)境模擬建模、基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬以及復雜樣式信號發(fā)生等三個方面介紹分析了此技術的思路、方法和發(fā)展現(xiàn)狀。

1.引言

電子戰(zhàn)是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的重要組成部分，在很多場合電子戰(zhàn)裝備性能指標的高低直接決定了戰(zhàn)爭全局的勝敗。然而，電子戰(zhàn)裝備所在的實際戰(zhàn)區(qū)的電磁環(huán)境中，充斥著種類繁多的復雜電磁信號，例如雷達、導航、通信、敵方干擾、自然噪聲等信號。同時由于各種電磁信號的傳播受到實際地理環(huán)境的顯著影響，導致戰(zhàn)區(qū)電磁環(huán)境異常復雜。電子戰(zhàn)武器裝備在復雜電磁環(huán)境下的性能測試成為其研制過程中的重要內容[1]。

概括來說，武器裝備的電磁性能測試按環(huán)境不同可分為三類。第一是全實物測試，將待測裝備置于演習或實際戰(zhàn)區(qū)，利用實際存在的復雜電磁環(huán)境對裝備性能進行測試。此種方式最具說服力，通常作為成熟型號武器裝備的最終測試方法。但是，因為此方式成本極高、風險大，很多場合是破壞性測試，并且所得到測試結果不具備遍歷性，無法滿足裝備研制過程中的絕大多數(shù)的常規(guī)測試需求。第二種是基于計算機、數(shù)據(jù)庫等技術的全數(shù)字仿真測試。這種技術是通過數(shù)據(jù)采集或者數(shù)學建模的方式，將實際電磁環(huán)境的主要特征信息以數(shù)字格式存儲于數(shù)據(jù)庫中，在某種特定仿真算法的驅動下，對待測裝備的性能進行全數(shù)字仿真測試。此方法運行成本低、靈活便捷，通常用于裝備的前期開發(fā)過程中，偏重于對軟件算法的測試。然而由于逼真度低，與實際環(huán)境差異過大，對于正式裝備的性能測試僅具有參考作用，大多數(shù)場合無法作為最終驗證手段。第三種測試方法是半實物模擬測試，此方法是在前兩種方法有機結合的基礎上發(fā)展而來的。它利用數(shù)據(jù)采集或數(shù)學建模的方法組建數(shù)字化復雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實際測試場景需求，計算波形數(shù)據(jù)，基于復雜信號發(fā)生技術，通過波形發(fā)生的方式產生實際電磁信號，人為構建高逼真度的復雜電磁環(huán)境，用于裝備性能測試。這種測試方法兼?zhèn)淞饲皟煞N方法的優(yōu)點，測試高效便捷，打破全實物測試中測試環(huán)境的時空限制;場景豐富，根據(jù)實戰(zhàn)環(huán)境需求任意構建測試電磁環(huán)境信號;高逼真度，基于數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，綜合考慮輻射源種類、裝備布局、傳播途徑、自然干擾等各種因素;成本低廉、結果全面，非損壞性測試，實現(xiàn)高度一致性的重復性測試，可評估裝備在各種極端條件下的性能。

基于數(shù)字化地理信息的復雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術是實現(xiàn)半實物模擬測試的一個有效技術途徑，具有場景快速便捷構建、測試遠程可控、干擾信號多參數(shù)可控、干擾效果可評的高效測試效果等優(yōu)點。其技術難題主要體現(xiàn)在三個方面：1)復雜電磁環(huán)境模擬建模，實際的戰(zhàn)場電磁環(huán)境極度復雜，包括了雷達、通信、導航、干擾、噪聲等多方面的復雜樣式信號;傳播媒質多變，涵蓋地海表面、大氣層、散射體等;發(fā)射機和接收機移動式布局，拓撲結構特征復雜。2)基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬，不同的地理環(huán)境，例如：淡水、海水、濕地、森林和建筑物等，對電磁波的傳播具有繞射、反射、阻礙等衰減作用。而且根據(jù)具體環(huán)境的特性差異(例如海水含鹽量的不同)，每種類別地理環(huán)境所呈現(xiàn)的電氣性能各異，從而導致傳播模型參數(shù)變化繁復。3)復雜樣式信號發(fā)生技術，實際復雜電磁環(huán)境中信號樣式復雜多變，頻率覆蓋范圍大，涵蓋微波毫米波頻段，調制帶寬高達GHz量級，同時擁有捷變頻特性。因此，滿足上述性能指標要求的復雜樣式信號發(fā)生技術是實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境信號模擬，滿足半實物模擬測試的基礎。

本文將從以上三個方面介紹基于數(shù)字化地理信息的復雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術的思想、方法和發(fā)展現(xiàn)狀。

2.復雜電磁環(huán)境模擬建模

根據(jù)國軍標(GJB6130-2007)給出的定義，復雜電磁環(huán)境是指在一定的空域、時域、頻域和功率域上，多種電磁信號同時存在，對用頻裝備運用和作戰(zhàn)行動產生一定影響的電磁環(huán)境。由此可知，復雜電磁環(huán)境是對某個實際場景中所含各種復雜電磁信號成分的泛稱，其主要由電子對抗環(huán)境、雷達環(huán)境、通信環(huán)境、光電環(huán)境、敵我識別電磁環(huán)境、導航電磁環(huán)境、民用電磁環(huán)境、自然電磁環(huán)境等構成[2]。每一類型的電磁環(huán)境又由不同類型的電磁輻射源生成，并對不同的信息化武器裝備產生影響，進而影響整體作戰(zhàn)。對復雜電磁環(huán)境建模的前提是對一個場景中種類繁復、特性復雜的信號成分進行分類、分析，進而根據(jù)每種常規(guī)信號的表征和傳播媒質進行建模[3]。最后將關注的各信號綜合，完成對實際電磁環(huán)境模擬構建。

2.1 復雜電磁環(huán)境的信號特點

復雜電磁環(huán)境所含信號成分主要分為兩類：自然因素干擾信號和人為因素干擾信號，其中人為因素干擾信號包括了無意干擾信號和對抗干擾信號。自然因素干擾信號主要源于雷電和靜電，屬于實際環(huán)境中的非可控因素。用于半實物模擬測試的電磁環(huán)境構建主要注重于特性可控的人為因素干擾信號的模擬。由于對抗干擾信號對電子武器裝備的影響顯著，形式多樣、樣式復雜，成為復雜電磁環(huán)境模擬的關鍵內容。隨著電子戰(zhàn)裝備的快速發(fā)展升級，所用到的電磁信號主要呈現(xiàn)以下四個特點：1)信號樣式復雜多樣，種類多，分布密度大。數(shù)字矢量調制技術的發(fā)展，使一系列復雜調制樣式的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。在戰(zhàn)區(qū)廣泛密集分布的各種新體制雷達裝備所使用的調制格式涵蓋了線性調頻、非線性調頻、相位編碼、頻率編碼、噪聲調頻、巴克碼調制等脈內調制格式，以及脈間頻率捷變、脈組頻率捷變、分時頻率分集、PRI參差/抖動/組變/滑變、脈沖寬度組變/組合等脈間調制格式。2)信號頻率覆蓋范圍大幅度拓寬。電子裝備所用電磁信號所占用頻段不斷變寬，從高頻信號覆蓋到微波毫米波信號。3)信號調制帶寬不斷加大。例如新式合成孔徑雷達的調制帶寬達到GHz量級。4)捷變頻性能顯著提升，信號高度交疊。某些信號雷達所用的調制信號的中心頻率捷變頻時間達到百納秒量級，在1秒鐘時間內可實現(xiàn)數(shù)百萬次頻率捷變，對于常規(guī)接收機在同一時間可能有百萬量級的信號同時出現(xiàn)，交疊嚴重。

由此可見，復雜電磁環(huán)境對電子裝備的正常工作影響顯著，對其作戰(zhàn)運用和效能發(fā)揮提出了很大的挑戰(zhàn)。復雜電磁環(huán)境的逼真模擬構建是半實物模擬測試的基礎，對裝備開展復雜電磁環(huán)境試驗、研究武器裝備的電磁兼容性、檢測其電磁環(huán)境適應能力提供了便利，有利于提高武器裝備對電磁環(huán)境的適應能力，具有重要的意義。

2.2 復雜電磁環(huán)境的信號建模

根據(jù)各類輻射源對電子武器裝備的影響程度，戰(zhàn)區(qū)復雜電磁環(huán)境的模擬主要針對以下類型輻射源的建模，包括脈沖雷達、干擾機、塔康(TACAN)、敵我識別器(IFF)、聯(lián)合戰(zhàn)術信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)等[4]。對輻射源進行表征的基本內容可歸納為：1)一般信息，包括標識、型號、用途、體制、天線類型、水平覆蓋范圍、垂直覆蓋范圍、偵察距離、最大跟蹤距離、綜合損耗、波束個數(shù)、最大波束數(shù)量、最小掃描步進、增益最大功率、掃瞄時平臺類型、平臺性能、指揮控制關系、信號樣式等;2)發(fā)射機信息，包括型號、工作頻段、帶寬、饋線損耗、發(fā)射機類型等;3)接收機信息，包括型號、靈敏度、中心頻率、帶寬、中頻帶寬等。

在對輻射源信號建模中，通常采用脈沖描述字(PDW)對輻射源輻射信息進行描述，具體包含：脈沖載頻、脈沖寬度、脈內調制(相位編碼或頻率調制)、脈沖到達時間、脈沖到達角、脈沖幅度。電子戰(zhàn)環(huán)境下接收機接收到的雷達信號為各個輻射源所輻射的脈沖流的疊加。接收機接收的脈沖流以脈沖到達接收機的時間排序。輻射源脈沖流是接收機脈沖流構成的基本元素，輻射源脈沖流及脈沖參數(shù)變化形式的復雜性決定了場景的復雜性。根據(jù)輻射源脈沖流可能出現(xiàn)的變化形式及針對性的處理方法，可以從時域、空域和調制域等幾個方面對輻射源脈沖流進行建模。

(1)時域模型

脈沖到達時間(TOA)是脈沖流最重要的參數(shù)之一。TOA與輻射源和接收機的距離及輻射源的脈沖重復間隔(PRI)相關，輻射源類型不同則其PRI也不盡相同。

(2)空域模型

脈沖到達角(DOA)是一個與輻射源位置密切相關的信息，取決于輻射源與接收機之間的相對角度。當輻射源與接收機之間存在相對運動時，DOA是緩慢變化的。DOA參數(shù)不受輻射源本身的影響，是信號處理系統(tǒng)所依據(jù)的最重要、最可靠的特征。因此，有必要對DOA單獨建模和分析。

(3)調制域模型

調制域參數(shù)主要包括：脈沖載頻(RF)、脈沖寬度(PW)、脈沖幅度(PA)和脈內調制樣式(PM)。輻射源類型不同則其參數(shù)域參數(shù)也不盡相同。

根據(jù)戰(zhàn)情文件設置的輻射源參數(shù)，生成每個輻射源在當前仿真時間間隔內產生的PDW流，并根據(jù)每個仿真時間被動雷達的狀態(tài)參數(shù)進行信號稀釋，最后對所有輻射源的PDW流進行排序輸出。

3.基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬

從電磁環(huán)境模擬的需要出發(fā)，無論是自然因素干擾信號和人為因素干擾信號，要全面地模擬電磁環(huán)境產生的物理基礎，都需將影響電磁環(huán)境產生和傳播的物理環(huán)境進行詳細分解，建立基本的模擬對象，即戰(zhàn)場實體環(huán)境的地理信息，例如：地形、氣象、地質、地磁等因素。根據(jù)復雜電磁環(huán)境中不同輻射源所發(fā)射的電磁信號的頻率覆蓋范圍不同，信號的傳播模式各異。例如：1)表面波傳播，是指電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r。這時電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ?，地面的性質、地貌、地物等都會影響電波的傳播。2)天波傳播，是指經過電離層反射到地面的電波傳播。電離層是由圍繞地球的處于不同高度的4個導電層組成的，這4個導電層分別稱為D層、E層、F1層和F2層，這些導電層對短波傳播具有重要影響。3)空間波傳播，是指當發(fā)射和接收天線架設的較高時候，在視線范圍內，電磁波直接從發(fā)射天線傳播到接收天線的傳播。此時，電磁波還可以經地面反射到達接收天線，所以，接收天線處的場強是直射波和反射波的矢量和，形成的合成場強，直射波不受地面的影響，地面反射波要經過地面的反射，因此要受到反射點地質地形的影響。4)外層空間傳播，是指電磁波由地面發(fā)出，經低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播及其相反過程的傳播。5)散射傳播，是指大氣對流層中，除了有規(guī)則的片狀或層狀氣流外，還存在著不規(guī)則的氣流，這類似于水流中漩渦的不均勻體。相應地，在電離層中則有電子密度的不均勻性。當無線電波投射到這些不均勻體的時候，類似于光的散射和反射現(xiàn)象，電波將發(fā)生散射或反射，一部分能量傳播到接收點，這種傳播方式稱為散射傳播。6)大氣波導傳播，是指由于大氣對流層的不均勻性和電離層的存在，在一定的條件下，對某一特定的頻率形成大氣波導，使電波傳播的損耗大大減小，這種電波傳播的現(xiàn)象稱為大氣波導傳播。根據(jù)實際戰(zhàn)場電磁環(huán)境的信號成分，電子戰(zhàn)裝備的信號傳播模式以表面波傳播和空間波傳播為主，其受實際地理環(huán)境影響顯著。地理信息系統(tǒng)(GIS)是實現(xiàn)基于地理信息電磁信號傳播模擬建模的有效工具。

GIS系統(tǒng)是在軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)[5]。GIS系統(tǒng)處理和管理的對象是多種地理空間實際數(shù)據(jù)及其關系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理一定地理區(qū)域分布的各種現(xiàn)象和過程。GIS系統(tǒng)包括3種空間數(shù)據(jù)類型：1)坐標系，如經緯度、平面直角坐標和極坐標等。2)拓撲結構，定義兩個物體之間接通和鄰接等關系。3)地理變量，如土壤種類、地質信息、氣候等。同時GIS系統(tǒng)支持2種數(shù)據(jù)結構，1)柵格數(shù)據(jù)結構，即像元陣列，可根據(jù)每個像元特有的行列號來卻確定位置。柵格數(shù)據(jù)結構中的每個代碼明確的代表了對應實體的屬性。它由3級機構組成，即點實體，表示柵格數(shù)據(jù)中的一個像元;線實體，表示某方向上成串的相鄰像元集合;面實體，表示聚集在一起的相鄰像元的集合。2)矢量數(shù)據(jù)結構，即通過記錄坐標的方式，盡可能的將點、線、面地理實體準確的反映出來。它具有比柵格數(shù)據(jù)更高的精確性。矢量數(shù)據(jù)可按一定的轉化規(guī)律轉化為柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)的結構特點有利于計算機處理，具有距離制圖、密度制圖、表面生成與分析、單元統(tǒng)計、領域統(tǒng)計、分類區(qū)統(tǒng)計、重分類和柵格計算等分析功能。

基于GIS系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)，通過圖形的采集和矢量化處理建立起戰(zhàn)場區(qū)域的地形地貌圖和所要電磁輻射源的分布圖，采用數(shù)據(jù)庫技術建立電磁輻射源基礎地理信息數(shù)據(jù)庫，通過電子地圖和數(shù)據(jù)庫的連接，創(chuàng)建和查詢戰(zhàn)場電磁輻射源的特征、屬性、空間位置、探測能力及通信能力等信息。同時實現(xiàn)輻射源數(shù)量、空間分布、技戰(zhàn)術指標、戰(zhàn)術應用、組織序列以及電磁信號的傳播途徑、電磁輻射范圍、電磁頻譜分布全景等內容可視化，為基于戰(zhàn)場實際地理環(huán)境的復雜環(huán)境模擬建模提供支持。

4.復雜樣式信號發(fā)生技術

復雜樣式信號發(fā)生技術是為了最終實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境中信號樣式復雜多變的電磁信號，人為構建高逼真度的復雜電磁環(huán)境，適應于各種裝備的性能測試。理想的復雜樣式信號發(fā)生技術是基于數(shù)字化復雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的復雜樣式模擬軟件系統(tǒng)與復雜樣式信號發(fā)生模擬硬件平臺的有機結合，這種技術的優(yōu)勢體現(xiàn)在：1)一個平臺可以根據(jù)不同武器裝備測試需求，搭載相適應的復雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫和模擬發(fā)生軟件，實現(xiàn)符合該武器裝備作戰(zhàn)環(huán)境的輻射源及其環(huán)境模擬;2)一代平臺可以搭載同一武器裝備的多代復雜電磁環(huán)境模擬軟件，使其具備很強模擬仿真兼容性和適用性。這種復雜樣式信號發(fā)生技術可以通過靈活的配置，實現(xiàn)服務于多種、多代武器裝備的測試，提高測試效能，擺脫全實物測試環(huán)境的時域、空域及地域限制，在統(tǒng)一平臺上滿足武器裝備對環(huán)境模擬樣式、頻譜覆蓋、調制帶寬以及信號捷變等方面的測試要求。

基于復雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的模擬軟件系統(tǒng)中的關鍵技術點就在于適應各種裝備并包含符合裝備作戰(zhàn)區(qū)域地理化信息的數(shù)據(jù)庫及模型建立，這在文章的前面已重點介紹，不再贅述。而對于依賴硬件平臺來實現(xiàn)的復雜樣式信號發(fā)生技術關鍵指標，其涉及到的技術指標廣泛，性能指標要求很高，例如：頻率覆蓋范圍大，涵蓋微波毫米波頻段，調制帶寬高達GHz量級，同時擁有捷變頻特性。能夠支持以上高性能技術指標的復雜樣式信號發(fā)生，離不開高性能信號發(fā)生硬件平臺的支撐。目前利用信號發(fā)生硬件平臺來實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境中電磁信號生成，需要重點解決的關鍵技術點有以下幾個方面：1)大帶寬任意波基帶發(fā)生技術是實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)量向模擬量轉變的核心單元，其調制帶寬寬，通過數(shù)模轉換后形成已調的復雜中頻模擬信號。該模擬信號將被相應的頻率合成技術搬移到所需的頻段，實現(xiàn)復雜樣式信號的最終輸出;2)復雜樣式信號多參數(shù)多域調制綜合仿真的數(shù)字信號合成技術，將復雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式進行信號的綜合計算及處理，完成所需信號在頻域、時域、調制域以及空域的疊加，最終實現(xiàn)大容量、多樣式、多調制參數(shù)復雜電磁信號的編輯、定義、數(shù)據(jù)存儲、調用等任務，最后完成復雜電磁信號模擬的載波及序列組構建，為復雜樣式信號的向外發(fā)生做好準備;3)覆蓋微波毫米波且能支持復雜樣式信號發(fā)生的頻率合成技術，利用直接模擬頻率合成(ADS)方式(如微波毫米波捷變頻信號發(fā)生器)或者間接頻率合成方式(如矢量信號發(fā)生器)實現(xiàn)已調復雜樣式載波信號向著更高頻段擴展。

5.結論

基于數(shù)字化地理信息的復雜環(huán)境信號模擬技術是電子武器裝備半實物模擬測試的一種新的嘗試?；诖思夹g構建的武器裝備在復雜電磁環(huán)境下的性能評估測試系統(tǒng)具有操作便捷、參數(shù)可控、成本低廉、高逼真度、結果全面、場景豐富等優(yōu)點。本文從復雜電磁環(huán)境模擬建模、基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬以及復雜樣式信號發(fā)生等三個方面介紹了此技術的思路、方法和發(fā)展現(xiàn)狀，對其可行性做了詳細分析。