復雜電磁環境預測系統設計與實現

摘 要： 針對雷達、北斗衛星導航等依賴電磁波的系統都避免不了對電磁波傳播特性的分析問題，提出了基于統計模型的電磁環境預測方法，以及基于拋物方程的預測方法，并推導出拋物方程計算總的傳播損耗等于傳播因子和損耗因子對電磁波場量的疊加，設計了電磁環境預測系統。最后以海戰場電磁環境為例進行了仿真，結果證明該方法對陸海空等典型地海場景中的復雜電磁環境電磁波場強或接收功率的預測是非常有效的，具有較好的理論研究和應用價值。

關鍵詞： 復雜電磁環境； 統計模型； 拋物方程； 預測系統

中圖分類號： TN710?34； P208 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0146?05

0 引 言

雷達、遠距離無線通信、北斗衛星導航系統（BDS）、電子對抗還是遙感遙測等依賴電磁波的系統，都避免不了對電磁波傳播特性的分析。對復雜環境中的電磁波傳播一種粗略的分析方法是將環境視為自由空間，而精確的分析必然考慮電波傳播實際環境如地形、地物以及大氣層環境變化的影響等。然而傳統解析法如基爾霍夫近似法（Kirchhoff Approximation，KA）、微擾法（Small Perturbation Method，SPM）等不能用于求解粗糙表面的散射特性，雖然最近發展了一些改進算法，但未考慮大氣環境的影響，且計算量較大[1?3]。射線追蹤法可以定量地描述電磁波在各種大氣環境條件下的軌跡， 但沒有解決場分布的問題[4]。拋物方程法可處理非均勻大氣與復雜邊界條件[5?8]下的電磁波傳播問題，且可用迭代法求解，在解決電磁波傳播問題方面得到了廣泛運用。

由于電磁環境構成較為復雜，本文只研究構成電磁環境中最主要部分，它是影響處于電磁環境中武器平臺的關鍵因素，主要包括自然界熱噪聲和人為產生的無線電發射。自然界熱噪聲一般為高斯白噪聲，它均勻地分布在每個頻率上，主要影響無線電接收機的底噪電平，決定了無線電接收機的接收靈敏度或者說是通信質量。人為產生的無線電發射往往會對不同地區產生不同影響。因此刻畫電磁環境應采用場論的方法，主要采用的物理量為場強。根據電磁波傳播路徑損耗、天線方向增益、發射功率，就可以預測某個地理位置的最大場強的大小。綜合多個發射電臺在某一地理位置場強的大小和熱噪聲就可以描述某個地理位置的電磁環境。由于軍用復雜電磁環境的構成以30 MHz～300 GHz為主，因此本文僅研究該頻段內復雜電磁環境的預測方法。

1 基于統計模型的復雜電磁環境預測方法

復雜電磁環境主要由自然電磁輻射和人為電磁輻射形成。自然電磁輻射主要是熱噪聲，人為電磁輻射主要是無線電發射電臺。這兩者是形成復雜電磁環境的關鍵因素。此外，不同地域電磁環境不同，或者說是電磁環境與地理位置有關，因此描述和刻畫電磁環境應采用物理學中場論的方法。也就是說描述電磁環境的最佳物理量是場強或功率通量密度。場強是矢量，功率通量密度是標量。這兩個物理量之間可以相互轉換。

1.1 人為電磁輻射對電磁環境的影響

對于主要影響電磁環境之一的無線電發射電臺，它影響電磁環境的主要發射參數模型如圖1所示，主要包括了工作頻段內的必要帶寬內發射、帶外發射、雜散、諧波。因此，在構造電磁環境時這些因素都應當考慮在內。

必要帶寬內發射一般稱為帶內發射，帶外發射和雜散發射一般稱為無用發射。帶內發射和無用發射的大小主要由發射功率和濾波器決定。由于各個生產廠家在生產設備時選擇的濾波器不同，因地不同廠家生產的無線電設備造成的無用發射也不一樣。但是凡是經過型號核準或無線電發射機檢測的無線電設備都必須滿足規定的發射模板（或頻譜模板）的技術指標規范。表1給出了我國8 MHz數字電視地面廣播傳輸系統的發射模板。因此，可以根據發射模板預測發射設備的最大無用發射功率。這一方法也滿足電磁干擾預測的保守原則。

為了預測的準確度，必須考慮特殊區域的地理地形條件和定向接收天線的方位。電磁波即使在自由空間的傳播，定向天線接收到的信號強度也與天線的方向有關，因而收到的信號強度不同。下面舉例進行說明。

假設在同樣的電磁環境中，完全相同的兩個接收天線的地理位置和接收天線方向如圖2所示。由于輻射源和被干擾設備的相對位置與方位不同，從而對被干擾設備的干擾程度不同，而且干擾程度與夾角[θ]有關。

對于圖2中所示的地理位置關系，目前研究的方法有3種：以水平面為基準，將被干擾設備等效到水平平面；以被干擾設備為基準，將輻射源等效到高度為[h]的水平面；以輻射源與高度為[h]的被干擾設備之間的連接虛線所在平面為基準，將輻射源和被干擾設備等效到該平面上。

1.2 自然電磁輻射對電磁環境的影響

1.3 無線電磁波的傳播

無線電磁波在傳播過程中主要遭受到的損耗是擴散損耗、路徑損耗和吸收損耗。擴散損耗主要是無線電磁波的球面效應（惠更斯原理）產生的損耗。路徑損耗是無線電磁波在傳播中遇到障礙物時產生的損耗。吸收損耗主要是無線電磁波受到大氣中水和氧氣引起的損耗。由于高頻才出現吸收損耗，一般來說不考慮電磁波的吸收損耗。

2 基于PE的復雜電磁環境預測方法

拋物型方程（Parabolic Equation，PE）是從基本的麥克斯韋方程組經嚴格推導，分離掉時間因子和后向傳播分量后得來的，并且方程中包含了折射效應和繞射效應，滿足全波解的要求，通過PE方程能夠很好地解決直、繞射和散射等過程對電磁波傳播的影響，從而給出電磁場強預測的確定解[9?10]。

3 復雜電磁環境預測系統

基于以上理論分析，構建典型場景下的電磁環境預測系統。復雜電磁環境預測系統由四個模塊組成，即參數輸入模塊，圖形顯示模塊，操作模塊和結果顯示模塊。其中，參數輸入模塊包括典型戰場場景選擇，輻射源及接收點參數設置，地圖加載等。復雜電磁環境預測系統演示總界面如圖5所示。

場景分為三種，如圖6所示。操作模塊包括輻射源放置，場強預測，圖形繪制，模型選擇，可以根據戰場環境特點，選擇相應模型進行圖形繪制與分析。以海戰場為例進行復雜電磁環境預測，并給出分析結果。輻射源放置如圖7所示，仿真參數設置如下：輻射源頻率1 500 MHz，發射功率46 dBm，發射增益16 dB，接收增益為0 dB，系統損耗為3 dB，發射天線高度為30 m，接收天線高度為1.5 m，收發天線距離為15 km 。

距輻射源一定距離的接收點處的電磁環境預測結果如圖8所示，覆蓋區的接收功率用顏色的深淺（由紅至藍）來衡量，其中紅色表示功率越強，藍色表示越弱。如圖9所示分別給出了自由空間、基于統計模型（Okumura?Hata）以及基于PE的電磁波傳播損耗、接收功率及場強隨距離的變化關系。

當輻射源與定向接收存在角度關系時，不同工作頻率及角度關系下，接收點的功率如圖10 所示。圖10（a）為不同角度接收功率隨距離的變化； 圖10（b）為不同頻率接收功率隨角度的變化。

當海面電磁波傳播收發天線高度均為10 m，海面路徑0.6倍菲涅耳間隔路徑距離內沒有障礙，計算模型與ITU?R_P.1546?3模型的仿真對比如圖11所示。

對特定戰場環境中某地理位置處的電磁環境進行預測，即可按照上述思路，在考慮影響輻射源電磁輻射因素的基礎上，結合具體的環境信息，在不同環境場景中調用不同的電磁波傳播模型，最終實現電磁環境的預測。

4 結 語

從以上的仿真可以看出，本系統可以方便、快速地模擬計算出電磁波在復雜戰場環境下的路徑損耗、接收功率與場強值，并能夠直觀、實時地顯示，因此，復雜電磁環境預測系統對于戰場復雜電磁環境下武器裝備受擾分析與效能評估具有輔助作用。本仿真系統在電磁環境預測過程中，雖然考慮了電磁波傳播路徑損耗、天線方向增益、發射功率等因素，但對于傳播路徑損耗影響因素、天線極化特性等，考慮得還不是很充分，因此本系統還有待于完善，將以上因素考慮進去，將為今后的電磁環境預測系統提供更加完美的仿真環境。

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