面向對象的復雜電磁環境適應性評估方法

余松，王凡

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266000）

隨著電子裝備向體系化、網絡化、智能化的趨勢發展，電磁環境復雜程度呈指數增長，對電子信息裝備的影響愈發突出。然而，電磁環境的復雜程度也是相對的。電磁環境只是裝備的外部因素，而電磁環境適應性則是裝備本身的固有特性，并且與裝備的應用場合、戰術背景、裝備技術都有密切的聯系。所以，在重視電磁環境研究的同時，更應加強環境影響效應、裝備適應性方面的研究[1-2]。

1 基于相關性的適應性評估方法

由于對象（電子裝備）的特性不同，其對電磁環境的感知有非常大的差別，因此，在進行電子裝備復雜電磁環境適應性評估時，可以通過計算電磁環境所處空間范圍的頻率范圍、時間范圍、調制方式、極化方式和電子裝備的工作頻段、工作時間、調制方式、極化方式的頻率相關度、時間相關度、調制相關度、極化相關度以及能量相關度，從頻、時、調制、極化、能量5個角度進行裝備復雜電磁環境適應性的評估。

1.1 評估流程

在具體工作中，評估流程是：①分析評估需求，針對用戶關注的影響因素確定評估指標項，建立適應性評估模型和指標體系；②根據評估對象的特點，采集電磁環境監測特征數據和典型裝備敏感特征參數；③計算裝備和電磁環境的頻率相關度、時間相關度、調制相關度、極化相關度、能量相關度；④計算指標權重，綜合各項指標計算基于相關性的裝備復雜電磁環境適應性。評估流程如圖1所示。

1.2 相關性計算

1.2.1 時間相關度

電磁環境信號的功率譜密度的統計平均值超過電子裝備能感知電磁環境的功率譜密度門限的時間長度與電子裝備作戰時間段的比值被稱為電磁環境時間相關度。針對具體裝備，比如雷達接收機通斷比越大，能夠接收電磁環境信號的時間越長，電磁環境時間相關度越高。具體計算公式是：

式（1）中：sT為電子裝備能感知的電磁環境的功率譜時間密度門限；U[·]為階躍函數。

1.2.2 頻率相關度

電磁環境信號的功率譜密度的統計平均值超過電子裝備能感知電磁環境的功率譜密度門限的頻帶與電子裝備用頻寬度的比值。對于具體裝備而言，比如雷達接收帶寬越大，就能夠接收頻帶越寬的電磁環境信號，電磁環境頻率相關度越高。具體計算公式是：

式（2）中：sF為電子裝備能感知的電磁環境的功率譜頻率密度門限；U[·]為階躍函數。

1.2.3 調制相關度

考慮到電子裝備的調制方式及其所處電磁環境中信號的調制方式的相關程度，研究電磁環境不同調制樣式的干擾信號對電子裝備有用信號調制域的影響。計算在電子裝備的工作時間、頻段、空間范圍內所量測到的信號的調制方式和電子裝備的調制方式的相關度，具體計算公式如下：

式（3）中：m為電子信息系統k感知的環境中存在的其他信號數量；Mks為電子信息系統k的調制方式和環境中信號s的調制相關度；Cs為第s個信號的調制相關度的權重。

Mks定義為在設備工作時間[t2，t]內，電磁環境歸一化功率譜與通信信號歸一化功率譜的相關系數，其表達式為：

式（4）中：S′（t，f）為電磁環境歸一化功率譜密度；SC′（t，f）為通信信號歸一化功率譜密度；C[S′（f），SC′（f）]為 t時刻 S′（t，f）和 SC′（t，f）的相關系數。

t時刻 S′（t，f）和 SC′（t，f）的相關系數表達式為：

式（5）中：S′（f）和SC′（f）分別為t時刻電磁環境和通信信號歸一化功率譜。

1.2.4 能量相關度（功率壓制率）

電子裝備能感知的電磁環境功率譜密度與電磁環境信號功率譜密度平均值的比值為：

式（6）中：s0為電子裝備能感知的電磁環境信號的功率譜密度門限。

圖1 基于相關性的適應性評估流程

1.2.5 極化相關度

考慮電子裝備的極化方式及其所處電磁環境中信號的極化方式的相關程度，研究電磁環境干擾信號不同極化方式對電子裝備有用信號極化域的影響，具體表達式為：

式（8）中：L為可識別的電磁信號極化方式個數；ρC為通信天線的極化橢圓的軸比（長軸和短軸的比值）；ρl為第l個可識別的電磁環境信號極化橢圓的軸比；θ為通信信號與電磁環境信號極化橢圓長軸之間的夾角；“+”和“-”分別對應天線與信號來波極化旋轉方向相同和相反。

2 基于作戰效能的適應性評估方法

基于電子裝備的作戰效能變化率進行電磁環境適應性評估時，以雷達/雷達對抗裝備為研究重點。在實際作戰和試驗演練中，由于裝備所處作戰空間、作戰時間、作戰對象和作戰任務上都不相同，導致其所處的電磁環境也不同，所以，其作戰效能的發揮也不同。評估電子裝備在不同電磁環境下的作戰效能可直接反應其對所處電磁環境的適應性。

在實際工作中，具體評估流程是：①分析評估需求，針對用戶關注的影響因素確定評估指標項，建立適應性評估模型和指標體系；②根據評估對象的特點，采集電磁環境監測特征數據和典型裝備敏感特征參數；③判斷裝備類型（以雷達裝備、雷達偵察裝備、雷達干擾裝備為例），利用電磁環境監測信號對雷達等電子裝備的干擾分析技術，計算雷達裝備/雷達偵察裝備/雷達干擾裝備效能指標；④計算指標權重，綜合各項指標計算基于作戰效能的裝備復雜電磁環境適應性。評估流程如圖2所示。

圖2 基于作戰效能的適應性評估流程

3 綜合評估方法

深度分析電磁環境數據組成中影響作戰和武器裝備效應的關鍵因素，基于“大數據”[3]理念建立電磁環境特征與裝備效應的關聯關系，并將由大數據理念分析出來的影響裝備效應的敏感因子代入適應性評估方法中，綜合基于相關性的裝備和電磁環境在時域/頻域/調制域/極化域/能量域的相關度計算結果、電子裝備受電磁環境影響作戰效能變化率計算結果，利用層次分析法（AHP）[4]結合最優指標法的綜合評估方法，給出電子裝備適應性評估結果。綜合評估方法如下。

3.1 確定原始試驗數據矩陣

該矩陣內容為各評估對象的評估指標數據（可由試驗或仿真計算獲?。?，設有m個評估對象，每個評估對象有n個評估指標，則原始試驗數據以矩陣表示，即：

3.2 確定最優指標

確定最優指標，構成最優值向量 y，即 y＝（x1，x2，x3，…，xn）.其中，元素xj的確定有2種可能：①如果該元素為高優指標，則 xj＝max｛xj1，xj2，…，xjm｝（j＝1，2，…，n）；②如果該元素為低優指標，則xj＝min｛xj1，xj2，…，xjm｝（j＝1，2，…，n）.

3.3 數據歸一化處理

歸一化后的數據矩陣記為：

式（10）中，元素zij由歸一化處理所得，對于高優指標，；對于低優指標，.其中，xj為最優指標值，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，m.

3.4 確定權重系數

用AHP法確定權重有3種方法，即冪法、和積法和方根法。

3.5 計算評價值Mj

計算評價值Mj，進行排序評價，即：

式（11）中：wi為各項指標的組合權重，Mj值越大，表明第j個評估對象電磁環境適應性越好。因此，可按照Mj值的大小進行分級。

4 結束語

圍繞復雜電磁環境下裝備適應性分析評估等應用需求，提出基于相關性的適應性評估方法、基于作戰效能的適應性評估方法和綜合評估方法，在武器裝備論證、研制、試驗、訓練、應用等全生命周期均有實際應用價值。

［1］肖凱寧，賈立印，雷斌，等.武器裝備電磁環境適應性分析方法研究［J］.通信對抗，2010，110（2）：48-52.

［2］戴幻堯，李林，崔建嶺，等.防空武器系統復雜電磁環境效應的特征分析及仿真［J］.中國電子科學院學報，2013，8（1）：60-65.

［3］維克托·邁爾-舍恩伯格.大數據時代：生活、工作與思維的大變革［M］.杭州：浙江人民出版社，2013.

［4］張炳江.層次分析法及其應用案例［M］.北京：電子工業出版社，2014.