某通信電臺帶內連續阻塞干擾環境適應性評估研究

杜海兵 于永利 杜寶舟

(1. 陸軍工程大學石家莊校區靜電與電磁防護研究所,石家莊050003; 2. 陸軍工程大學石家莊校區裝備指揮與管理系,石家莊050003)

引 言

放眼世界軍事科技領域,信息化在現代戰爭中的地位愈發提高,軍事對抗越來越多地需要通過信息化手段來完成[1]. 時至今日,爭取戰場信息主動權、竭力壓制敵方信息鏈已成為各國軍事專家的共識,因此,作戰單元上信息化設備無論從數量還是從科技含量上都在迅速提升. 在此背景下,一方面要不斷解決不同用頻裝備之間的電磁兼容問題,另一方面要加強電磁干擾武器的研發,這就導致戰場電磁環境越來越復雜、越來越惡化[2]. 面對如此嚴峻的現代化作戰要求,通信裝備作為戰場上各種重要信息傳遞的主要載體,能否很好地適應戰場復雜多變的電磁環境將對戰場態勢演變產生重大影響.

目前,許多國家都出臺了有關用頻裝備對電磁輻射敏感度以及電磁兼容的相關標準,例如我國于2005年和2013年發布的GJB-1389A和GJB-151B[3-4]等,美國發布的MIL-STD-464C和MIL-STD-461G[5-6]等,在一定程度上解決了用頻裝備之間的匹配與兼容問題,但這些標準都是在用頻裝備在單源或單頻干擾輻照下提出的,對復雜電磁環境下通信裝備適應性評估難以直接運用.

本文以通用電磁場理論為基礎,研究通信裝備阻塞干擾,首先推導出評估模型,然后以我軍現役的某型號超短波電臺搭建干擾試驗系統,最后對評估模型進行實驗驗證[7]. 在干擾輻照波形上選擇戰場電磁干擾中最常見的正弦連續波.

1 預測模型推導

當通信裝備受到多個輻射源干擾時,導致通信裝備發生阻塞的原因可能有兩類:一類是對等效場強敏感引發,另一類是對多源輻射場的場強峰值敏感引發.首先對第一類進行推導建模.

1.1 等效場強敏感預測模型

電磁波進入接收機后得到如下所示輸入信號:

(1)

式中:As為接收機對有效信號的接收系數;Ai為接收機對干擾信號的接收系數;E為相應信號的場強峰值;ω為相應信號的角頻率值.

對非線性電路而言,根據冪級數分析法[8],則系統輸入與輸出信號符合如下關系:

(2)

式中,Qi(i=0,1,2,3,…)是取決于系統自身特征的常系數.

在實際運用當中,式(2)選取范圍取決于輸入信號特征:當信號較小時,一般取前2項;當信號較大時,則選取前4項.本文中選取前4項.

將式(1)帶入式(2)則有

(3)

對式(3)進行整理,得到有效信號的放大倍數為

(4)

當通信電臺受到兩個輻射源干擾時,輸入信號如下式所示:

ui(t)=A1E1cos(ω1t)+A2E2cos(ω2t)+

AsEscos(ωst).

(5)

將式(5)帶入式(2),得到有效信號的放大倍數為

(6)

當電臺沒有收到干擾時,有效信號的放大倍數應保持一致,聯合式(4)、(6)可得

(7)

則有

(8)

整理可得

(9)

根據式(9)可推導得到當輻射源數量為n時,則有

(10)

式中:E′ 是某干擾源單獨作用于通信電臺產生臨界干擾時的場強峰值;E是兩個干擾源同時作用于電臺產生臨界干擾時的場強峰值.

設

(11)

根據以上推導,當S1=1時,通信電臺處于臨界干擾狀態;當S1>1時,通信裝備受干擾值超過臨界干擾,無法正常通信;當S1<1時,通信裝備能夠正常通信.整理后如式(12)所示:

(12)

式中,S1是等效功率敏感指數.式(12)便是等效場強敏感模式下的干擾預測模型.

1.2 峰值場強敏感預測模型

在通信電臺對輻射場強峰值敏感的情況下,當n個輻射源單獨輻照通信電臺并產生臨界干擾時,通信電臺的接收機會產生臨界干擾電壓Um,有如下關系式:

?

(13)

式中,xn為通信電臺對某頻率信號的選擇系數.

當n個輻射源同時作用于通信電臺并發生臨界干擾時,電臺接收機產生的臨界干擾電壓與多個輻射源單獨作用產生的臨界干擾電壓值是相等的,則有

x1(E1)+x2(E2)+…+xn(En)=Um.

(14)

對式(13)、(14)進行整理則有如下結果:

(15)

設

(16)

則有當S2=1時,通信電臺發生臨界干擾;當S2>1時,此時作用接收機的等效干擾電壓已經超過了臨界干擾電壓Um,電臺會發生干擾;當S2<1時,則電臺能夠進行通信.整理后如式(17)所示:

(17)

式中,S2是峰值場強敏感指數.式(17)便是峰值場強敏感模式下的干擾預測模型.

2 預測模型實驗驗證

2.1 實驗方案

為驗證以上兩組預測模型是否有效,需要搭建一個有多個干擾輻射源的實驗平臺,同時對受試通信電臺進行輻照實驗.通過測量相關數據計算出預測模型中兩個指數值,觀察該數值與預測模型是否一致,進而驗證模型準確性.

由于實驗條件限制,本文選取干擾源的數量為兩臺,設計試驗框圖如圖1所示.

圖1 雙源干擾輻照實驗設計配置Fig.1 Design and configuration of irradiation of dual source interference

該設計框圖中兩臺干擾電臺的輸出信號經過功率耦合器之后進入功率放大器,最終輸出至輻照天線,將受試電臺置于距離輻照天線5 m左右的平臺上,利用光線場強計來檢測受試區域場強的變化情況.場強計輸出端連接計算機顯示器,受試電臺語音輸出端經光電轉換器連接耳機[9-10].

2.2 試驗設備

通信電臺:采用A1型超短波通信電臺,數量為三臺,兩臺作為干擾信號發生源,一臺作為受試電臺.

輻射天線:采用BBA9105型天線,工作頻率范圍是40～250 MHz,能承受的功率峰值為14 W.

場強檢測器:采用EMR-200型.

功率放大器:采用AR公司生產的50WD1000型,其輸出的額定功率是50 W,頻率范圍能夠達到0～1 000 MHz.

功率計:采用NRVD型.

另外,試驗中還使用了雙向耦合器、功率合成器,以及多條同軸線纜和光纖線纜.

2.3 試驗步驟

按照圖1所示配置圖,將受試電臺、干擾天線以及光電轉換器等連接好并置于開闊場地,選用廣播信號為信號源,其余設備及實驗人員均進入屏蔽良好的屏蔽艙內,然后開始試驗.

1) 將受試電臺工作頻率設置為某一電臺頻點,然后對受試電臺進行微調,直至聽到的廣播信號清晰度最高.

2) 打開干擾信號發生源1,將干擾頻率定于某一值fi,然后逐漸增大功率放大器輸出功率,從監聽耳機實時監聽受試電臺輸出的語音信號,直至完全聽不到有用信息.通過連接場強計的顯示屏讀取此時場強數值,然后分別測量多組干擾頻率值時的場強閾值.

3) 先打開干擾信號發生源1,干擾頻率調節至步驟2)中的某一個頻點,調節輸出功率同時監聽耳機中信號清晰度,當聽到信號開始受到干擾但仍能聽清信號內容時,記錄此時的干擾場強E1.

4) 打開干擾信號發生源2,調節干擾頻率至步驟2)中的另一個頻點,調節輸出功率同時監聽耳機中信號清晰度,直至完全聽不到聲音時,關閉干擾信號發生源1,記錄此時的干擾場強E2.

5) 分別按照步驟2)中的頻點重復步驟3)、4),得到兩組E1和E2的數據.

試驗數據如表1所示,圖中Δfi是干擾信號頻率與廣播信號之間的頻率差,E是單源干擾場強閾值.

表1 雙源干擾輻射下場強閾值組合實驗數據Tab.1 Field intensity threshold experiment data of dual source interference radiation

3 試驗結果分析

觀察對比通過實驗測得的兩組雙源干擾頻率下10組干擾場強閾值組合以及計算得出兩個敏感指數,在第一組頻率組合中,S2值只有一組近似等于1,其余4組都大于1,而S1值均小于1;在第二組頻率組合中,除了一組S1值小于1外,其余S1和S2值均大于1.

分析第一組頻率組合下的實驗數據,結合式(11),該組實驗數據是滿足等效場強敏感預測模型的,但是對比式(16),該組數據是不滿足場強峰值敏感模型的.說明在該組頻率組合干擾下,通信電臺對等效場強敏感,對峰值場強不敏感.

分析第二組頻率組合下的實驗數據,雖然有一組S1值小于1,且與之相差較大,這可能是由于人為操作失誤或者監聽誤差造成的.整體上看,在這組頻率組合下測得數據均滿足兩種預測模型,說明在該組干擾頻率組合下,通信電臺對等效場強和峰值場強都比較敏感.

對比兩組頻率下的數據,從實驗現象上看,通信電臺是發生了阻塞干擾的.而從實驗結果及預測參數的數值上看,卻出現了有的預測模型適用有的卻不適用現象,但兩組數據中,至少有一個預測模型是適用的,說明當滿足其中一個預測模型的干擾條件時,通信電臺是會發生阻塞干擾的.

因此,在實際應用中,由于無法預知通信電臺的敏感類型,在評估電臺是否發生阻塞干擾時,需要將兩個敏感指數S1和S2全都計算出來,然后根據以下方法判斷通信電臺是否發生阻塞干擾及其敏感類型:

4 結 論

1) 通信電臺在多源輻照背景下,會對等效場強和峰值場強中的一種參數比較敏感.

2) 通過計算等效場強敏感指數和峰值場強敏感指數與1的對比,可以預測出通信電臺是否受到阻塞干擾.

3) 等效場強敏感指數或峰值敏感指數,只要有某一指數大于或等于1時,通信電臺就可能發生阻塞干擾.

研究我軍現役通信電臺的連續波多源帶內阻塞干擾規律,能夠從實際戰場復雜電磁環境的角度預測通信電臺的通信狀態和適應能力,有助于提升我軍通信裝備的抗干擾能力和戰場電磁環境適應性,也為我軍不同用頻裝備之間的相互協作、避免干擾提供了解決方案,對提升我軍戰斗力能夠起到積極的推動作用.

本文研究的輻照波形為連續波,干擾類型只針對帶內阻塞干擾,實際戰場電磁環境中還包括多種其他類型的干擾波形,干擾類型還包括帶外干擾、噪聲干擾等. 因此,下一步研究要將更多的干擾波形以及干擾類型納入進來,然后進行匯總與整合,最終形成通信裝備復雜電磁環境適應性預測體系.