基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的電磁環(huán)境逼真度驗(yàn)證方法

李艷莉,田 曉

(1.電子科技大學(xué)成都學(xué)院， 成都 611731； 2.中國西南電子技術(shù)研究所， 成都 610036)

信息化戰(zhàn)場上復(fù)雜電磁環(huán)境深刻地影響著作戰(zhàn)行動，構(gòu)建貼近實(shí)戰(zhàn)的電磁環(huán)境對人員和裝備進(jìn)行試驗(yàn)和訓(xùn)練很有必要，如何評估所構(gòu)設(shè)電磁環(huán)境的質(zhì)量是電磁環(huán)境試驗(yàn)的基本問題[1-2]。實(shí)際應(yīng)用中，利用戰(zhàn)場中的監(jiān)測設(shè)備測量整個作戰(zhàn)空域的多維度參數(shù)，通過定性或定量評估方法給出電磁環(huán)境的復(fù)雜度、威脅度、相關(guān)度等評估等級。這些評價(jià)結(jié)果將用于反饋調(diào)整電磁環(huán)境構(gòu)建的質(zhì)量。通過對電磁環(huán)境的評價(jià)，不斷對生成的電磁環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化以滿足作戰(zhàn)需求[3]。

電磁環(huán)境生成和推演宏觀逼真度是用來描述想定電磁環(huán)境與構(gòu)設(shè)電磁環(huán)境在特定空間、整體的、宏觀的電磁環(huán)境特征的相似性，從電磁環(huán)境復(fù)雜度評估指標(biāo)中提取宏觀逼真度，也就是從頻域、時(shí)域、空域和能域中提取頻譜占用度、時(shí)間占有度和空間覆蓋率等指標(biāo)進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)，對電磁環(huán)境進(jìn)行與真實(shí)作戰(zhàn)場景的相似性的度量，滿足不同規(guī)模、不同作戰(zhàn)場景和不同作戰(zhàn)任務(wù)的仿真需求[4-5]。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境場景構(gòu)建

根據(jù)作戰(zhàn)需求構(gòu)建一個典型的陸空典型戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的測試場景如圖1，陸空戰(zhàn)場的復(fù)雜電磁環(huán)境場景的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 陸空戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境測試場景

目標(biāo)類型裝備名稱目標(biāo)位置目標(biāo)尺寸(長寬高)目標(biāo)參數(shù)運(yùn)動參數(shù)輻射源FPS-117雷達(dá)XR1,YR1,ZR1LR1,WR1,HR1f:1215～1 400 MHz,Pt:24.8 kW,Gt:38.5 dB,…圓周掃描,掃描周期10 sMPQ-53雷達(dá)XR2,YR2,ZR2LR2,WR2,HR2f:5 250～5 750 MHz,Pt:200 kW,Gt:41 dB,…電掃……………AN/APG-79XRn,YRn,ZRnLRn,WRn,HRnf:9 700～9 900 MHz,Pt:22 kW,Gt:37 dB,…電掃超短波通信XC1,YC1,ZR1LC1,WC1,HC1f:225～400 MHz,Pt:10 W,Gt:-5 dB,…-……………干擾設(shè)備XJn,YJn,ZJnLJn,WJn,HRnf:2～18 GHz,Pt:500 W,Gt:18 dB,電掃主戰(zhàn)裝備坦克XEQ1,YEQ1,ZEQ1LEQ1,WEQ1,HEQ1金屬,RCS:8 m2速度50 km/h通信車XEQ2,YEQ2,ZEQ2LEQ2,WEQ2,HEQ2金屬,RCS:10 m2速度60 km/h……………直升機(jī)Xap1,Yap1,Zap1Lap1,Wap1,Hap1金屬,RCS:15 m2速度400 km/h地物道路XObj1,YObj1,ZObj1LObj1,WObj1,HObj1建筑物類型,結(jié)構(gòu)—……………橋梁XObjn,YObjn,ZObnLObjn,WObjn,HObjn介電常數(shù)、磁導(dǎo)率—地貌草地XTR1,YTR1,ZTR1LTR1,WTR1,HTR1介電常數(shù)、磁導(dǎo)率沙漠XTR2,YTR2,ZTR2LTR2,WTR2,HTR2介電常數(shù)、磁導(dǎo)率……………叢林XTRm,YTRm,ZTR2mLTRm,WTRm,HTRm樹木類型、樹木密度、高度

2 電磁環(huán)境中時(shí)域、空域、頻域、功率域測試參數(shù)

通過時(shí)域、頻域、空域和能量域四個維度對電磁環(huán)境態(tài)勢進(jìn)行多維度表征[6]。

1) 功率域特性參數(shù)

功率域參數(shù)表示特定區(qū)域、特定時(shí)段、特定頻譜范圍的頻譜分布特征，在一定作戰(zhàn)空間VΩ、時(shí)間范圍[t1,t2]和頻率范圍[f1,f2]內(nèi)，信號強(qiáng)度表示為[7]

(1)

式(1)中：AP為信號平均功率密度譜；S(r,t,f)為功率譜密度；r為空間位置坐標(biāo)；VΩ為作戰(zhàn)空間體積。

2) 時(shí)域特征參數(shù)

時(shí)域特征參數(shù)通常用單位時(shí)間內(nèi)超過一定強(qiáng)度的信號功率密度等參數(shù)來表示。在一定作戰(zhàn)空間VΩ和頻率范圍f1,f2內(nèi)，定義時(shí)間占有度為電磁環(huán)境功率譜密度均值超過某一電磁環(huán)境門限所占用的時(shí)間段與作戰(zhàn)時(shí)間段的比值[7]：

(2)

式(2)中：U為單位階躍函數(shù)；S0為電磁環(huán)境門限；雙重積分是對頻率和空間進(jìn)行積分。

3) 空域特征參數(shù)

空域特征參數(shù)通常用空間覆蓋率表征，是指在一定時(shí)間范圍[t1,t2]和頻率[f1,f2]范圍內(nèi)，電磁信號平均功率密度譜超過指定電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與作戰(zhàn)空間范圍的比值[7]：

(3)

式(3)中：雙重積分是對時(shí)間和頻率進(jìn)行積分。

4) 頻域特征參數(shù)

頻域特征參數(shù)通常用頻率占用度表示，在一定的作戰(zhàn)空間VΩ和時(shí)間范圍[t1,t2]內(nèi)，不同頻率出的信號平均功率譜可以表示為[7]

(4)

式(4)中，雙重積分是對時(shí)間和空間進(jìn)行積分。

由上式可計(jì)算出在一定時(shí)間和作戰(zhàn)空間范圍內(nèi)電磁信號所占有的頻譜范圍，簡記為ΔB。

此時(shí)，根據(jù)具體環(huán)境，設(shè)定一個S(f)門限。假設(shè)超過門限的頻譜寬度為Δ，那么頻譜占用度為

FO=Δ/ΔB

(5)

可見，頻譜占用度越大，電磁環(huán)境越復(fù)雜。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境逼真度測試方法

3.1 外場縮比測試場景

外場縮比模擬測試的試驗(yàn)場地需求為1 000 m×1 000 m區(qū)域，需要考慮外場測試環(huán)境(基礎(chǔ)設(shè)施、大型固定試驗(yàn)設(shè)施、配套條件)、受試設(shè)備架設(shè)安全性、操作便捷性等因素，外場縮比模型的組成如圖2所示。對外場區(qū)域進(jìn)行空間柵格離散，柵格尺寸約100 m×100 m，柵格坐標(biāo)為(xi,yj)。外場地貌涵蓋闊葉林、草地、建筑物、道路、簡易橋梁模型。根據(jù)作戰(zhàn)想定和任務(wù)規(guī)劃對作戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行部署，分別部署L/S/C/X波段雷達(dá)模、通信設(shè)備、某型主戰(zhàn)坦克、某型裝甲車、指揮控制系統(tǒng)、地空導(dǎo)彈車模型，將直升機(jī)模型架設(shè)于30m高塔上。

在外場柵格(xp,yp)位置部署3 MHz～18 GHz無線電頻譜監(jiān)測設(shè)備及輻射信號測試設(shè)備，對雷達(dá)、通信設(shè)備、陸軍主戰(zhàn)裝備傳感器輻射信號進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察與測試，沿著柵格坐標(biāo)(xi,yj)移動無線電頻譜監(jiān)測設(shè)備及輻射信號測試設(shè)備，對外場區(qū)域內(nèi)所有電磁柵格內(nèi)的電磁環(huán)境多參數(shù)進(jìn)行測試。

圖2 陸戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境外場測試布局圖

3.2 逼真度測試方法

按照第1節(jié)設(shè)置的測試場景，在暗室中搭建一套縮比戰(zhàn)場模型，根據(jù)圖1和表1設(shè)計(jì)的陸空戰(zhàn)場的復(fù)雜電磁場景，按照可仿真計(jì)算的最小柵格進(jìn)行剖分，對每個柵格分別測試仿真模型和外場縮比模型的時(shí)域、頻域、空域、能量域和極化域參數(shù)矩陣，形成整幅作戰(zhàn)場景的多域電磁參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值，然后通過灰關(guān)聯(lián)的方法，計(jì)算仿真場景和外場縮比實(shí)物場景的逼真度。整個場景的模型驗(yàn)證的方法框圖如圖3所示。

圖3 復(fù)雜電磁環(huán)境的模型驗(yàn)證方法框圖

下面以10 km×10 km的陸戰(zhàn)場電磁場景為例，按照1 km×1 km的準(zhǔn)則進(jìn)行作戰(zhàn)場景的柵格剖分，分別得到整幅電磁場景的實(shí)測縮比場景和計(jì)算數(shù)字電磁場景的的時(shí)間占有度、頻域占有度和空域覆蓋度的參數(shù)矩陣。

(6)

(7)

(8)

分別為極大距離和極小距離，反映了整個系統(tǒng)對單個特征參數(shù)關(guān)聯(lián)程度的影響。

根據(jù)構(gòu)建仿真場景電磁環(huán)境特征參數(shù)與外場縮比模型電磁環(huán)境特征參數(shù)之間的極大和極小距離來定義參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，于是所構(gòu)建電磁環(huán)境對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

(9)

式(9)中:ξ為分辨系數(shù)，通常取ξ=0.5。假設(shè)(h，j)處的關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重為whj，關(guān)聯(lián)系數(shù)的權(quán)重矩陣為

(10)

并有

(11)

算法中，參數(shù)矩陣為同一指標(biāo)，各灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的相對重要性相同，權(quán)重矩陣的系數(shù)都取相同值。

對灰關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行聚焦，得到作戰(zhàn)試驗(yàn)所構(gòu)建的電磁環(huán)境相對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的逼真程度為[10]

(12)

4 復(fù)雜電磁環(huán)境的模型驗(yàn)證實(shí)例

在作戰(zhàn)試驗(yàn)實(shí)施過程中，利用輻射源信號模擬器、實(shí)物縮比模型、復(fù)雜地形地貌構(gòu)建不同作戰(zhàn)階段的電磁環(huán)境，電磁環(huán)境監(jiān)測設(shè)備對作戰(zhàn)試驗(yàn)的作戰(zhàn)空域進(jìn)行監(jiān)測，記錄每個電磁柵格的電磁功率密度譜和電磁信號密度，作戰(zhàn)試驗(yàn)不同階段所構(gòu)建電磁環(huán)境與數(shù)字仿真模型中要求電磁環(huán)境的頻譜占有度分別如表2和表3所示。

表2 數(shù)字仿真模型的電磁柵格的頻譜占有度

表3 外場縮比模型的電磁柵格的頻譜占有度參數(shù)

可以做出數(shù)字仿真模型和外場縮比模型構(gòu)建的電磁環(huán)境電磁柵格的頻域參數(shù)分布特性曲面分別如圖4和圖5所示。

圖4 數(shù)字仿真模型電磁柵格的頻譜分布

圖5 外場縮比模型電磁柵格的頻譜分布

通過灰關(guān)聯(lián)分析算法可以得出兩者的逼真度為0.94。同理可以分析電磁環(huán)境其他維度參數(shù)的電磁環(huán)境逼真度。