海戰場復雜電磁環境構建研究

李 楠，王 標，底明曦，邵榮營

(1.解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001； 2.解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125001;3.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著電磁技術和用頻設備的廣泛應用，戰場電磁環境變得日益復雜，電磁頻譜資源越來越重要，尤其是在信息化元素極為豐富的海戰場，復雜的電磁環境給對海作戰提出了更高的要求和挑戰。現代化對海作戰越來越依賴于各種各樣的信息化作戰裝備和系統，并且融合了雷達、電子戰、光電、通信、導航、敵我識別、衛星導航、遙測遙控等多終端情報數據，整合后上報作戰指揮中心進行統籌管理、綜合運用、直接控制與指揮等工作，因而需要基于多頻譜在海戰場復雜電磁環境下進行陸、海、空、天多軍種協同作戰[1]。構建的海戰場復雜電磁環境可實現作戰裝備和系統從設計研制定性試驗，到作戰試驗內外場鑒定，再到列裝真實外場作戰試驗的各階段全面性、科學性、逼真性的有效試驗，同時還可進行海戰場電磁裝備頻譜規劃與應用管理測試[2-3]。

本文首先介紹海戰場電磁環境的主要特征，總結了海戰場復雜電磁環境構建方法與系統組成，并闡述海戰場復雜電磁環境構建的關鍵技術，最后介紹了一種陣列式內場電磁環境射頻仿真試驗系統和部分模擬仿真測試結果，以期為海戰場復雜電磁環境構建的相關研究部署以及部隊開展相關作戰裝備和系統的試驗和戰術演練訓練提供借鑒。

1 海戰場復雜電磁環境特征分析

海戰場電磁環境是一個多頻譜、大帶寬、高密度、多參數捷變的復雜電磁信號環境，具有如下幾大主要特征[4-5]：

(1) 極寬的信號頻段。對海作戰的電磁信號幾乎覆蓋整個電磁頻譜，包括從高頻到微波、毫米波、紅外和激光等頻段，海戰場電磁環境異常復雜。

(2) 復雜的信號形式。對海作戰裝備和系統采用了各種復雜的雷達信號和有源干擾信號等，包括常規脈沖、頻率編碼和相位編碼等復雜調制脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻參差、重頻抖動、重頻滑變、重頻編碼、脈沖壓縮等雷達信號，還包括各類樣式的壓制干擾和欺騙干擾等有源干擾信號。

(3) 大的信號動態范圍。對海作戰裝備的輻射源功率和距離可以在非常大的范圍內變化，電磁信號的幅度具有極大的變化范圍。從而對作戰裝備的靈敏度和動態范圍提出了極高的要求，方能截獲如此復雜電磁環境下的低可觀測信號、微弱信號以及大功率輻射信號。

(4) 極高的電磁信號密度。對海作戰環境中，戰區內的電磁信號脈沖密度超過百萬個脈沖/s量級，部分重點區域的電磁信號脈沖密度甚至將高達幾百萬個脈沖/s的量級。

為了能夠逼真地再現復雜、多變、密集的電磁環境，對海戰場的復雜電磁環境構建提出了極高的要求。首先，海戰場的電磁環境構建必須是靈活可變的，能夠快速反映海戰場電磁信號環境的復雜多變；其次，必須能夠達到生成每秒高達百萬個量級的脈沖信號能力，滿足海戰場電磁環境構建的電磁信號脈沖密度；最后還必須能夠逼真、高效地再現海戰場復雜多變的各類電磁信號特征和信號參數。當前海戰場復雜電磁環境構建呈現以下發展趨勢[2-3]：

(1) 體系結構更加開放

海戰場復雜電磁環境采用模塊化的構建思路，開放型體系結構能夠適應若干應用層次，根據被試裝備和系統的不同試驗需求靈活配置，具有非常大的可擴展性和靈活性。

(2) 系統級能力不斷提升

隨著一體化綜合電子戰系統成為對海作戰裝備的主流，海戰場電磁環境構建得到充分發展和不斷完善，滿足電子戰作戰裝備綜合一體化試驗、鑒定和評估的迫切需求，可實現武器裝備系統從設計研制定性試驗，到作戰試驗內外場鑒定，再到列裝外場作戰試驗的各階段全面性、科學性、逼真性的有效試驗，同時還可進行電磁裝備頻譜規劃與應用管理測試。

(3) 復雜電磁環境模擬能力不斷增強

現代海戰場的電磁環境日益復雜，尤其是相控陣、合成孔徑雷達(SAR)、逆合成孔徑雷達(ISAR)等新體制電子戰裝備的應用，要求海戰場電磁環境模擬構建能力不斷增強，不僅表現在復雜電磁信號環境的信號密度、頻段范圍，而且表現在電磁環境信號的種類、體制等多方面。

(4) 戰術演練和訓練能力不斷提升

構建海戰場電磁環境不但要適應對海作戰武器裝備的試驗、評估、鑒定，更需要適應對海作戰的戰術演練和戰術訓練，構建接近實戰條件下的復雜電磁環境，對電子戰武器裝備的海戰場使用戰術進行研究，為實體戰場應用提供有力依據。

2 海戰場復雜電磁環境構建方法和評價標準

2.1 海戰場復雜電磁環境構建方法

海戰場的復雜電磁環境構建方法主要包括數字模擬仿真方式、內場注入方式、內場輻射方式和外場輻射方式[2-3]。

數字模擬仿真方式主要是通過建立試驗中各種雷達裝備、導引頭、偵察裝備、干擾設備等被試電子戰裝備的的數學模型，利用計算機模擬和仿真技術、軟件和網絡構成來產生實際戰場的復雜電磁環境信號的數字信息，通過數學計算驗證電子戰裝備在復雜電磁環境和電子干擾環境下的適應能力。

內場注入式和內場輻射式的電磁環境構建方法均是半實物仿真系統，因其具有測試性能全面、保密性好、靈活性強、經濟效益高等優點。

內場注入方式主要采用饋線以及必要的射頻控制器件，等效模擬天線的指向特性和信號的幅相特性，并通過饋線實現被試設備和試驗設備之間的信號傳輸，無需建設微波暗室。

采用內場輻射方式時，模擬生成的射頻信號通過天線輻射到空間，經由被測設備的接收天線接收后注入到被測設備的接收機，以進行電子戰裝備的試驗、鑒定和性能評估。典型的內場輻射式電磁環境包括由微波暗室、目標陣列與饋電控制系統、轉臺分系統、電磁環境監測及數據錄取回訪系統等構建組成的陣列式射頻仿真系統[6-7]。

對海作戰武器系統和裝備在經歷實驗室數字模擬仿真分析以及內場模擬仿真試驗后，有必要進行外場真實條件下的輻射式試驗，以便充分檢驗作戰裝備的性能。外場輻射式試驗通常利用試驗靶場的海、陸、空等環境，根據被試裝備的不同需求，構建海戰場復雜電磁環境，實現裝備的試驗、鑒定、性能評估和戰術訓練。具有與實際海戰場作戰相同的真實感、效果好等優點。

2.2 海戰場復雜電磁環境構建評價標準

海戰場復雜電磁環境構建需要根據被試對海作戰裝備的試驗需求，解決如何實現相應的電磁信號環境、復雜海洋環境以及被試裝備的動態參數的設置問題，使其能夠更加真實地反映對海作戰的具體情況，確保所構建的電磁環境的真實性和可靠性。從理論上講所構建的電磁環境越接近對海作戰的戰場環境，被試裝備的試驗結構就具備越高的可信度和真實性。

當前，海戰場復雜電磁環境構建的主要評價指標包括：頻段占用度、時間占用度、空間覆蓋率。

(1) 頻譜占用度。頻譜占用度F0是指在一定的時間和空間范圍內，電磁信號功率密度譜的平均值超過指定電磁環境門限所占有的頻帶與作戰用頻范圍的比值。

(2) 時間占用度。時間占用度T0是指在一定的空間和頻率范圍內，電磁環境信號的信號功率密度譜的平均值超過指定的電磁門限所占用的時間長度與作戰時間段的比值。

(3) 空間覆蓋率?？臻g覆蓋率S0是指在一定的時間和頻率范圍內，電磁環境的信號功率密度譜的平均值超過指定的電磁環境門限所占用的空間范圍與作戰空間范圍的比值。

海戰場復雜電磁環境構建的復雜等級X可由上述頻段占用度、時間占用度和空間覆蓋率來確定，即：

(1)

3 海戰場復雜電磁環境數學模型

海戰場復雜電磁環境涉及各種體制的雷達系統、電子戰系統等作戰裝備產生的雷達信號模擬、有源干擾信號模擬、通信信號模擬、背景輻射信號模擬等諸多體制的信號，本文從部分雷達信號、有源干擾信號等方面選擇部分典型信號的構建模型加以闡述和探討。

3.1 雷達信號模擬模型

對海作戰裝備雷達系統種類繁多，從雷達系統的信號形式上細分，典型的對海作戰裝備雷達系統包括連續波雷達、常規脈沖雷達、頻率捷變雷達、脈沖壓縮雷達、脈沖多普勒雷達、頻率分集雷達、重頻周期調制雷達以及各種組合體制雷達等。

(1) 常規脈沖信號

常規脈沖信號是最簡單卻最重要的雷達信號模式，其數學模型可表示為:

(2)

式中：rect(·)為矩形脈沖函數;τ為信號的脈沖寬度;f0為雷達載頻。

(2) 線性調頻信號

線性調頻信號(LFM)是一種應用最為廣泛的脈壓信號，其頻率隨著時間線性變化。LFM信號的數學模型可表示為：

(3)

式中：調頻斜率k=B/τ，B為信號帶寬。

(3) 頻率捷變信號

為了盡量提高雷達的抗干擾能力，目前很多雷達信號都采用了頻率捷變技術。捷變頻雷達有多種形式，通常包括脈內捷變、脈間捷變、脈組捷變。這里以脈間捷變信號為例，一個捷變周期內信號的數學模型可表示為：

s(t)=

(4)

式中：fn表示第n個脈沖的載頻，脈沖與脈沖之間的載頻是跳變的;φ(t)為脈內調制;Tr(n-1)為前(n-1)個脈沖的重復周期之和，N為捷變點數。

3.2 干擾信號模擬模型

對海作戰裝備面臨的有源干擾類型主要分為壓制干擾、欺騙干擾和組合式干擾。壓制干擾的主要工作原理是采用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮蓋或淹沒目標回波信號，導致雷達無法檢測到目標的信息。欺騙干擾的工作原理是采用假的目標信息作用于雷達的目標檢測和跟蹤系統，使雷達不能正確檢測真實的目標或不能正確測量真實目標的各種參數信息，從而達到迷惑和擾亂雷達對真實目標檢測和跟蹤的目的。組合式干擾通常是壓制干擾和欺騙干擾的疊加，能同時實現這兩種干擾的效果[8]。

(1) 壓制干擾

壓制干擾是利用大功率特點，大大降低雷達接收到目標回波的信噪比，從而造成雷達無法檢測到目標。壓制干擾的主要干擾信號是噪聲，能干擾任何形式的信號。根據干擾噪聲帶寬相對于被干擾雷達接收帶寬的比值關系，壓制干擾可細分為窄帶式、阻塞式、掃頻式三類形式。根據噪聲調制方式，壓制干擾可細分為噪聲調幅干擾、噪聲調頻干擾和噪聲調相干擾。

(2) 欺騙干擾

欺騙干擾就是通過模擬真實目標信號并在時延、多普勒頻域等維度進行適當的調制而制造出假目標，從而對雷達造成迷惑，導致無法檢測真實目標，這里介紹幾種常見的欺騙干擾的模型。

(a) 假目標干擾

假目標干擾就是產生多個與真實目標距離、速度不同的假目標信號。假目標干擾信號的數學模型可表示為：

(5)

(b) 拖引干擾

拖引干擾包括距離拖引、速度拖引或兩種樣式的組合拖引，主要是產生區別于真實目標的假的回波時延或多普勒頻率信號，使雷達獲得錯誤的距離或速度信息。

4 海戰場復雜電磁環境構建關鍵技術

海戰場復雜電磁環境構建的核心要求之一就是要模擬逼真的電磁環境，生成接近于真實的海戰場作戰場景，檢驗對海作戰裝備的性能以及指標效果，以評估裝備的作戰效果。為實現海戰場復雜電磁環境構建，有必要對相關的關鍵技術進行研究。

4.1 復雜電磁環境精細模擬技術

為了滿足海戰場復雜電磁環境構建的精細模擬功能，對海戰場電磁環境構建的時、頻、能、空域進行全參數控制，實現復雜對海作戰戰情下的環境構建和模擬。

(1) 空域：在終端顯控單元態勢運行軟件中進行平臺參數設置，仿真實際海戰場環境態勢下平臺以及被試裝備的位置和相對距離關系，根據一定仿真周期步長計算距離參數，下發至模擬系統的信號源單元，在信號源單元中根據平臺與被試裝備的距離進行距離等效修正計算，使得被試設備在距離和信號功率上與所構建的海戰場環境相同。

(2) 時域：在終端顯控單元態勢運行軟件中設置被試裝備的參數，包括各雷達開關機時間(模式切換時間)、重頻、脈寬以及分集、抖動等時域調制參數，并將參數下發至信號源單元。在信號源單元中收到系統初始化命令及第1幀參數后，將到達時間(TOA)計數器清零，并完成第1幀時間參數的解算，在收到試驗運行命令開始時刻TOA開始計數，并按各時間數據產生信號。如果多部雷達有同時到達信號，則根據脈沖丟失準則進行脈沖丟失處理。

(3) 頻域：在終端顯控單元態勢運行軟件中設置被試裝備的參數，包括各雷達中心頻率、線性或非線性調頻參數、頻率捷變參數、分集參數等，并將參數下發至信號源單元，在信號源單元中采用“高性能現場可編程門陳列(FPGA)+寬帶直接數字合成器(DDS)”的成熟系統結構，根據頻率參數查找表得到本振和變頻控制碼，控制各模塊進行頻率生成，同時使用寬帶DDS產生中頻雷達信號，包括信號的頻率和頻率調制參數也可以精確模擬。

(4) 能域：在終端顯控單元態勢運行軟件中設置被試裝備的距離下發至信號源單元；在信號源單元中根據雷達方程、等效縮比模型，計算發射雷達信號的功率，并查表產生控制程控衰減器的控制碼，進行信號的幅度控制。

4.2 復雜電磁環境信號波形產生技術

(1) 任意波形產生技術

海戰場電磁環境構建的重要工作之一是相關任意波形的基帶信號產生，目前主流采用基于寬帶DDS技術與大規模FPGA+高速數模轉換器(DAC)架構設計任意波形發生器,構造任意調制波形，工作頻段覆蓋0.05～40 GHz的寬頻帶，涵蓋當前各種調制體制的信號樣式。在雷達信號參數的模擬方面，能夠模擬連續波、常規脈沖、頻率捷變、頻率分集、重頻抖動、重頻參差、重頻滑變、脈沖多普勒、線性調頻、非線性調頻、相位編碼等信號樣式，載頻、重頻、脈寬、調制等信號參數獨立控制，可模擬單一參數的變化也可以模擬多參數的復合變化。

海戰場電磁環境構建中基帶信號產生技術的核心是實現具有調頻、調相功能的寬帶DDS器件。在FPGA內部通過DDS IP核構建DDS的相位累加器、只讀存儲器(ROM)和數字控制接口，實現寬帶DDS器件。寬帶DDS不僅能直接合成信號頻率，而且可以直接合成任意信號的波形。

(2) 數字儲頻技術

海戰場復雜電磁環境構建必須具備模擬雷達目標回波、欺騙干擾信號、壓制干擾信號和雷達信號模擬等能力。隨著數字技術的快速發展，海戰場復雜電磁環境構建中越來越多地采用寬帶數字儲頻技術(DRFM)，DRFM技術具有輸出信號有較高的相參性、射頻存儲精度高、信號存儲時間長、信號產生樣式豐富、處理時間快、控制方式靈活等優勢，而廣泛應用于電子對抗系統、射頻模擬仿真等復雜電磁環境構建。DRFM技術通過將被試雷達/導引頭發射信號直接采樣、存儲、回放從而生成目標回波信號、雜波信號、干擾信號，由于產生的信號和被試雷達/導引頭發射信號相參，因而能夠逼真地模擬目標回波和干擾信號。

4.3 復雜電磁環境信號大功率發射技術

海戰場復雜電磁環境構建面臨的發射功率需求逐步提高，尤其是以大功率輻射為特征的外場輻射式試驗，峰值輻射功率要求甚至高達兆瓦量級，這為電磁環境構建過程中功率發射單元的設計提出了非常高的要求和挑戰。海戰場復雜電磁環境構建過程中功率發射單元主要包括行波管發射機、固態發射機、多波束發射機和固態陣面體制等發射機[9-10]。

行波管發射機采用主振放大鏈式發射機方案，行波管電源(HVPS)提供柵控行波管工作所需的各級電源，并對行波管的加電和斷電順序設置硬件連鎖，同時對行波管工作狀態進行檢測。場放電源和調制器為場放和數控衰減器提供工作電源，并對場放射頻工作狀態進行調制，以便與整機狀態同步。

固態發射機相比行波管發射機具有更寬的瞬時帶寬、更高的效率、更高的可靠性以及更大的靈活性。固態發射機主要由功放組件、功放電源、控制三大部分組成。

多波束功率發射機具有合成功率大，波束切換快等優點，主要由前級微波組件、波束選擇開關矩陣、多元介質透鏡、固態功放/行波管、大功率微波開關矩陣、電源等組成，其組成原理如圖1所示。

圖1 多波束發射機基本原理示意圖

微波功率晶體管制造水平的不斷提高和固態發射機技術的不斷進步，有力地促進了固態有源相控陣發射技術的發展，該技術通過空間合成技術可形成兆瓦量級大功率干擾模擬信號，大功率微波空間功率合成技術能突破傳統器件功率的限制，對大量的微波進行空間功率合成，極大地提高連續波干擾的輻射功率。

5 實現與驗證

前文所述的海戰場復雜電磁環境構建方法和關鍵技術已在諸多海戰場電磁環境模擬仿真的工程實踐中得到充分應用。圖2所示為陣列輻射式內場電磁環境射頻仿真試驗系統，該系統基于能量重心原理并通過在射頻仿真微波暗室中構設球面三元組來產生具有連續運動軌跡的威脅輻射源、目標回波、有源干擾等海戰場電磁信號環境，逼真模擬對海作戰裝備所面臨的復雜電磁信號環境，具備對作戰裝備的整機性能檢驗、測試和評估能力。其中，幾種典型的雷達信號模擬和有源干擾信號模擬的測試結果如圖3～圖5所示，驗證了該試驗系統構建海戰場復雜電磁環境的能力。

圖2 陣列輻射式內場電磁環境射頻仿真試驗系統

圖3 32部和64部雷達威脅輻射源模擬

圖4 單部雷達信號模擬

圖5 壓制干擾和欺騙干擾模擬

6 結束語

通過構建內、外場結合的海戰場復雜電磁環境，逼真模擬對海作戰裝備面臨的敵我雙方釋放的高密度、高強度、多頻譜、多體制、動態變化的電磁波信號，以及海戰場密集背景信號環境所組成的復雜電磁環境，可以實現作戰裝備實戰性能和實戰效能的測試、試驗、定型、評估、鑒定、訓練，具有重要的軍事效益?；诖吮尘氨疚氖紫冉榻B了海戰場電磁環境的主要特征，總結了目前海戰場電磁環境構建方法和系統組成，介紹了海戰場復雜電磁環境幾種典型雷達信號和干擾信號的數學模型，并闡述了海戰場復雜電磁環境構建關鍵技術，最后介紹了一種陣列輻射式內場電磁環境射頻仿真試驗系統和模擬仿真測試結果，對海戰場復雜電磁環境構建相關研究、作戰裝備試驗和部隊訓練等具有較高的參考價值。