数字化地理信息的电磁环境信号发生技术的思想、方法和发展现状介绍

半实物模拟测试方法是目前电子战武器装备在复杂电磁环境下性能评估测试的研究热点。基于数字化地理信息的复杂电磁环境信号发生技术是实现半实物模拟测试的一种有效技术途径。本文从复杂电磁环境模拟建模、基于数字化地理信息的电磁信号传播模拟以及复杂样式信号发生等三个方面介绍分析了此技术的思路、方法和发展现状。

1.引言

电子战是现代化战争中的重要组成部分，在很多场合电子战装备性能指标的高低直接决定了战争全局的胜败。然而，电子战装备所在的实际战区的电磁环境中，充斥着种类繁多的复杂电磁信号，例如雷达、导航、通信、敌方干扰、自然噪声等信号。同时由于各种电磁信号的传播受到实际地理环境的显著影响，导致战区电磁环境异常复杂。电子战武器装备在复杂电磁环境下的性能测试成为其研制过程中的重要内容[1]。

概括来说，武器装备的电磁性能测试按环境不同可分为三类。第一是全实物测试，将待测装备置于演习或实际战区，利用实际存在的复杂电磁环境对装备性能进行测试。此种方式最具说服力，通常作为成熟型号武器装备的最终测试方法。但是，因为此方式成本极高、风险大，很多场合是破坏性测试，并且所得到测试结果不具备遍历性，无法满足装备研制过程中的绝大多数的常规测试需求。第二种是基于计算机、数据库等技术的全数字仿真测试。这种技术是通过数据采集或者数学建模的方式，将实际电磁环境的主要特征信息以数字格式存储于数据库中，在某种特定仿真算法的驱动下，对待测装备的性能进行全数字仿真测试。此方法运行成本低、灵活便捷，通常用于装备的前期开发过程中，偏重于对软件算法的测试。然而由于逼真度低，与实际环境差异过大，对于正式装备的性能测试仅具有参考作用，大多数场合无法作为最终验证手段。第三种测试方法是半实物模拟测试，此方法是在前两种方法有机结合的基础上发展而来的。它利用数据采集或数学建模的方法组建数字化复杂电磁环境信息数据库，根据实际测试场景需求，计算波形数据，基于复杂信号发生技术，通过波形发生的方式产生实际电磁信号，人为构建高逼真度的复杂电磁环境，用于装备性能测试。这种测试方法兼备了前两种方法的优点，测试高效便捷，打破全实物测试中测试环境的时空限制;场景丰富，根据实战环境需求任意构建测试电磁环境信号;高逼真度，基于数字地图数据，综合考虑辐射源种类、装备布局、传播途径、自然干扰等各种因素;成本低廉、结果全面，非损坏性测试，实现高度一致性的重复性测试，可评估装备在各种极端条件下的性能。

基于数字化地理信息的复杂电磁环境信号发生技术是实现半实物模拟测试的一个有效技术途径，具有场景快速便捷构建、测试远程可控、干扰信号多参数可控、干扰效果可评的高效测试效果等优点。其技术难题主要体现在三个方面：1)复杂电磁环境模拟建模，实际的战场电磁环境极度复杂，包括了雷达、通信、导航、干扰、噪声等多方面的复杂样式信号;传播媒质多变，涵盖地海表面、大气层、散射体等;发射机和接收机移动式布局，拓扑结构特征复杂。2)基于数字化地理信息的电磁信号传播模拟，不同的地理环境，例如：淡水、海水、湿地、森林和建筑物等，对电磁波的传播具有绕射、反射、阻碍等衰减作用。而且根据具体环境的特性差异(例如海水含盐量的不同)，每种类别地理环境所呈现的电气性能各异，从而导致传播模型参数变化繁复。3)复杂样式信号发生技术，实际复杂电磁环境中信号样式复杂多变，频率覆盖范围大，涵盖微波毫米波频段，调制带宽高达GHz量级，同时拥有捷变频特性。因此，满足上述性能指标要求的复杂样式信号发生技术是实现复杂电磁环境信号模拟，满足半实物模拟测试的基础。

本文将从以上三个方面介绍基于数字化地理信息的复杂电磁环境信号发生技术的思想、方法和发展现状。

2.复杂电磁环境模拟建模

根据国军标(GJB6130-2007)给出的定义，复杂电磁环境是指在一定的空域、时域、频域和功率域上，多种电磁信号同时存在，对用频装备运用和作战行动产生一定影响的电磁环境。由此可知，复杂电磁环境是对某个实际场景中所含各种复杂电磁信号成分的泛称，其主要由电子对抗环境、雷达环境、通信环境、光电环境、敌我识别电磁环境、导航电磁环境、民用电磁环境、自然电磁环境等构成[2]。每一类型的电磁环境又由不同类型的电磁辐射源生成，并对不同的信息化武器装备产生影响，进而影响整体作战。对复杂电磁环境建模的前提是对一个场景中种类繁复、特性复杂的信号成分进行分类、分析，进而根据每种常规信号的表征和传播媒质进行建模[3]。最后将关注的各信号综合，完成对实际电磁环境模拟构建。

2.1 复杂电磁环境的信号特点

复杂电磁环境所含信号成分主要分为两类：自然因素干扰信号和人为因素干扰信号，其中人为因素干扰信号包括了无意干扰信号和对抗干扰信号。自然因素干扰信号主要源于雷电和静电，属于实际环境中的非可控因素。用于半实物模拟测试的电磁环境构建主要注重于特性可控的人为因素干扰信号的模拟。由于对抗干扰信号对电子武器装备的影响显著，形式多样、样式复杂，成为复杂电磁环境模拟的关键内容。随着电子战装备的快速发展升级，所用到的电磁信号主要呈现以下四个特点：1)信号样式复杂多样，种类多，分布密度大。数字矢量调制技术的发展，使一系列复杂调制样式的实现成为现实。在战区广泛密集分布的各种新体制雷达装备所使用的调制格式涵盖了线性调频、非线性调频、相位编码、频率编码、噪声调频、巴克码调制等脉内调制格式，以及脉间频率捷变、脉组频率捷变、分时频率分集、PRI参差/抖动/组变/滑变、脉冲宽度组变/组合等脉间调制格式。2)信号频率覆盖范围大幅度拓宽。电子装备所用电磁信号所占用频段不断变宽，从高频信号覆盖到微波毫米波信号。3)信号调制带宽不断加大。例如新式合成孔径雷达的调制带宽达到GHz量级。4)捷变频性能显著提升，信号高度交叠。某些信号雷达所用的调制信号的中心频率捷变频时间达到百纳秒量级，在1秒钟时间内可实现数百万次频率捷变，对于常规接收机在同一时间可能有百万量级的信号同时出现，交叠严重。

由此可见，复杂电磁环境对电子装备的正常工作影响显著，对其作战运用和效能发挥提出了很大的挑战。复杂电磁环境的逼真模拟构建是半实物模拟测试的基础，对装备开展复杂电磁环境试验、研究武器装备的电磁兼容性、检测其电磁环境适应能力提供了便利，有利于提高武器装备对电磁环境的适应能力，具有重要的意义。

2.2 复杂电磁环境的信号建模

根据各类辐射源对电子武器装备的影响程度，战区复杂电磁环境的模拟主要针对以下类型辐射源的建模，包括脉冲雷达、干扰机、塔康(TACAN)、敌我识别器(IFF)、联合战术信息分发系统(JTIDS)等[4]。对辐射源进行表征的基本内容可归纳为：1)一般信息，包括标识、型号、用途、体制、天线类型、水平覆盖范围、垂直覆盖范围、侦察距离、最大跟踪距离、综合损耗、波束个数、最大波束数量、最小扫描步进、增益最大功率、扫瞄时平台类型、平台性能、指挥控制关系、信号样式等;2)发射机信息，包括型号、工作频段、带宽、馈线损耗、发射机类型等;3)接收机信息，包括型号、灵敏度、中心频率、带宽、中频带宽等。

在对辐射源信号建模中，通常采用脉冲描述字(PDW)对辐射源辐射信息进行描述，具体包含：脉冲载频、脉冲宽度、脉内调制(相位编码或频率调制)、脉冲到达时间、脉冲到达角、脉冲幅度。电子战环境下接收机接收到的雷达信号为各个辐射源所辐射的脉冲流的叠加。接收机接收的脉冲流以脉冲到达接收机的时间排序。辐射源脉冲流是接收机脉冲流构成的基本元素，辐射源脉冲流及脉冲参数变化形式的复杂性决定了场景的复杂性。根据辐射源脉冲流可能出现的变化形式及针对性的处理方法，可以从时域、空域和调制域等几个方面对辐射源脉冲流进行建模。

(1)时域模型

脉冲到达时间(TOA)是脉冲流最重要的参数之一。TOA与辐射源和接收机的距离及辐射源的脉冲重复间隔(PRI)相关，辐射源类型不同则其PRI也不尽相同。

(2)空域模型

脉冲到达角(DOA)是一个与辐射源位置密切相关的信息，取决于辐射源与接收机之间的相对角度。当辐射源与接收机之间存在相对运动时，DOA是缓慢变化的。DOA参数不受辐射源本身的影响，是信号处理系统所依据的最重要、最可靠的特征。因此，有必要对DOA单独建模和分析。

(3)调制域模型

调制域参数主要包括：脉冲载频(RF)、脉冲宽度(PW)、脉冲幅度(PA)和脉内调制样式(PM)。辐射源类型不同则其参数域参数也不尽相同。

根据战情文件设置的辐射源参数，生成每个辐射源在当前仿真时间间隔内产生的PDW流，并根据每个仿真时间被动雷达的状态参数进行信号稀释，最后对所有辐射源的PDW流进行排序输出。

3.基于数字化地理信息的电磁信号传播模拟

从电磁环境模拟的需要出发，无论是自然因素干扰信号和人为因素干扰信号，要全面地模拟电磁环境产生的物理基础，都需将影响电磁环境产生和传播的物理环境进行详细分解，建立基本的模拟对象，即战场实体环境的地理信息，例如：地形、气象、地质、地磁等因素。根据复杂电磁环境中不同辐射源所发射的电磁信号的频率覆盖范围不同，信号的传播模式各异。例如：1)表面波传播，是指电波沿着地球表面传播的情况。这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质、地貌、地物等都会影响电波的传播。2)天波传播，是指经过电离层反射到地面的电波传播。电离层是由围绕地球的处于不同高度的4个导电层组成的，这4个导电层分别称为D层、E层、F1层和F2层，这些导电层对短波传播具有重要影响。3)空间波传播，是指当发射和接收天线架设的较高时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线的传播。此时，电磁波还可以经地面反射到达接收天线，所以，接收天线处的场强是直射波和反射波的矢量和，形成的合成场强，直射波不受地面的影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。4)外层空间传播，是指电磁波由地面发出，经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播及其相反过程的传播。5)散射传播，是指大气对流层中，除了有规则的片状或层状气流外，还存在着不规则的气流，这类似于水流中漩涡的不均匀体。相应地，在电离层中则有电子密度的不均匀性。当无线电波投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波将发生散射或反射，一部分能量传播到接收点，这种传播方式称为散射传播。6)大气波导传播，是指由于大气对流层的不均匀性和电离层的存在，在一定的条件下，对某一特定的频率形成大气波导，使电波传播的损耗大大减小，这种电波传播的现象称为大气波导传播。根据实际战场电磁环境的信号成分，电子战装备的信号传播模式以表面波传播和空间波传播为主，其受实际地理环境影响显著。地理信息系统(GIS)是实现基于地理信息电磁信号传播模拟建模的有效工具。

GIS系统是在软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[5]。GIS系统处理和管理的对象是多种地理空间实际数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理一定地理区域分布的各种现象和过程。GIS系统包括3种空间数据类型：1)坐标系，如经纬度、平面直角坐标和极坐标等。2)拓扑结构，定义两个物体之间接通和邻接等关系。3)地理变量，如土壤种类、地质信息、气候等。同时GIS系统支持2种数据结构，1)栅格数据结构，即像元阵列，可根据每个像元特有的行列号来却确定位置。栅格数据结构中的每个代码明确的代表了对应实体的属性。它由3级机构组成，即点实体，表示栅格数据中的一个像元;线实体，表示某方向上成串的相邻像元集合;面实体，表示聚集在一起的相邻像元的集合。2)矢量数据结构，即通过记录坐标的方式，尽可能的将点、线、面地理实体准确的反映出来。它具有比栅格数据更高的精确性。矢量数据可按一定的转化规律转化为栅格数据。栅格数据的结构特点有利于计算机处理，具有距离制图、密度制图、表面生成与分析、单元统计、领域统计、分类区统计、重分类和栅格计算等分析功能。

基于GIS系统的栅格数据，通过图形的采集和矢量化处理建立起战场区域的地形地貌图和所要电磁辐射源的分布图，采用数据库技术建立电磁辐射源基础地理信息数据库，通过电子地图和数据库的连接，创建和查询战场电磁辐射源的特征、属性、空间位置、探测能力及通信能力等信息。同时实现辐射源数量、空间分布、技战术指标、战术应用、组织序列以及电磁信号的传播途径、电磁辐射范围、电磁频谱分布全景等内容可视化，为基于战场实际地理环境的复杂环境模拟建模提供支持。

4.复杂样式信号发生技术

复杂样式信号发生技术是为了最终实现复杂电磁环境中信号样式复杂多变的电磁信号，人为构建高逼真度的复杂电磁环境，适应于各种装备的性能测试。理想的复杂样式信号发生技术是基于数字化复杂电磁环境信息数据库的复杂样式模拟软件系统与复杂样式信号发生模拟硬件平台的有机结合，这种技术的优势体现在：1)一个平台可以根据不同武器装备测试需求，搭载相适应的复杂电磁环境信息数据库和模拟发生软件，实现符合该武器装备作战环境的辐射源及其环境模拟;2)一代平台可以搭载同一武器装备的多代复杂电磁环境模拟软件，使其具备很强模拟仿真兼容性和适用性。这种复杂样式信号发生技术可以通过灵活的配置，实现服务于多种、多代武器装备的测试，提高测试效能，摆脱全实物测试环境的时域、空域及地域限制，在统一平台上满足武器装备对环境模拟样式、频谱覆盖、调制带宽以及信号捷变等方面的测试要求。

基于复杂电磁环境信息数据库的模拟软件系统中的关键技术点就在于适应各种装备并包含符合装备作战区域地理化信息的数据库及模型建立，这在文章的前面已重点介绍，不再赘述。而对于依赖硬件平台来实现的复杂样式信号发生技术关键指标，其涉及到的技术指标广泛，性能指标要求很高，例如：频率覆盖范围大，涵盖微波毫米波频段，调制带宽高达GHz量级，同时拥有捷变频特性。能够支持以上高性能技术指标的复杂样式信号发生，离不开高性能信号发生硬件平台的支撑。目前利用信号发生硬件平台来实现复杂电磁环境中电磁信号生成，需要重点解决的关键技术点有以下几个方面：1)大带宽任意波基带发生技术是实现复杂电磁环境信息数据由数据量向模拟量转变的核心单元，其调制带宽宽，通过数模转换后形成已调的复杂中频模拟信号。该模拟信号将被相应的频率合成技术搬移到所需的频段，实现复杂样式信号的最终输出;2)复杂样式信号多参数多域调制综合仿真的数字信号合成技术，将复杂电磁环境信息数据库中数据以数字的形式进行信号的综合计算及处理，完成所需信号在频域、时域、调制域以及空域的叠加，最终实现大容量、多样式、多调制参数复杂电磁信号的编辑、定义、数据存储、调用等任务，最后完成复杂电磁信号模拟的载波及序列组构建，为复杂样式信号的向外发生做好准备;3)覆盖微波毫米波且能支持复杂样式信号发生的频率合成技术，利用直接模拟频率合成(ADS)方式(如微波毫米波捷变频信号发生器)或者间接频率合成方式(如矢量信号发生器)实现已调复杂样式载波信号向着更高频段扩展。

5.结论

基于数字化地理信息的复杂环境信号模拟技术是电子武器装备半实物模拟测试的一种新的尝试。基于此技术构建的武器装备在复杂电磁环境下的性能评估测试系统具有操作便捷、参数可控、成本低廉、高逼真度、结果全面、场景丰富等优点。本文从复杂电磁环境模拟建模、基于数字化地理信息的电磁信号传播模拟以及复杂样式信号发生等三个方面介绍了此技术的思路、方法和发展现状，对其可行性做了详细分析。