李文臣，張政超，陸 靜，楊會民，梁高波，郝光宇

(1.中國人民解放軍63880 部隊，河南洛陽 471003;2.電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室，河南洛陽 471003)

0 引 言

信息化條件下，隨著各類電子設備和信息化武器裝備在戰(zhàn)場上的日益廣泛應用，戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越呈現(xiàn)出其復雜多變的重要特性［1］。如何評估復雜電磁環(huán)境條件下電子裝備的工作性能或適應能力是國內外電磁環(huán)境領域的研究熱點［2～4］。為了檢驗復雜電磁環(huán)境下電子裝備的適應能力，必須首先明確戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜度等級評定方法。近年來，國內已有不少學者對電磁環(huán)境復雜度評估進行了初步研究［5～8］。文獻［5，6］綜合考慮了戰(zhàn)場態(tài)勢的三個指標，對戰(zhàn)場電磁環(huán)境進行了等級分類，并給出了輔助分析軟件。文獻［7］從信噪比空間的概念建立了電磁環(huán)境復雜度度量方法和度量標準，并給出了電臺網(wǎng)的復雜度空間等級。文獻［8］提出了基于相關度的戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜度評估方法。以上方法具有局限性，可操作性差，不適用于偵察類設備，另外對信號密度、調制樣式、極化方式等可能對電子裝備產(chǎn)生不同影響的環(huán)境信號參數(shù)缺乏要求。

根據(jù)靶場復雜電磁環(huán)境適應性試驗的特點和實際需求，如何制定滿足不同電子裝備類型的戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜度等級，是通用電子裝備復雜電磁環(huán)境適應性試驗的設計難點。綜合考慮雷達類、通信類和偵察類設備的工作特點，提出了基于裝備類型的復雜度評估標準。

1 電子裝備類型及其電磁環(huán)境適應性特點

戰(zhàn)場電磁環(huán)境是指在一定的戰(zhàn)場空間內對作戰(zhàn)有影響的電磁活動和現(xiàn)象的總和［1］。復雜電磁環(huán)境是指對武器裝備運用和作戰(zhàn)行動產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境，為了評估電子裝備的復雜電磁環(huán)境適應能力，需要進行復雜電磁環(huán)境適應性試驗。電磁裝備適應性試驗首先要制定統(tǒng)一的電磁環(huán)境平臺，即環(huán)境等級，然后在同一電磁環(huán)境等級下，試驗電子裝備的性能，評估電子裝備的適應能力。由于復雜電磁環(huán)境適應性試驗主要是針對裝備自身的工作性能，因此電磁環(huán)境等級不考慮裝備的戰(zhàn)術應用環(huán)節(jié)，從時域、頻域、空域、能量域、極化域和信號域等綜合考慮電磁環(huán)境構建，并制定相應的環(huán)境等級。

電磁環(huán)境等級是評估電子裝備的適應能力的平臺，要具有普遍性、可操作性。根據(jù)靶場復雜電磁環(huán)境適應性試驗的特點和實際需求，綜合考慮通用電子裝備類型，制定環(huán)境復雜度評估標準。首先按照電子裝備工作特征和信號處理方式，將電子裝備分為雷達、通信、偵察和信號環(huán)境模擬四類。

雷達類設備依靠接收雷達目標信號為雙程衰減。通信類設備接收到通信信號為單程衰減信號，例如衛(wèi)星導航、應答機和通信等電子裝備。雷達和通信類設備接收到的信號有明確的信號參數(shù)，可以采用相關接收提高信噪比。由于這兩類設備的電磁信號易被敵方偵察并實施干擾(瞄準或阻塞干擾)，因此其面臨的電磁干擾環(huán)境將嚴重影響其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

偵察類設備包括電子對抗、偵察、無源探測等電子裝備，偵察信號為單程衰減信號，但接收信號參數(shù)未知。偵察類設備需要對外界未知的電磁信號進行搜索、截獲、分選、識別等，以獲取外界電磁環(huán)境信息。電子對抗設備在偵察的基礎上，需要進一步發(fā)射同頻段噪聲和相參信號;無源探測電子設備需要通過偵察到的時頻和空間信息，對外輻射源進行定位。由于偵察能力受戰(zhàn)場環(huán)境中我方/敵方密集電磁信號環(huán)境及敵方有意干擾設備(例如誘餌或信號模擬器等)的影響，其瞬時工作頻帶內可能有多個目標信號，存在著大量的重疊脈沖，分選和識別將受到影響。另外威脅輻射源的工作模式和頻率等特征參數(shù)大范圍快速變化，會造成脈沖鏈去交錯非常困難。信號分選存在的錯誤將導致信號的大量增批、漏批，造成識別率大幅降低。

信號環(huán)境模擬類包括各類信號模擬器，由于該類設備只是輻射電磁信號，沒有與外界環(huán)境進行交互，因此不考慮該類設備的環(huán)境適應性。

2 基于電子裝備類型的電磁環(huán)境復雜度等級評定

2.1 雷達類設備的電磁環(huán)境復雜度等級

雷達類設備電磁環(huán)境復雜度等級的制定僅以外界噪聲干擾為基礎，不考慮相參干擾帶來的干擾積累增益。雷達的接收機噪聲功率為［9］

式中，k=1.38 ×10－23J/K 是波爾茲曼常數(shù);接收機噪聲溫度T0=290 K，K 為開爾文溫度;B 為雷達瞬時帶寬;Fn為雷達接收機噪聲系數(shù)。

噪聲干擾情況下，雷達接收到的干擾信號強度為

式中，PJnoise為干擾功率;Δf 為進入雷達接收機帶寬內的噪聲功率帶寬;Δf ＜B，B 為雷達瞬時帶寬;B0為噪聲干擾機的瞬時帶寬;GJ為干擾機在雷達方向上的天線增益;LJt干擾機的發(fā)射損耗;LRr為雷達接收損耗;GRJr為雷達在干擾機方向上的接收天線增益;λ 為雷達波長;Rj為雷達與干擾機的距離。

雷達目標回波信噪比為

式中，Ptarget為目標回波信號;Pt為雷達發(fā)射功率;GRT為目標方向天線增益;σT為目標RCS;λ 為雷達工作波長;Rt為目標與雷達的距離;L 為綜合損耗;DT為目標回波的綜合抗干擾改善因子，對于單個LFM 信號，不考慮匹配加權損耗，DT=BT。

外界無干擾時，即Pjam=0，雷達對目標的探測距離為RRT=R0;當存在干擾時，探測距離為RRT=gR0，0≤g≤1 為距離壓制系數(shù)。由于雷達檢測需要相同SNR，參考式(3)，得到

定義電磁環(huán)境門限系數(shù)為干擾信號強度與接收機噪聲信號之比(或稱為干噪比)，即

式(5)也可以表示為天線接收口面功率密度的干噪比形式，即

式中，天線口面面積S =Gλ2/(4π);G 為接收機天線增益;λ 為波長;PjamS=Pjam/S 為裝備天線口面接收到的外界干擾信號功率密度;nS=δ2/S 為接收機噪聲功率密度門限。

按照距離壓制系數(shù)定義復雜電磁環(huán)境等級，該指標即可以體現(xiàn)外界的電磁復雜程度，又能反映電子裝備自身的環(huán)境適應能力。將電磁環(huán)境分為4級，電磁環(huán)境等級定義為

其中0 級為簡單電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)0≤η ＜1 時，距離壓制系數(shù)1≥g ＞0.84;1 級為輕度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)1≤η ＜15 時，距離壓制系數(shù)0.84≥g ＞0.5;2 級為中度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)15≤η ＜255 時，距離壓制系數(shù)0.5≥g ＞0.25;3 級為重度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)255≤η 時，距離壓制系數(shù)0.25≥g≥0。

2.2 通信類設備的電磁環(huán)境復雜度等級

對于通信類裝備，接收機的信噪比為

式中，Ps為接收信號強度;Pt為其他設備發(fā)射功率;GT，GR為通信設備的天線發(fā)射和接收增益;λ 為雷達工作波長;R 為目標與雷達的距離;L 為綜合損耗;DT為目標回波的綜合抗干擾改善因子。

同理，電磁環(huán)境門限系數(shù)也可以表示為天線接收口面功率密度的干噪比形式，即

按照通信距離壓制系數(shù)定義復雜電磁環(huán)境等級，將電磁環(huán)境分為4 級，電磁環(huán)境等級定義為

其中0 級為簡單電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)0≤η ＜1 時，距離壓制系數(shù)1≥g ＞0.71;1 級為輕度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)1≤η ＜3 時，距離壓制系數(shù)0.71≥g ＞0.5;2 級為中度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)3≤η ＜15 時，距離壓制系數(shù)0.5≥g ＞0.25;3 級為重度電磁環(huán)境，環(huán)境門限系數(shù)15≤η 時，距離壓制系數(shù)0.25≥g≥0。

2.3 偵察類設備的電磁環(huán)境復雜度等級

偵察類設備的復雜電磁環(huán)境等級以天線接收端口的過門限信號的脈沖流密度為參考，制定復雜度等級與脈沖流密度的關系。脈沖流密度應該是偵察設備瞬時帶寬內的不同載波頻率脈沖串的疊加。偵察接收機設備在滿足對接收信號能力正常檢測的條件下，輸入端信號最小功率應該滿足工作靈敏度，要求信號/噪聲SNR=14 dB［10］，約25 倍，即輸入端的最小功率為

考慮實際用頻裝備接收機(或天線)天線口面的信號強度作為電磁環(huán)境門限功率，用天線口面功率密度的W/m2表示。環(huán)境信號轉換為用頻裝備天線口面的功率密度(功率/面積)表達式

式中，T0=290 K 為接收機參考溫度;接收機瞬時帶寬B;Fn為接收機噪聲系數(shù);η 為電磁環(huán)境門限系數(shù);G 為接收機天線增益;λ 為波長;S 為天線口面面積。一般偵察接收機瞬時帶寬遠大于單個環(huán)境信號帶寬，因此超過該門限的外界信號都能被偵察到。

對于偵察接收機來說，過門限的信號很多的情況下，存在著大量的重疊脈沖，分選和識別將受到影響，偵察接收機工作環(huán)境的復雜度主要表現(xiàn)為過偵察門限信號流。假設有N 個信號脈沖流超過檢測門限，第n 個脈沖流包括相同的載波頻率和調制樣式，脈寬相同，重復周期可以是抖動參差等。

針對該類偵察系統(tǒng)，將信號重疊造成的丟失概率作為復雜環(huán)境的等級的主要因素，雷達數(shù)量越多、工作比越高，造成信號丟失概率越大。參考文獻［10］，可以得到第i 裝備信號脈寬與其他裝備信號的重合概率為

式中，Pi，j為在i 裝備信號脈沖寬度內重合j 裝備信號的概率;Pi，i為自身重合概率;Pi，i=0，min(x，y)為取最小;Ti，τi分別為第i 個信號流的平均重復周期和脈沖寬度。當只有一個脈沖串時，信號重合概率P=0。

N 個裝備的平均重合概率為

按照多信號時域重合度確定復雜度等級，不考慮過門限帶內多信號幅度差別(多信號動態(tài)范圍變化)造成的強信號壓制弱信號，使偵察性能降低;不考慮脈內擴頻調制、頻率分集、重頻抖動參差等對信號環(huán)境復雜度的影響;不考慮偵察天線寬度和空間搜索率等影響，這部分通過后面動態(tài)仿真進行。將偵察電磁環(huán)境分為4 級

其中0 級為簡單電磁環(huán)境，信號脈沖流重合度0≤P ＜0.1 時;1 級為輕度電磁環(huán)境，信號脈沖流0.1≤P ＜0.2 時;2 級為中度電磁環(huán)境，信號脈沖流0.2≤P ＜0.4 時;3 級為重度電磁環(huán)境，信號脈沖流0.4≤P≤1 時。

3 復雜電磁環(huán)境復雜度等級動態(tài)統(tǒng)計分析

如果用頻裝備天線是掃描的，例如常規(guī)雷達天線，用頻裝備在某固定方向上的天線增益是時變性，相同背景環(huán)境情況下，用頻裝備受背景信號干擾程度是不同的，下面基于雷達、通信、偵察類設備，研究動態(tài)電磁環(huán)境場景分析復雜電磁環(huán)境復雜度等級。該評估等級綜合考慮天線的轉動、頻譜占有度、時間占有度、空間占有度和極化損耗等因素的影響，綜合評定復雜度等級。

3.1 雷達類和通信類設備的綜合電磁環(huán)境復雜度等級

外界信號到達用頻裝備天線接收口面的功率譜密度，要根據(jù)用頻裝備天線指向、外界信號方向，統(tǒng)一轉換到天線口面功率譜密度，同時要考慮外界信號為瞬時帶寬內的信號。多個輻射源到達用頻裝備的天線端口面的功率譜密度為

式中，天線口面面積S =Gλ2/(4π);G 為接收機天線增益;λ 為波長;N 為輻射源數(shù)目;Δfi為第i 個輻射源與用頻裝備瞬時工作頻率的交叉頻譜寬度(如果輻射源或用頻裝備采用跳頻工作方式，則Δfi是時變量，Δfi≤B，接收機瞬時帶寬B);Pti為第i 個輻射源發(fā)射峰值功率;Bi為第i 個輻射源的瞬時帶寬;fi為第i 個輻射源的工作頻率;Gti為第i 個輻射源在用頻裝備方向的天線增益;G 為用頻裝備天線增益最大值;Gri為用頻裝備在i 個輻射源方向的接收天線增益(Gri/G 為歸一化增益);波長λ =c/f0，c 為光速;f0為用頻裝備工作頻率;Ri為兩者之間的距離;Lti為第i 個輻射源發(fā)射損耗;Lr為用頻裝備接收損耗(主要考慮極化失配損耗，交叉極化損耗一般取26 dB)。

瞬時復雜電磁環(huán)境門限系數(shù)為

雷達類設備的瞬時復雜電磁環(huán)境等級的平均數(shù)值為環(huán)境的復雜度等級，表示為

同理，對于通信類設備，瞬時復雜電磁環(huán)境等級的平均數(shù)值為環(huán)境的復雜度等級，表示為

式中，T 為積分時間長度，一般取整數(shù)個掃描周期。

3.2 偵察類設備的綜合電磁環(huán)境復雜度等級

當環(huán)境信號超過偵察接收機檢測門限時，即當PPi(t)＞SAth時，統(tǒng)計過門限的環(huán)境信號流數(shù)目，過門限信號流數(shù)目N 為

式中，U [ x] 為單位階躍遷函數(shù)，當x ＞0 時為1，否則為0。

統(tǒng)計瞬時環(huán)境門限，得到

瞬時復雜電磁環(huán)境等級的平均數(shù)值為環(huán)境的復雜度等級，表示為

式中，T 為積分時間長度，一般取整數(shù)個掃描周期。

5 結 語

從頂層設計入手，制定復雜電磁環(huán)境適應性試驗評估基本標準，提出了基于裝備類型的復雜度評估模型。并初步開發(fā)了戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜度等級評估軟件系統(tǒng)，利用該軟件可計算不同電子裝備所面臨的復雜電磁環(huán)境等級，可作為電子裝備戰(zhàn)術訓練、電磁環(huán)境適應性試驗和戰(zhàn)場頻譜管控等輔助軟件系統(tǒng)，限于篇幅，相關研究在后續(xù)論文中給出。

研究成果可為復雜電磁環(huán)境適應性試驗和作戰(zhàn)指揮研究提供重要支撐，對于復雜電磁環(huán)境外場構建、戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜度等級評估及電子裝備復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能評估具有重要意義。

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