杜海兵 于永利 杜寶舟

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

引 言

放眼世界軍事科技領(lǐng)域,信息化在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位愈發(fā)提高,軍事對(duì)抗越來越多地需要通過信息化手段來完成[1]. 時(shí)至今日,爭(zhēng)取戰(zhàn)場(chǎng)信息主動(dòng)權(quán)、竭力壓制敵方信息鏈已成為各國(guó)軍事專家的共識(shí),因此,作戰(zhàn)單元上信息化設(shè)備無論從數(shù)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(qiáng)電磁干擾武器的研發(fā),這就導(dǎo)致戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來越復(fù)雜、越來越惡化[2]. 面對(duì)如此嚴(yán)峻的現(xiàn)代化作戰(zhàn)要求,通信裝備作為戰(zhàn)場(chǎng)上各種重要信息傳遞的主要載體,能否很好地適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境將對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)演變產(chǎn)生重大影響.

目前,許多國(guó)家都出臺(tái)了有關(guān)用頻裝備對(duì)電磁輻射敏感度以及電磁兼容的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),例如我國(guó)于2005年和2013年發(fā)布的GJB-1389A和GJB-151B[3-4]等,美國(guó)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)都是在用頻裝備在單源或單頻干擾輻照下提出的,對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下通信裝備適應(yīng)性評(píng)估難以直接運(yùn)用.

本文以通用電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ),研究通信裝備阻塞干擾,首先推導(dǎo)出評(píng)估模型,然后以我軍現(xiàn)役的某型號(hào)超短波電臺(tái)搭建干擾試驗(yàn)系統(tǒng),最后對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]. 在干擾輻照波形上選擇戰(zhàn)場(chǎng)電磁干擾中最常見的正弦連續(xù)波.

1 預(yù)測(cè)模型推導(dǎo)

當(dāng)通信裝備受到多個(gè)輻射源干擾時(shí),導(dǎo)致通信裝備發(fā)生阻塞的原因可能有兩類:一類是對(duì)等效場(chǎng)強(qiáng)敏感引發(fā),另一類是對(duì)多源輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)峰值敏感引發(fā).首先對(duì)第一類進(jìn)行推導(dǎo)建模.

1.1 等效場(chǎng)強(qiáng)敏感預(yù)測(cè)模型

電磁波進(jìn)入接收機(jī)后得到如下所示輸入信號(hào):

(1)

式中:As為接收機(jī)對(duì)有效信號(hào)的接收系數(shù);Ai為接收機(jī)對(duì)干擾信號(hào)的接收系數(shù);E為相應(yīng)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)峰值;ω為相應(yīng)信號(hào)的角頻率值.

對(duì)非線性電路而言,根據(jù)冪級(jí)數(shù)分析法[8],則系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)符合如下關(guān)系:

(2)

式中,Qi(i=0,1,2,3,…)是取決于系統(tǒng)自身特征的常系數(shù).

在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中,式(2)選取范圍取決于輸入信號(hào)特征:當(dāng)信號(hào)較小時(shí),一般取前2項(xiàng);當(dāng)信號(hào)較大時(shí),則選取前4項(xiàng).本文中選取前4項(xiàng).

將式(1)帶入式(2)則有

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行整理,得到有效信號(hào)的放大倍數(shù)為

(4)

當(dāng)通信電臺(tái)受到兩個(gè)輻射源干擾時(shí),輸入信號(hào)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(hào)的放大倍數(shù)為

(6)

當(dāng)電臺(tái)沒有收到干擾時(shí),有效信號(hào)的放大倍數(shù)應(yīng)保持一致,聯(lián)合式(4)、(6)可得

(7)

則有

(8)

整理可得

(9)

根據(jù)式(9)可推導(dǎo)得到當(dāng)輻射源數(shù)量為n時(shí),則有

(10)

式中:E′ 是某干擾源單獨(dú)作用于通信電臺(tái)產(chǎn)生臨界干擾時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)峰值;E是兩個(gè)干擾源同時(shí)作用于電臺(tái)產(chǎn)生臨界干擾時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)峰值.

設(shè)

(11)

根據(jù)以上推導(dǎo),當(dāng)S1=1時(shí),通信電臺(tái)處于臨界干擾狀態(tài);當(dāng)S1>1時(shí),通信裝備受干擾值超過臨界干擾,無法正常通信;當(dāng)S1<1時(shí),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(shù).式(12)便是等效場(chǎng)強(qiáng)敏感模式下的干擾預(yù)測(cè)模型.

1.2 峰值場(chǎng)強(qiáng)敏感預(yù)測(cè)模型

在通信電臺(tái)對(duì)輻射場(chǎng)強(qiáng)峰值敏感的情況下,當(dāng)n個(gè)輻射源單獨(dú)輻照通信電臺(tái)并產(chǎn)生臨界干擾時(shí),通信電臺(tái)的接收機(jī)會(huì)產(chǎn)生臨界干擾電壓Um,有如下關(guān)系式:

?

(13)

式中,xn為通信電臺(tái)對(duì)某頻率信號(hào)的選擇系數(shù).

當(dāng)n個(gè)輻射源同時(shí)作用于通信電臺(tái)并發(fā)生臨界干擾時(shí),電臺(tái)接收機(jī)產(chǎn)生的臨界干擾電壓與多個(gè)輻射源單獨(dú)作用產(chǎn)生的臨界干擾電壓值是相等的,則有

x1(E1)+x2(E2)+…+xn(En)=Um.

(14)

對(duì)式(13)、(14)進(jìn)行整理則有如下結(jié)果:

(15)

設(shè)

(16)

則有當(dāng)S2=1時(shí),通信電臺(tái)發(fā)生臨界干擾;當(dāng)S2>1時(shí),此時(shí)作用接收機(jī)的等效干擾電壓已經(jīng)超過了臨界干擾電壓Um,電臺(tái)會(huì)發(fā)生干擾;當(dāng)S2<1時(shí),則電臺(tái)能夠進(jìn)行通信.整理后如式(17)所示:

(17)

式中,S2是峰值場(chǎng)強(qiáng)敏感指數(shù).式(17)便是峰值場(chǎng)強(qiáng)敏感模式下的干擾預(yù)測(cè)模型.

2 預(yù)測(cè)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證以上兩組預(yù)測(cè)模型是否有效,需要搭建一個(gè)有多個(gè)干擾輻射源的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),同時(shí)對(duì)受試通信電臺(tái)進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn).通過測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出預(yù)測(cè)模型中兩個(gè)指數(shù)值,觀察該數(shù)值與預(yù)測(cè)模型是否一致,進(jìn)而驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性.

由于實(shí)驗(yàn)條件限制,本文選取干擾源的數(shù)量為兩臺(tái),設(shè)計(jì)試驗(yàn)框圖如圖1所示.

圖1 雙源干擾輻照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配置Fig.1 Design and configuration of irradiation of dual source interference

該設(shè)計(jì)框圖中兩臺(tái)干擾電臺(tái)的輸出信號(hào)經(jīng)過功率耦合器之后進(jìn)入功率放大器,最終輸出至輻照天線,將受試電臺(tái)置于距離輻照天線5 m左右的平臺(tái)上,利用光線場(chǎng)強(qiáng)計(jì)來檢測(cè)受試區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)的變化情況.場(chǎng)強(qiáng)計(jì)輸出端連接計(jì)算機(jī)顯示器,受試電臺(tái)語音輸出端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器連接耳機(jī)[9-10].

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

通信電臺(tái):采用A1型超短波通信電臺(tái),數(shù)量為三臺(tái),兩臺(tái)作為干擾信號(hào)發(fā)生源,一臺(tái)作為受試電臺(tái).

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(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)器:采用EMR-200型.

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

功率計(jì):采用NRVD型.

另外,試驗(yàn)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(yàn)步驟

按照?qǐng)D1所示配置圖,將受試電臺(tái)、干擾天線以及光電轉(zhuǎn)換器等連接好并置于開闊場(chǎng)地,選用廣播信號(hào)為信號(hào)源,其余設(shè)備及實(shí)驗(yàn)人員均進(jìn)入屏蔽良好的屏蔽艙內(nèi),然后開始試驗(yàn).

1) 將受試電臺(tái)工作頻率設(shè)置為某一電臺(tái)頻點(diǎn),然后對(duì)受試電臺(tái)進(jìn)行微調(diào),直至聽到的廣播信號(hào)清晰度最高.

2) 打開干擾信號(hào)發(fā)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(jiān)聽耳機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)聽受試電臺(tái)輸出的語音信號(hào),直至完全聽不到有用信息.通過連接場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的顯示屏讀取此時(shí)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值,然后分別測(cè)量多組干擾頻率值時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)閾值.

3) 先打開干擾信號(hào)發(fā)生源1,干擾頻率調(diào)節(jié)至步驟2)中的某一個(gè)頻點(diǎn),調(diào)節(jié)輸出功率同時(shí)監(jiān)聽耳機(jī)中信號(hào)清晰度,當(dāng)聽到信號(hào)開始受到干擾但仍能聽清信號(hào)內(nèi)容時(shí),記錄此時(shí)的干擾場(chǎng)強(qiáng)E1.

4) 打開干擾信號(hào)發(fā)生源2,調(diào)節(jié)干擾頻率至步驟2)中的另一個(gè)頻點(diǎn),調(diào)節(jié)輸出功率同時(shí)監(jiān)聽耳機(jī)中信號(hào)清晰度,直至完全聽不到聲音時(shí),關(guān)閉干擾信號(hào)發(fā)生源1,記錄此時(shí)的干擾場(chǎng)強(qiáng)E2.

5) 分別按照步驟2)中的頻點(diǎn)重復(fù)步驟3)、4),得到兩組E1和E2的數(shù)據(jù).

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,圖中Δfi是干擾信號(hào)頻率與廣播信號(hào)之間的頻率差,E是單源干擾場(chǎng)強(qiáng)閾值.

表1 雙源干擾輻射下場(chǎng)強(qiáng)閾值組合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Field intensity threshold experiment data of dual source interference radiation

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

觀察對(duì)比通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩組雙源干擾頻率下10組干擾場(chǎng)強(qiáng)閾值組合以及計(jì)算得出兩個(gè)敏感指數(shù),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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合式(11),該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是滿足等效場(chǎng)強(qiáng)敏感預(yù)測(cè)模型的,但是對(duì)比式(16),該組數(shù)據(jù)是不滿足場(chǎng)強(qiáng)峰值敏感模型的.說明在該組頻率組合干擾下,通信電臺(tái)對(duì)等效場(chǎng)強(qiáng)敏感,對(duì)峰值場(chǎng)強(qiáng)不敏感.

分析第二組頻率組合下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),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(jiān)聽誤差造成的.整體上看,在這組頻率組合下測(cè)得數(shù)據(jù)均滿足兩種預(yù)測(cè)模型,說明在該組干擾頻率組合下,通信電臺(tái)對(duì)等效場(chǎng)強(qiáng)和峰值場(chǎng)強(qiáng)都比較敏感.

對(duì)比兩組頻率下的數(shù)據(jù),從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上看,通信電臺(tái)是發(fā)生了阻塞干擾的.而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測(cè)參數(shù)的數(shù)值上看,卻出現(xiàn)了有的預(yù)測(cè)模型適用有的卻不適用現(xiàn)象,但兩組數(shù)據(jù)中,至少有一個(gè)預(yù)測(cè)模型是適用的,說明當(dāng)滿足其中一個(gè)預(yù)測(cè)模型的干擾條件時(shí),通信電臺(tái)是會(huì)發(fā)生阻塞干擾的.

因此,在實(shí)際應(yīng)用中,由于無法預(yù)知通信電臺(tái)的敏感類型,在評(píng)估電臺(tái)是否發(fā)生阻塞干擾時(shí),需要將兩個(gè)敏感指數(shù)S1和S2全都計(jì)算出來,然后根據(jù)以下方法判斷通信電臺(tái)是否發(fā)生阻塞干擾及其敏感類型:

4 結(jié) 論

1) 通信電臺(tái)在多源輻照背景下,會(huì)對(duì)等效場(chǎng)強(qiáng)和峰值場(chǎng)強(qiáng)中的一種參數(shù)比較敏感.

2) 通過計(jì)算等效場(chǎng)強(qiáng)敏感指數(shù)和峰值場(chǎng)強(qiáng)敏感指數(shù)與1的對(duì)比,可以預(yù)測(cè)出通信電臺(tái)是否受到阻塞干擾.

3) 等效場(chǎng)強(qiáng)敏感指數(shù)或峰值敏感指數(shù),只要有某一指數(shù)大于或等于1時(shí),通信電臺(tái)就可能發(fā)生阻塞干擾.

研究我軍現(xiàn)役通信電臺(tái)的連續(xù)波多源帶內(nèi)阻塞干擾規(guī)律,能夠從實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的角度預(yù)測(cè)通信電臺(tái)的通信狀態(tài)和適應(yīng)能力,有助于提升我軍通信裝備的抗干擾能力和戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境適應(yīng)性,也為我軍不同用頻裝備之間的相互協(xié)作、避免干擾提供了解決方案,對(duì)提升我軍戰(zhàn)斗力能夠起到積極的推動(dòng)作用.

本文研究的輻照波形為連續(xù)波,干擾類型只針對(duì)帶內(nèi)阻塞干擾,實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)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(jìn)來,然后進(jìn)行匯總與整合,最終形成通信裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性預(yù)測(cè)體系.