石昕陽，王彥碧，郭露露，江傳華

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205；2.北京東遠(yuǎn)潤興科技有限公司，北京 100097)

0 引 言

水面無人艇是指可由水面艦船或岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無人化、智能化作業(yè)平臺(tái)。水面無人艇具有機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、無傷亡、適合大規(guī)模生產(chǎn)、可在各種環(huán)境甚至高危海域執(zhí)行任務(wù)等特點(diǎn)，可攜帶多種類型的傳感器或武器系統(tǒng)，執(zhí)行探測、打擊任務(wù)[1]。

水面無人艇編隊(duì)自主式協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)將成為未來海軍作戰(zhàn)的主流趨勢和新型樣式。水面無人艇編隊(duì)在海面遂行近海偵測和探潛任務(wù)時(shí)，必將遭受復(fù)雜電磁環(huán)境的威脅。在信息化戰(zhàn)爭的全時(shí)空域范圍內(nèi)，水面無人艇編隊(duì)在全壽命周期內(nèi)將可能遭受不同類型、不同信號(hào)特征和形式的隨機(jī)性復(fù)雜電磁環(huán)境，而構(gòu)成這種復(fù)雜電磁環(huán)境的主要人為因素為敵我雙方各種武器系統(tǒng)，特別是雷達(dá)通信干擾機(jī)產(chǎn)生的高密度、高強(qiáng)度、寬頻譜的有意電磁輻射[2-4]。水面艦艇雷達(dá)電磁環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)劣，將直接關(guān)系到水面無人艇編隊(duì)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。因此，雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測分析研究，是水面無人艇編隊(duì)的重要課題之一。

目前，美、英、法、以色列、日本等國都在集中研發(fā)高速水面無人艇，意大利于2005 年將系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)軟件SHIP-EDF 應(yīng)用于Charlie 無人艇，成功完成了該平臺(tái)天線布局和共址干擾問題的預(yù)測分析評(píng)估以及復(fù)雜電磁環(huán)境下電磁態(tài)勢、電子戰(zhàn)效能的評(píng)估工作。

本文提出一種水面無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測方法，構(gòu)建雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場強(qiáng)及其功率密度、主波束疊加空間等相關(guān)數(shù)學(xué)模型，編制水面無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測計(jì)算軟件并以某型水面無人艦艇雷達(dá)為研究實(shí)例，闡述了水面無人艦艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境的主要影響因子。

1 水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測分析

水面無人艇編隊(duì)中人為電磁環(huán)境的主要來源是各艘無人艦艇有效載荷上的雷達(dá)輻射源。無人艦艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境可以用各單艘艦艇雷達(dá)綜合場予以表征。另外，水面無人艇編隊(duì)集群工作時(shí)，電磁環(huán)境復(fù)雜度將隨著無人艇的數(shù)量、編隊(duì)隊(duì)形和艇間距等不同而更趨復(fù)雜，其復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性也將面臨更多不確定性。

典型水面無人艇的通信系統(tǒng)一般由Ku 波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)、S 波段氣象監(jiān)測系統(tǒng)和GPS/北斗雙模系統(tǒng)共同組成，收發(fā)天線之間存在電磁干擾耦合。

由于Ku 波段天線和氣象雷達(dá)天線均密集布設(shè)在甲板上，當(dāng)S 波段氣象雷達(dá)天線工作過程中，其后瓣或旁瓣輻射波束剛好與Ku 波段衛(wèi)通天線輻射的主波束在特定空間匯聚時(shí)，當(dāng)此特定空間位于衛(wèi)通天線或氣象雷達(dá)天線等面天線的菲涅爾區(qū)時(shí)，由面天線輻射場理論可知，此時(shí)S 波段氣象天線的諧波干擾（如5 次諧波、7 次諧波）會(huì)耦合進(jìn)入Ku 波段通信鏈路，若兩定向天線隔離度不足，則會(huì)對(duì)Ku 波段衛(wèi)通接收機(jī)的工作產(chǎn)生不利影響，從而嚴(yán)重惡化無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境。

另一方面，由于差分GPS 和北斗系統(tǒng)均為L 波段準(zhǔn)全向接收天線，且與S 波段氣象雷達(dá)天線通常一起布設(shè)在指揮艙前甲板上，因此，當(dāng)S 波段氣象雷達(dá)天線工作過程中，其二次或多次副瓣輻射波束剛好與GPS/BDS 接收天線的方向圖在特定空間匯聚時(shí)，S 波段氣象天線副瓣上的帶外輻射干擾部分可能會(huì)耦合進(jìn)行GPS/BDS 接收鏈路，若帶外抑制措施不佳，則會(huì)導(dǎo)致GPS/BDS 接收天線方向圖產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，也會(huì)對(duì)無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

Ku 波段衛(wèi)通天線具有針狀方向圖特性，一般布置在艇首或艇中。當(dāng)主波束輻照在射頻集成桅桿等上層建筑金屬結(jié)構(gòu)物上時(shí)，由于金屬結(jié)構(gòu)物的遮擋作用，電磁輻射會(huì)產(chǎn)生二次反射效應(yīng)，二次反射的電磁波會(huì)加劇Ku 波段天線的方向圖產(chǎn)生畸變[5-7]，除會(huì)降低通信效能之外，也會(huì)對(duì)水面無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。

水面無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)劣直接關(guān)系到水面無人艇編隊(duì)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。因此，本文將單艘無人艇歸一化為單點(diǎn)惠更斯輻射源，從無人艇雷達(dá)輻射源的菲涅爾區(qū)內(nèi)的輻射近場、夫朗和費(fèi)區(qū)內(nèi)的輻射遠(yuǎn)場入手，利用自編程序，計(jì)算無人艇編隊(duì)在不同編隊(duì)隊(duì)形配置條件下的主波束疊加空間內(nèi)的綜合場功率密度和方向性，提出一種水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境特征的預(yù)測方法。

2 數(shù)學(xué)建模

本文構(gòu)建的雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場強(qiáng)及其功率密度、主波束輻照疊加空間的數(shù)學(xué)模型相互關(guān)聯(lián)，其中主波束輻照疊加空間和雷達(dá)電磁環(huán)境綜合近場和遠(yuǎn)場主要表征了水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境的輻射分布，可為計(jì)算不同隊(duì)形配置條件下的電磁環(huán)境功率密度提供支撐。

2.1 雷達(dá)電磁環(huán)境綜合輻射電場模型

采用基于惠更斯原理和菲涅爾原理的基爾霍夫公式和能量疊加公式，可推導(dǎo)出水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合輻射近場計(jì)算公式[8]：

采取輻射近遠(yuǎn)場近似，即可推導(dǎo)出水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合遠(yuǎn)場計(jì)算公式：

定時(shí)。種苗培育飼料投喂是關(guān)鍵，嚴(yán)格按照固定的時(shí)間投喂有利于魚類盡快形成攝食習(xí)慣，便于魚群集中等候。要求少量多餐，一般推薦一天投喂次數(shù)不少于四餐。即早上第一次投喂8：00-9：00，第二次10：00-11：00；下午第一次投喂14：00-15：00，第二次17：00-18：00。

2.2 主波束輻照疊加空間模型

水面無人艇在不同編隊(duì)隊(duì)形條件下，雷達(dá)天線輻照的主波束會(huì)在特定空間匯聚和重疊，有重疊，該空間稱為主波束輻照疊加空間。圖1 為2 艘水面無人艇組成列隊(duì)隊(duì)形條件下的主波束輻照二維疊加空間示意圖。

圖 1 水面無人艇列型編隊(duì)主波束輻照二維疊加空間示意圖（陰影部分）Fig.1 Diagrammatic sketch of two-dimensional superimposed space irradiated by main beam of surface UMV formation（shaded part）

由相關(guān)幾何知識(shí)，可推導(dǎo)該主波束輻照二維疊加區(qū)域的面積公式為：

主波束輻照疊加空間邊界點(diǎn)處A，B，C，D 點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：

式中：S1為第1 艘水面無人艇雷達(dá)安裝點(diǎn)；S2為第2 艘水面無人艇雷達(dá)安裝點(diǎn)，L 表示雷達(dá)天線之間的距離，可近似為兩無人艇之間的距離； θ1為第1 艘水面無人艇雷達(dá)主波束與編隊(duì)雷達(dá)連線的夾角； θ2為第2 水面無人艇雷達(dá)主波束與編隊(duì)雷達(dá)連線的夾角； α為第1 艘艇雷達(dá)的3 dB 主波束寬度； β為第2 艘艇雷達(dá)的3 dB 主波束寬度。

2.3 雷達(dá)電磁環(huán)境功率密度模型

綜合場功率密度可以用來表征水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境。利用雷達(dá)電磁環(huán)境綜合輻射電場模型和主波束輻照疊加空間模型，研究分析主波束輻照疊加空間內(nèi)的水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)綜合場功率密度。

圖2 為n（n≥3）艘水面無人艇組成列型編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度預(yù)測計(jì)算示意圖。圖中，n 副雷達(dá)天線分布在A1到An的n 個(gè)位置點(diǎn)上，且輻射功率分別為P1，P2······Pn，天線增益分別為G1，G2······Gn。

圖 2 水面無人艇列型編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度預(yù)測分析計(jì)算示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of calculation and prediction for power density of radar EME integrated field of surface UMV formation

可推導(dǎo)出n 艘水面無人艦艇組成列型編隊(duì)的雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度公式為：

3 軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本文利用Visual C++[9]，結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算模型，編制了水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測計(jì)算程序。圖3為水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測計(jì)算總體構(gòu)架示意圖，可見，預(yù)測軟件構(gòu)架由參數(shù)設(shè)置模塊、預(yù)測計(jì)算模塊和結(jié)果顯示模塊組成。需要設(shè)置的主要參數(shù)包括：水面無人艇雷達(dá)幾何尺寸，發(fā)射頻率、輻射功率、場點(diǎn)與源點(diǎn)間距、編隊(duì)隊(duì)形、無人艇數(shù)量、艇間距等。

4 算例分析

本算例采用自編軟件計(jì)算程序，詳細(xì)分析了水面無人艇列型編隊(duì)時(shí)的雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨天線輻射功率、天線增益、無人艇數(shù)量、艦艇間距的變化情況。

4.1 天線輻射功率對(duì)無人艇編隊(duì)雷達(dá)綜合場功率密度影響

圖4 為不同天線輻射功率條件下，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線，P 為雷達(dá)天線輻射功率，橫坐標(biāo)為第2 水面無人艇雷達(dá)主波束與編隊(duì)雷達(dá)連線的夾角，縱坐標(biāo)為雷達(dá)綜合場功率密度。分析可見，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨著雷達(dá)天線輻射功率的增大而逐步增大，步進(jìn)增大50 kW，雷達(dá)綜合場功率密度約增0.13 dBmW/cm2。

圖 3 水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測軟件總體構(gòu)架示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of the structure of radar EME prediction software for surface UMV formation

圖 4 不同輻射功率時(shí)水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線Fig.4 The power density curve of the radar EME for surface UMV formation with different radiated powers

4.2 天線增益對(duì)無人艇編隊(duì)雷達(dá)綜合場功率密度影響

圖5 為不同天線增益條件下，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線。分析可見，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨著天線增益的增大而增大，天線增益步進(jìn)1 dB，綜合場功率密度約增大0.05 dBmW/cm2。

4.3 無人艇數(shù)量對(duì)無人艇編隊(duì)雷達(dá)綜合場功率密度影響

圖6 為水面無人艇數(shù)量不同時(shí)，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線。由各曲線對(duì)比可見，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨著無人艇數(shù)量的增多而增大，但增幅逐漸下降。

圖 5 不同天線增益時(shí)水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線Fig.5 The power density curve of the radar EME for surface UMV formation with different antenna gains

圖 6 無人艇數(shù)量不同時(shí)無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線Fig.6 The power density curve of the radar EME for surface UMV formation with the number of UMV

4.4 無人艇間距對(duì)無人艇編隊(duì)雷達(dá)綜合場功率密度影響

圖7 為不同艇間距條件下，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線。由圖可見，水面無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨著艇間距的增大而減小。艦艇間距從1 000 m 開始，步進(jìn)1 000 m，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)綜合場功率密度平均下降3 dB。

圖 7 不同艇間距時(shí)水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線Fig.7 The power density curve of the radar EME for surface UMV formation with the distance between two UMVs

5 結(jié) 語

本文提出一種水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境新型預(yù)測方法，構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)開發(fā)了水面無人艇雷達(dá)電磁環(huán)境預(yù)測計(jì)算軟件。以某典型水面無人艇為例，計(jì)算并分析了雷達(dá)綜合場功率密度。研究發(fā)現(xiàn)，水面無人艇編隊(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境綜合場功率密度與天線輻射功率、增益、無人艦艇的數(shù)量和艦艇間距等密切相關(guān)。本文的研究結(jié)果可為海戰(zhàn)場水面無人艇編隊(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境評(píng)估和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)提供技術(shù)支撐。