半實物模擬測試方法是目前電子戰(zhàn)武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下性能評估測試的研究熱點?；跀?shù)字化地理信息的復(fù)雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術(shù)是實現(xiàn)半實物模擬測試的一種有效技術(shù)途徑。本文從復(fù)雜電磁環(huán)境模擬建模、基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬以及復(fù)雜樣式信號發(fā)生等三個方面介紹分析了此技術(shù)的思路、方法和發(fā)展現(xiàn)狀。

1.引言

電子戰(zhàn)是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的重要組成部分，在很多場合電子戰(zhàn)裝備性能指標(biāo)的高低直接決定了戰(zhàn)爭全局的勝敗。然而，電子戰(zhàn)裝備所在的實際戰(zhàn)區(qū)的電磁環(huán)境中，充斥著種類繁多的復(fù)雜電磁信號，例如雷達、導(dǎo)航、通信、敵方干擾、自然噪聲等信號。同時由于各種電磁信號的傳播受到實際地理環(huán)境的顯著影響，導(dǎo)致戰(zhàn)區(qū)電磁環(huán)境異常復(fù)雜。電子戰(zhàn)武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的性能測試成為其研制過程中的重要內(nèi)容[1]。

概括來說，武器裝備的電磁性能測試按環(huán)境不同可分為三類。第一是全實物測試，將待測裝備置于演習(xí)或?qū)嶋H戰(zhàn)區(qū)，利用實際存在的復(fù)雜電磁環(huán)境對裝備性能進行測試。此種方式最具說服力，通常作為成熟型號武器裝備的最終測試方法。但是，因為此方式成本極高、風(fēng)險大，很多場合是破壞性測試，并且所得到測試結(jié)果不具備遍歷性，無法滿足裝備研制過程中的絕大多數(shù)的常規(guī)測試需求。第二種是基于計算機、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的全數(shù)字仿真測試。這種技術(shù)是通過數(shù)據(jù)采集或者數(shù)學(xué)建模的方式，將實際電磁環(huán)境的主要特征信息以數(shù)字格式存儲于數(shù)據(jù)庫中，在某種特定仿真算法的驅(qū)動下，對待測裝備的性能進行全數(shù)字仿真測試。此方法運行成本低、靈活便捷，通常用于裝備的前期開發(fā)過程中，偏重于對軟件算法的測試。然而由于逼真度低，與實際環(huán)境差異過大，對于正式裝備的性能測試僅具有參考作用，大多數(shù)場合無法作為最終驗證手段。第三種測試方法是半實物模擬測試，此方法是在前兩種方法有機結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它利用數(shù)據(jù)采集或數(shù)學(xué)建模的方法組建數(shù)字化復(fù)雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實際測試場景需求，計算波形數(shù)據(jù)，基于復(fù)雜信號發(fā)生技術(shù)，通過波形發(fā)生的方式產(chǎn)生實際電磁信號，人為構(gòu)建高逼真度的復(fù)雜電磁環(huán)境，用于裝備性能測試。這種測試方法兼?zhèn)淞饲皟煞N方法的優(yōu)點，測試高效便捷，打破全實物測試中測試環(huán)境的時空限制;場景豐富，根據(jù)實戰(zhàn)環(huán)境需求任意構(gòu)建測試電磁環(huán)境信號;高逼真度，基于數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，綜合考慮輻射源種類、裝備布局、傳播途徑、自然干擾等各種因素;成本低廉、結(jié)果全面，非損壞性測試，實現(xiàn)高度一致性的重復(fù)性測試，可評估裝備在各種極端條件下的性能。

基于數(shù)字化地理信息的復(fù)雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術(shù)是實現(xiàn)半實物模擬測試的一個有效技術(shù)途徑，具有場景快速便捷構(gòu)建、測試遠程可控、干擾信號多參數(shù)可控、干擾效果可評的高效測試效果等優(yōu)點。其技術(shù)難題主要體現(xiàn)在三個方面：1)復(fù)雜電磁環(huán)境模擬建模，實際的戰(zhàn)場電磁環(huán)境極度復(fù)雜，包括了雷達、通信、導(dǎo)航、干擾、噪聲等多方面的復(fù)雜樣式信號;傳播媒質(zhì)多變，涵蓋地海表面、大氣層、散射體等;發(fā)射機和接收機移動式布局，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征復(fù)雜。2)基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬，不同的地理環(huán)境，例如：淡水、海水、濕地、森林和建筑物等，對電磁波的傳播具有繞射、反射、阻礙等衰減作用。而且根據(jù)具體環(huán)境的特性差異(例如海水含鹽量的不同)，每種類別地理環(huán)境所呈現(xiàn)的電氣性能各異，從而導(dǎo)致傳播模型參數(shù)變化繁復(fù)。3)復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)，實際復(fù)雜電磁環(huán)境中信號樣式復(fù)雜多變，頻率覆蓋范圍大，涵蓋微波毫米波頻段，調(diào)制帶寬高達GHz量級，同時擁有捷變頻特性。因此，滿足上述性能指標(biāo)要求的復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)是實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境信號模擬，滿足半實物模擬測試的基礎(chǔ)。

本文將從以上三個方面介紹基于數(shù)字化地理信息的復(fù)雜電磁環(huán)境信號發(fā)生技術(shù)的思想、方法和發(fā)展現(xiàn)狀。

2.復(fù)雜電磁環(huán)境模擬建模

根據(jù)國軍標(biāo)(GJB6130-2007)給出的定義，復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定的空域、時域、頻域和功率域上，多種電磁信號同時存在，對用頻裝備運用和作戰(zhàn)行動產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境。由此可知，復(fù)雜電磁環(huán)境是對某個實際場景中所含各種復(fù)雜電磁信號成分的泛稱，其主要由電子對抗環(huán)境、雷達環(huán)境、通信環(huán)境、光電環(huán)境、敵我識別電磁環(huán)境、導(dǎo)航電磁環(huán)境、民用電磁環(huán)境、自然電磁環(huán)境等構(gòu)成[2]。每一類型的電磁環(huán)境又由不同類型的電磁輻射源生成，并對不同的信息化武器裝備產(chǎn)生影響，進而影響整體作戰(zhàn)。對復(fù)雜電磁環(huán)境建模的前提是對一個場景中種類繁復(fù)、特性復(fù)雜的信號成分進行分類、分析，進而根據(jù)每種常規(guī)信號的表征和傳播媒質(zhì)進行建模[3]。最后將關(guān)注的各信號綜合，完成對實際電磁環(huán)境模擬構(gòu)建。

2.1 復(fù)雜電磁環(huán)境的信號特點

復(fù)雜電磁環(huán)境所含信號成分主要分為兩類：自然因素干擾信號和人為因素干擾信號，其中人為因素干擾信號包括了無意干擾信號和對抗干擾信號。自然因素干擾信號主要源于雷電和靜電，屬于實際環(huán)境中的非可控因素。用于半實物模擬測試的電磁環(huán)境構(gòu)建主要注重于特性可控的人為因素干擾信號的模擬。由于對抗干擾信號對電子武器裝備的影響顯著，形式多樣、樣式復(fù)雜，成為復(fù)雜電磁環(huán)境模擬的關(guān)鍵內(nèi)容。隨著電子戰(zhàn)裝備的快速發(fā)展升級，所用到的電磁信號主要呈現(xiàn)以下四個特點：1)信號樣式復(fù)雜多樣，種類多，分布密度大。數(shù)字矢量調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，使一系列復(fù)雜調(diào)制樣式的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。在戰(zhàn)區(qū)廣泛密集分布的各種新體制雷達裝備所使用的調(diào)制格式涵蓋了線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼、頻率編碼、噪聲調(diào)頻、巴克碼調(diào)制等脈內(nèi)調(diào)制格式，以及脈間頻率捷變、脈組頻率捷變、分時頻率分集、PRI參差/抖動/組變/滑變、脈沖寬度組變/組合等脈間調(diào)制格式。2)信號頻率覆蓋范圍大幅度拓寬。電子裝備所用電磁信號所占用頻段不斷變寬，從高頻信號覆蓋到微波毫米波信號。3)信號調(diào)制帶寬不斷加大。例如新式合成孔徑雷達的調(diào)制帶寬達到GHz量級。4)捷變頻性能顯著提升，信號高度交疊。某些信號雷達所用的調(diào)制信號的中心頻率捷變頻時間達到百納秒量級，在1秒鐘時間內(nèi)可實現(xiàn)數(shù)百萬次頻率捷變，對于常規(guī)接收機在同一時間可能有百萬量級的信號同時出現(xiàn)，交疊嚴(yán)重。

由此可見，復(fù)雜電磁環(huán)境對電子裝備的正常工作影響顯著，對其作戰(zhàn)運用和效能發(fā)揮提出了很大的挑戰(zhàn)。復(fù)雜電磁環(huán)境的逼真模擬構(gòu)建是半實物模擬測試的基礎(chǔ)，對裝備開展復(fù)雜電磁環(huán)境試驗、研究武器裝備的電磁兼容性、檢測其電磁環(huán)境適應(yīng)能力提供了便利，有利于提高武器裝備對電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，具有重要的意義。

2.2 復(fù)雜電磁環(huán)境的信號建模

根據(jù)各類輻射源對電子武器裝備的影響程度，戰(zhàn)區(qū)復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬主要針對以下類型輻射源的建模，包括脈沖雷達、干擾機、塔康(TACAN)、敵我識別器(IFF)、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)等[4]。對輻射源進行表征的基本內(nèi)容可歸納為：1)一般信息，包括標(biāo)識、型號、用途、體制、天線類型、水平覆蓋范圍、垂直覆蓋范圍、偵察距離、最大跟蹤距離、綜合損耗、波束個數(shù)、最大波束數(shù)量、最小掃描步進、增益最大功率、掃瞄時平臺類型、平臺性能、指揮控制關(guān)系、信號樣式等;2)發(fā)射機信息，包括型號、工作頻段、帶寬、饋線損耗、發(fā)射機類型等;3)接收機信息，包括型號、靈敏度、中心頻率、帶寬、中頻帶寬等。

在對輻射源信號建模中，通常采用脈沖描述字(PDW)對輻射源輻射信息進行描述，具體包含：脈沖載頻、脈沖寬度、脈內(nèi)調(diào)制(相位編碼或頻率調(diào)制)、脈沖到達時間、脈沖到達角、脈沖幅度。電子戰(zhàn)環(huán)境下接收機接收到的雷達信號為各個輻射源所輻射的脈沖流的疊加。接收機接收的脈沖流以脈沖到達接收機的時間排序。輻射源脈沖流是接收機脈沖流構(gòu)成的基本元素，輻射源脈沖流及脈沖參數(shù)變化形式的復(fù)雜性決定了場景的復(fù)雜性。根據(jù)輻射源脈沖流可能出現(xiàn)的變化形式及針對性的處理方法，可以從時域、空域和調(diào)制域等幾個方面對輻射源脈沖流進行建模。

(1)時域模型

脈沖到達時間(TOA)是脈沖流最重要的參數(shù)之一。TOA與輻射源和接收機的距離及輻射源的脈沖重復(fù)間隔(PRI)相關(guān)，輻射源類型不同則其PRI也不盡相同。

(2)空域模型

脈沖到達角(DOA)是一個與輻射源位置密切相關(guān)的信息，取決于輻射源與接收機之間的相對角度。當(dāng)輻射源與接收機之間存在相對運動時，DOA是緩慢變化的。DOA參數(shù)不受輻射源本身的影響，是信號處理系統(tǒng)所依據(jù)的最重要、最可靠的特征。因此，有必要對DOA單獨建模和分析。

(3)調(diào)制域模型

調(diào)制域參數(shù)主要包括：脈沖載頻(RF)、脈沖寬度(PW)、脈沖幅度(PA)和脈內(nèi)調(diào)制樣式(PM)。輻射源類型不同則其參數(shù)域參數(shù)也不盡相同。

根據(jù)戰(zhàn)情文件設(shè)置的輻射源參數(shù)，生成每個輻射源在當(dāng)前仿真時間間隔內(nèi)產(chǎn)生的PDW流，并根據(jù)每個仿真時間被動雷達的狀態(tài)參數(shù)進行信號稀釋，最后對所有輻射源的PDW流進行排序輸出。

3.基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬

從電磁環(huán)境模擬的需要出發(fā)，無論是自然因素干擾信號和人為因素干擾信號，要全面地模擬電磁環(huán)境產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)，都需將影響電磁環(huán)境產(chǎn)生和傳播的物理環(huán)境進行詳細分解，建立基本的模擬對象，即戰(zhàn)場實體環(huán)境的地理信息，例如：地形、氣象、地質(zhì)、地磁等因素。根據(jù)復(fù)雜電磁環(huán)境中不同輻射源所發(fā)射的電磁信號的頻率覆蓋范圍不同，信號的傳播模式各異。例如：1)表面波傳播，是指電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r。這時電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ模孛娴男再|(zhì)、地貌、地物等都會影響電波的傳播。2)天波傳播，是指經(jīng)過電離層反射到地面的電波傳播。電離層是由圍繞地球的處于不同高度的4個導(dǎo)電層組成的，這4個導(dǎo)電層分別稱為D層、E層、F1層和F2層，這些導(dǎo)電層對短波傳播具有重要影響。3)空間波傳播，是指當(dāng)發(fā)射和接收天線架設(shè)的較高時候，在視線范圍內(nèi)，電磁波直接從發(fā)射天線傳播到接收天線的傳播。此時，電磁波還可以經(jīng)地面反射到達接收天線，所以，接收天線處的場強是直射波和反射波的矢量和，形成的合成場強，直射波不受地面的影響，地面反射波要經(jīng)過地面的反射，因此要受到反射點地質(zhì)地形的影響。4)外層空間傳播，是指電磁波由地面發(fā)出，經(jīng)低空大氣層和電離層而到達外層空間的傳播及其相反過程的傳播。5)散射傳播，是指大氣對流層中，除了有規(guī)則的片狀或?qū)訝顨饬魍?，還存在著不規(guī)則的氣流，這類似于水流中漩渦的不均勻體。相應(yīng)地，在電離層中則有電子密度的不均勻性。當(dāng)無線電波投射到這些不均勻體的時候，類似于光的散射和反射現(xiàn)象，電波將發(fā)生散射或反射，一部分能量傳播到接收點，這種傳播方式稱為散射傳播。6)大氣波導(dǎo)傳播，是指由于大氣對流層的不均勻性和電離層的存在，在一定的條件下，對某一特定的頻率形成大氣波導(dǎo)，使電波傳播的損耗大大減小，這種電波傳播的現(xiàn)象稱為大氣波導(dǎo)傳播。根據(jù)實際戰(zhàn)場電磁環(huán)境的信號成分，電子戰(zhàn)裝備的信號傳播模式以表面波傳播和空間波傳播為主，其受實際地理環(huán)境影響顯著。地理信息系統(tǒng)(GIS)是實現(xiàn)基于地理信息電磁信號傳播模擬建模的有效工具。

GIS系統(tǒng)是在軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[5]。GIS系統(tǒng)處理和管理的對象是多種地理空間實際數(shù)據(jù)及其關(guān)系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理一定地理區(qū)域分布的各種現(xiàn)象和過程。GIS系統(tǒng)包括3種空間數(shù)據(jù)類型：1)坐標(biāo)系，如經(jīng)緯度、平面直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)等。2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義兩個物體之間接通和鄰接等關(guān)系。3)地理變量，如土壤種類、地質(zhì)信息、氣候等。同時GIS系統(tǒng)支持2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，1)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即像元陣列，可根據(jù)每個像元特有的行列號來卻確定位置。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的每個代碼明確的代表了對應(yīng)實體的屬性。它由3級機構(gòu)組成，即點實體，表示柵格數(shù)據(jù)中的一個像元;線實體，表示某方向上成串的相鄰像元集合;面實體，表示聚集在一起的相鄰像元的集合。2)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即通過記錄坐標(biāo)的方式，盡可能的將點、線、面地理實體準(zhǔn)確的反映出來。它具有比柵格數(shù)據(jù)更高的精確性。矢量數(shù)據(jù)可按一定的轉(zhuǎn)化規(guī)律轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點有利于計算機處理，具有距離制圖、密度制圖、表面生成與分析、單元統(tǒng)計、領(lǐng)域統(tǒng)計、分類區(qū)統(tǒng)計、重分類和柵格計算等分析功能。

基于GIS系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)，通過圖形的采集和矢量化處理建立起戰(zhàn)場區(qū)域的地形地貌圖和所要電磁輻射源的分布圖，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立電磁輻射源基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，通過電子地圖和數(shù)據(jù)庫的連接，創(chuàng)建和查詢戰(zhàn)場電磁輻射源的特征、屬性、空間位置、探測能力及通信能力等信息。同時實現(xiàn)輻射源數(shù)量、空間分布、技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、組織序列以及電磁信號的傳播途徑、電磁輻射范圍、電磁頻譜分布全景等內(nèi)容可視化，為基于戰(zhàn)場實際地理環(huán)境的復(fù)雜環(huán)境模擬建模提供支持。

4.復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)

復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)是為了最終實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境中信號樣式復(fù)雜多變的電磁信號，人為構(gòu)建高逼真度的復(fù)雜電磁環(huán)境，適應(yīng)于各種裝備的性能測試。理想的復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)是基于數(shù)字化復(fù)雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜樣式模擬軟件系統(tǒng)與復(fù)雜樣式信號發(fā)生模擬硬件平臺的有機結(jié)合，這種技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：1)一個平臺可以根據(jù)不同武器裝備測試需求，搭載相適應(yīng)的復(fù)雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫和模擬發(fā)生軟件，實現(xiàn)符合該武器裝備作戰(zhàn)環(huán)境的輻射源及其環(huán)境模擬;2)一代平臺可以搭載同一武器裝備的多代復(fù)雜電磁環(huán)境模擬軟件，使其具備很強模擬仿真兼容性和適用性。這種復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)可以通過靈活的配置，實現(xiàn)服務(wù)于多種、多代武器裝備的測試，提高測試效能，擺脫全實物測試環(huán)境的時域、空域及地域限制，在統(tǒng)一平臺上滿足武器裝備對環(huán)境模擬樣式、頻譜覆蓋、調(diào)制帶寬以及信號捷變等方面的測試要求。

基于復(fù)雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的模擬軟件系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)點就在于適應(yīng)各種裝備并包含符合裝備作戰(zhàn)區(qū)域地理化信息的數(shù)據(jù)庫及模型建立，這在文章的前面已重點介紹，不再贅述。而對于依賴硬件平臺來實現(xiàn)的復(fù)雜樣式信號發(fā)生技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)，其涉及到的技術(shù)指標(biāo)廣泛，性能指標(biāo)要求很高，例如：頻率覆蓋范圍大，涵蓋微波毫米波頻段，調(diào)制帶寬高達GHz量級，同時擁有捷變頻特性。能夠支持以上高性能技術(shù)指標(biāo)的復(fù)雜樣式信號發(fā)生，離不開高性能信號發(fā)生硬件平臺的支撐。目前利用信號發(fā)生硬件平臺來實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境中電磁信號生成，需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)點有以下幾個方面：1)大帶寬任意波基帶發(fā)生技術(shù)是實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)量向模擬量轉(zhuǎn)變的核心單元，其調(diào)制帶寬寬，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后形成已調(diào)的復(fù)雜中頻模擬信號。該模擬信號將被相應(yīng)的頻率合成技術(shù)搬移到所需的頻段，實現(xiàn)復(fù)雜樣式信號的最終輸出;2)復(fù)雜樣式信號多參數(shù)多域調(diào)制綜合仿真的數(shù)字信號合成技術(shù)，將復(fù)雜電磁環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式進行信號的綜合計算及處理，完成所需信號在頻域、時域、調(diào)制域以及空域的疊加，最終實現(xiàn)大容量、多樣式、多調(diào)制參數(shù)復(fù)雜電磁信號的編輯、定義、數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用等任務(wù)，最后完成復(fù)雜電磁信號模擬的載波及序列組構(gòu)建，為復(fù)雜樣式信號的向外發(fā)生做好準(zhǔn)備;3)覆蓋微波毫米波且能支持復(fù)雜樣式信號發(fā)生的頻率合成技術(shù)，利用直接模擬頻率合成(ADS)方式(如微波毫米波捷變頻信號發(fā)生器)或者間接頻率合成方式(如矢量信號發(fā)生器)實現(xiàn)已調(diào)復(fù)雜樣式載波信號向著更高頻段擴展。

5.結(jié)論

基于數(shù)字化地理信息的復(fù)雜環(huán)境信號模擬技術(shù)是電子武器裝備半實物模擬測試的一種新的嘗試?；诖思夹g(shù)構(gòu)建的武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的性能評估測試系統(tǒng)具有操作便捷、參數(shù)可控、成本低廉、高逼真度、結(jié)果全面、場景豐富等優(yōu)點。本文從復(fù)雜電磁環(huán)境模擬建模、基于數(shù)字化地理信息的電磁信號傳播模擬以及復(fù)雜樣式信號發(fā)生等三個方面介紹了此技術(shù)的思路、方法和發(fā)展現(xiàn)狀，對其可行性做了詳細分析。