艦艇短波電磁環境仿真預測研究＊

晏高平 毛建舟 赫永磊

（1.海軍大連艦艇學院學員旅 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院作戰與指揮系 大連 116018）

1 引言

未來海戰面臨的是日趨復雜的電磁環境，充分掌握和了解戰場環境，為己方電子信息武器的合理運用提供決策支持，是奪取制電磁權乃至戰爭主動權的前提和基礎［1］。

然而電磁環境看不見，摸不著，作戰人員很難把握艦艇電磁環境。當前獲得電磁環境相關信息主要有兩種手段，一是從平時訓練中積累經驗，但僅限于干擾特別嚴重的情況，一般情況下無法判斷是否發生了干擾，并且無法知曉干擾程度；二是利用信息偵察和搜集設備對艦艇相關電磁參數進行實際測量，但工作量大，操作困難，數據也是在特定的條件得出來的，有很大的局限性。

為此，本文提出一種新的方法和手段，通過對水面艦艇電磁環境，尤其是短波電磁環境的計算仿真［2］，直觀、方便地刻畫出水面艦艇電磁環境，為水面艦艇電磁環境的分析研究和指揮員的作戰使用提供依據。

2 核心算法—多層快速多極子技術

多層快速多極子技術（MLFMM）是求解電大尺寸和特電大尺寸三維目標的主要方法之一，具有計算內存少、精度高、收斂較快等特點。該技術是電磁場仿真軟件FEKO的核心算法，也是水面艦艇短波電磁環境仿真預測的理論基礎［3］，因此這部分簡要介紹一下該算法。

2.1 快速多極子技術

快速多極子方法是上世紀80年代末90年代初，國際上提出的用于積分方程計算的快速算法，不但大大加速了矩陣與矢量相乘計算，并且也大大降低了存儲量。

快速多極子方法的數學基礎是矢量加法定理，即利用加法定理對積分方程中的格林函數進行處理。通過在角譜空間中展開，利用平面波進行算子對角化，最后將密集陣與矢量的相乘計算轉化為幾個稀疏陣與該矢量的相乘計算。

其原理是將目標表面離散得到的子目標分組，任意兩個子目標間的互耦根據他們所在組的位置關系而采用不同的處理方法。自身組和相鄰組采用直接矩量法計算，非相鄰組采用聚合－轉移－配置方法計算。

2.2 多層快速多極子

多層快速多極子是快速多極子在多層級結構中的推廣。對于N互耦，多層快速多極子方法采用多層分區計算，基于樹形結構，特點是：逐層聚合、逐層轉移，逐層配置、嵌套遞推。對于三維情況，用一立方體包圍目標，第一層得到8個子立方體。隨著層數增加，每個子立方體再細分為8個更小的子立方體，直到最細層滿足要求為止。

多層快速多極子除了與快速多極子相同的操作外，還有父層、子層的層間遞推計算。多層快速多極子方法的轉移計算在各層各組的遠親組間進行，而快速多極子方法的轉移計算在非附近組間進行。基于分層結構，多層快速多極子方法由上行過程、下行過程兩部份組成。上行過程分為最高層的多極展開、子層到父層的多極聚合。上行過程在多極聚合到第二層后，經遠親轉移計算轉向下行過程。下行過程則分為父層到子層的多極配置、同層間遠親組的轉移和最高層的部分場展開。

3 水面艦艇短波輻射場電磁建模

3.1 短波天線選擇

短波通信是水面艦艇在海上的常用通信方式，無論在日常訓練還是戰時都扮演了重要角色，因此本論文選擇研究水面艦艇的短波電磁環境。

短波通信天線包括籠形天線、雙鞭天線等眾多種類，本論文僅選擇了廣泛用于艦船的單極直立鞭狀天線［4］。通過對該型天線電磁環境的仿真，說明對電磁環境仿真這一方法和手段的可行性，現實意義和應用前景。

單極直立鞭狀天線其結構是一根自支撐的、細的、剛性的鋁桿或鋼桿，長度一般為3m～15m。結合天線基礎理論，短波鞭狀天線是全向天線，當天線有效長度為四分之一波長時，天線發射頻率可以認為是諧振頻率，且諧振頻率越高，天線發射效率就越高。故短波天線對應的頻段為5MHz～25MHz。本論文建立的短波天線模型長度為10m，相應的預測頻率為7.5MHz。

3.2 建模的關鍵問題

1）考慮到短波天線波長較長，艦艇結構對輻射場影響很小。為了簡化模型而忽略了艦艇結構模型，以短波天線的電磁環境替代水面艦艇系統的電磁環境。

2）考慮到論文仿真重點是水面艦艇的短波電磁環境，因而將海面等效為無限大理想導電平面（PEC）。這樣處理的好處是在對多艦系統進行網格剖分時，無限大理想導電平面相當于鏡像平面；另一方面，在計算水面艦艇與海面的復合電磁輻射時，可以將海面和水面艦艇作為一個整體來考慮，從而可以有效地仿真電磁波在水面艦艇與海面之間的相互作用。

3）考慮到現實情況，船體在水下的部分和海面被船體覆蓋的部分是不可見的，因而只是對水面以上的空間進行了仿真，未涉及水面以下的電磁環境。

3.3 建模過程與方法

1）首先建立坐標系，利用線條（line）工具條在Z軸上創建一根長度為10m的單極直立鞭狀天線；

2）在其屬性設置對話框中設置線的半徑為0.015m；

圖1 網格剖分后短波天線模型

3）創建一個無限大導電平面（PEC）模擬海面，這種方式效率很高。為天線添加端口和饋源，具體參數及求解項在仿真預測分析部分介紹，至此模型建立完成。

建模完成后對模型進行網格剖分，剖分尺寸為線單元邊長為0.5m，半徑0.01m。模型如圖1所示。

圖1中紅、藍、綠三種顏色的線分別表示Z軸、X軸、Y軸。坐標原點處為設置的饋源，天線與Z軸重合。

4 仿真預測分析

前面已建立了短波波段線天線的模型，在此基礎上設置天線參數及求解項，即可開始仿真預測分析。

4.1 仿真預測條件設置

首先為端口添加一個電壓源，激勵電壓（Excitations）設置為1V，相位設置為零。

對模型的輻射能量進行設置。當前艦艇短波設備的功率有很多種，為不失代表性，本文為短波天線設置的輻射能量的完全匹配功率為1000W，假設短波天線的輻射效率為100%。設置單鞭天線的工作頻率為7.5MHz。

設置求解項包括遠場電場強度和近場電場強度，這也是仿真評估的主要內容。

設置遠場求解項，以3D模型顯示水面以上空間。

設置近場求解項，設置距離r的步進值為10m，角度步進值為10°。

運行仿真模型，然后可在POSTFEKO中查看仿真結果。

4.2 仿真結論分析

本文著重分析短波天線遠場的電場強度，通過上述條件的設置和仿真執行，可以得到如圖2所示的天線遠程電場強調3D顯示的天線遠程輻射圖。

圖2 短波天線遠場電場強度3D顯示

為處理數據方便，以db的形式描述電場強度及后述有關參數。圖中左上角的彩色條表示不同顏色對應的電場強度，顏色越深代表電場強度越大。綠色區域表示的是海面。圖2直觀地表現了遠場電場的空間分布情況，Z軸及其形成的錐形區域電場強度很微弱，隨著距離的增加，電場強度也有所增加。

查看天線近場電場強度的仿真結果，得到如圖3所示的3D輻射圖。

分析圖3所示的仿真結果，可以直觀地看出短波天線近場的電場強度與饋源距離成反比，達到一定距離后電場強度相當微弱。

為定量的分析短波天線遠場電場強度與距離觀測點距離的關系，可以查看仿真結果的二維顯示圖，得到如圖4所示的天線電場強度隨觀測點距離變化的二維圖。

圖4中，橫坐標為X表示觀測點與輻射源的距離，以km為單位；縱坐標是電場強度，以dBV／m為單位；圖中的線段為仿真結果，表示了與電場強度隨觀測點距離的變化情況。圖4顯示了前述設置的短波天線在10km范圍內的近場電場強度變化情況。

圖3 短波天線近場電場強度3D顯示

圖4 短波天線遠場電場強度二維顯示

通過分析可知整體上看隨著觀測點與輻射源距離的增加，觀測點的電場強度減小，在2km范圍內隨著距離的增加，近場電場強度快速減小，但是這種減小的趨勢在2km以外變緩，逐漸趨于線性關系。

利用仿真結果所提供的短波環境的電磁場強信息，根據各用頻設備的敏感度信息，即可初步判斷編隊隊形、艦間距、觀察組織方案的可行性和是否存在電磁兼容問題的初步判斷，為編隊作戰方案、觀察組織方案的制定提供定量依據。如A艦的某型裝備所產生的電場強度在B艦處超過了某設備的敏感度要求－13dBV／m，查看近場電場強度仿真結果，－13dBV／m的電場強度對應的距離是2km，根據編隊間距即可判斷A艦是否對B艦造成干擾，可以通過控制兩艦距離、隊形等方法來有效地避免電磁干擾，實現編隊范圍的電磁兼容。

5 結語

水面艦艇電磁兼容問題是制約編隊作戰能力的重要因素，本文以解決當前水面艦艇電磁量化管控的難題出發點，結合FEKO經典電磁仿真軟件，利用多層快速多級子算法，對艦艇常用的短波通信天線電磁環境進行了預測仿真。本論文提出的建模仿真方法對描述水面艦艇電磁環境具有可行性，在電磁管控方面具有一定的現實意義，在電磁領域具有寬廣的應用前景。著重從短波天線遠場電場強度，近場電場強度兩方面入手，仿真了編隊可能存在短波通信天線的電磁環境，能夠為編隊制定觀察通信組織方案提供量化的依據，為解決編隊電磁兼容問題提供支持。

［1］趙剛.信息化時代武器裝備電磁兼容技術發展趨勢［J］.艦船電子工程，2007.

［2］羅宇翔，陳淑鳳，成躍進.電磁兼容性分析預測技術發展綜述［J］.空間電子技術，1996.

［3］劉圣民.電磁場的數值方法［M］.武漢：華中理工大學出版社，1991.

［4］盧萬錚.天線理論與技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004.