基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的電磁環(huán)境逼真度驗證方法

李艷莉,田 曉

(1.電子科技大學成都學院， 成都 611731； 2.中國西南電子技術(shù)研究所， 成都 610036)

信息化戰(zhàn)場上復雜電磁環(huán)境深刻地影響著作戰(zhàn)行動，構(gòu)建貼近實戰(zhàn)的電磁環(huán)境對人員和裝備進行試驗和訓練很有必要，如何評估所構(gòu)設電磁環(huán)境的質(zhì)量是電磁環(huán)境試驗的基本問題[1-2]。實際應用中，利用戰(zhàn)場中的監(jiān)測設備測量整個作戰(zhàn)空域的多維度參數(shù)，通過定性或定量評估方法給出電磁環(huán)境的復雜度、威脅度、相關(guān)度等評估等級。這些評價結(jié)果將用于反饋調(diào)整電磁環(huán)境構(gòu)建的質(zhì)量。通過對電磁環(huán)境的評價，不斷對生成的電磁環(huán)境進行優(yōu)化以滿足作戰(zhàn)需求[3]。

電磁環(huán)境生成和推演宏觀逼真度是用來描述想定電磁環(huán)境與構(gòu)設電磁環(huán)境在特定空間、整體的、宏觀的電磁環(huán)境特征的相似性，從電磁環(huán)境復雜度評估指標中提取宏觀逼真度，也就是從頻域、時域、空域和能域中提取頻譜占用度、時間占有度和空間覆蓋率等指標進行測量和統(tǒng)計，對電磁環(huán)境進行與真實作戰(zhàn)場景的相似性的度量，滿足不同規(guī)模、不同作戰(zhàn)場景和不同作戰(zhàn)任務的仿真需求[4-5]。

1 復雜電磁環(huán)境場景構(gòu)建

根據(jù)作戰(zhàn)需求構(gòu)建一個典型的陸空典型戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的測試場景如圖1，陸空戰(zhàn)場的復雜電磁環(huán)境場景的主要參數(shù)設置如表1所示。

圖1 陸空戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境測試場景

目標類型裝備名稱目標位置目標尺寸(長寬高)目標參數(shù)運動參數(shù)輻射源FPS-117雷達XR1,YR1,ZR1LR1,WR1,HR1f:1215～1 400 MHz,Pt:24.8 kW,Gt:38.5 dB,…圓周掃描,掃描周期10 sMPQ-53雷達XR2,YR2,ZR2LR2,WR2,HR2f:5 250～5 750 MHz,Pt:200 kW,Gt:41 dB,…電掃……………AN/APG-79XRn,YRn,ZRnLRn,WRn,HRnf:9 700～9 900 MHz,Pt:22 kW,Gt:37 dB,…電掃超短波通信XC1,YC1,ZR1LC1,WC1,HC1f:225～400 MHz,Pt:10 W,Gt:-5 dB,…-……………干擾設備XJn,YJn,ZJnLJn,WJn,HRnf:2～18 GHz,Pt:500 W,Gt:18 dB,電掃主戰(zhàn)裝備坦克XEQ1,YEQ1,ZEQ1LEQ1,WEQ1,HEQ1金屬,RCS:8 m2速度50 km/h通信車XEQ2,YEQ2,ZEQ2LEQ2,WEQ2,HEQ2金屬,RCS:10 m2速度60 km/h……………直升機Xap1,Yap1,Zap1Lap1,Wap1,Hap1金屬,RCS:15 m2速度400 km/h地物道路XObj1,YObj1,ZObj1LObj1,WObj1,HObj1建筑物類型,結(jié)構(gòu)—……………橋梁XObjn,YObjn,ZObnLObjn,WObjn,HObjn介電常數(shù)、磁導率—地貌草地XTR1,YTR1,ZTR1LTR1,WTR1,HTR1介電常數(shù)、磁導率沙漠XTR2,YTR2,ZTR2LTR2,WTR2,HTR2介電常數(shù)、磁導率……………叢林XTRm,YTRm,ZTR2mLTRm,WTRm,HTRm樹木類型、樹木密度、高度

2 電磁環(huán)境中時域、空域、頻域、功率域測試參數(shù)

通過時域、頻域、空域和能量域四個維度對電磁環(huán)境態(tài)勢進行多維度表征[6]。

1) 功率域特性參數(shù)

功率域參數(shù)表示特定區(qū)域、特定時段、特定頻譜范圍的頻譜分布特征，在一定作戰(zhàn)空間VΩ、時間范圍[t1,t2]和頻率范圍[f1,f2]內(nèi)，信號強度表示為[7]

(1)

式(1)中：AP為信號平均功率密度譜；S(r,t,f)為功率譜密度；r為空間位置坐標；VΩ為作戰(zhàn)空間體積。

2) 時域特征參數(shù)

時域特征參數(shù)通常用單位時間內(nèi)超過一定強度的信號功率密度等參數(shù)來表示。在一定作戰(zhàn)空間VΩ和頻率范圍f1,f2內(nèi)，定義時間占有度為電磁環(huán)境功率譜密度均值超過某一電磁環(huán)境門限所占用的時間段與作戰(zhàn)時間段的比值[7]：

(2)

式(2)中：U為單位階躍函數(shù)；S0為電磁環(huán)境門限；雙重積分是對頻率和空間進行積分。

3) 空域特征參數(shù)

空域特征參數(shù)通常用空間覆蓋率表征，是指在一定時間范圍[t1,t2]和頻率[f1,f2]范圍內(nèi)，電磁信號平均功率密度譜超過指定電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與作戰(zhàn)空間范圍的比值[7]：

(3)

式(3)中：雙重積分是對時間和頻率進行積分。

4) 頻域特征參數(shù)

頻域特征參數(shù)通常用頻率占用度表示，在一定的作戰(zhàn)空間VΩ和時間范圍[t1,t2]內(nèi)，不同頻率出的信號平均功率譜可以表示為[7]

(4)

式(4)中，雙重積分是對時間和空間進行積分。

由上式可計算出在一定時間和作戰(zhàn)空間范圍內(nèi)電磁信號所占有的頻譜范圍，簡記為ΔB。

此時，根據(jù)具體環(huán)境，設定一個S(f)門限。假設超過門限的頻譜寬度為Δ，那么頻譜占用度為

FO=Δ/ΔB

(5)

可見，頻譜占用度越大，電磁環(huán)境越復雜。

3 復雜電磁環(huán)境逼真度測試方法

3.1 外場縮比測試場景

外場縮比模擬測試的試驗場地需求為1 000 m×1 000 m區(qū)域，需要考慮外場測試環(huán)境(基礎(chǔ)設施、大型固定試驗設施、配套條件)、受試設備架設安全性、操作便捷性等因素，外場縮比模型的組成如圖2所示。對外場區(qū)域進行空間柵格離散，柵格尺寸約100 m×100 m，柵格坐標為(xi,yj)。外場地貌涵蓋闊葉林、草地、建筑物、道路、簡易橋梁模型。根據(jù)作戰(zhàn)想定和任務規(guī)劃對作戰(zhàn)部隊進行部署，分別部署L/S/C/X波段雷達模、通信設備、某型主戰(zhàn)坦克、某型裝甲車、指揮控制系統(tǒng)、地空導彈車模型，將直升機模型架設于30m高塔上。

在外場柵格(xp,yp)位置部署3 MHz～18 GHz無線電頻譜監(jiān)測設備及輻射信號測試設備，對雷達、通信設備、陸軍主戰(zhàn)裝備傳感器輻射信號進行實時觀察與測試，沿著柵格坐標(xi,yj)移動無線電頻譜監(jiān)測設備及輻射信號測試設備，對外場區(qū)域內(nèi)所有電磁柵格內(nèi)的電磁環(huán)境多參數(shù)進行測試。

圖2 陸戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境外場測試布局圖

3.2 逼真度測試方法

按照第1節(jié)設置的測試場景，在暗室中搭建一套縮比戰(zhàn)場模型，根據(jù)圖1和表1設計的陸空戰(zhàn)場的復雜電磁場景，按照可仿真計算的最小柵格進行剖分，對每個柵格分別測試仿真模型和外場縮比模型的時域、頻域、空域、能量域和極化域參數(shù)矩陣，形成整幅作戰(zhàn)場景的多域電磁參數(shù)的統(tǒng)計值，然后通過灰關(guān)聯(lián)的方法，計算仿真場景和外場縮比實物場景的逼真度。整個場景的模型驗證的方法框圖如圖3所示。

圖3 復雜電磁環(huán)境的模型驗證方法框圖

下面以10 km×10 km的陸戰(zhàn)場電磁場景為例，按照1 km×1 km的準則進行作戰(zhàn)場景的柵格剖分，分別得到整幅電磁場景的實測縮比場景和計算數(shù)字電磁場景的的時間占有度、頻域占有度和空域覆蓋度的參數(shù)矩陣。

(6)

(7)

(8)

分別為極大距離和極小距離，反映了整個系統(tǒng)對單個特征參數(shù)關(guān)聯(lián)程度的影響。

根據(jù)構(gòu)建仿真場景電磁環(huán)境特征參數(shù)與外場縮比模型電磁環(huán)境特征參數(shù)之間的極大和極小距離來定義參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，于是所構(gòu)建電磁環(huán)境對于標準環(huán)境的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

(9)

式(9)中:ξ為分辨系數(shù)，通常取ξ=0.5。假設(h，j)處的關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重為whj，關(guān)聯(lián)系數(shù)的權(quán)重矩陣為

(10)

并有

(11)

算法中，參數(shù)矩陣為同一指標，各灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的相對重要性相同，權(quán)重矩陣的系數(shù)都取相同值。

對灰關(guān)聯(lián)系數(shù)進行聚焦，得到作戰(zhàn)試驗所構(gòu)建的電磁環(huán)境相對于標準環(huán)境的逼真程度為[10]

(12)

4 復雜電磁環(huán)境的模型驗證實例

在作戰(zhàn)試驗實施過程中，利用輻射源信號模擬器、實物縮比模型、復雜地形地貌構(gòu)建不同作戰(zhàn)階段的電磁環(huán)境，電磁環(huán)境監(jiān)測設備對作戰(zhàn)試驗的作戰(zhàn)空域進行監(jiān)測，記錄每個電磁柵格的電磁功率密度譜和電磁信號密度，作戰(zhàn)試驗不同階段所構(gòu)建電磁環(huán)境與數(shù)字仿真模型中要求電磁環(huán)境的頻譜占有度分別如表2和表3所示。

表2 數(shù)字仿真模型的電磁柵格的頻譜占有度

表3 外場縮比模型的電磁柵格的頻譜占有度參數(shù)

可以做出數(shù)字仿真模型和外場縮比模型構(gòu)建的電磁環(huán)境電磁柵格的頻域參數(shù)分布特性曲面分別如圖4和圖5所示。

圖4 數(shù)字仿真模型電磁柵格的頻譜分布

圖5 外場縮比模型電磁柵格的頻譜分布

通過灰關(guān)聯(lián)分析算法可以得出兩者的逼真度為0.94。同理可以分析電磁環(huán)境其他維度參數(shù)的電磁環(huán)境逼真度。