水面無人艇編隊雷達電磁環境預測方法

石昕陽，王彥碧，郭露露，江傳華

(1.中國船舶重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205；2.北京東遠潤興科技有限公司，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、智能化作業平臺。水面無人艇具有機動靈活、成本低廉、無傷亡、適合大規模生產、可在各種環境甚至高危海域執行任務等特點，可攜帶多種類型的傳感器或武器系統，執行探測、打擊任務[1]。

水面無人艇編隊自主式協同聯合作戰將成為未來海軍作戰的主流趨勢和新型樣式。水面無人艇編隊在海面遂行近海偵測和探潛任務時，必將遭受復雜電磁環境的威脅。在信息化戰爭的全時空域范圍內，水面無人艇編隊在全壽命周期內將可能遭受不同類型、不同信號特征和形式的隨機性復雜電磁環境，而構成這種復雜電磁環境的主要人為因素為敵我雙方各種武器系統，特別是雷達通信干擾機產生的高密度、高強度、寬頻譜的有意電磁輻射[2-4]。水面艦艇雷達電磁環境適應性的優劣，將直接關系到水面無人艇編隊作戰效能的發揮。因此，雷達電磁環境預測分析研究，是水面無人艇編隊的重要課題之一。

目前，美、英、法、以色列、日本等國都在集中研發高速水面無人艇，意大利于2005 年將系統級EMC設計軟件SHIP-EDF 應用于Charlie 無人艇，成功完成了該平臺天線布局和共址干擾問題的預測分析評估以及復雜電磁環境下電磁態勢、電子戰效能的評估工作。

本文提出一種水面無人艇雷達電磁環境預測方法，構建雷達電磁環境綜合場強及其功率密度、主波束疊加空間等相關數學模型，編制水面無人艇雷達電磁環境預測計算軟件并以某型水面無人艦艇雷達為研究實例，闡述了水面無人艦艇編隊雷達電磁環境的主要影響因子。

1 水面無人艇編隊雷達電磁環境預測分析

水面無人艇編隊中人為電磁環境的主要來源是各艘無人艦艇有效載荷上的雷達輻射源。無人艦艇編隊雷達電磁環境可以用各單艘艦艇雷達綜合場予以表征。另外，水面無人艇編隊集群工作時，電磁環境復雜度將隨著無人艇的數量、編隊隊形和艇間距等不同而更趨復雜，其復雜電磁環境適應性也將面臨更多不確定性。

典型水面無人艇的通信系統一般由Ku 波段衛星通信系統、S 波段氣象監測系統和GPS/北斗雙模系統共同組成，收發天線之間存在電磁干擾耦合。

由于Ku 波段天線和氣象雷達天線均密集布設在甲板上，當S 波段氣象雷達天線工作過程中，其后瓣或旁瓣輻射波束剛好與Ku 波段衛通天線輻射的主波束在特定空間匯聚時，當此特定空間位于衛通天線或氣象雷達天線等面天線的菲涅爾區時，由面天線輻射場理論可知，此時S 波段氣象天線的諧波干擾（如5 次諧波、7 次諧波）會耦合進入Ku 波段通信鏈路，若兩定向天線隔離度不足，則會對Ku 波段衛通接收機的工作產生不利影響，從而嚴重惡化無人艇雷達電磁環境。

另一方面，由于差分GPS 和北斗系統均為L 波段準全向接收天線，且與S 波段氣象雷達天線通常一起布設在指揮艙前甲板上，因此，當S 波段氣象雷達天線工作過程中，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，S 波段氣象天線副瓣上的帶外輻射干擾部分可能會耦合進行GPS/BDS 接收鏈路，若帶外抑制措施不佳，則會導致GPS/BDS 接收天線方向圖產生嚴重畸變，也會對無人艇雷達電磁環境產生不利影響。

Ku 波段衛通天線具有針狀方向圖特性，一般布置在艇首或艇中。當主波束輻照在射頻集成桅桿等上層建筑金屬結構物上時，由于金屬結構物的遮擋作用，電磁輻射會產生二次反射效應，二次反射的電磁波會加劇Ku 波段天線的方向圖產生畸變[5-7]，除會降低通信效能之外，也會對水面無人艇雷達電磁環境產生惡劣影響。

水面無人艇雷達電磁環境適應性的優劣直接關系到水面無人艇編隊作戰效能的發揮。因此，本文將單艘無人艇歸一化為單點惠更斯輻射源，從無人艇雷達輻射源的菲涅爾區內的輻射近場、夫朗和費區內的輻射遠場入手，利用自編程序，計算無人艇編隊在不同編隊隊形配置條件下的主波束疊加空間內的綜合場功率密度和方向性，提出一種水面無人艇編隊雷達電磁環境特征的預測方法。

2 數學建模

本文構建的雷達電磁環境綜合場強及其功率密度、主波束輻照疊加空間的數學模型相互關聯，其中主波束輻照疊加空間和雷達電磁環境綜合近場和遠場主要表征了水面無人艇編隊雷達電磁環境的輻射分布，可為計算不同隊形配置條件下的電磁環境功率密度提供支撐。

2.1 雷達電磁環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，可推導出水面無人艇編隊雷達電磁環境綜合輻射近場計算公式[8]：

采取輻射近遠場近似，即可推導出水面無人艇編隊雷達電磁環境綜合遠場計算公式：

定時。種苗培育飼料投喂是關鍵，嚴格按照固定的時間投喂有利于魚類盡快形成攝食習慣，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隊形條件下，雷達天線輻照的主波束會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隊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）

由相關幾何知識，可推導該主波束輻照二維疊加區域的面積公式為：

主波束輻照疊加空間邊界點處A，B，C，D 點的坐標分別為：

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

2.3 雷達電磁環境功率密度模型

綜合場功率密度可以用來表征水面無人艇編隊雷達電磁環境。利用雷達電磁環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的水面無人艇編隊雷達綜合場功率密度。

圖2 為n（n≥3）艘水面無人艇組成列型編隊雷達電磁環境綜合場功率密度預測計算示意圖。圖中，n 副雷達天線分布在A1到An的n 個位置點上，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雷達電磁環境綜合場功率密度預測分析計算示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of calculation and prediction for power density of radar EME integrated field of surface UMV formation

可推導出n 艘水面無人艦艇組成列型編隊的雷達電磁環境綜合場功率密度公式為：

3 軟件的設計和實現

本文利用Visual C++[9]，結合數學計算模型，編制了水面無人艇編隊雷達電磁環境預測計算程序。圖3為水面無人艇編隊雷達電磁環境預測計算總體構架示意圖，可見，預測軟件構架由參數設置模塊、預測計算模塊和結果顯示模塊組成。需要設置的主要參數包括：水面無人艇雷達幾何尺寸，發射頻率、輻射功率、場點與源點間距、編隊隊形、無人艇數量、艇間距等。

4 算例分析

本算例采用自編軟件計算程序，詳細分析了水面無人艇列型編隊時的雷達電磁環境綜合場功率密度隨天線輻射功率、天線增益、無人艇數量、艦艇間距的變化情況。

4.1 天線輻射功率對無人艇編隊雷達綜合場功率密度影響

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

圖 3 水面無人艇編隊雷達電磁環境預測軟件總體構架示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of the structure of radar EME prediction software for surface UMV formation

圖 4 不同輻射功率時水面無人艇編隊雷達電磁環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 天線增益對無人艇編隊雷達綜合場功率密度影響

圖5 為不同天線增益條件下，水面無人艇編隊雷達電磁環境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線。分析可見，水面無人艇編隊雷達電磁環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1 dB，綜合場功率密度約增大0.05 dBmW/cm2。

4.3 無人艇數量對無人艇編隊雷達綜合場功率密度影響

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

圖 5 不同天線增益時水面無人艇編隊雷達電磁環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 無人艇數量不同時無人艇編隊雷達電磁環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 無人艇間距對無人艇編隊雷達綜合場功率密度影響

圖7 為不同艇間距條件下，水面無人艇編隊雷達電磁環境綜合場功率密度隨 θ2的變化曲線。由圖可見，水面無人艇雷達電磁環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1 000 m，水面無人艇編隊雷達綜合場功率密度平均下降3 dB。

圖 7 不同艇間距時水面無人艇編隊雷達電磁環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 語

本文提出一種水面無人艇編隊雷達電磁環境新型預測方法，構建相關數學模型，并設計開發了水面無人艇雷達電磁環境預測計算軟件。以某典型水面無人艇為例，計算并分析了雷達綜合場功率密度。研究發現，水面無人艇編隊雷達電磁環境綜合場功率密度與天線輻射功率、增益、無人艦艇的數量和艦艇間距等密切相關。本文的研究結果可為海戰場水面無人艇編隊復雜電磁環境評估和數據庫構建技術提供技術支撐。