復(fù)雜電磁環(huán)境仿真在射頻輻射特性評(píng)估中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境中射頻輻射特性的評(píng)估，本文給出了分布式仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，闡述了系統(tǒng)架構(gòu)、組成與工作原理。同時(shí)，根據(jù)常用電波傳播模型的特征提出了基于層次分析法的電磁傳播模型匹配算法來(lái)適配仿真場(chǎng)景中各用頻設(shè)備的傳播路徑。最后通過(guò)仿真實(shí)例結(jié)合射頻輻射特性評(píng)估方法證明采用該匹配算法能有效提高復(fù)雜電磁環(huán)境下射頻輻射特性評(píng)估的逼真度。

關(guān)鍵詞：電磁環(huán)境；射頻輻射特性；仿真系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.043

中圖分類號(hào)：TP 391.9" " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-0-03

Abstract： In response to the evaluation of radio frequency radiation characteristics in complex electromagnetic environments， this article presents the design and implementation method of a distributed simulation system， and elaborates on the system architecture， composition， and working principle. At the same time， according to the characteristics of commonly used radio propagation models， an electromagnetic propagation model matching algorithm based on the analytic hierarchy process is proposed to adapt the propagation paths of various frequency devices in the simulation scene. Through simulation examples combined with the evaluation method of radio frequency radiation characteristics， the results show that using this algorithm can effectively improve the fidelity of radio frequency radiation characteristics evaluation in complex electromagnetic environments.

Key words： electromagnetic environment; RF radiation characteristics; simulation system

1" 射頻輻射特性仿真系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

本文所描述的仿真系統(tǒng)采用反射內(nèi)存網(wǎng)結(jié)合以太網(wǎng)的異構(gòu)分布式仿真架構(gòu)，即利用反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)現(xiàn)射頻輻射特性評(píng)估核心數(shù)據(jù)的交互，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景控制指令、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)交互。

仿真系統(tǒng)主要包括仿真控制管理節(jié)點(diǎn)、輻射源平臺(tái)仿真節(jié)點(diǎn)、接收平臺(tái)仿真節(jié)點(diǎn)、分析評(píng)估節(jié)點(diǎn)、其他平臺(tái)仿真節(jié)點(diǎn)、電磁環(huán)境仿真節(jié)點(diǎn)以及分析評(píng)估節(jié)點(diǎn)等七個(gè)部分。

1.2 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)在仿真控制管理節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景激勵(lì)以及射頻輻射策略的驅(qū)動(dòng)下實(shí)時(shí)推進(jìn)，輻射源平臺(tái)實(shí)時(shí)輸出預(yù)置的射頻輻射信號(hào)，同時(shí)，其他平臺(tái)也根據(jù)自身特性產(chǎn)生背景電磁輻射，輻射源以及其他平臺(tái)的各個(gè)傳感器產(chǎn)生的電磁信號(hào)經(jīng)過(guò)電磁環(huán)境仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間衰減計(jì)算后，再到達(dá)接收平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)模型[1]。在仿真過(guò)程中，電磁輻射特性以脈沖方式輸出，并為每類脈沖打上時(shí)間標(biāo)簽以標(biāo)識(shí)各類脈沖的輸出時(shí)間，接收平臺(tái)仿真節(jié)點(diǎn)的無(wú)源接收機(jī)模型根據(jù)接收的信號(hào)特性按照脈沖信息和時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行脈沖數(shù)計(jì)算，并進(jìn)行接收脈沖的統(tǒng)計(jì)給出接收參數(shù)，輸出脈沖描述字；分析評(píng)估節(jié)點(diǎn)根據(jù)評(píng)估指標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算射頻輻射特性。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2" 復(fù)雜電磁環(huán)境計(jì)算

2.1 常用電波傳播模型特征

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）系列標(biāo)準(zhǔn)目錄，適用于作戰(zhàn)環(huán)境的電波傳播模型包括自由空間傳播模型、對(duì)流層閃爍衰減模型、一般路徑繞射模型、短波地波傳播模型、林區(qū)傳播經(jīng)驗(yàn)繞射模型、雨損耗模型、霧衰減模型、雪衰減模型、多源大氣損耗模型、水汽衰減模型、氧氣衰減模型、云衰減模型、陸-空業(yè)務(wù)傳播模型、海-空業(yè)務(wù)傳播模型等各類傳播模型。本文從適用頻段、適用場(chǎng)景、模型計(jì)算耗時(shí)這三個(gè)維度對(duì)目錄中的電磁傳播模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

通過(guò)分析可知ITU電磁傳播模型可以實(shí)現(xiàn)傳播空間的全覆蓋。在頻段3 kHz至300 GHz之間均有相應(yīng)的傳播模型。除此之外，電磁傳播模型針對(duì)地形因素包括：一般起伏地表、平坦地面、城區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)、林區(qū)等，根據(jù)地理環(huán)境情況模型可疊加計(jì)算，同時(shí)針對(duì)氣象環(huán)境因素雨、雪、霧、云等同樣有相應(yīng)電磁傳播模型。

2.2 基于層次分析法的電磁傳播模型匹配算法

層次分析法可以利用較少的定量信息使決策的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)便的決策方法。本文根據(jù)層次分析法首先建立了層次分析結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。對(duì)于電磁傳播模型管理層次分析結(jié)構(gòu)圖而言，圖中目標(biāo)層（F層）指最優(yōu)的模型；準(zhǔn)則層（Z層）表示指標(biāo)、要素或應(yīng)遵守的準(zhǔn)則；方案層（B層）則為可提供的選擇方案[2]。其中頻率匹配度表示用頻設(shè)備頻率與傳播模型適用頻段的匹配程度，當(dāng)頻率不在模型適用頻段時(shí)，匹配度為0；當(dāng)頻率在模型適用頻段時(shí)，頻段越窄匹配度越高。

電磁傳播模型管理遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)建立后，構(gòu)造判斷矩陣，表示本層所有因素針對(duì)上一層某一個(gè)因素（準(zhǔn)則或目標(biāo)）的相對(duì)重要性的比較。判斷矩陣的元素表示的第i個(gè)元素相對(duì)第j個(gè)元素的比較結(jié)果，這個(gè)值是根據(jù)Saaty的1～9標(biāo)度方法給出。

對(duì)每個(gè)判斷矩陣計(jì)算最大特征值及其對(duì)應(yīng)特征向量，對(duì)特征向量歸一化，并用式（1）計(jì)算出該矩陣的一致性指標(biāo)CI（Consistency Index）。

式中，RI（Random Index）為隨機(jī)一致性指標(biāo)，可根據(jù)矩陣階數(shù)n在表2中查詢得到。當(dāng)認(rèn)為判斷矩陣有滿意的一致性時(shí)，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，可用其歸一化的特征向量作為權(quán)向量；否則需要重新構(gòu)造判斷矩陣。

最后可以得到由所有全向量構(gòu)成的組合矩陣，經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)后得到歸一化的特征向量，并作為總排序權(quán)向量，按照總排序權(quán)向量表示的結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)電磁傳播模型匹配。

3" 射頻輻射特性評(píng)估方法

本文從動(dòng)態(tài)場(chǎng)景角度主要采用接收距離和接收概率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估射頻輻射特性。

3.1 接收距離

接收距離與射頻輻射特性、接收機(jī)技術(shù)性能以及電磁波傳播環(huán)境條件有關(guān)。接收距離越大，射頻輻射能量越低[3]。接收距離計(jì)算如下：

式中，為接收距離（km）；為發(fā)射功率（dBm）；為發(fā)射天線增益（dBi）；為接收機(jī)天線增益（dBi）；Prmin為接收機(jī)靈敏度（dBm）；f為頻率（MHz）。

3.2 接收概率

接收概率計(jì)算采用時(shí)間統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行，即統(tǒng)計(jì)接收時(shí)間之和與運(yùn)行時(shí)間之和的比值。接收概率定義為

式中，為接收狀態(tài)，接收時(shí)其值為1，否則其值為0。接收狀態(tài)的具體計(jì)算過(guò)程如下。

第一步，將當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)相對(duì)于輻射源的視線轉(zhuǎn)換到天線坐標(biāo)系下的視線，然后計(jì)算視線在天線坐標(biāo)系下的俯仰角和方位角。

第二步，根據(jù)俯仰角和方位角，并結(jié)合天線主瓣波束寬度來(lái)判斷當(dāng)前時(shí)刻是主瓣還是副瓣照射到接收機(jī)，只有俯仰角和方位角都落在主瓣波束寬度內(nèi)才認(rèn)為是主瓣照射，否則認(rèn)為是副瓣照射。

第三步，根據(jù)主、副瓣照射情況，選擇相應(yīng)的天線增益（主瓣增益或副瓣增益），結(jié)合天線發(fā)射功率、工作頻率、接收機(jī)靈敏度等參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的被接收距離[4]。

第四步，將接收距離與收發(fā)雙方實(shí)際距離對(duì)比，當(dāng)前者大于后者，同時(shí)頻率對(duì)準(zhǔn)時(shí)，即判斷為被完全接收；否則認(rèn)為未被完全接收，得到。

4" 仿真驗(yàn)證

仿真場(chǎng)景中一空中輻射源（假定輻射功率為56 dBm、發(fā)射頻率為8 GHz）沿橢圓軌跡進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，環(huán)境中有一個(gè)地面監(jiān)測(cè)站搭載無(wú)源接收機(jī)（假定靈敏度為-75 dBm）以及一個(gè)海面監(jiān)測(cè)站搭載無(wú)源接收機(jī)（假定靈敏度為-75 dBm）。在仿真過(guò)程中，脈沖輻射源的電磁信號(hào)經(jīng)過(guò)電波傳播衰減后被場(chǎng)景中的地面監(jiān)測(cè)站和海面監(jiān)測(cè)站接收，本文采用基于層次分析法的電磁傳播模型匹配算法對(duì)輻射源的射頻輻射特性進(jìn)行評(píng)估。從仿真結(jié)果中可以得知，采用基于層次分析法的電磁傳播模型匹配算法會(huì)根據(jù)收發(fā)雙方的實(shí)時(shí)位置和用頻狀態(tài)自動(dòng)將地面監(jiān)測(cè)站-空中輻射源傳播路徑采用陸空傳播模型進(jìn)行計(jì)算，將海面監(jiān)測(cè)站-空中輻射源傳播路徑采用海空傳播模型進(jìn)行計(jì)算，從而能夠使整個(gè)射頻輻射特性計(jì)算過(guò)程更趨近于真實(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先給出了復(fù)雜電磁環(huán)境中射頻輻射特性仿真系統(tǒng)的組成和工作原理，然后提出了一種基于層次分析法的傳播模型自動(dòng)匹配算法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中基于用頻設(shè)備的電波傳播模型的自適應(yīng)調(diào)用。最后通過(guò)典型仿真場(chǎng)景并利用仿真系統(tǒng)對(duì)該算法的真實(shí)性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用該算法能有效提高復(fù)雜電磁環(huán)境中射頻輻射特性仿真的逼真度。

參考文獻(xiàn)

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