復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本文先通過電磁環(huán)境、拋物方程的預(yù)測方法，推導(dǎo)出拋物方程計算總的傳播損耗等于傳播因子和損耗因子對 電磁波場量的疊加，設(shè)計了電磁環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)。最后以海戰(zhàn)場電磁環(huán)境為例進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明該方法對陸?？盏鹊湫偷睾鼍爸械膹?fù)雜電磁環(huán)境電磁波場強或接 收功率的預(yù)測是非常有效的，具有較好的理論研究和應(yīng)用價值。

0 引言

雷達(dá)、遠(yuǎn)距離無線通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、電子對抗還是遙感遙測等依賴電磁波的系統(tǒng)，都避免不了對電磁波傳播特性的分析。對復(fù)雜環(huán)境中的電磁波傳播一種粗略的分析方法是將環(huán)境視為自由空間，而精確的分析 必然考慮電波傳播實際環(huán)境如地形、地物以及大氣層環(huán)境變化的影響等。然而傳統(tǒng)解析法如基爾霍夫近似法（Kirchhoff Approximation,KA）、微擾法（SmallPerturbation Method,SPM）等不能用于求解粗糙表面的散射特性，雖然最近發(fā)展了一些改進(jìn)算法，但未考慮大氣環(huán)境的影響，且計算量較大。射線追蹤法可以定量地描 述電磁波在各種大氣環(huán)境條件下的軌跡，但沒有解決場分布的問題。拋物方程法可處理非均勻大氣與復(fù)雜邊界條件下的電磁波傳播問題，且可用迭代法求解，在解決電磁波傳播問題方面得到了廣泛運用。

由于電磁環(huán)境構(gòu)成較為復(fù)雜，本文只研究構(gòu)成電磁環(huán)境中最主要部分，它是影響處于電磁環(huán)境中武器平臺的關(guān)鍵因素，主要包括自然界熱噪聲和人為產(chǎn)生的無線電發(fā)射。自然界熱噪聲一般為高斯白噪聲，它均勻地分布在每個頻率上，主要影響無線電接收機的底噪電平，決定了無線電接收機的接收靈敏度或者說是通信質(zhì)量。人為產(chǎn)生的無線電發(fā)射往往會對不同地區(qū)產(chǎn)生不同影響。因此刻畫電磁環(huán)境應(yīng)采用場論的方法，主要采用的物理量為場強。根據(jù)電磁波傳播路徑損耗、天線方向增益、發(fā)射功率，就可以預(yù)測某個地理位置的最大場強的大小。綜合多個發(fā)射電臺在某一地理位置場強的大小和熱噪聲就可以描述某個地理位置的電磁環(huán)境。

由于軍用復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)成以30 MHz~300 GHz為主，因此本文僅研究該頻段內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境的預(yù)測方法。

1 基于統(tǒng)計模型的復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測方法

復(fù)雜電磁環(huán)境主要由自然電磁輻射和人為電磁輻射形成。自然電磁輻射主要是熱噪聲，人為電磁輻射主要 是無線電發(fā)射電臺。這兩者是形成復(fù)雜電磁環(huán)境的關(guān)鍵因素。此外，不同地域電磁環(huán)境不同，或者說是電磁環(huán)境與地理位置有關(guān)，因此描述和刻畫電磁環(huán)境應(yīng)采用物 理學(xué)中場論的方法。也就是說描述電磁環(huán)境的最佳物理量是場強或功率通量密度。場強是矢量，功率通量密度是標(biāo)量。這兩個物理量之間可以相互轉(zhuǎn)換。

1.1 人為電磁輻射對電磁環(huán)境的影響

對于主要影響電磁環(huán)境之一的無線電發(fā)射電臺，它影響電磁環(huán)境的主要發(fā)射參數(shù)模型如圖1所示，主要包括了工作頻段內(nèi)的必要帶寬內(nèi)發(fā)射、帶外發(fā)射、雜散、諧波。因此，在構(gòu)造電磁環(huán)境時這些因素都應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。

必要帶寬內(nèi)發(fā)射一般稱為帶內(nèi)發(fā)射，帶外發(fā)射和雜散發(fā)射一般稱為無用發(fā)射。帶內(nèi)發(fā)射和無用發(fā)射的大小主要由發(fā)射功率和濾波器決 定。由于各個生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)設(shè)備時選擇的濾波器不同，因地不同廠家生產(chǎn)的無線電設(shè)備造成的無用發(fā)射也不一樣。但是凡是經(jīng)過型號核準(zhǔn)或無線電發(fā)射機檢測的無 線電設(shè)備都必須滿足規(guī)定的發(fā)射模板（或頻譜模板）的技術(shù)指標(biāo)規(guī)范。表1給出了我國8 MHz數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)的發(fā)射模板。因此，可以根據(jù)發(fā)射模板預(yù)測發(fā)射設(shè)備的最大無用發(fā)射功率。這一方法也滿足電磁干擾預(yù)測的保守原則。

為了預(yù)測的準(zhǔn)確度，必須考慮特殊區(qū)域的地理地形條件和定向接收天線的方位。電磁波即使在自由空間的傳播，定向天線接收到的信號強度也與天線的方向有關(guān)，因而收到的信號強度不同。下面舉例進(jìn)行說明。

假設(shè)在同樣的電磁環(huán)境中，完全相同的兩個接收天線的地理位置和接收天線方向如圖2所示。由于輻射源和被干擾設(shè)備的相對位置與方位不同，從而對被干擾設(shè)備的干擾程度不同，而且干擾程度與夾角θ 有關(guān)。

對于圖2中所示的地理位置關(guān)系，目前研究的方法有3種：以水平面為基準(zhǔn)，將被干擾設(shè)備等效到水平平面；以被干擾設(shè)備為基準(zhǔn)，將輻射源等效到高度為h 的水平面；以輻射源與高度為h 的被干擾設(shè)備之間的連接虛線所在平面為基準(zhǔn)，將輻射源和被干擾設(shè)備等效到該平面上。