复杂电磁环境预测系统设计与实现

复杂电磁环境预测系统设计与实现作者：高颖王凤华胡占涛郭淑霞来源：《现代电子技术》2013年第17期摘要：针对雷达、北斗卫星导航等依赖电磁波的系统都避免不了对电磁波传播特性的分析问题，提出了基于统计模型的电磁环境预测方法，以及基于抛物方程的预测方法，并推导出抛物方程计算总的传播损耗等于传播因子和损耗因子对电磁波场量的叠加，设计了电磁环境预测系统。

最后以海战场电磁环境为例进行了仿真，结果证明该方法对陆海空等典型地海场景中的复杂电磁环境电磁波场强或接收功率的预测是非常有效的，具有较好的理论研究和应用价值。

关键词：复杂电磁环境；统计模型；抛物方程；预测系统中图分类号： TN710⁃34； P208 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）17⁃0146⁃050 引言雷达、远距离无线通信、北斗卫星导航系统（BDS）、电子对抗还是遥感遥测等依赖电磁波的系统，都避免不了对电磁波传播特性的分析。

对复杂环境中的电磁波传播一种粗略的分析方法是将环境视为自由空间，而精确的分析必然考虑电波传播实际环境如地形、地物以及大气层环境变化的影响等。

然而传统解析法如基尔霍夫近似法（Kirchhoff Approximation，KA）、微扰法（Small Perturbation Method，SPM）等不能用于求解粗糙表面的散射特性，虽然最近发展了一些改进算法，但未考虑大气环境的影响，且计算量较大[1⁃3]。

射线追踪法可以定量地描述电磁波在各种大气环境条件下的轨迹，但没有解决场分布的问题[4]。

抛物方程法可处理非均匀大气与复杂边界条件[5⁃8]下的电磁波传播问题，且可用迭代法求解，在解决电磁波传播问题方面得到了广泛运用。

由于电磁环境构成较为复杂，本文只研究构成电磁环境中最主要部分，它是影响处于电磁环境中武器平台的关键因素，主要包括自然界热噪声和人为产生的无线电发射。

自然界热噪声一般为高斯白噪声，它均匀地分布在每个频率上，主要影响无线电接收机的底噪电平，决定了无线电接收机的接收灵敏度或者说是通信质量。

人为产生的无线电发射往往会对不同地区产生不同影响。

因此刻画电磁环境应采用场论的方法，主要采用的物理量为场强。

根据电磁波传播路径损耗、天线方向增益、发射功率，就可以预测某个地理位置的最大场强的大小。

综合多个发射电台在某一地理位置场强的大小和热噪声就可以描述某个地理位置的电磁环境。

由于军用复杂电磁环境的构成以30 MHz～300 GHz为主，因此本文仅研究该频段内复杂电磁环境的预测方法。

1 基于统计模型的复杂电磁环境预测方法复杂电磁环境主要由自然电磁辐射和人为电磁辐射形成。

自然电磁辐射主要是热噪声，人为电磁辐射主要是无线电发射电台。

这两者是形成复杂电磁环境的关键因素。

此外，不同地域电磁环境不同，或者说是电磁环境与地理位置有关，因此描述和刻画电磁环境应采用物理学中场论的方法。

也就是说描述电磁环境的最佳物理量是场强或功率通量密度。

场强是矢量，功率通量密度是标量。

这两个物理量之间可以相互转换。

1.1 人为电磁辐射对电磁环境的影响对于主要影响电磁环境之一的无线电发射电台，它影响电磁环境的主要发射参数模型如图1所示，主要包括了工作频段内的必要带宽内发射、带外发射、杂散、谐波。

因此，在构造电磁环境时这些因素都应当考虑在内。

必要带宽内发射一般称为带内发射，带外发射和杂散发射一般称为无用发射。

带内发射和无用发射的大小主要由发射功率和滤波器决定。

由于各个生产厂家在生产设备时选择的滤波器不同，因地不同厂家生产的无线电设备造成的无用发射也不一样。

但是凡是经过型号核准或无线电发射机检测的无线电设备都必须满足规定的发射模板（或频谱模板）的技术指标规范。

表1给出了我国8 MHz数字电视地面广播传输系统的发射模板。

因此，可以根据发射模板预测发射设备的最大无用发射功率。

这一方法也满足电磁干扰预测的保守原则。

为了预测的准确度，必须考虑特殊区域的地理地形条件和定向接收天线的方位。

电磁波即使在自由空间的传播，定向天线接收到的信号强度也与天线的方向有关，因而收到的信号强度不同。

下面举例进行说明。

假设在同样的电磁环境中，完全相同的两个接收天线的地理位置和接收天线方向如图2所示。

由于辐射源和被干扰设备的相对位置与方位不同，从而对被干扰设备的干扰程度不同，而且干扰程度与夹角[θ]有关。

对于图2中所示的地理位置关系，目前研究的方法有3种：以水平面为基准，将被干扰设备等效到水平平面；以被干扰设备为基准，将辐射源等效到高度为[h]的水平面；以辐射源与高度为[h]的被干扰设备之间的连接虚线所在平面为基准，将辐射源和被干扰设备等效到该平面上。

1.2 自然电磁辐射对电磁环境的影响1.3 无线电磁波的传播无线电磁波在传播过程中主要遭受到的损耗是扩散损耗、路径损耗和吸收损耗。

扩散损耗主要是无线电磁波的球面效应（惠更斯原理）产生的损耗。

路径损耗是无线电磁波在传播中遇到障碍物时产生的损耗。

吸收损耗主要是无线电磁波受到大气中水和氧气引起的损耗。

由于高频才出现吸收损耗，一般来说不考虑电磁波的吸收损耗。

2 基于PE的复杂电磁环境预测方法抛物型方程（Parabolic Equation，PE）是从基本的麦克斯韦方程组经严格推导，分离掉时间因子和后向传播分量后得来的，并且方程中包含了折射效应和绕射效应，满足全波解的要求，通过PE方程能够很好地解决直、绕射和散射等过程对电磁波传播的影响，从而给出电磁场强预测的确定解[9⁃10]。

3 复杂电磁环境预测系统基于以上理论分析，构建典型场景下的电磁环境预测系统。

复杂电磁环境预测系统由四个模块组成，即参数输入模块，图形显示模块，操作模块和结果显示模块。

其中，参数输入模块包括典型战场场景选择，辐射源及接收点参数设置，地图加载等。

复杂电磁环境预测系统演示总界面如图5所示。

场景分为三种，如图6所示。

操作模块包括辐射源放置，场强预测，图形绘制，模型选择，可以根据战场环境特点，选择相应模型进行图形绘制与分析。

以海战场为例进行复杂电磁环境预测，并给出分析结果。

辐射源放置如图7所示，仿真参数设置如下：辐射源频率1 500 MHz，发射功率46 dBm，发射增益16 dB，接收增益为0 dB，系统损耗为3 dB，发射天线高度为30 m，接收天线高度为1.5 m，收发天线距离为15 km 。

距辐射源一定距离的接收点处的电磁环境预测结果如图8所示，覆盖区的接收功率用颜色的深浅（由红至蓝）来衡量，其中红色表示功率越强，蓝色表示越弱。

如图9所示分别给出了自由空间、基于统计模型（Okumura⁃Hata）以及基于PE的电磁波传播损耗、接收功率及场强随距离的变化关系。

当辐射源与定向接收存在角度关系时，不同工作频率及角度关系下，接收点的功率如图10 所示。

图10（a）为不同角度接收功率随距离的变化；图10（b）为不同频率接收功率随角度的变化。

当海面电磁波传播收发天线高度均为10 m，海面路径0.6倍菲涅耳间隔路径距离内没有障碍，计算模型与ITU⁃R_P.1546⁃3模型的仿真对比如图11所示。

对特定战场环境中某地理位置处的电磁环境进行预测，即可按照上述思路，在考虑影响辐射源电磁辐射因素的基础上，结合具体的环境信息，在不同环境场景中调用不同的电磁波传播模型，最终实现电磁环境的预测。

4 结语从以上的仿真可以看出，本系统可以方便、快速地模拟计算出电磁波在复杂战场环境下的路径损耗、接收功率与场强值，并能够直观、实时地显示，因此，复杂电磁环境预测系统对于战场复杂电磁环境下武器装备受扰分析与效能评估具有辅助作用。

本仿真系统在电磁环境预测过程中，虽然考虑了电磁波传播路径损耗、天线方向增益、发射功率等因素，但对于传播路径损耗影响因素、天线极化特性等，考虑得还不是很充分，因此本系统还有待于完善，将以上因素考虑进去，将为今后的电磁环境预测系统提供更加完美的仿真环境。

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