復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文先通過(guò)電磁環(huán)境、拋物方程的預(yù)測(cè)方法，推導(dǎo)出拋物方程計(jì)算總的傳播損耗等于傳播因子和損耗因子對(duì) 電磁波場(chǎng)量的疊加，設(shè)計(jì)了電磁環(huán)境預(yù)測(cè)系統(tǒng)。最后以海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境為例進(jìn)行了仿真，結(jié)果證明該方法對(duì)陸?？盏鹊湫偷睾?chǎng)景中的復(fù)雜電磁環(huán)境電磁波場(chǎng)強(qiáng)或接 收功率的預(yù)測(cè)是非常有效的，具有較好的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。

0 引言

雷達(dá)、遠(yuǎn)距離無(wú)線通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、電子對(duì)抗還是遙感遙測(cè)等依賴電磁波的系統(tǒng)，都避免不了對(duì)電磁波傳播特性的分析。對(duì)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(shí)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(jì)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(méi)有解決場(chǎng)分布的問(wèn)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(wèn)題，且可用迭代法求解，在解決電磁波傳播問(wèn)題方面得到了廣泛運(yùn)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(tái)的關(guān)鍵因素，主要包括自然界熱噪聲和人為產(chǎn)生的無(wú)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(gè)頻率上，主要影響無(wú)線電接收機(jī)的底噪電平，決定了無(wú)線電接收機(jī)的接收靈敏度或者說(shuō)是通信質(zhì)量。人為產(chǎn)生的無(wú)線電發(fā)射往往會(huì)對(duì)不同地區(qū)產(chǎn)生不同影響。因此刻畫(huà)電磁環(huán)境應(yīng)采用場(chǎng)論的方法，主要采用的物理量為場(chǎng)強(qiáng)。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(cè)某個(gè)地理位置的最大場(chǎng)強(qiáng)的大小。綜合多個(gè)發(fā)射電臺(tái)在某一地理位置場(chǎng)強(qiáng)的大小和熱噪聲就可以描述某個(gè)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(cè)方法。

1 基于統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測(cè)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(wú)線電發(fā)射電臺(tái)。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(shuō)是電磁環(huán)境與地理位置有關(guān)，因此描述和刻畫(huà)電磁環(huán)境應(yīng)采用物 理學(xué)中場(chǎng)論的方法。也就是說(shuō)描述電磁環(huán)境的最佳物理量是場(chǎng)強(qiáng)或功率通量密度。場(chǎng)強(qiáng)是矢量，功率通量密度是標(biāo)量。這兩個(gè)物理量之間可以相互轉(zhuǎn)換。

1.1 人為電磁輻射對(duì)電磁環(huán)境的影響

對(duì)于主要影響電磁環(huán)境之一的無(wú)線電發(fā)射電臺(tái)，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(shí)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(wú)用發(fā)射。帶內(nèi)發(fā)射和無(wú)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(gè)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)設(shè)備時(shí)選擇的濾波器不同，因地不同廠家生產(chǎn)的無(wú)線電設(shè)備造成的無(wú)用發(fā)射也不一樣。但是凡是經(jīng)過(guò)型號(hào)核準(zhǔn)或無(wú)線電發(fā)射機(jī)檢測(cè)的無(wú) 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(guó)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(cè)發(fā)射設(shè)備的最大無(wú)用發(fā)射功率。這一方法也滿足電磁干擾預(yù)測(cè)的保守原則。

為了預(yù)測(cè)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(hào)強(qiáng)度也與天線的方向有關(guān)，因而收到的信號(hào)強(qiáng)度不同。下面舉例進(jìn)行說(shuō)明。

假設(shè)在同樣的電磁環(huán)境中，完全相同的兩個(gè)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(duì)位置與方位不同，從而對(duì)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(duì)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。