【深度】基于半实物平台的战场复杂电磁环境信号生成与实现： 信号生成方法与综合建模技术
今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家邵康，刘姜玲。本篇节选自论文《基于半实物平台的战场复杂电磁环境信号生成与实现》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第2期。本文为论文下半部分。
摘 要：针对战场复杂电磁环境试验测试需求，基于现有的仪器和仿真软件，搭建了战场复杂电磁环境信号半实物激励系统。本文首先对战场复杂电磁环境信号进行分类，并对不同类型电磁环境信号进行了建模仿真，然后对半实物系统的硬件平台的搭建进行了介绍，通过搭建的半实物激励系统生成了不同类型复杂电磁信号，包括单个类型信号以及不同类型混合信号，利用实时频谱分析仪对生成的复杂信号进行了测试。最终通过与仿真结果的对比分析，验证了该方法的可行性。
关键词: 战场复杂电磁环境；半实物激励系统；信号生成
引 言
现代信息化战场以电子技术和信息技术为基础在信息领域进行对抗。各种雷达、通信、导航、敌我识别、电子战装备等军用辐射体的功率越来越大，数量成倍增长，频谱越来越宽，使战场电磁环境越来越复杂。复杂电磁环境对电子信息系统的严重影响已经成为军用武器装备的极具挑战性的难题。
以预警机为例，近年来，在我军模拟进行的多场现代战争条件下的军事训练与演习，暴露出了大量电子信息装备的电磁环境适应性问题。预警机任务电子系统在复杂电磁环境中所出现的性能下降、功能失效等适应性问题与其所处的电磁环境态势、战场态势等要素密切相关，但对其内部作用机理尚不能完全明晰。
为高效评估预警机任务电子系统的性能，检测复杂电磁环境对装备威力的发挥、作战使用性能、作战效能的影响，需对复杂电磁环境进行构建，构建方法包括外场实兵模拟、半实物仿真模拟和数字仿真模拟，然而外场实兵模拟构建方法虽然能够真实逼真模拟装备的实际复杂环境，但是外场环境容易受到地理天线等因素的影响，且组织外场试验会耗费大量人力、物力和财力，经济投入太大，全数字模拟仿真能够将所有场景通过计算机仿真的方法进行构建模拟，评估装备的复杂电磁环境适应性，但是该方法对各种装备、信号模型的模拟难度较高，半实物方法是综合了上述两种方法的优点，是一种性价比较高的方法。
很多文献对半实物在装备系统进行电磁兼容和电磁环境设计方法等方面都提出了应用，如北京航空航天大学提出了构建半实物平台分析预测飞机油量表系统的电磁干扰，并提出设计整改措施，中国电科54所提出一种依托ADS及Agilent89601软件配合测试仪表构成的半实物仿真系统，这个系统能应用于构建电磁环境，但其对工作环境有具体要求，并且所产生的信号有限。本文提出一种适用性强、动态性强、应用多样、贴近真实情况、易操作的构建复杂电磁环境的半实物系统．通过应用实例验证了该系统的性能。
1 战场复杂电磁环境信号构成
2 战场电磁环境信号实现方法
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3 单个类型环境信号生成方法
使用半实物激励系统平台分别构建模拟产生线性调频雷达信号、单脉冲雷达信号、调幅信号以及QPSK调制信号四种类型，其信号参数如下表所示：
表1 单个类型战场电磁环境信号参数列表
使用SystemVue软件对上述信号进行仿真模型构建，并将仿真信号波形下载至矢量信号发生器之中，通过实时频谱分析仪监测的信号频域特性，该过程为信号模型的半实物仿真方法。同时，上述信号类型还可以通过矢量信号源或者专用雷达模拟器等设备发射，并使用实时频谱分析仪监测信号特性，该过程为信号测试方法。两种方法得到的单个类型信号的频域特性对比如下图所示。
图6 线性调频雷达信号频谱对比图
图7 单脉冲雷达信号频谱对比图
图8 调频信号频谱对比图
图9 QPSK信号频谱对比图
图10 通信窄带干扰信号频谱对比图
图11 QPSK信号星座图
由图6至图10可以看出，通过半实物激励系统建模仿真得到的信号波形与实际测试的波形基本一致；实时频谱仪对QPSK信号进行星座图解调如图11所示。可以看到，半实物激励系统发射的典型数字调制信号的星座图与理论上的星座图分析相一致。因此，通过上述仿真与实测对比分析，验证了本文构建的半实物激励系统产生单个类型信号波形的准确性。
4 战场电磁环境综合建模技术研究
搭建完成的战场电磁环境信号激励半实物平台不仅能够生成单个类型电磁信号，还能够实现的功能指标如下：
1) 具有复杂电磁信号模拟发生功能；
2) 具有模拟复杂电磁信号在空中传输的功能；
3) 具有信号延迟功能，用于构建高密度电磁信号；
针对复杂电磁环境的特点，需要将之前建立的不同辐射源信号模型综合起来，从空域、时频、频域等不同维度进行综合构建，模拟构建复杂战场电磁环境。
1) 不同类型的雷达信号混合仿真模型的构建
建立线性调频雷达信号和非线性调频雷达信号两个模型，设置线性调频雷达的时延为10μs（时域维度），非线性调频雷达信号的衰减为5dB（空域维度），两个信号的载波频率分别为1GHz和980MHz（频域维度），则生成的信号波形频域特性如下图所示。
图12 不同类型雷达信号混合频谱图
2) 不同类型的通信信号混合仿真模型的构建
建立不同载波频率的BPSK、QPSK以及MPSK等通信信号，码元类型均为PN9，载波频率分别为1GHz、980MHz以及1.02GHz，则生成的信号波形的频域特性如下图所示。
图13 不同类 42 31182 42 13305 0 0 4975 0 0:00:06 0:00:02 0:00:04 4975型通信信号混合频谱图
3) 通信雷达信号混合仿真建模
建立不同载波频率不同类型的通信雷达信号，构建线性调频雷达信号、非线性调频雷达信号、单脉冲雷达信号以及QPSK通信信号，其设置参数如下表所示。
表2 雷达通信混合信号参数列表
对上述信号模型进行建模后所生成的信号波形频域特性如下图所示。
图14 雷达通信混合信号频谱图
由图14中可以看出，本系统通过仿真模型模拟产生的信号波形与单个信号类型合路的频谱基本一致，由此验证了半实物战场复杂电磁环境信号激励系统自定义产生复杂电磁环境信号的可行性。
5 结 语
基于半实物平台的战场电磁环境信号能够依据软件对信号仿真模型的搭建，模拟干扰信号，将波形下载至矢量信号源，并通过实时频谱分析仪进行监测，能够自定义各种复杂的电磁环境信号类型，搭建的半实物激励系统能够应用于系统的复杂电磁环境效应试验。由于复杂电磁环境对功率要求较高，目前该系统的发射功率较小（最高只能达到+30dBm），可进行小功率注入测试，后续扩展中需要增加功率放大器、辐射天线等设备，实现对装备进行空间辐照测试。
（本文完结，参考文献略）
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