基于ads的電磁波暗室內(nèi)電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)

基于ads的電磁波暗室內(nèi)電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)

0復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)裝備試驗(yàn)的控制機(jī)理隨著大量信息設(shè)備的應(yīng)用，戰(zhàn)場(chǎng)電腦化環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，給裝備試驗(yàn)帶來(lái)了新的課題。研究裝備試驗(yàn)中的復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建問(wèn)題,對(duì)于開(kāi)展貼近實(shí)戰(zhàn)的復(fù)雜電磁環(huán)境下裝備試驗(yàn),檢測(cè)復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)武器裝備戰(zhàn)技指標(biāo)、作戰(zhàn)使用性能以及作戰(zhàn)能力(作戰(zhàn)效能)發(fā)揮的影響,提高武器裝備對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力和掌控能力,具有重要的理論和應(yīng)用意義。1復(fù)雜電磁環(huán)境技術(shù)研究復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi),由空域、時(shí)域、頻域和能量上分布密集、數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、動(dòng)態(tài)交替的多種電磁信號(hào)交迭而成、嚴(yán)重妨礙信息系統(tǒng)和電子設(shè)備正常工作、顯著影響武器裝備的作戰(zhàn)運(yùn)用和效能發(fā)揮的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。研究復(fù)雜電磁環(huán)境其目的實(shí)質(zhì)上是研究如何提高中國(guó)軍隊(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。對(duì)于這項(xiàng)研究,可以分成兩個(gè)大的研究方向:①部隊(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)法、訓(xùn)法研究;②武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的效能研究,如圖1所示。前者是部隊(duì)在組織運(yùn)用層面,以提高部隊(duì)克服惡劣電磁環(huán)境影響的整體作戰(zhàn)能力為目標(biāo),研究主體是用頻部隊(duì);后者是在武器裝備研制層面上以提高裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力為目標(biāo),研究主體是裝備論證、研制單位。因此,復(fù)雜電磁環(huán)境的研究按研究目的可分為兩個(gè)不同的研究方向:①用于指導(dǎo)作戰(zhàn)指揮、訓(xùn)練的作戰(zhàn)區(qū)域(戰(zhàn)場(chǎng))電磁環(huán)境研究;②用于檢驗(yàn)裝備電磁環(huán)境適應(yīng)能力的檢測(cè)電磁環(huán)境研究。通過(guò)對(duì)裝備檢測(cè)電磁環(huán)境的研究,提高裝備電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)芰?以滿足裝備研制單位預(yù)防電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)和電磁頻譜管理部門(mén)科學(xué)籌劃頻譜管理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的需求。從根本上提高中國(guó)軍隊(duì)用頻裝備的電磁環(huán)境適應(yīng)能力和作戰(zhàn)保障能力,進(jìn)而不斷提升中國(guó)軍隊(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的聯(lián)合作戰(zhàn)能力。2在黑暗中檢測(cè)磁環(huán)的配置2.1單個(gè)電磁現(xiàn)象的敏感度測(cè)試用頻裝備在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中可能面臨多種電磁現(xiàn)象的同時(shí)干擾,理論上可以通過(guò)單個(gè)電磁現(xiàn)象的矢量和計(jì)算出所產(chǎn)生的干擾。然而,實(shí)際上,一種電磁現(xiàn)象通常僅在某一時(shí)刻占主導(dǎo),因此,在裝備檢測(cè)時(shí)可以進(jìn)行單個(gè)電磁現(xiàn)象的敏感度測(cè)試,也可以將幾種電磁現(xiàn)象同時(shí)作用于被測(cè)裝備。在敏感度測(cè)試過(guò)程中,可以根據(jù)試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)的需要,確定試驗(yàn)時(shí),是應(yīng)用電磁環(huán)境的每種電磁現(xiàn)象,還是應(yīng)用多種電磁現(xiàn)象對(duì)裝備進(jìn)行試驗(yàn)。2.2平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境裝備在其作戰(zhàn)區(qū)域或平臺(tái)上使用時(shí),應(yīng)首先要能克服地區(qū)噪聲、平臺(tái)噪聲對(duì)其產(chǎn)生的影響,這是最基本的環(huán)境要求。用頻裝備最基本的性能指標(biāo)必須要建立在這種基礎(chǔ)噪聲環(huán)境之上。因此,裝備檢測(cè)電磁環(huán)境的分類應(yīng)先將裝備按安裝平臺(tái)分為陸基、?；?、空基、天基四類,然后統(tǒng)計(jì)該裝備使用場(chǎng)所內(nèi)及該平臺(tái)附近的其它系統(tǒng)和平臺(tái)的主要發(fā)射輻射裝備,對(duì)可能存在的各種電磁現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)劃分。結(jié)合裝備檢測(cè)的特點(diǎn),按照每種電磁現(xiàn)象對(duì)裝備的作用特點(diǎn)對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行分類:①將雷電、電磁脈沖、靜電放電作為單獨(dú)一類電磁現(xiàn)象。雷電、電磁脈沖、靜電放電屬于瞬變電磁現(xiàn)象,其作用于裝備的時(shí)間極短,但破壞作用較大。MIL-HDBK-237D《采辦過(guò)程中電磁環(huán)境效應(yīng)及頻譜保障性指南》第七章E3試驗(yàn)策略中,將雷電、靜電放電、電磁脈沖作為特殊的E3問(wèn)題,單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)。這種分類與國(guó)外如美軍、英軍對(duì)電磁現(xiàn)象的分類是一致;②將非有意對(duì)抗電磁輻射作為一類電磁現(xiàn)象。這種電磁現(xiàn)象主要是指工作頻道附近相鄰信號(hào)的電磁輻射,可以稱之為非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境。非對(duì)抗干擾環(huán)境的主要特點(diǎn)是:干擾信號(hào)一般不出現(xiàn)在接收機(jī)工作的中心頻率上,接收機(jī)工作頻率與干擾頻率之間有一定的頻率差Δf,其干擾效果的好壞及干擾場(chǎng)強(qiáng)值的大小與頻率差值的大小有直接關(guān)系;③將電子對(duì)抗裝備產(chǎn)生的發(fā)射輻射作為一類電磁現(xiàn)象。電子對(duì)抗信號(hào)的特點(diǎn)是干擾信號(hào)主要出現(xiàn)在接收機(jī)工作的同一頻點(diǎn)或鄰頻上,主要由敵方施放的干擾為主,信號(hào)形式與被干擾裝備發(fā)射信號(hào)的相關(guān)性強(qiáng),對(duì)裝備的影響較大。而且,針對(duì)這種干擾的防護(hù)設(shè)計(jì)或者困難或者代價(jià)太大。這種干擾通過(guò)科學(xué)頻譜規(guī)劃可在一定程度上減輕干擾影響程度;④將平臺(tái)一定區(qū)域內(nèi)存在的其它電磁現(xiàn)象的共同作用環(huán)境定義該平臺(tái)的基礎(chǔ)電磁環(huán)境。平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境,簡(jiǎn)稱為平臺(tái)電磁環(huán)境,主要由平臺(tái)上的各種電磁發(fā)射源產(chǎn)生,其對(duì)裝備的作用特點(diǎn)是作用于裝備的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),是裝備在該平臺(tái)上工作時(shí)必須克服的外部電磁環(huán)境,是裝備設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)裝備設(shè)計(jì)指標(biāo)的最低要求。綜上所述,用頻裝備檢測(cè)電磁環(huán)境的分類如圖2所示。用頻裝備檢測(cè)電磁環(huán)境?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????陸基平臺(tái)電磁環(huán)境?????????????????????陸基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖?????雷電靜電放電電磁脈沖?；脚_(tái)電磁環(huán)境??????????????????????；脚_(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖?????雷電靜電放電電磁脈沖空基平臺(tái)電磁環(huán)境?????????????????????空基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖?????雷電靜電放電電磁脈沖天基平臺(tái)電磁環(huán)境?????????????????????天基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖?????雷電靜電放電電磁脈沖用頻裝備檢測(cè)電磁環(huán)境{陸基平臺(tái)電磁環(huán)境{陸基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖{雷電靜電放電電磁脈沖?；脚_(tái)電磁環(huán)境{海基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖{雷電靜電放電電磁脈沖空基平臺(tái)電磁環(huán)境{空基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖{雷電靜電放電電磁脈沖天基平臺(tái)電磁環(huán)境{天基平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境電子對(duì)抗環(huán)境瞬變電磁脈沖{雷電靜電放電電磁脈沖圖2檢測(cè)電磁環(huán)境分類2.3試驗(yàn)工作內(nèi)容電磁環(huán)境構(gòu)建是基于10米法電波暗室進(jìn)行,電波暗室凈空間尺寸21.5m×13.5m×11.5m,對(duì)角距離為21.52+13.52???????????√=25.39m21.52+13.52=25.39m。首先需要分析兩種情況:一是試驗(yàn)中被試裝備或系統(tǒng)(以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱EUT)是處于實(shí)際工作狀態(tài),對(duì)于收、發(fā)信機(jī)應(yīng)連通天線工作。為此,EUT與互通裝備的接收、發(fā)射天線應(yīng)在暗室內(nèi)并處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),那么滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的測(cè)試頻段是多少?二是模擬其它裝備、系統(tǒng)對(duì)EUT的電磁影響時(shí)為節(jié)約模擬源功率是否可采用近距離輻射方式?(1)eut的天線近區(qū)由電磁場(chǎng)理論可知,輻射源輻射的電磁波分為束縛電磁波和自由電磁波,前者為無(wú)功場(chǎng),只存在輻射源與束縛電磁場(chǎng)之間的電能與磁能的轉(zhuǎn)換,不產(chǎn)生能量的傳播。由于需要EUT與配試裝備處于正常的通信狀態(tài),也就是說(shuō)希望到達(dá)被試裝備上的是自由電磁波。束縛電磁波存在于天線近區(qū)內(nèi),自由電磁波存在于天線遠(yuǎn)區(qū)內(nèi),兩者的分界與波長(zhǎng)有關(guān),當(dāng)EUT的天線為線天線時(shí),通常取λ/2π≈λ/6,也就是說(shuō),距波源少于λ/6的距離內(nèi)為近區(qū),希望被試裝備與配試裝備的天線的距離大于λ/6,處于遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)。該暗室擬模擬電磁環(huán)境的最低頻率暫按2MHz考慮,其波長(zhǎng)為150m,近區(qū)λ/6=25m。暗室的斜距為25.3m,可以滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。對(duì)于EUT天線為面天線時(shí),其近區(qū)通常按R=2D2/λ,D為天線的口徑。國(guó)外對(duì)裝備的大量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,對(duì)于通信裝備,影響最嚴(yán)重的電磁能量集中在3GHz以下。如暫按3GHz考慮,其波長(zhǎng)為0.1m,當(dāng)D=0.9m時(shí),近區(qū)距離R=16m;D=0.1m時(shí)R=0.2m,均滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。(2)被測(cè)裝備在近場(chǎng)區(qū)討論的復(fù)雜電磁環(huán)境仿真,只要求在EUT處模擬產(chǎn)生一個(gè)類似實(shí)際的復(fù)雜電磁環(huán)境的電磁場(chǎng)強(qiáng)及相關(guān)特性,此時(shí),并不一定要處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。正如同在GJB152A的RS103測(cè)試中,對(duì)被測(cè)裝備在1m處由發(fā)射天線輻射電磁波考核被測(cè)裝備的電場(chǎng)輻射敏感度,所用頻率范圍為10Hz～40GHz。如果以遠(yuǎn)近場(chǎng)的觀點(diǎn)看,在1.5GHz以下頻率被測(cè)裝備都處在近場(chǎng)內(nèi)。所以這里可以不去區(qū)分近、遠(yuǎn)場(chǎng),只需關(guān)心在被測(cè)裝備處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小及相關(guān)特性。2.4agityntcd監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)主要由電磁環(huán)境信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、矢量信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射天線、場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視等系統(tǒng)組成,系統(tǒng)組成圖如圖3所示。系統(tǒng)通過(guò)AgilentADS、89600仿真軟件和矢量信號(hào)發(fā)生器,完成電磁環(huán)境信號(hào)的調(diào)用、編輯和下載,其中89600軟件負(fù)責(zé)進(jìn)行單個(gè)信號(hào)的調(diào)用,以及將信號(hào)下載至信號(hào)源,AgilentADS負(fù)責(zé)多個(gè)信號(hào)的調(diào)用、編輯和下載;功率放大器主要負(fù)責(zé)電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)值的量化;發(fā)射天線負(fù)責(zé)輸出測(cè)試所需的不同極化方式的電磁信號(hào);場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視器負(fù)責(zé)場(chǎng)強(qiáng)值的監(jiān)測(cè)以保證量化的電磁環(huán)境滿足限值要求。AgilentADS是安捷倫一套強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件,是專門(mén)針對(duì)電子系統(tǒng),電路設(shè)計(jì)仿真的EDA工具,可以提供目前最為完整的系統(tǒng)及電路計(jì)算機(jī)和半實(shí)物仿真功能,把系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件原型緊密地結(jié)合在一起,可以更快、更高效地完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。安捷倫ADS軟件通過(guò)儀表連接管理器可以很容易地與各類測(cè)試儀表相連實(shí)現(xiàn)虛擬原型,形成軟件仿真,儀表測(cè)試驗(yàn)證方案,進(jìn)行半實(shí)物仿真。另外,也可以利用這些信號(hào)捕捉儀表對(duì)干擾信號(hào),雜波信號(hào)和噪聲信號(hào)進(jìn)行捕捉,然后把這些信號(hào)做為信號(hào)源帶入軟件仿真環(huán)境,提高軟件仿真的逼真度。電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)的工作原理可以概括為:根據(jù)不同的測(cè)試需求,將所采集的電磁信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)中的不同電磁信號(hào)下載到ADS軟件進(jìn)行編輯處理,通過(guò)信號(hào)源產(chǎn)生測(cè)試環(huán)境中所需要的電磁信號(hào),并協(xié)同功率放大器將電磁信號(hào)量化至規(guī)定的電平值,最后經(jīng)發(fā)射天線在電波暗室內(nèi)某一確定測(cè)試區(qū)域產(chǎn)生所需的檢測(cè)電磁環(huán)境。3頻率設(shè)備對(duì)磁環(huán)的評(píng)估3.1組成和組成設(shè)備電磁環(huán)境評(píng)估系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)組成,具體為場(chǎng)強(qiáng)探頭、光纖、光電轉(zhuǎn)換器、場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視器、接收天線、射頻電纜、衰減器、頻譜分析儀、89600軟件、計(jì)算機(jī)等,系統(tǒng)組成如圖4所示。其工作原理為:標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)按照電磁環(huán)境的分類與分項(xiàng)構(gòu)建出裝備檢測(cè)電磁環(huán)境,信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)裝備檢測(cè)電磁環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉,并利用89600軟件進(jìn)行頻譜和信號(hào)特性分析,評(píng)估檢測(cè)環(huán)境的真實(shí)性和可靠性。3.2磁體環(huán)境評(píng)估指標(biāo)現(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于評(píng)估指標(biāo)體系的選取,如何確定評(píng)估指標(biāo)、選取哪些評(píng)估指標(biāo)成為標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地檢測(cè)電磁環(huán)境真實(shí)性檢驗(yàn)的核心。(1)評(píng)估指標(biāo)的確立電磁環(huán)境評(píng)估指標(biāo)的選取應(yīng)遵循以下原則:①一致性原則。在選取評(píng)估指標(biāo)時(shí)必須保持系統(tǒng)功能與使命的一致、性能與功能的一致以及數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式與真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的一致;②層次性原則。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境主要表現(xiàn)為各種信號(hào)的矢量疊加,然而某一地點(diǎn)、某一時(shí)間不同電磁信號(hào)對(duì)裝備的影響程度是有主次之分的。因此,層次性原則要求在評(píng)估電磁環(huán)境時(shí),應(yīng)正確區(qū)分主要矛盾和次要矛盾,抓住關(guān)鍵點(diǎn),這樣才能建立合理的評(píng)估指標(biāo);③可行性原則。評(píng)估的指標(biāo)應(yīng)是可測(cè)的,指標(biāo)本身便于實(shí)際使用,度量的含義明確,具備現(xiàn)實(shí)的收集渠道,便于定量分析,具備可操作性;④靈活性原則。構(gòu)建電磁環(huán)境主要用于裝備電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn),因此在保證環(huán)境真實(shí)性與試驗(yàn)可用性的前提下,應(yīng)靈活處理環(huán)境信號(hào)的參數(shù)和表現(xiàn)形式。(2)基礎(chǔ)電磁環(huán)境電磁環(huán)境構(gòu)建的基本要素是電磁信號(hào),任何電磁信號(hào)都可以定量直觀地描述其特征,因此電磁環(huán)境評(píng)估指標(biāo)應(yīng)主要體現(xiàn)在電磁信號(hào)性能上。電磁環(huán)境評(píng)估指標(biāo)如圖5所示。①平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境:用頻裝備在自己的作戰(zhàn)區(qū)域或平臺(tái)上工作時(shí),應(yīng)首先要能克服地區(qū)噪聲、平臺(tái)基礎(chǔ)電磁環(huán)境對(duì)自己的影響,這是最基本的環(huán)境要求。這種電磁環(huán)境的評(píng)估指標(biāo)主要是平均場(chǎng)強(qiáng)值;②非對(duì)抗干擾電磁環(huán)境的評(píng)估指標(biāo)包括頻率準(zhǔn)確度和平均場(chǎng)強(qiáng)值或信噪比(S/N);③電子對(duì)抗環(huán)境的評(píng)估指標(biāo)主要包括干擾方式參數(shù)、干擾信號(hào)樣式、平均場(chǎng)強(qiáng)值(功率值)、頻率準(zhǔn)確度、信號(hào)占用帶寬等;④瞬變電磁環(huán)境評(píng)估指標(biāo)主要是平均場(chǎng)強(qiáng)值。4模擬裝備所處的真實(shí)電磁環(huán)境的構(gòu)建為評(píng)估裝備在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力就必須進(jìn)行電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn),而只有在逼真的戰(zhàn)場(chǎng)信號(hào)環(huán)境下,才能檢驗(yàn)出被試裝備的實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)性能,才能為裝備