基于数字化地理信息的复杂电磁环境信号模拟与发生

3.基于数字化地理信息的电磁信号传播模拟

从电磁环境模拟的需要出发，无论是自然因素干扰信号和人为因素干扰信号，要全面地模拟电磁环境产生的物理基础，都需将影响电磁环境产生和传播的物理环境进行详细分解，建立基本的模拟对象，即战场实体环境的地理信息，例如：地形、气象、地质、地磁等因素。根据复杂电磁环境中不同辐射源所发射的电磁信号的频率覆盖范围不同，信号的传播模式各异。例如：1)表面波传播，是指电波沿着地球表面传播的情况。这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质、地貌、地物等都会影响电波的传播。2)天波传播，是指经过电离层反射到地面的电波传播。电离层是由围绕地球的处于不同高度的4个导电层组成的，这4个导电层分别称为D层、E层、F1层和F2层，这些导电层对短波传播具有重要影响。3)空间波传播，是指当发射和接收天线架设的较高时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线的传播。此时，电磁波还可以经地面反射到达接收天线，所以，接收天线处的场强是直射波和反射波的矢量和，形成的合成场强，直射波不受地面的影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。4)外层空间传播，是指电磁波由地面发出，经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播及其相反过程的传播。5)散射传播，是指大气对流层中，除了有规则的片状或层状气流外，还存在着不规则的气流，这类似于水流中漩涡的不均匀体。相应地，在电离层中则有电子密度的不均匀性。当无线电波投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波将发生散射或反射，一部分能量传播到接收点，这种传播方式称为散射传播。6)大气波导传播，是指由于大气对流层的不均匀性和电离层的存在，在一定的条件下，对某一特定的频率形成大气波导，使电波传播的损耗大大减小，这种电波传播的现象称为大气波导传播。根据实际战场电磁环境的信号成分，电子战装备的信号传播模式以表面波传播和空间波传播为主，其受实际地理环境影响显著。地理信息系统(GIS)是实现基于地理信息电磁信号传播模拟建模的有效工具。

GIS系统是在软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[5]。GIS系统处理和管理的对象是多种地理空间实际数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理一定地理区域分布的各种现象和过程。GIS系统包括3种空间数据类型：1)坐标系，如经纬度、平面直角坐标和极坐标等。2)拓扑结构，定义两个物体之间接通和邻接等关系。3)地理变量，如土壤种类、地质信息、气候等。同时GIS系统支持2种数据结构，1)栅格数据结构，即像元阵列，可根据每个像元特有的行列号来却确定位置。栅格数据结构中的每个代码明确的代表了对应实体的属性。它由3级机构组成，即点实体，表示栅格数据中的一个像元;线实体，表示某方向上成串的相邻像元集合;面实体，表示聚集在一起的相邻像元的集合。2)矢量数据结构，即通过记录坐标的方式，尽可能的将点、线、面地理实体准确的反映出来。它具有比栅格数据更高的精确性。矢量数据可按一定的转化规律转化为栅格数据。栅格数据的结构特点有利于计算机处理，具有距离制图、密度制图、表面生成与分析、单元统计、领域统计、分类区统计、重分类和栅格计算等分析功能。

基于GIS系统的栅格数据，通过图形的采集和矢量化处理建立起战场区域的地形地貌图和所要电磁辐射源的分布图，采用数据库技术建立电磁辐射源基础地理信息数据库，通过电子地图和数据库的连接，创建和查询战场电磁辐射源的特征、属性、空间位置、探测能力及通信能力等信息。同时实现辐射源数量、空间分布、技战术指标、战术应用、组织序列以及电磁信号的传播途径、电磁辐射范围、电磁频谱分布全景等内容可视化，为基于战场实际地理环境的复杂环境模拟建模提供支持。

4.复杂样式信号发生技术

复杂样式信号发生技术是为了最终实现复杂电磁环境中信号样式复杂多变的电磁信号，人为构建高逼真度的复杂电磁环境，适应于各种装备的性能测试。理想的复杂样式信号发生技术是基于数字化复杂电磁环境信息数据库的复杂样式模拟软件系统与复杂样式信号发生模拟硬件平台的有机结合，这种技术的优势体现在：1)一个平台可以根据不同武器装备测试需求，搭载相适应的复杂电磁环境信息数据库和模拟发生软件，实现符合该武器装备作战环境的辐射源及其环境模拟;2)一代平台可以搭载同一武器装备的多代复杂电磁环境模拟软件，使其具备很强模拟仿真兼容性和适用性。这种复杂样式信号发生技术可以通过灵活的配置，实现服务于多种、多代武器装备的测试，提高测试效能，摆脱全实物测试环境的时域、空域及地域限制，在统一平台上满足武器装备对环境模拟样式、频谱覆盖、调制带宽以及信号捷变等方面的测试要求。

基于复杂电磁环境信息数据库的模拟软件系统中的关键技术点就在于适应各种装备并包含符合装备作战区域地理化信息的数据库及模型建立，这在文章的前面已重点介绍，不再赘述。而对于依赖硬件平台来实现的复杂样式信号发生技术关键指标，其涉及到的技术指标广泛，性能指标要求很高，例如：频率覆盖范围大，涵盖微波毫米波频段，调制带宽高达GHz量级，同时拥有捷变频特性。能够支持以上高性能技术指标的复杂样式信号发生，离不开高性能信号发生硬件平台的支撑。目前利用信号发生硬件平台来实现复杂电磁环境中电磁信号生成，需要重点解决的关键技术点有以下几个方面：1)大带宽任意波基带发生技术是实现复杂电磁环境信息数据由数据量向模拟量转变的核心单元，其调制带宽宽，通过数模转换后形成已调的复杂中频模拟信号。该模拟信号将被相应的频率合成技术搬移到所需的频段，实现复杂样式信号的最终输出;2)复杂样式信号多参数多域调制综合仿真的数字信号合成技术，将复杂电磁环境信息数据库中数据以数字的形式进行信号的综合计算及处理，完成所需信号在频域、时域、调制域以及空域的叠加，最终实现大容量、多样式、多调制参数复杂电磁信号的编辑、定义、数据存储、调用等任务，最后完成复杂电磁信号模拟的载波及序列组构建，为复杂样式信号的向外发生做好准备;3)覆盖微波毫米波且能支持复杂样式信号发生的频率合成技术，利用直接模拟频率合成(ADS)方式(如微波毫米波捷变频信号发生器)或者间接频率合成方式(如矢量信号发生器)实现已调复杂样式载波信号向着更高频段扩展。