复杂电磁环境的分析与建模

哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第1章绪论1.1课题背景及意义任何作战行动都在一定的空间和环境中进行。作战空间和作战环境是一个时代的科学技术、武器装备、作战方式和自然因素有机结合的产物。当今时代，信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用，孕育了新的战争形态——信息化战争，信息化战争中，交战双方大量使用电子信息装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类多样，而且功率大，在激烈对抗条件下所产生的多类型、全频谱、高密度的电磁辐射信号，以及己方大量使用电子设备引起的相互影响和干扰，造成在电磁信号时域上突发多变、空域上纵横交错、频域上拥挤重叠。即信息化战争开辟了与陆海空天相并列的“第五维战争空间”——电磁空间，形成了与传统的社会、地理、气象、水文等并重的新的战场环境——战场电磁环境。随着军队信息化进程的加快，战场电磁环境日益复杂，电磁空间的斗争空前加剧，并对军事活动产生着深刻的影响。使得战场感知难、指挥控制难、支援保障难以及信息化装备作战效能难。因此夺取制电磁权，成为夺取制信息权，进而夺取战争主动权的关键。深入研究复杂战场电磁环境，对掌握信息化战争的主动权，打赢信息化战争具有重要意义。1.2战场复杂电磁环境的相关研究现状战场电磁环境对于世界而言还是个全新的学科，各国对于战场电磁环境的认识与研究还有无限的提升的空间。美国国防部认为，电磁环境(EME)是存在于防护区内的一个或若干个射频场战场，在2009年指出战场电磁环境是军队、系统或平台在指定的作战环境中执行作战任务时，可能遇到的在不同频段辐射或传导的电磁发射体的功率与时间分布的作用结果。前苏联军事百科全书中指出，电磁环境是影响无线电装置或其部件工作的电磁辐射环境。美、俄(苏)军方对于电磁环境概念的表述不仅限于一定区域内的电磁现象总和，更有时域、频域、空域、能量域“四域”特征方面的认识。我国对战场哈尔滨工程大学本科生毕业论文2电磁环境相关问题的研究起步较晚，且战场电磁环境概念在学术界还未统一。其中具有代表性的观点是：战场电磁环境，就是指在一定的战场空间内，由空域、时域、频域、能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的战场电磁环境。总的来说复杂电磁环境可以理解为敌我双方所在的电磁空间冲突、对抗剧烈的战场电磁环境[1][2]。对战场电磁环境复杂性的认识既有客观的、共同的宏观度量标准，又可根据电子设备个体、电子设备群体、C4ISR(指指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦查)系统在复杂电磁环境下的作战效能而产生不同的、特定的度量标准。因此，战场电磁环境的复杂性包括客观复杂性和主观复杂性两大类。(1)客观复杂性战场电磁环境的一般复杂性或客观复杂性用于定量描述电磁环境客观的、共同的、宏观的特征，能对战场电磁环境的复杂性进行初步的估计。(2)主观复杂性主观复杂性是指战场电子设备个体、电子设备群体、C4ISR系统由于受到电磁环境的影响导致了作战效能下降，依据作战效能下降的程度，可得到它所面临的战场电磁环境复杂性的评价结论。动态随机、冲突剧烈、纷繁复杂的战场电磁环境现象背后隐藏着战场电磁环境的深层内涵。深刻认识战场电磁环境需要全面正确地理解战场电磁环境内涵。其内涵有如下三点：战场电磁环境是战场环境的重要组成部分。战场电磁环境看不见、摸不着，但它客观存在，与陆海空天环境一样，是战场环境的重要组成部分。现今电磁空间逐渐成为战争角逐的焦点。电磁空间安全已上升到同国家海洋安全、太空安全同等重要的地位。战场电磁环境复杂化进程加剧。当前，电子技术与信息技术的迅猛发展。大量电子信息装备不断涌现并装备部队。高新技术催生出一批新哈尔滨工程大学本科生毕业论文3概念电磁武器，这促使战场电磁环境不断加速复杂化。战场电磁环境对现代战争产生重大影响。大量电子信息装备应用于作战，使得战争的每一个进程几乎都离不开电子信息装备，从而造就了复杂的战场电磁环境。冲突、对抗剧烈、复杂的战场电磁环境反过来又影响了电子信息装备的作战性能，造成战场感知迷茫、指挥控制紊乱、通信联络中断、行动效能失控，对整个战争产生了重大影响[3][4]。除上述的内涵以外，战场复杂电磁环境作为一个有多种因素相互影响作用，并且与外界有着能量、信息交换的复杂开放巨系统，它有着许多特性，在不同的时间、地域、频段表现出的特性也不一样。其特性主要有如下：(1)广袤而无形。战场电磁环境既看不见也摸不着，不被人直接感知，但它客观存在。一方面传递信息支援作战，另一方面又严重影响着战争的每一个进程。(2)冲突对抗激烈。战场电磁环境冲突对抗剧烈是区别于其它电磁环境的显著标志，敌对双方都在电磁空间着力压制对方的电磁火力，战场电磁环境冲突与对抗日益加剧。(3)高度动态随机。当前，随着各种新电子信息技术、新调制体制的电磁信号不断出现，及武器装备平台机动性能进一步提升；各种自然或人为随机电波传播媒介因素的介入。所有这些因素相互作用、不断影响，使战场电磁环境表现为高度动态随机，战场电磁环境也更加复杂[5]。在相关技术文献中提到的有关电磁环境复杂程度的参量指标有：环境噪声电平、频段占用度、时间占用度、空间覆盖率、功率通量密度、信号场强、信号类型、频谱密度、干扰场强、脉冲流密度、信号密度等，但通常都用频段占用度、时间占用度、空间覆盖率来评判电磁环境的复杂程度等级。(1)电磁环境门限在相应频段工作的电子信息设备产生一定干扰的电磁环境信号功率密度谱的最小值，其大小依据国际电信联盟(ITU)推荐的中国地区各频段背景噪声值高10dB为基准。哈尔滨工程大学本科生毕业论文4(2)频谱占用度在一定时间和空间范围内，电磁信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占有的频带与作战用频范围的比值，用FO表示。(3)时间占有度在一定的空间和频率范围内，电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁门限所占用的时间长度与作战时间段的比值，用TO表示。(4)空间覆盖率在一定的时间和频率范围内，电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值，用SO表示。依据计算的频谱占用度、时间占有度、空间覆盖率以及平均功率密度谱，来确定复杂电磁环境的复杂程度。电磁环境的分级是依据频谱占用度、时间占有度和空间覆盖率3个指标来确定复杂电磁环境的复杂程度等级[6][7]。本文中并未采用上述的方法来评判战场电磁环境的等级，而是用时域信号密度、频域信号密度、空域信号密度与信噪比作为评判电磁环境等级的因素。1.3本论文主要工作和内容安排本文主要定量与定性的分析了五种雷达信号与通信信号，并建立了信号数据库，结合信息熵的概念与层次分析法对战场复杂电磁环境进行了分级，并结合了信号数据库、干扰信号源与电磁环境等级构建满足各种不同需求的战场信号环境。本文的基本结构如下：第一章为绪论部分，概述了战场电磁环境对现代战争的影响；战场电磁环境的内涵、特性；战场电磁环境复杂程度等级的常用分级方法。第二章第一部分介绍了电磁环境中信号的调制方式与调制原理，即模拟调制、数字调制与雷达信号等；第二部分介绍了信号的模糊函数的概念；最后一部分介绍了电磁环境复杂程度分级所依据的方法理论：信息熵理论、熵权与层次分析法。哈尔滨工程大学本科生毕业论文5第三章对常见的五种通信信号与雷达信号进行了研究，对通信信号从时域波形、频谱与功率谱三方面进行了分析；而对雷达信号则主要对其时域波形、功率谱进行了仿真，并对信号的模糊函数进行了仿真与分析。第四章主要研究了战场电磁环境中存在的各种电磁干扰样式，包括箔条干扰、多径干扰、同频干扰、邻频干扰、邻道干扰及噪声干扰等。对这些做了较为详细的介绍与分析。第五章主要研究了战场电磁环境复杂程度等级的判定。运用层次分析法从通信电磁辐射、雷达电磁辐射与电磁干扰三个大方面，以通信军用电磁辐射、民用电磁辐射与无意电磁辐射与雷达军用电磁辐射、民用电磁辐射与无意电磁辐射以及六种常见电磁干扰等十二个底层元素对电磁环境的复杂程度进行了分级。第六章利用仿真软件MATLAB与LabVIEW结合前面分析的通信信号、雷达信号、干扰源与电磁环境等级构建了战场信号环境，对战场电磁环境进行了模拟与仿真，研究了在不同环境等级与不同的电磁干扰的情况下有用信号的输出情况，分析了电磁环境复杂程度对通信质量的影响。哈尔滨工程大学本科生毕业论文6第2章电磁环境中信号调制原理与分级方法理论2.1调制信号基本原理调制就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程，载波调制就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。通信系统中信号有多种分类方式，本文将应用场合与调制特点相结合，将调制信号分为四类，分别为模拟调制、数字调制与雷达信号调制。2.1.1模拟调制模拟调制，即用一个连续变化的信号去调制一个高频正弦波，主要分为幅度调制(调幅、双边带调制、单边带调制、残留边带调制及独立边带)和角度调制，而角度调制又分为调频与调相，因为相位的变化率就是频率，因此调相波与调频波是密切相关的。因为本文中所用到的通信模拟调制信号为双边带调制信号与单边带调制信号，均属于模拟幅度调制，因此在此重点介绍模拟幅度调制原理。调幅就是常规双边带调制，简称AM。假设调制信号)(tm的平均值为0，将其叠加一个直流分量0A后与载波相乘，即可形成调幅信号，其时域表达式为：ttmtAttmAtscccAMcos)(coscos)]([)(00(2.1)式中，0A为外加的直流分量，)(tm可以是确定信号，也可以是随机信号，定义)()(0tmAtA。振幅调制信号一个重要的参数是调幅度m，定义为：minmaxminmaxtAtAtAtAm(2.2)1m称为满调幅，此时0)(Atm。一般m为小于1，只有min)]([tA为负值时才会大于1，这种情况叫做过调幅。由以上分析可知，AM调制的主要信号参数有外加直流分量0A或是幅度哈尔滨工程大学本科生毕业论文7信息)(tA，载频cf。2.1.2数字调制数字调制和模拟调制的原理相同，本质上都是频谱的搬移，但是数字信号有离散取值的特点。因此，数字调制的实现方法有两种方法：(1)利用模拟调制的方法去实现数字调制；(2)利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，通过对载波的幅度、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)三种基本信号形式。因为本文中采用的通信数字调制信号有2FSK、2PSK与2DPSK，因此在此重点介绍移频键控与相移键控原理。1.移频键控移频键控是用不同频率的载波来传递数字信息的。在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在1f和2f两个频率点间变化，则产生二进制频移键控信号(2FSK)。若二进制基带信号的1符号对应于载波频率1f，0符号对应于载波频率2f，则二进制频移键控信号的时域表达式为：ibiibiFSKtfiTtgatfiTtgas)2cos()()2cos()(212(2.3)多进制移频键控(MFSK)信号基本上是二进制FSK信号的直接推广，正弦载波的频率随多进制基带信号在多个频率点间变化。ASK调制的主要信号参数有矩形脉冲)(tg的持续时间bT，载波频率1f、2f。2.移相键控在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制相移键控(2PSK)信号，通常用己调信号载波的0相位和相位分别表示二进制数字基带信号的“1”和“0”。二进制相移键控信号的时域表达式为：)2cos()(2tfiTtgascibiPSK(2.4)哈尔滨工程大学本科生毕业论文8若g(t)是脉宽为Tb，高度为1的矩形脉冲时，则有：pptftftsccPSK1)2cos()2cos()(2概率为概率为(2.5)由式2.5可以看出，当发送进制符号1时，已调信号)(2tsPSK取0相位；发送二进制符号0时，)(2tsPSK取相位。若用i表示第i个符号的相位，则有：信号发送信号发