复杂电磁环境预测系统设计与实现

本文先通过电磁环境、抛物方程的预测方法，推导出抛物方程计算总的传播损耗等于传播因子和损耗因子对 电磁波场量的叠加，设计了电磁环境预测系统。最后以海战场电磁环境为例进行了仿真，结果证明该方法对陆海空等典型地海场景中的复杂电磁环境电磁波场强或接 收功率的预测是非常有效的，具有较好的理论研究和应用价值。

0 引言

雷达、远距离无线通信、北斗卫星导航系统（BDS）、电子对抗还是遥感遥测等依赖电磁波的系统，都避免不了对电磁波传播特性的分析。对复杂环境中的电磁波传播一种粗略的分析方法是将环境视为自由空间，而精确的分析 必然考虑电波传播实际环境如地形、地物以及大气层环境变化的影响等。然而传统解析法如基尔霍夫近似法（Kirchhoff Approximation,KA）、微扰法（SmallPerturbation Method,SPM）等不能用于求解粗糙表面的散射特性，虽然最近发展了一些改进算法，但未考虑大气环境的影响，且计算量较大。射线追踪法可以定量地描 述电磁波在各种大气环境条件下的轨迹，但没有解决场分布的问题。抛物方程法可处理非均匀大气与复杂边界条件下的电磁波传播问题，且可用迭代法求解，在解决电磁波传播问题方面得到了广泛运用。

由于电磁环境构成较为复杂，本文只研究构成电磁环境中最主要部分，它是影响处于电磁环境中武器平台的关键因素，主要包括自然界热噪声和人为产生的无线电发射。自然界热噪声一般为高斯白噪声，它均匀地分布在每个频率上，主要影响无线电接收机的底噪电平，决定了无线电接收机的接收灵敏度或者说是通信质量。人为产生的无线电发射往往会对不同地区产生不同影响。因此刻画电磁环境应采用场论的方法，主要采用的物理量为场强。根据电磁波传播路径损耗、天线方向增益、发射功率，就可以预测某个地理位置的最大场强的大小。综合多个发射电台在某一地理位置场强的大小和热噪声就可以描述某个地理位置的电磁环境。

由于军用复杂电磁环境的构成以30 MHz~300 GHz为主，因此本文仅研究该频段内复杂电磁环境的预测方法。

1 基于统计模型的复杂电磁环境预测方法

复杂电磁环境主要由自然电磁辐射和人为电磁辐射形成。自然电磁辐射主要是热噪声，人为电磁辐射主要 是无线电发射电台。这两者是形成复杂电磁环境的关键因素。此外，不同地域电磁环境不同，或者说是电磁环境与地理位置有关，因此描述和刻画电磁环境应采用物 理学中场论的方法。也就是说描述电磁环境的最佳物理量是场强或功率通量密度。场强是矢量，功率通量密度是标量。这两个物理量之间可以相互转换。

1.1 人为电磁辐射对电磁环境的影响

对于主要影响电磁环境之一的无线电发射电台，它影响电磁环境的主要发射参数模型如图1所示，主要包括了工作频段内的必要带宽内发射、带外发射、杂散、谐波。因此，在构造电磁环境时这些因素都应当考虑在内。

必要带宽内发射一般称为带内发射，带外发射和杂散发射一般称为无用发射。带内发射和无用发射的大小主要由发射功率和滤波器决 定。由于各个生产厂家在生产设备时选择的滤波器不同，因地不同厂家生产的无线电设备造成的无用发射也不一样。但是凡是经过型号核准或无线电发射机检测的无 线电设备都必须满足规定的发射模板（或频谱模板）的技术指标规范。表1给出了我国8 MHz数字电视地面广播传输系统的发射模板。因此，可以根据发射模板预测发射设备的最大无用发射功率。这一方法也满足电磁干扰预测的保守原则。

为了预测的准确度，必须考虑特殊区域的地理地形条件和定向接收天线的方位。电磁波即使在自由空间的传播，定向天线接收到的信号强度也与天线的方向有关，因而收到的信号强度不同。下面举例进行说明。

假设在同样的电磁环境中，完全相同的两个接收天线的地理位置和接收天线方向如图2所示。由于辐射源和被干扰设备的相对位置与方位不同，从而对被干扰设备的干扰程度不同，而且干扰程度与夹角θ 有关。

对于图2中所示的地理位置关系，目前研究的方法有3种：以水平面为基准，将被干扰设备等效到水平平面；以被干扰设备为基准，将辐射源等效到高度为h 的水平面；以辐射源与高度为h 的被干扰设备之间的连接虚线所在平面为基准，将辐射源和被干扰设备等效到该平面上。