郭淑霞, 王亞鋒, 單雄軍, 高穎

復雜電磁環(huán)境下雷達探測效能的探索性分析

郭淑霞1, 王亞鋒1, 單雄軍1, 高穎2

摘要：復雜電磁環(huán)境是一個綜合作用效果，不確定因素很多，如果對所有電磁環(huán)境不確定性進行分析研究會導致復雜性增加。針對這一問題，提出了一種復雜電磁環(huán)境下探索性仿真方法并對雷達探測效能進行分析，通過構(gòu)造復雜電磁環(huán)境參數(shù)不確定性空間進行探索，統(tǒng)計分析各種不確定性因素對于雷達探測效能的影響，抓住主要因素，為復雜電磁環(huán)境預(yù)測及武器裝備適應(yīng)性評估提供支撐。

關(guān)鍵詞：復雜電磁環(huán)境；不確定性；探索性分析；雷達探測效能

電磁環(huán)境(electromagnetic environment，EME)指存在于某場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。而復雜電磁環(huán)境是一定空間內(nèi)，時域、頻域、能域和空域上分布密集、數(shù)量繁多、樣式復雜、動態(tài)隨機的多種電磁信號交疊而成。復雜電磁環(huán)境具有復雜、多變的特性，是一個綜合作用效果，影響因素很多，任何小的擾動都可能會對電磁環(huán)境的空域、時域、能域和頻域特征產(chǎn)生較大影響，具有很強的不確定性；復雜電磁環(huán)境的不確定性造成了復雜電磁環(huán)境仿真研究的困難，因此需要我們采用更為有利的仿真分析方法解決武器裝備在復雜電磁環(huán)境受擾程度的分析或電磁環(huán)境的效應(yīng)分析問題[1-2]。

探索性分析[3-6]是對各種不確定性要素所產(chǎn)生的結(jié)果進行整體研究，主要研究不確定性所產(chǎn)生的結(jié)果，其特征是處理大量的不確定性，通過對模型的影響參數(shù)進行抽象和聚合，在此基礎(chǔ)上進行全面探索，確定其相互影響。探索性分析面對的是具有高度不確定性和復雜特性等問題。

探索性分析方法是一種將多種知識和方法結(jié)合起來的快速建模和敏捷分析方法，實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境研究中廣度認識與深度分析的結(jié)合，從而提高探索性仿真技術(shù)對復雜電磁環(huán)境預(yù)測及武器裝備適應(yīng)性評估的支持能力。

1探索性分析原理

探索性分析方法的基本思路是考察大量不確定性條件下各種方案的不同后果，理解和發(fā)現(xiàn)復雜現(xiàn)象背后數(shù)據(jù)變量之間的關(guān)系，試探各種可能的結(jié)果，理解不確定性因素對想定問題的影響，把握各種關(guān)鍵要素，探索可以完成相應(yīng)任務(wù)需求的系統(tǒng)各種能力與策略。

探索性分析的不確定因素分為參數(shù)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性，參數(shù)不確定是指對于探索空間模型輸入的參數(shù)水平不確定性，結(jié)構(gòu)不確定性是指對于模型的內(nèi)在描述和運行機理的不了解導致的不確定性。

探索性分析是一種解決問題的思想，實施起來并沒有固定的模式和步驟，要視具體問題而定，往往需要結(jié)合具體的方法和模型使用。但從大多數(shù)實例來看，探索性分析一般由以下步驟組成：

1)確定系統(tǒng)分析目標；

2)確定系統(tǒng)的輸入和輸出，分析不確定性因素及其范圍，構(gòu)造不確定性空間；

3)建立系統(tǒng)輸入和輸出間的映射關(guān)系，即建立相關(guān)的模型，并探索仿真實驗，形成多維數(shù)據(jù)視圖；

4)通過仿真實驗結(jié)果分析，確定各種因素影響大小。

2復雜電磁環(huán)境探索性仿真

復雜電磁環(huán)境探索性仿真要解決這樣幾個基本問題:①能夠描述、反映和表現(xiàn)研究問題所涉及的復雜電磁環(huán)境；②能夠針對復雜電磁環(huán)境的不確定性特點進行仿真實驗的分析。基于電磁環(huán)境效應(yīng)的復雜電磁環(huán)境探索性仿真方法以仿真為主線，是綜合電磁環(huán)境的不確定性表達、電磁環(huán)境的建模、系統(tǒng)或平臺的受擾模型、可視化、探索性分析等多種方法為一體的一種仿真分析方法；通過對電磁環(huán)境效應(yīng)等問題的深入描述，使仿真緊密面向所研究的問題，滿足電磁環(huán)境效應(yīng)的整體需求；通過可視化方法，將仿真過程、分析過程和相關(guān)結(jié)論以直觀、形象的方式展示出來，幫助展現(xiàn)問題并激發(fā)人的認知潛力，在仿真中注重構(gòu)造復雜電磁環(huán)境的不確定性，借助探索性分析手段揭示電磁環(huán)境內(nèi)部的不確定性。探索性分析框架是探索性仿真分析的支撐，復雜電磁環(huán)境探索性仿真分析框架如圖1所示。

圖1　基于電磁環(huán)境效應(yīng)的復雜電磁環(huán)境探索性仿真框架

從圖1可以看出，復雜電磁環(huán)境探索性仿真分析框架主要由復雜電磁環(huán)境的參數(shù)不確定仿真空間定義、探索性仿真建模、多想定探索性仿真實驗、武器裝備電磁環(huán)境效應(yīng)結(jié)果分析組成。其中參數(shù)不確定性仿真空間定義主要完成待探索參數(shù)不確定性的表征與設(shè)置，多想定探索性仿真試驗主要完成探索空間運行計算任務(wù)，探索性仿真建模給仿真實驗提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)果分析主要完成對探索計算結(jié)果進行綜合分析。復雜電磁環(huán)境的探索性仿真的核心在于：①確定復雜電磁環(huán)境的參數(shù)不確定空間；②復雜電磁環(huán)境的探索性仿真模型建立。

1)復雜電磁環(huán)境的參數(shù)不確定空間

復雜電磁環(huán)境的不確定性類型主要是參數(shù)不確定性，構(gòu)造復雜電磁環(huán)境的不確定性就是構(gòu)造其參數(shù)不確定性，主要包括：①電磁干擾源特征參數(shù)；②電磁傳播環(huán)境參數(shù)；③電磁環(huán)境時、頻、空、能四域分布特征參數(shù)；④武器裝備效能參數(shù)。對不確定參數(shù)在取值空間內(nèi)均勻取值，進而構(gòu)成電磁空間的不確定性空間。

2)復雜電磁環(huán)境的探索性建模復雜電磁環(huán)境效應(yīng)分析的基本模型主要包括：①戰(zhàn)場電磁環(huán)境干擾輻射特性模型；②電磁環(huán)境傳輸特性模型(地形、地物、大氣波導等影響)；③電磁環(huán)境分布特性模型；④系統(tǒng)或平臺的受擾分析模型等。復雜電磁環(huán)境的探索性建模既要滿足探索性分析仿真的要求，又要能更好地反映真實的電磁環(huán)境。

3雷達電磁環(huán)境效應(yīng)探索性仿真

雷達是復雜電磁環(huán)境中的主要作戰(zhàn)裝備，我們以雷達系統(tǒng)在戰(zhàn)場環(huán)境中的受擾分析為例進行雷達電磁環(huán)境效應(yīng)探索性仿真。整體流程如圖2所示，雷達電磁環(huán)境效應(yīng)進行探索性仿真，首先構(gòu)建雷達電磁環(huán)境參數(shù)不確定性空間，建立雷達受擾模型，分別對自然干擾、單干擾和多干受擾擾模型進行建模。然后利用探索性仿真分析方法對輸入?yún)?shù)不確定性空間進行探索，給出輸入的不確定性對雷達性能的影響程度。

圖2　雷達電磁環(huán)境效應(yīng)探索性仿真流程圖

3.1參數(shù)不確定性空間的構(gòu)建

雷達復雜電磁可由若干電磁干擾源組成，每個干擾源的參數(shù)主要包括：功率、帶寬、頻率、距離、方向、天線增益、半功率波束寬度、極化系數(shù)、壓制系數(shù)等；這些參數(shù)中的一些參數(shù)在現(xiàn)實的電磁環(huán)境中具有時變不確定性，如干擾功率在電子對抗環(huán)境下一定是時變的；干擾頻率、方向、極化系數(shù)、壓制系數(shù)等具有時變特性。

因此對于雷達電磁環(huán)境中的多個干擾源，我們可以構(gòu)建分別由各個干擾源的參數(shù)構(gòu)成的不確定性空間。雷達電磁環(huán)境參數(shù)不確定空間=(干擾源1的不確定性參數(shù)、干擾源2的不確定性參數(shù)……干擾源n的不確定性參數(shù)，傳輸環(huán)境的不確定性參數(shù))，如圖3所示。

圖3　雷達系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境輸入?yún)?shù)不確定性空間

3.2探索性仿真模型

雷達探索性仿真模型，包括2部分模型，自然環(huán)境干擾下的探索性仿真模型，電磁干擾下的探索性仿真模型[7]。具體如下：

雷達受到自然干擾時，其最大作用距離為：

式中：Pt為雷達發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；σ為目標雷達截面積；τ為雷達脈沖帶寬；λ為波長；k為玻爾茲曼常數(shù)；T0為標準溫度；B0為接收機噪聲帶寬；F0為接收機的噪聲系數(shù)；D0為雷達檢測因子；L為自然環(huán)境對信號引起的衰減。(下同)其中，L受到云、雨、霧、沙塵及地形等因素的影響會產(chǎn)生不確定性，云、雨、霧、沙塵及地形可作為探索性仿真參數(shù)。

雷達受到電磁干擾時，其最大作用距離為：

式中：θ為干擾偏離雷達天線最大方向的角度；θ0.5為半功率波速寬度。其中，干擾功率、干擾頻率、極化系數(shù)、壓制系數(shù)、干擾來向角度等可作為不確性參數(shù)。

3.3雷達電磁環(huán)境效應(yīng)探索性仿真試驗

1)探索性仿真軟件

在構(gòu)建雷達電磁環(huán)境參數(shù)不確定性空間、建立探索性仿真模型的基礎(chǔ)上，我們基于MATLAB編制了雷達復雜電磁環(huán)境探索性仿真軟件，其界面如圖4所示。

圖4　雷達復雜電磁環(huán)境探索性仿真軟件界面

探索性仿真軟件具有以下功能：①參數(shù)不確定性空間生成；②探索性仿真處理；③探索性結(jié)果的分析及顯示。

由仿真結(jié)果可知，雷達受到自然干擾時，探測范圍減小，在特定方向受到電子干擾時，該方向的探測范圍受擾更為嚴重。之后，通過對輸入?yún)?shù)的探索性分析研究電磁環(huán)境參數(shù)對雷達探測效能的影響程度大小，確定主要影響參數(shù)。

2)探索性仿真實驗

復雜電磁環(huán)境研究中更強調(diào)干擾對雷達探測效能的影響，更增加了電磁空間的不確定性特征，主要體現(xiàn)在參數(shù)的不確定性上，需要考慮復雜多變的電磁環(huán)境和大量不確定因素的影響。

①自然干擾下的探索性仿真

圖5　2個不確定參數(shù)共同作用下探索結(jié)果

自然干擾下的不確定參數(shù)主要包括：水汽密度、降雨強度、云霧水含量等。下面我們探索2個不確定參數(shù)共同作用下雷達探測范圍的變化，不確定參數(shù)取值范圍：水汽密度：0.1～50 g/m3；降雨強度：0.25～150 mm/h；云霧水含量：0.001～1 g/m3等。

從圖5中可看出，隨降雨強度、水汽密度、云霧含量增大，雷達探測范圍減小。說明自然環(huán)境會影響雷達探測范圍，但隨著環(huán)境不確定參數(shù)(水汽密度、降雨強度、云霧水含量)的變化，雷達探測效能變化較小。

②人為電磁干擾下的探索性仿真

人為電磁干擾更強調(diào)電磁對抗對雷達性能的影響，電磁對抗更增加了電磁空間的不確定性特征，需要考慮復雜多變的電磁干擾的大量不確定因素。利用統(tǒng)計方法來定義各類物理參數(shù)，描述不確定參數(shù)，建立參數(shù)間關(guān)系的互動流程，可有效降低探索性分析的復雜度。

經(jīng)驗表明，僅有信號電平不足以描述無線系統(tǒng)的性能，時間、空間的變化亦應(yīng)考慮在內(nèi)，如天線增益、極化系數(shù)、壓制系數(shù)、半功率波束寬度、干擾來向角度、干擾與雷達距離等不確定參數(shù)。另外，干擾數(shù)目的不確定性也會對雷達探測效能造成很大影響。因此，我們對單干擾和多干擾環(huán)境下雷達探測效能分析進行探索性分析。

·單干擾探索分析

設(shè)定干擾功率、天線增益、極化系數(shù)、壓制系數(shù)、干擾距離、干擾來向、半功率波束寬度不確定參數(shù)在合理區(qū)間內(nèi)分布，則雷達復雜電磁干擾環(huán)境參數(shù)不確定性表征如圖6所示。

圖6　干擾不確定參數(shù)顯示

圖7顯示了功率在區(qū)間內(nèi)波動時雷達探測效能的變化情況。

圖7　雷達探測效能隨功率不確定波動的變化　　　　圖8　單干擾下雷達探測效能探索性分析結(jié)果

設(shè)定場景下，雷達受到干擾時對其輸入?yún)?shù)進行探索性分析，部分結(jié)果如圖8所示。不同參數(shù)波動會對雷達探測效能造成不同影響，影響結(jié)果以統(tǒng)計方式(概率分布)表示，橫坐標表示雷達探測覆蓋率(實際雷達探測面積與理想環(huán)境雷達探測面積的比值)，寬度表示雷達探測覆蓋率變化大小。

經(jīng)分析可知，半功率波束寬度、干擾距離對雷達探測效能的影響最大，功率、天線增益、極化系數(shù)、壓制系數(shù)影響相對較小，干擾來向基本無影響(只影響特定方向的探測效果)。

·多干擾探索分析

以兩干擾為例，分別對相同來向及不同來向下的干擾進行探索性分析。

雷達受到2個相同來向干擾時，設(shè)置干擾功率、天線增益、極化系數(shù)、壓制系數(shù)、干擾距離、半功率波束寬度為不確定參數(shù)，干擾來向均為30°，探索性分析結(jié)果以統(tǒng)計方式表示如下。

圖9　兩相同來向干擾下雷達探測效能探索性分析結(jié)果　　　圖10　兩不同來向干擾下雷達探測效能探索性分析結(jié)果

雷達受到2個不同來向干擾時，設(shè)置干擾功率、天線增益、極化系數(shù)、壓制系數(shù)、干擾距離、半功率波束寬度及干擾來向均為不確定參數(shù)，功率、干擾來向探索性分析結(jié)果以統(tǒng)計方式表示如圖10所示。

經(jīng)分析可得，多干擾環(huán)境下干擾功率、頻率、距離、天線增益、極化系數(shù)、壓制系數(shù)及半功率波束寬度對雷達探測效能影響與單干擾環(huán)境類似，對雷達探測效能有較大影響。而不同干擾在相同來向和不同來向時有較大差異，相同來向下探測覆蓋率變化范圍為0.001，不同來向時提升為0.001 5，說明不同來向的干擾會對雷達探測性能造成更大影響。

通過探索性分析，可為提升雷達效能和復雜電磁干擾環(huán)境預(yù)測提供有效依據(jù)。

4結(jié)論

武器裝備效能既是復雜電磁環(huán)境影響的結(jié)果，也是構(gòu)成復雜電磁環(huán)境的重要內(nèi)容。對于復雜電磁環(huán)境下武器裝備的效能分析是一個多維、復雜的過程。本文提出了一種復雜電磁環(huán)境下探索性仿真方法，通過構(gòu)造復雜電磁環(huán)境參數(shù)不確定性空間進行探索并基于隨機性原則統(tǒng)計各種不確定性因素對于雷達探測效能的影響。仿真結(jié)果表明，該方法通過統(tǒng)計特征可有效刻畫電磁環(huán)境抽象特征及復雜電磁環(huán)境下武器裝備效能受大量不確定因素影響的效果。

通過該方法得到不確定因素影響武器裝備的統(tǒng)計結(jié)果，可分析復雜系統(tǒng)的不確定因素的重要性，進行系統(tǒng)效能度量評估，為復雜電磁環(huán)境預(yù)測和武器裝備適應(yīng)性評估提供有力技撐。

參考文獻：

[1]Bernd W Jaekel. Electromagnetic Environments-Phenomena, Classification, Compatibility and Immunity Levels[C]//EUROCON, 2009: 1498-1502

[2]張斌, 胡曉峰, 張昱,等. 基于效能評估的復雜電磁環(huán)境探索性仿真方法[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2009, 21(24): 7715-7726

Zhang Bin, Hu Xiaofeng, Zhang Yu, et al. Effectiveness Evaluation Based Modeling and Simulation Research for Complicated Electromagnetic Environment Exploratory Analysis[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(24): 7715-7726 (in Chinese)

[3]許雄，汪連棟，曾勇虎,等. 復雜電磁環(huán)境模擬的研究思路分析[J]. 航天電子對抗, 2013, 29(6): 48-54

Xu Xiong, Wang Liandong, Zeng Yonghu, et al. Investigation for the Simulation of Complex Electromagnetic Evironment[J]. Aerospace Electronic Warfare, 2013, 29(6): 48-54 (in Chinese)

[4]Haiyan Chen. Uncertainty Quantification and Uncertainty Reduction Techniques for Large-Scale Simulations[D]. The Virginia Polytechnic Institute and State University, 2009

[5]Paul K. Davis, Exploratory Analysis Enabled by Multiresolution, Multiperspective Modeling[C]//Proceedings of the 2000 Winter Simulation Conference, 2000

[6]周少平, 李群, 王維平. 支持武器裝備體系論證的探索性分析框架研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2007, 19(19): 2066-2079

Zhou Shaoping, Li Qun, Wang Weiping. Exploratory Analysis Framework Research for Weapon System of System Evaluation[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(19): 2066-2079 (in Chinese)

[7]Yang Ying, Li Yinghua, Li Yong. Research on Communication Constellation Simulation Based on Exploratory Analysis[C]//International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing, 2008

[8]邱航. 虛擬戰(zhàn)場中復雜場景建模與繪制若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 成都：電子科技大學, 2011

Qiu Hang. Research on Some Key Technologies of Modeling and Rendering of Complex Scenes in Virtual Battlefield[D]. Chengdu: University of Electronic Scionce and technology of China, 2011 (in Chinese)

Exploratory Analysis of Radar Detection Effectiveness

under Complex Electromagnetic Environment

Guo Shuxia1, Wang Yafeng1, Shan Xiongjun1, Gao Ying2

Abstract:The radar detection effectiveness is influenced by a large number of uncertain factors under complex electromagnetic environment. In order to analyze the impact of the combined effect, all factors need to be considered but a lot of uncertainties will increase the complexity of analysis and the difficulties of processing. To solve this problem, we propose an exploratory analysis method under complex electromagnetic environment and analyze the detection effectiveness of radar. Through constructing the uncertainty space of complex electromagnetic environment parameters, we explore the radar detection effectiveness under a variety of uncertain influences with statistical analysis on the principle of randomness. It not only provides sources for analyzing the importance of uncertain factors and measuring system performance but also supports the prediction of complex electromagnetic environment and adaptation assessments of weaponry.

Key words:computational efficiency, conceptual design, dynamical systems, efficiency, equipment, estimation, flowcharting, forecasting, mathematical models, MATLAB, measurement errors, multiresolution analysis, radar, statistics, stochastic models, uncertainty analysis; complex electromagnetic environment, exploratory analysis, radar detection effectiveness, uncertainty

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號:1000-2758(2015)05-0837-06

作者簡介：郭淑霞(1965—)，女，西北工業(yè)大學副教授、博士，主要從事復雜電磁環(huán)境模擬的研究。

基金項目：國家自然科學基金(61571368)資助

收稿日期：2015-04-02