CN110703213B - 一种雷达干扰环境等效物理模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雷达干扰环境等效物理模拟方法及装置，属于电磁兼容测试研究领域，该方法包括：根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，得到存在干扰关系的设备对；获取干扰源雷达在敏感设备的天线口面处的电场强度，将电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，并结合干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；根据喇叭天线的波束宽度和敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据电场强度、干扰源雷达的特征参数及最小试验距离，对等效电场强度进行校准，以实现干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟。采用等效物理模拟干扰环境，能够解决在大型船舶设计之初，无法开展电子设备集成后干扰预测的难题。
Description
技术领域
本发明属于电磁兼容测试研究领域，更具体地，涉及一种雷达干扰环境等效物理模拟方法及装置。
背景技术
近年来，由于信息技术的不断发展和能力需求的不断提升，使得平台电磁兼容性设计成为难点。虽然我国在船舶电磁兼容性设计、试验和控制措施方面取得了一定进展，且建立起了较完善的设备、分系统电磁兼容性验证体系，对设备和分系统的电磁环境适应性特性也进行了大量的测试研究，许多电磁兼容问题可以通过仿真预测、缩比模型预测或分系统联调测试的手段在设计阶段提前化解，但由于大型平台信息设备复杂化、布置空间集成化，对集成布置下大功率设备的辐射场分布、杂散特性以及敏感设备的各级敏感响应预测水平要求越来越高，若在设计阶段不能通过有效的预测手段对船舶平台电磁兼容性问题进行分析并提出针对性的解决方案，就不能完全有效地控制全船电磁兼容性风险，可能产生的电磁干扰将严重制约船载信息装备功能和效力的正常发挥。
目前针对大型平台系统集成布置下的潜在敏感设备的电磁敏感响应试验预测技术尚存短板。飞机、战车的干扰性预测试验可以在大型屏蔽暗室内开展研究，但船舶尺寸大，系统复杂，不可能在屏蔽暗室中进行，在设计之初也无法开展大型陆上联调试验。
因此，迫切需要通过等效电磁环境模拟以及等效敏感响应测试，将各个分立的设备或系统联系起来，结合集成布置的等效模拟，就可以在设计阶段灵活预测各种可能的电磁干扰情况，及时调整并迭代设计验证，满足大型船舶平台总体电磁兼容性设计和试验验证的需求。然而，目前通过物理模拟手段构建雷达干扰环境并进行敏感响应测试的试验方法尚属空白，在此种情况下，如何通过物理模拟手段构建雷达干扰环境并进行敏感响应测试是目前亟需解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种雷达干扰环境等效物理模拟方法及装置，由此解决如何通过物理模拟手段构建雷达干扰环境并进行敏感响应测试的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种雷达干扰环境等效物理模拟方法，包括：
(1)根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，进行设备间干扰性初步预测分析，得到存在干扰关系的设备对，其中，所述存在干扰关系的设备对中包括干扰源雷达和敏感设备；
(2)获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度，将所述电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，然后根据所述物理模拟信号强度，并结合所述干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；
(3)根据喇叭天线的波束宽度和所述敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据所述电场强度、所述干扰源雷达的特征参数及所述最小试验距离，对所述等效干扰环境中的等效电场强度进行校准，以实现所述干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟，其中，所述喇叭天线用于实现模拟射频信号的空间辐射。
优选地，步骤(2)包括：
(2.1)获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度；
(2.2)根据所述干扰源雷达的发射信号参数和干扰状态，生成所述干扰源雷达的基带信号，以实现对干扰环境的在基带信号层面上的时域/频域特征等效模拟；
(2.3)基于所述干扰源雷达的基带信号，通过矢量调制技术模拟生成和所述干扰源雷达相应的模拟射频小信号；
(2.4)对所述模拟射频小信号进行功率放大，然后通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，以实现对干扰环境的能量/极化域特征等效模拟。
优选地，所述喇叭天线极化与所述干扰源雷达极化一致。
优选地，由L＝max(L1，L2)确定所述最小试验距离，其中，L1＞H/2/tan(θ/2)，
θ表示所述喇叭天线的E面波束宽度，
表示所述喇叭天线的H面波束宽度，W表示所述敏感设备的天线的水平宽度，H表示所述敏感设备的天线的垂直高度。
优选地，由E＝k+P+107确定通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，其中，k是天线系数，P为接收喇叭天线接受的功率。
按照本发明的另一方面，提供了一种雷达干扰环境等效物理模拟装置，包括：
干扰预测模块，用于根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，进行设备间干扰性初步预测分析，得到存在干扰关系的设备对，其中，所述存在干扰关系的设备对中包括干扰源雷达和敏感设备；
等效干扰环境构建模块，用于获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度，将所述电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，然后根据所述物理模拟信号强度，并结合所述干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；
等效干扰环境校准模块，用于根据喇叭天线的波束宽度和所述敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据所述电场强度、所述干扰源雷达的特征参数及所述最小试验距离，对所述等效干扰环境中的等效电场强度进行校准，以实现所述干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟，其中，所述喇叭天线用于实现模拟射频信号的空间辐射。
优选地，所述等效干扰环境构建模块包括：
电磁环境预测模块，用于获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度；
基带信号生成模块，用于根据所述干扰源雷达的发射信号参数和干扰状态，生成所述干扰源雷达的基带信号，以实现对干扰环境的在基带信号层面上的时域/频域特征等效模拟；
矢量信号生成模块，用于基于所述干扰源雷达的基带信号，通过矢量调制技术模拟生成和所述干扰源雷达相应的模拟射频小信号；
功率放大模块，用于对所述模拟射频小信号进行功率放大，然后通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，以实现对干扰环境的能量/极化域特征等效模拟。
优选地，所述喇叭天线极化与所述干扰源雷达极化一致。
优选地，由L＝max(L1，L2)确定所述最小试验距离，其中，L1＞H/2/tan(θ/2)，
θ表示所述喇叭天线的E面波束宽度，
表示所述喇叭天线的H面波束宽度，W表示所述敏感设备的天线的水平宽度，H表示所述敏感设备的天线的垂直高度。
优选地，由E＝k+P+107确定通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，其中，k是天线系数，P为接收喇叭天线接受的功率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：采用等效物理模拟的方法，通过准确模拟干扰环境，能够解决在大型船舶设计之初，无法开展电子设备集成后干扰预测的难题；结合电子设备集成布置的等效模拟，通过干扰预测可及时调整布置方案，并迭代设计验证。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种雷达干扰环境等效物理模拟方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于设备等效环境模拟的干扰性试验配置示意图；
图3是本发明实施例提供的一种干扰雷达与敏感雷达的相对布置位置示意图；
图4是本发明实施例提供的一种等效环境模拟的工作流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种模拟产生的非线性调频信号时域波形图，其中，(a)表示非线性调频信号全貌，(b)表示非线性调频信号脉内特征；
图6是本发明实施例提供的一种模拟产生的干扰环境频谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明以大型船舶平台的电磁兼容设计为背景，提出了一种等效的雷达电磁干扰环境物理模拟方法及装置，模拟各种干扰源的辐射电磁环境特性，为潜在敏感设备的敏感响应试验提供电磁环境条件，增强干扰性预测的灵活性和便利性，可为平台集成环境下雷达设备的电磁环境敏感性测试提供等效干扰电磁环境，为大型船舶平台电磁兼容性迭代设计提供数据支撑。
如图1所示是本发明实施例提供的一种雷达干扰环境等效物理模拟方法的流程示意图，包括以下步骤：
S1：根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，进行设备间干扰性初步预测分析，得到存在干扰关系的设备对，其中，该存在干扰关系的设备对中包括干扰源雷达和敏感设备；
S2：获取干扰源雷达工作时在敏感设备的天线口面处的电场强度，将电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，然后根据物理模拟信号强度，并结合干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；
在本发明实施例中，步骤S2的具体实现方式为：
S2.1：获取干扰源雷达工作时在敏感设备的天线口面处的电场强度；
S2.2：根据干扰源雷达的发射信号参数和干扰状态，生成干扰源雷达的基带信号，以实现对干扰环境的在基带信号层面上的时域/频域特征等效模拟；
其中，干扰源雷达的发射信号参数包括：脉宽、脉冲上升沿和下降沿、重频及脉内调制样式等；干扰源雷达的干扰状态包括：主频和谐波。
S2.3：基于干扰源雷达的基带信号，通过矢量调制技术模拟生成和干扰源雷达相应的模拟射频小信号；
其中，在硬件实现上可以通过矢量信号源实现步骤S2.3的功能，即将干扰源基带信号下载到矢量信号源中，并控制矢量信号源调制到与干扰源雷达相应的载波频率上。
S2.4：对模拟射频小信号进行功率放大，然后通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，以实现对干扰环境的能量/极化域特征等效模拟。
其中，在硬件实现上可以通过功率放大器对模拟射频小信号进行功率放大。
其中，喇叭天线极化与干扰源雷达极化一致，以实现对干扰环境的极化/能量域特征等效模拟。
S3：根据喇叭天线的波束宽度和敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据电场强度、干扰源雷达的特征参数及最小试验距离，对等效干扰环境中的等效电场强度进行校准，以实现干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟，其中，喇叭天线用于实现模拟射频信号的空间辐射。
其中，干扰源雷达的特征参数包括：脉宽、脉冲上升沿和下降沿、重频、脉内调制样式、工作频率及极化等。
在本发明实施例中，根据宽带喇叭天线的波束宽度和敏感设备天线的尺寸确定最小试验距离。假设宽带喇叭天线的E面和H面波束宽度分别为θ和
敏感设备天线水平宽度和垂直高度分别为W和H，那么分别根据敏感设备天线水平宽度W和垂直高度H获得实现均匀照射的两个约束距离分别为：
L1＞H/2/tan(θ/2)
那么实现均匀照射的最小距离L为：
L＝max(L1，L2)
在本发明实施例中，根据干扰源雷达工作时在敏感设备的天线口面处的电场强度、干扰源特征参数和最小试验距离L，开展等效电场强度的校准。校准配置图如图2所示，首先通过等效电磁环境模拟软件控制宽带矢量信号源实现等效干扰源的模拟，其中，功率放大器增益调到最大，改变矢量信号源的幅度，以产生试验所需的电场强度；电场强度的监测通过接收喇叭天线和频谱分析仪实现，电场强度的计算公式为：
E＝k+P+107
其中，E的单位为dBμV/m，k是天线系数的单位为dB/m，P为接收喇叭天线接受的功率的单位为dBm。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种雷达干扰环境等效物理模拟装置，包括：
干扰预测模块，用于根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，进行设备间干扰性初步预测分析，得到存在干扰关系的设备对，其中，存在干扰关系的设备对中包括干扰源雷达和敏感设备；
等效干扰环境构建模块，用于获取干扰源雷达工作时在敏感设备的天线口面处的电场强度，将电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，然后根据物理模拟信号强度，并结合干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；
在本发明实施例中，等效干扰环境构建模块包括：
电磁环境预测模块，用于获取干扰源雷达工作时在敏感设备的天线口面处的电场强度；
基带信号生成模块，用于根据干扰源雷达的发射信号参数和干扰状态，生成干扰源雷达的基带信号，以实现对干扰环境的在基带信号层面上的时域/频域特征等效模拟；
矢量信号生成模块，用于基于干扰源雷达的基带信号，通过矢量调制技术模拟生成和干扰源雷达相应的模拟射频小信号；
其中，在硬件实现上，可以通过矢量信号源实现矢量信号生成模块的功能。
功率放大模块，用于对模拟射频小信号进行功率放大，然后通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，以实现对干扰环境的能量/极化域特征等效模拟。
其中，在硬件实现上，可以通过功率放大器实现功率放大模块的功能。
等效干扰环境校准模块，用于根据喇叭天线的波束宽度和敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据电场强度、干扰源雷达的特征参数及最小试验距离，对等效干扰环境中的等效电场强度进行校准，以实现干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟，其中，喇叭天线用于实现模拟射频信号的空间辐射。
其中，各模块的具体实施方式可以参考方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
采用本发明的等效环境模拟方法，构建了某雷达1的干扰电磁环境。
具体步骤如下：
(1)根据工作频率约束关系选择雷达干扰对，干扰雷达1与敏感雷达2的相对位置关系如图3所示，经计算得到干扰雷达1在敏感雷达2口面处的辐射场强值为400V/m；
(2)以计算的辐射场强值为输入，构建了以矢量信号生成模块、功率放大模块、喇叭天线、基带信号生成模块和电磁环境预测模块为基础的电磁环境信号模拟生成系统，如图4所示，其中，矢量信号生成模块实现雷达波形数据的DAC处理和模拟信号的I/Q调制及射频信号输出，功率放大模块实现弱射频信号的功率放大，喇叭天线实现模拟射频信号的空间辐射；
在本发明实施例中，矢量信号生成模块的功能在硬件上可以通过矢量信号源实现，功率放大模块的功能在硬件上可以通过功率放大器实现，基带信号生成模块的功能可以通过在控制计算机中内嵌的复杂电磁环境物理模拟软件实现。
(3)通过基带信号生成模块可以参数化建模的方式产生特定的离散信号，即采用软件定义的方式实现复杂调制基带信号的产生，通过LAN口将复杂基带信号下载到矢量信号生成模块中，同时控制矢量信号生成模块的载频和输出幅度，最终实现复杂射频信号的生成；
(4)模拟干扰雷达1的辐射波形：非线性调频信号的脉宽为0.1ms，脉冲周期为2ms，即重频为0.5kHz，线性调频带宽为0.5MHz，非线性调频带宽为0.5MHz，载波频率为4GHz，实际产生的模拟信号波形如图5所示，其中，(a)表示非线性调频信号全貌，(b)表示非线性调频信号脉内特征；
(5)经试验最小距离换算、初始等效电场强度的校准等步骤，最终在敏感雷达2位置处，经测试模拟产生的干扰环境频谱图如图6所示，实现了干扰雷达1的干扰电磁环境物理模拟。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种雷达干扰环境等效物理模拟方法，其特征在于，包括：
(1)根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，进行设备间干扰性初步预测分析，得到存在干扰关系的设备对，其中，所述存在干扰关系的设备对中包括干扰源雷达和敏感设备；
(2)获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度，将所述电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，然后根据所述物理模拟信号强度，并结合所述干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；
(3)根据喇叭天线的波束宽度和所述敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据所述电场强度、所述干扰源雷达的特征参数及所述最小试验距离，对所述等效干扰环境中的等效电场强度进行校准，以实现所述干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟，其中，所述喇叭天线用于实现模拟射频信号的空间辐射，其中，由L＝max(L1，L2)确定所述最小试验距离，其中，L1＞H/2/tan(θ/2)，
θ表示所述喇叭天线的E面波束宽度，
表示所述喇叭天线的H面波束宽度，W表示所述敏感设备的天线口面的水平宽度，H表示所述敏感设备的天线口面的垂直高度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2.1)获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度；
(2.2)根据所述干扰源雷达的发射信号参数和干扰状态，生成所述干扰源雷达的基带信号，以实现对干扰环境的在基带信号层面上的时域/频域特征等效模拟；
(2.3)基于所述干扰源雷达的基带信号，通过矢量调制技术模拟生成和所述干扰源雷达相应的模拟射频小信号；
(2.4)对所述模拟射频小信号进行功率放大，然后通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，以实现对干扰环境的能量/极化域特征等效模拟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述喇叭天线极化与所述干扰源雷达极化一致。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由E＝k+P+107确定通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，其中，k是天线系数，P为接收喇叭天线接受的功率。
5.一种雷达干扰环境等效物理模拟装置，其特征在于，包括：
干扰预测模块，用于根据雷达间的相对布置位置关系、工作频率约束关系及敏感设备干扰阈值，进行设备间干扰性初步预测分析，得到存在干扰关系的设备对，其中，所述存在干扰关系的设备对中包括干扰源雷达和敏感设备；
等效干扰环境构建模块，用于获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度，将所述电场强度作为干扰电磁环境中的物理模拟信号强度，然后根据所述物理模拟信号强度，并结合所述干扰源雷达的辐射波形构建等效干扰环境；
等效干扰环境校准模块，用于根据喇叭天线的波束宽度和所述敏感设备的天线尺寸确定最小试验距离，根据所述电场强度、所述干扰源雷达的特征参数及所述最小试验距离，对所述等效干扰环境中的等效电场强度进行校准，以实现所述干扰源雷达的干扰电磁环境物理模拟，其中，所述喇叭天线用于实现模拟射频信号的空间辐射，其中，由L＝max(L1，L2)确定所述最小试验距离，其中，L1＞H/2/tan(θ/2)，
θ表示所述喇叭天线的E面波束宽度，
表示所述喇叭天线的H面波束宽度，W表示所述敏感设备的天线口面的水平宽度，H表示所述敏感设备的天线口面的垂直高度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述等效干扰环境构建模块包括：
电磁环境预测模块，用于获取所述干扰源雷达工作时在所述敏感设备的天线口面处的电场强度；
基带信号生成模块，用于根据所述干扰源雷达的发射信号参数和干扰状态，生成所述干扰源雷达的基带信号，以实现对干扰环境的在基带信号层面上的时域/频域特征等效模拟；
矢量信号生成模块，用于基于所述干扰源雷达的基带信号，通过矢量调制技术模拟生成和所述干扰源雷达相应的模拟射频小信号；
功率放大模块，用于对所述模拟射频小信号进行功率放大，然后通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，以实现对干扰环境的能量/极化域特征等效模拟。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述喇叭天线极化与所述干扰源雷达极化一致。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，由E＝k+P+107确定通过喇叭天线辐射产生符合要求强度的电磁环境，其中，k是天线系数，P为接收喇叭天线接受的功率。
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