CN111198303A - 一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法 - Google Patents

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CN111198303A CN201811375537.0A CN201811375537A CN111198303A CN 111198303 A CN111198303 A CN 111198303A CN 201811375537 A CN201811375537 A CN 201811375537A CN 111198303 A CN111198303 A CN 111198303A
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刘其凤
吴为军
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Abstract

本发明公开了一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，包括以下步骤：根据海上平台编队内大功率辐射源安装高度位置，计算大功率辐射源近区初始场分布；然后基于二维标量波动方程，建立大功率辐射源编队内前向传播模型；基于近海面大气特性分析，建立近海面大气折射率模型；计算考虑海面电磁介质特性和近海面大气折射特性影响的传播衰减因子；最后结合舰载大功率辐射源方向图特征，求解辐射源多平台编队内远场处的电磁环境。本发明方法能快速预测出复杂气象条件下水面平台编队内敏感设备出的电磁环境参数，为进一步开展敏感设备干扰响应准确预测和分析提供了电磁环境输入。

Description

一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法
技术领域
本发明涉及电磁兼容技术，尤其涉及一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法。
背景技术
随着新型装备的技术进步，水面多平台系统组合使用已成为海军平台的主要运用方式，用于充分发挥各平台的作战能力。随着各种水面平台上用频装备发射功率的增大、频谱的扩宽、用频装备数量的持续增加等因素，海上平台面临的电磁环境越发越复杂，平台间的电磁干扰问题变得异常复杂。否则，一旦存在电磁干扰，势必破坏多平台整体的作战能力，严重影响海上遂行作战任务。为使编队各平台能在复杂的多平台内电磁环境下十分可靠而密切协调地工作，必须消除整个多水面平台系统各大功率辐射源设备和高灵敏度敏感设备相互干扰带来的影响，即保证整个多平台系统的电磁兼容性。
为此，就需要针对多海上平台系统内电磁环境主要因素的雷达、通信及干扰机等大功率用频装备，建立大功率辐射源多平台系统内远场准确计算方法，准确预测多平台系统内大功率辐射源在高灵敏度敏感设备处的电磁环境，进而分析敏感设备干扰响应，为控制电磁干扰，妥善解决电磁兼容性问题奠定基础。考虑到海上平台大功率辐射源安装高度限制，其辐射场在多海上平台系统内电磁环境时极易受到近海面反射、散射等影响，在多海上平台系统内大功率辐射源远场计算模型中必须适当考虑近海面反射、散射等影响。
本发明针对这一挑战，提出一种考虑海面电磁介质特性和近海面大气折射特性影响的基于二维抛物线算法的多海上平台系统内大功率辐射源远场预测方法，能够通过建立考虑了近海面粗糙反射影响的电磁波前向传播模型预测观测点处大功率辐射源远场强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，包括以下步骤：
1)根据舰载大功率辐射源安装高度位置和方向性特征，计算大功率辐射源初始场分布；
2)根据辐射源信号特点，建立近海面大气折射率模型；
3)根据多平台系统内辐射源电磁信号传播特点，建立大功率辐射源电磁信号前向传播模型；
4)基于海面电介质特性的Leontovich阻抗边界和近海面大气折射率模型，建立基于混合傅立叶离散算法的编队辐射源电磁信号前向传播模型的快速算法，并计算考虑近海面大气影响的传播衰减因子；
5)根据近海面大气影响的传播衰减因子，计算观测点处的预测场强。
按上述方案，所述步骤1)中计算大功率辐射源初始场分布，具体如下：
首先建立二维无界空间中的格林函数，然后通过此格林函数求得发射天线在自由空间的远场分布，再通过近远场变换，得到辐射源在二维均匀无界空间中的初始场分布，再利用几何光学中的双射线模型将无界空间中的初始场分布转换成地表以上半空间中的场分布，从而最终得到所需的辐射源初始场，计算公式如下：
Figure BDA0001870618240000031
其中：k0为自由空间传播常数，A(α)为天线方向图函数，α为天线仰角， R||or⊥为海面垂直或水平反射系数，反映了海水对编队辐射源电磁信号的反射作用，Ht为天线架设高度。
按上述方案，所述步骤2)中近海面大气折射率模型如下：
Figure BDA0001870618240000032
其中：N0为地面折射率，dN/dh为折射率在高度上的梯度，h为高度；
N＝(n-1)×106， (3)
n为大气折射指数，N为折射率。
按上述方案，所述步骤3)中大功率辐射源电磁信号前向传播模型如下：
Figure BDA0001870618240000041
式中，Q称为伪微分算子，且
Figure BDA0001870618240000042
其中，k0＝2π/λ为真空中的传播常数，
Figure BDA0001870618240000043
为大气媒质指数，εr＝ε/ε0为媒质的相对介电常数，ε和ε0分别为媒质和真空的介电常数；此处的媒质为大气。
按上述方案，所述步骤4)中计算传播衰减因子PL的计算公式如下：
PL(x,z)＝|u(x,z)/u0(x0,z)|
其中，u为辐射源发射点处的场强分布，u0为观测点处的场强。
按上述方案，所述步骤4)中，计算传播衰减因子具体如下：
4.1)利用公式(1)，计算二维抛物线方程法初始场分布；
4.2)计算辅助函数g(x0,mΔz)
g(x0,mΔz)＝u(x,m+1)-u(x,m-1)/2Δz+βu(x0,mΔz)m＝1:N-1
4.3)计算辅助变量C1(x0),C2(x0)
Figure BDA0001870618240000051
Figure BDA0001870618240000052
4.4)利用正弦变化计算变换域函数U(x0,jp)
Figure BDA0001870618240000053
4.5)考虑到障碍物的绕射效应，计算U(x0+Δx,jp)
Figure BDA0001870618240000054
4.6)进行逆离散正弦变换，求出g(x0+Δx,mΔz)
Figure BDA0001870618240000055
4.7)由g(x0+Δx,mΔz)计算一些中间变量up(x0+Δx,mΔz),
B1(x0+Δx),B2(x0+Δx)
(a)计算up(x0+Δx,mΔz),
利用后向递归算法求解下列方程
Figure BDA0001870618240000056
(b)计算B1(x0+Δx),B2(x0+Δx)
Figure BDA0001870618240000061
4.8)计算空间步进Δx后的场分布u(x0+Δx,mΔz)
u(x0+Δx,mΔz)＝up(x0+Δx,mΔz)+B1(x0+Δx)rm+B2(x0+Δx)(-r)N-m
4.9)考虑空间介质折射项目，计算下一个步进的初始场分布
u(x0+2Δx,mΔz)|初始＝exp(jk0(n-1)Δx)u(x0+Δx,mΔz)|
4.10)重复步骤4.2)～4.10)迭代步进到拟计算区域处的，获取整个计算区域内的场分布；
4.11)根据迭代后的u(x,z)，计算传播衰减因子PL。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明不依赖于多平台系统内辐射源天线的类型，均可采用本计算方法来快速预测大功率辐射源天线在系统内远场处的场强。
2、本发明通过引入海水阻抗边界模型和近海面大气折射率模型，充分考虑了海面非纯导体的表面特性、近场面大气折射、反射等对舰载大功率辐射源远场分布的影响。
3、本发明通过将舰载辐射源方向性测试数据引入到大功率辐射源初始场分布、辐射场强计算模型中，真实反映了辐射源空域辐射特征、扫描方式等因素对多平台系统内电磁环境分布的影响。
4、本发明考虑到海上平台上辐射源电磁信号前向传播模型为抛物线方程特点，采用了基于离散混合傅立叶变换的快速计算方法，大大提升了多平台系统内辐射源电磁信号前向传播模型的计算效率；
5、本发明建立的考虑了近海面影响的舰载雷达远场计算方法，和全波数值预测方法相比，能从物理层面直观揭示了多平台系统内大功率前向传播受海面影响的物理机制。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的辐射源电磁信号传播模型分布傅立叶解计算流程图；
图2是本发明实施例的近海面引起的传输因子随高度变化的示意图；
图3是本发明实施例的场强随敏感设备高度变化的场强分布示意图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，根据海上平台编队内大功率辐射源安装高度位置，计算大功率辐射源近区初始场分布。然后基于二维标量波动方程，建立大功率辐射源编队内前向传播模型，基于近海面大气特性分析，建立近海面大气折射率模型。进一步根据辐射源雷达和观测点相对位置，利用基于混合傅立叶离散算法的二维抛物线算法计算考虑海面电磁介质特性和近海面大气折射特性影响的传播衰减因子，最后结合舰载大功率辐射源方向图特征，求解辐射源多平台编队内远场处的电磁环境。
具体包括以下步骤：
(1)根据大功率辐射源安装高度位置和方向性特征，计算大功率辐射源初始场分布。
首先建立二维无界空间中的格林函数，然后通过此格林函数求得发射天线在自由空间的远场分布，再通过近远场变换，得到辐射源在二维均匀无界空间中的初始场分布，再利用几何光学中的双射线模型将无界空间中的初始场分布转换成地表以上半空间中的场分布，从而最终得到所需的辐射源初始场，计算公式如下：
Figure BDA0001870618240000081
其中：k0为自由空间传播常数；A(α)为天线方向图函数，为已知量；α为天线仰角；R||or⊥为海面垂直或水平反射系数，反映了海水对编队辐射源电磁信号的反射作用；Ht为天线架设高度。
(2)根据辐射源信号特点，建立近海面大气折射率模型。
考虑到大功率辐射源电磁信号多平台系统内传播会受到近海面大气的影响，这种影响可以用大气折射指数n来描述。一般来说，n具有非均匀的空间分布，这就使得无线电波在大气中的传播速度要小于光速，并呈现相应的空间变化，从而引起波阵面的偏转。
大量的测试表明，近海面大气在垂直方向的变化要比其在水平方向的变化大1至3个量级，因此，在编队距离范围内，可以忽略大气水平方向的变化，而将近海面大气视为球面分层结构，从而大气折射指数可以简化为只与离地高度h相关的函数，即n＝n(h)。
尽管n分布各异，但通常都非常接近于1。一般来说，海面上 n≈1.00026～1.00046之间。为了便于研究和应用，通常采用折射率N来反映大气结构，它与n之间的关系为
N＝(n-1)×106 (2)
考虑到多平台系统内大功率辐射源远场计算在水平高度上在几十米高度范围内，根据近海面大气球面分层的特点，对多平台系统内大功率辐射源传播路径上大气折射率用建立线性模型，如下：
Figure BDA0001870618240000101
其中：N0为地面折射率，dN/dh为折射率在高度上的梯度，h表示离地高度，单位为km。当dN/dh≈-40N/km时，就是所谓的标准大气环境。
(3)根据多平台系统内辐射源电磁信号传播特点，建立大功率辐射源电磁信号前向传播模型。
在直角坐标系下，若为水平极化波，只有Ey为非零的电场分量,定义ψ(x,z)＝Ey；对于垂直极化波，只有Hy为非零的磁场分量，ψ(x,z)＝Hy。电波传播过程中，ψ(x,z)满足以下二维标量波动方程
Figure BDA0001870618240000102
式中，k0＝2π/λ为真空中的传播常数，
Figure BDA0001870618240000103
为媒质的折射指数，εr＝ε/ε0为媒质的相对介电常数，ε和ε0分别为媒质和真空的介电常数。
直角坐标系中，求解波动方程所用的谐函数通常为e-jkx形式，因此，可定义沿x轴正向传播的波函数为
Figure BDA0001870618240000104
将(5)带入(4)中，可得：
Figure BDA0001870618240000111
考虑到编队辐射源电磁信号传播过程中，折射指数n几乎不随距离x变化，即
Figure BDA0001870618240000112
则可以将式(6)分解为两个关于x的抛物方程：
Figure BDA0001870618240000113
Figure BDA0001870618240000114
式中，Q称为伪微分算子，且
Figure BDA0001870618240000115
式(7a)就是直角坐标系下的编队辐射源电磁信号前向传播模型，从其数学方程角度看，其为典型的二维抛物线方程形式。
(4)基于海面电介质特性的Leontovich阻抗边界和近海面大气折射率模型，建立基于混合傅立叶离散算法的编队辐射源电磁信号前向传播模型的快速算法，并计算考虑近海面大气影响的传播衰减因子PL。
由于海面非纯导体的表面，对于有限导电表面，横电磁波需要满足 Leontovich阻抗边界条件：
Figure BDA0001870618240000116
其中：对于垂直极化
Figure BDA0001870618240000121
对于水平极化
Figure BDA0001870618240000122
Figure BDA0001870618240000123
εr是海面的复合介电常数，εs、σ是海面的相对介电常数与导电率。
为了满足Leontovich阻抗边界条件(8)，引入混合Fourier正变换和逆变换为：
Figure BDA0001870618240000124
Figure BDA0001870618240000125
Figure BDA0001870618240000126
那么，基于公式(9)定义的混合Fourier变换，可以得到(7a)的分布混合Fourier步进解为：
Figure BDA0001870618240000127
值得注意的是因子K(x)只在Re(α)为正数时出现，表示传播中随高度与距离指数衰减的波；
将公式(9)(10)在离散域进行处理，建立如图1所示的算法流程，具体计算过程如下：
①利用公式1，计算二维抛物线方程法初始场分布。
②计算辅助函数g(x0,mΔz)
g(x0,mΔz)＝u(x,m+1)-u(x,m-1)/2Δz+αu(x0,mΔz)m＝1:N-1 (11)
其中：x0表示辐射源所在初始位置，x表示辐射源辐射场沿着传播方向的坐标；ΔZ表示垂直于传播方向上，即z方向上的空间采样间隔；m表示z方向上离散空间数；N表示z方向上离散空间总数；α已在公式(8)中进行了定义。
③计算辅助变量的初始值C1(x0),C2(x0)和步进值；
Figure BDA0001870618240000131
Figure BDA0001870618240000132
Figure BDA0001870618240000133
Figure BDA0001870618240000134
其中，r为二元二次方程方程r2+2rβΔz-1＝0中模值小于的解；
A通过A＝2(1-r2)/[(1+r2)(1-r2N)]进行求解；∑'表示在求和过程中，m＝0,m＝N这两项要乘以0.5；i表示虚数单位，i2＝-1；Δx表示传播方向上，即x 方向上的空间采样间隔；
④利用正弦变化计算变换域函数U(x0,jp)
Figure BDA0001870618240000141
其中，Δp＝π/(NΔz)。
⑤考虑到障碍物的绕射效应，计算U(x0+Δx,jp)
Figure BDA0001870618240000142
其中：x0,Δx,j,Δp,k0的含义已在步骤②到④中进行定义。
⑥进行逆离散正弦变换，求出g(x0+Δx,mΔz)
Figure BDA0001870618240000143
其中：x0,Δx,j,Δp,k0的含义已在步骤②到④中进行定义。
⑦由g(x0+Δx,mΔz)计算一些中间变量up(x0+Δx,mΔz),
B1(x0+Δx),B2(x0+Δx)。
(a)计算up(x0+Δx,mΔz),
利用后向递归算法求解下列方程
Figure BDA0001870618240000151
(b)计算B1(x0+Δx),B2(x0+Δx)
Figure BDA0001870618240000152
其中：x0,Δx,j,Δp,k0，∑'的含义已在步骤②到④中进行定义。
⑧计算空间步进Δx后的场分布u(x0+Δx,mΔz)
u(x0+Δx,mΔz)＝up(x0+Δx,mΔz)+B1(x0+Δx)rm+B2(x0+Δx)(-r)N-m (18)
其中：x0,Δx,m,Δz,r的含义已在步骤②到④中进行定义。。
⑨考虑空间介质折射项目，计算下一个步进的初始场分布
u(x0+2Δx,mΔz)|初始＝exp(jk0(n-1)Δx)u(x0+Δx,mΔz)| (19)
其中：x0,Δx,m,Δz,n的含义已在步骤②到④中进行定义。
⑩重复步骤2)～10)迭代步进到拟计算区域处的，获取整个计算区域内的场分布。
最后，根据迭代后的u(x,z)，计算传播衰减因子PL
PL(x,z)＝|u(x,z)/u0(x0,z)| (20)
其中u为辐射源发射点处的场强分布，u0为观测点处的场强。
(5)根据近海面大气影响的传播衰减因子，计算观测点处的预测场强。假设辐射源功率为P,观测点方向上增益为G，辐射源距离观测点距离为R，那么观测点处的场强为：
Figure BDA0001870618240000161
仿真计算信息如下：某海上平台大功率辐射源高度为45m，辐射功率为100kW，工作频率2.5GHz，距离观测敏感设备距离6km，增益为35dB，辐射源3dB波束宽度为3度，辐射仰角为0度，海面的相对介电常数为1，导电率为80s/m。
根据提出的基于二维抛物线算法的多平台系统内雷达远场预测方法，计算了观测点高度变化的传输因子，如图2所示以及海上平台雷达场环境分布曲线，如图3所示。为了进行比较，图中也给出了光学方法的结果。从图2和图3可见，近海面引起的传播因子和雷达远场场强均随着监测点高度变换进行剧烈振荡变化，特别是传输因子随高度变化范围可达20dB以上，相应敏感位置处场强也剧烈变化。
本发明提供了一种具有广泛适用性的基于离散混合傅立叶变换算法的水面平台上大功率辐射源编队内辐射环境分布特性预测方法，该方法通过建立 Leontovich阻抗边界条件、近海面大功率辐射源传播路径上的大气折射率等模型来描述海水反射特性及近海面分层大气等对近海面雷达辐射远场分布特性的影响，并且建立基于混合傅立叶的前向传播模型快速计算方法，能快速预测出复杂气象条件下水面平台编队内敏感设备出的电磁环境参数，为进一步开展敏感设备干扰响应准确预测和分析提供了电磁环境输入。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据舰载大功率辐射源安装高度位置和方向性特征，计算大功率辐射源初始场分布；
2)根据辐射源信号特点，建立近海面大气折射率模型；
3)根据多平台系统内辐射源电磁信号传播特点，建立大功率辐射源电磁信号前向传播模型；
4)基于海面电介质特性的Leontovich阻抗边界和近海面大气折射率模型，建立基于混合傅立叶离散算法的编队辐射源电磁信号前向传播模型的快速算法，并计算考虑近海面大气影响的传播衰减因子；
5)根据近海面大气影响的传播衰减因子，计算观测点处的预测场强。
2.根据权利要求1所述的编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，其特征在于，所述步骤1)中计算大功率辐射源初始场分布，具体如下：
首先建立二维无界空间中的格林函数，然后通过此格林函数求得发射天线在自由空间的远场分布，再通过近远场变换，得到辐射源在二维均匀无界空间中的初始场分布，再利用几何光学中的双射线模型将无界空间中的初始场分布转换成地表以上半空间中的场分布，从而最终得到所需的辐射源初始场，计算公式如下：
Figure FDA0001870618230000021
其中：k0为自由空间传播常数，A(α)为天线方向图函数，α为天线仰角，R||or⊥为海面垂直或水平反射系数，反映了海水对编队辐射源电磁信号的反射作用，Ht为天线架设高度。
3.根据权利要求1所述的编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，其特征在于，所述步骤2)中近海面大气折射率模型如下：
Figure FDA0001870618230000022
其中：N0为地面折射率，dN/dh为折射率在高度上的梯度，h为高度；
N＝(n-1)×106， (3)
n为大气折射指数，N为折射率。
4.根据权利要求1所述的编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，其特征在于，所述步骤3)中大功率辐射源电磁信号前向传播模型如下：
Figure FDA0001870618230000023
式中，Q称为伪微分算子，且
Figure FDA0001870618230000031
其中，k0＝2π/λ为真空中的传播常数，
Figure FDA0001870618230000032
为媒质折射指数，εr＝ε/ε0为媒质的相对介电常数，ε和ε0分别为媒质和真空的介电常数。
5.根据权利要求1所述的编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，其特征在于，所述步骤4)中计算传播衰减因子PL的计算公式如下：
PL(x,z)＝|u(x,z)/u0(x0,z)|
其中，u为辐射源发射点处的场强分布，u0为观测点处的场强。
6.根据权利要求5所述的编队内舰载辐射源电磁环境分布特性预测方法，其特征在于，所述步骤4)中，计算传播衰减因子为根据辐射源雷达和观测点相对位置，利用基于混合傅立叶离散算法的二维抛物线算法计算，具体如下：
4.1)利用公式(1)，计算二维抛物线方程法初始场分布；
4.2)计算辅助函数g(x0,mΔz)
g(x0,mΔz)＝u(x,m+1)-u(x,m-1)/2Δz+βu(x0,mΔz)m＝1:N-1
4.3)计算辅助变量C1(x0),C2(x0)
Figure FDA0001870618230000033
Figure FDA0001870618230000034
4.4)利用正弦变化计算变换域函数U(x0,jp)
Figure FDA0001870618230000041
4.5)考虑到障碍物的绕射效应，计算U(x0+Δx,jp)
Figure FDA0001870618230000042
4.6)进行逆离散正弦变换，求出g(x0+Δx,mΔz)
Figure FDA0001870618230000043
4.7)由g(x0+Δx,mΔz)计算一些中间变量up(x0+Δx,mΔz),
B1(x0+Δx),B2(x0+Δx)
(a)计算up(x0+Δx,mΔz),
利用后向递归算法求解下列方程
Figure FDA0001870618230000044
(b)计算B1(x0+Δx),B2(x0+Δx)
Figure FDA0001870618230000045
4.8)计算空间步进Δx后的场分布u(x0+Δx,mΔz)
u(x0+Δx,mΔz)＝up(x0+Δx,mΔz)+B1(x0+Δx)rm+B2(x0+Δx)(-r)N-m
4.9)考虑空间介质折射项目，计算下一个步进的初始场分布
u(x0+2Δx,mΔz)|初始＝exp(jk0(n-1)Δx)u(x0+Δx,mΔz)|
4.10)重复步骤4.2)～4.10)迭代步进到拟计算区域处的，获取整个计算区域内的场分布；
4.11)根据迭代后的u(x,z)，计算传播衰减因子PL。
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