接收机带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测方法与流程

本发明涉及电磁环境效应试验与评估技术领域，尤其涉及一种接收机带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测方法。

背景技术：
随着科学技术的不断发展，用频装备不断增加，战场电磁环境日益复杂，突出表现为辐射场强高、多辐射源并存等。复杂电磁环境是装备建设和军事斗争必须面对的客观现实。在复杂电磁环境下，各种电磁环境效应已经对装备的安全性以及生存能力构成了很大的影响。因此，复杂电磁环境下的装备效能评估方法研究，对于预测复杂电磁环境下的战备综合保障能力、提高装备战备完好率和任务成功率具有重要价值。需要注意的是，当前国内外电磁兼容标准所规定的辐射敏感度试验均是在单辐射源条件下开展的，试验得到的干扰、损伤临界场强不能代表受试设备在实际战场电磁环境下的生存能力，而在实际战场电磁环境下，用频装备面临的电磁辐射源在空域上纵横交错、时域上持续不断、频域上密集重叠、效能上随机多变，也就是说在绝大多数情况下面临的是多源同时辐射的情况。在这种情况下，如果辐射源的辐射频率、极化方向搭配合适，很有可能使通信装备在单源辐射效应评估的安全范围之内受到干扰。为了评价用频装备在复杂电磁环境下的辐射效应，一般可以利用实验室的半实物电磁环境模拟系统对用频装备进行相应的电磁环境效应试验。但是，战场电磁环境错综复杂，环境模拟根本难以穷尽，对于用频装备在未来战场上可能面临到的任意多源辐射组合的情况，不可能全部通过实验室的环境模拟和效应试验方法一一进行测试和评价。因此，很有必要对用频装备的多源电磁辐射效应预测方法进行深入研究。目前，国内外学者已经认识到传统辐射敏感度试验的不足，并开展了相应的研究。多个射频干扰已经用于军用飞机和数字电视接收器的测试中。KeithArmstrong分析了用于汽车功能安全的电磁兼容测试的不足之处，指出在电磁兼容测试中没有考虑同时出现的干扰。在实际的电磁环境中电磁干扰可能同时出现，包括两个或多个频率的射频干扰、一个辐射干扰加上一个传导干扰或静电脉冲等。同时出现的多个干扰会通过互调或检波过程产生新的频率成份，从而对受试设备产生干扰。MichelMardiguian指出通过单频敏感度测试的设备对多个同时出现的干扰信号更加敏感，尽管此时各个干扰信号的幅值要低于单频敏感度阈值。A.Duffy和A.Orlandi等人在混响室中用多源辐射敏感度试验测试了互调效应。WernerGrommes等人通过双源扫频的方法提出了针对互调效应的敏感度测试方法，但没有相关的试验验证。国内军械工程学院的程二威、赵国梁研究了多源连续波条件下电磁辐射敏感度规律。其他研究则主要从宏观出发，将复杂电磁环境中影响设备电磁环境效应因素均考虑在内，运用神经网络、混沌、模糊数学等统计分析方法，最终评估受试设备在复杂电磁环境下的生存能力。接收机作为典型的战场用频装备，是保障各作战单元和武器装备之间信息传递的重要工具和手段，在信息化战争中发挥着举足轻重的作用，因此有必要对接收机连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应评估方法进行深入研究。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种接收机带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测方法，所述方法通过建立带内双频连续波辐射大信号阻塞干扰效应预测模型，对接收机进行电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测，具有预测准确、方便、快速的优点。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种接收机带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测方法，其特征在于包括如下步骤：设输入信号为式中ud为干扰信号，us为有用信号；输入信号经过限幅器或者带通滤波器后为：式中Bd和Bs分别为限幅器或者滤波器对频率为ωd和ωs信号的幅频系数，Bd和Bs都是常数；输入信号进入接收机非线性器件后，非线性器件的输入输出信号之间的关系可以用幂级数表示：其中ui为输入信号，uo为输出信号，An(n＝0,1,2,…)是与系统转移特性有关的常数；将式(2)代入式(3)中得到：分解后得到直流分量：基波分量：由式(7)可知有用信号的增益为：根据式(8)可知单频干扰下有用信号增益为：其中，U'1、U'2为不同频率的两个干扰信号的敏感度阈值，当接收机受到两个正弦连续波干扰信号的干扰时，即输入信号为：u1、u2为不同频率的两个干扰信号，当接收机受到双频连续波干扰时，经过限幅器或者带通滤波器后得到：将式(12)代入到式(3)中得到：分解后得到直流分量：基波分量为：由式(17)可知有用信号增益为当接收机在不同频率、不同强度干扰信号作用下出现的大信号阻塞干扰效应现象相同时，即有用信号增益大小相同，表明此时不同组合形式的干扰信号对接收机的产生的影响程度相同；为此，联立式(9)(10)(18)得到：则有：由帕斯瓦尔恒等式可知正弦连续波信号平均功率为U2/(2R)，则上式可记作：其中，S为效应预测系数，P'1、P'2分别为接收机在单频f1、f2干扰作用下的功率敏感度阈值，P1、P2为接收机在f1、f2双频同时干扰作用下的功率组合；因此，对于给定的接收机通带内两个不同频率正弦连续波信号，若已知其各自单独辐射时大信号阻塞干扰效应功率敏感度阈值分别为P'1、P'2，则当两个频率正弦连续波同时作用于接收机时，P1、P2分别与P'1、P'2的比值之和S达到1时，接收机就可能产生相应的大信号阻塞干扰效应；反之，若S小于1，则接收机一定不会出现上述大信号阻塞干扰效应。进一步的技术方案在于：在单频连续波电磁辐射作用下，进行大信号阻塞干扰效应的试验方法如下：采用信号源产生单频干扰信号，经过功率放大后通过对数周期天线产生辐射场，在辐射场内布置发射电台和接收电台，并在发射电台与辐射天线之间连接衰减器，用于模拟两个电台之间远距离通信对信号的衰减，在接收电台一侧，接收天线和接收电台之间连接定向耦合装置，通过定向耦合装置的检测端口连接对点光纤信号传输系统，并通过点对点光纤信号传输系统连接频谱分析仪，通过频谱分析仪在远端监测接收电台主机输入端口处的前向功率；在测试时，发射电台发射正常通信信号，对数周期天线产生干扰辐射场对接收电台进行干扰，观察接收电台出现的大信号阻塞干扰效应现象，并通过频谱分析仪记录单频连续波电磁辐射作用下通信电台大信号阻塞干扰效应功率敏感度阈值。进一步的技术方案在于：所述点对点光纤信号传输系统包括电光转换器、传输光纤和光电转换器，所述电光转换器与传输光纤的一端连接，光电转换器与传输光纤的另一端连接。进一步的技术方案在于：在双频连续波干扰下进行大信号阻塞干扰效应的试验方法如下：两个信号源各自产生一个单频干扰信号，采用功率合成器将两个单频干扰信号经进行功率合成，合成的干扰信号经功率放大器放大后通过对数周期天线产生辐射场，在辐射场内布置发射电台和接收电台，并在发射电台与辐射天线之间连接衰减器，用于模拟两个电台之间远距离通信对信号的衰减，在接收电台一侧，接收天线和接收电台之间连接定向耦合装置，通过定向耦合装置的检测端口连接点对点光纤信号传输系统，并通过点对点光纤信号传输系统连接频谱分析仪，通过频谱分析仪在远端监测接收电台主机输入端口处的前向功率；在测试时，发射电台发射正常通信信号，对数周期天线产生两个单频干扰信号合成的干扰辐射场，对接收电台进行干扰，改变不同频率和功率组合进行试验，并通过频谱分析仪记录当通信电台出现大信号阻塞干扰效应时两个单频干扰信号的频率和功率，将测试的结果代入效应预测系数S的公式中，来验证接收机带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测方法的有效性。进一步的技术方案在于：所述点对点光纤信号传输系统包括电光转换器、传输光纤和光电转换器，所述电光转换器与传输光纤的一端连接，光电转换器与传输光纤的另一端连接。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过对接收机带内大信号阻塞干扰效应机理分析，建立带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型，并以超短波通信电台为受试对象，设计了通信电台大信号阻塞干扰效应试验方案。通过通信电台带内单频和双频连续波大信号阻塞干扰效应试验，研究了受试电台在带内双频不同权重组合作用下电磁辐射敏感度变化规律。试验结果表明：不同频率组合、不同功率强度组合下双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测系数S都在1左右，预测误差都在±3dB以内，试验验证了带内双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型的有效性。通过带内双频连续波大信号阻塞干扰效应预测模型，对接收机进行大信号阻塞干扰效应进行预测，具有预测准确、方便、快速的优点。附图说明图1是电磁干扰分类图；图2是通信电台单频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验配置图；图3工作频率为40MHz时通信电台单频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图；图4工作频率为60MHz时通信电台单频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图；图5工作频率为80MHz时通信电台单频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图；图6是通信电台双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验配置图；图7工作频率为40MHz时第一组通信电台双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图；图8工作频率为60MHz时通信电台双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图；图9工作频率为40MHz时第二组通信电台双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图；图10工作频率为80MHz时通信电台双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应敏感度曲线图。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明公开了一种接收机带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测方法，所述方法的分析过程如下：从不同的角度出发电磁干扰的分类方法不同，按照电子系统接收机对电磁干扰的响应可以将电磁干扰分为线性干扰和非线性干扰，电磁干扰分类如图1所示。线性干扰通常包括同频干扰和邻频干扰，此时接收机相当于带通滤波器。而常见的非线性干扰有交调干扰、互调干扰、乱真响应等，都是由于电子系统的非线性产生的。阻塞干扰的定义有很多种，广义上来说，由于干扰信号的作用，超出了电子系统中电子器件的动态范围，或者改变电子器件的偏置，从而使接收机的灵敏度下降，有用信号的增益显著降低的现象都可以称为阻塞干扰。所以上述几种干扰也可以划分为阻塞干扰的范畴中。对于接收机的带内阻塞干扰不会产生交调、互调等现象，属于大信号阻塞干扰。电磁波经过天线耦合进入接收机的射频前端都会先经过限幅器或者带通滤波器，对输入信号进行选择抑制，考虑接收机受到一个正弦连续波干扰信号的干扰，即输入信号为：式中ud为干扰信号，us为有用信号。输入信号经过限幅器或者带通滤波器后为：式中Bd和Bs分别为限幅器或者滤波器对频率为ωd和ωs信号的幅频系数，接收机在真实的电磁环境中绝大多数情况都工作在线性区域，所以这里认为Bd和Bs都是常数。然后输入信号进入接收机低噪声放大器和混频器等非线性器件中，由电路的基本知识可知，一般非线性电路的输入输出信号之间的关系都可以用幂级数表示：其中ui为输入信号，uo为输出信号，An(n＝0,1,2,…)是与系统转移特性有关的常数。将式(2)代入式(3)中得到：分解后得到直流分量基波分量由于带内干扰产生的谐波分量、交调分量和互调分量基本不会对接收机造成影响，在这里就不再赘述。如果干扰信号幅度足够强，通过接收机的通带后影响仍然不可忽视，接收机输出的有用信号就会减小甚至消失，这种现象就是大信号阻塞干扰。由式(7)可知有用信号的增益为由此可见：(1)当A3＝0时，K＝A1，此时有用信号增益为常数，但是现实中非线性因子A3一般都为负数，所以大信号阻塞效应都是由于A3引起的；(2)无论是有用信号过强还是干扰信号过强都会使增益系数K减小，当时，K＝0，表明有用信号被完全阻塞掉了，这便是接收机带内大信号阻塞干扰的机理。用频装备的单频敏感度阈值是确定的，但是在战场复杂电磁环境下，信号频率错综复杂、信号幅度相互叠加，用频装备可能会出现在单频辐射效应试验评估的安全范围内出现电磁干扰。由于电磁环境模拟根本难以穷尽，对于用频装备在未来战场上可能面临到的任意多源辐射组合的情况，不可能全部通过实验室的环境模拟和效应试验方法一一进行测试和评价。因此本发明从接收机的大信号阻塞干扰效应机理出发，建立接收机带内双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型。根据式(8)可知单频干扰下有用信号增益为U'1、U'2为不同频率的两个干扰信号的幅度阈值。考虑接收机受到两个正弦连续波干扰信号的干扰，即输入信号为：u1、u2为不同频率的两个干扰信号。当接收机受到双频连续波干扰时，经过限幅器或者带通滤波器选频抑制后得到：将式(12)代入到式(3)中得到分解后得到直流分量基波分量为由式(17)可知有用信号增益为当接收机在不同频率、不同强度干扰信号作用下出现的大信号阻塞干扰效应现象相同时，即有用信号增益大小相同，表明此时不同组合形式的干扰信号对接收机的产生的影响程度相同。为此，联立式(9)(10)(18)得到：则由帕斯瓦尔恒等式可知正弦连续波信号平均功率为U2/(2R)，则上式可记作：其中，S为效应预测系数，P'1、P'2为接收机在单频f1、f2干扰下的功率敏感度，P1、P2为接收机在f1、f2双频同时干扰下的功率敏感度组合；因此，对于给定的接收机通带内两个不同频率正弦连续波信号，若已知其各自单独辐射时大信号阻塞干扰效应功率敏感度阈值分别为P'1、P'2，则当两个频率正弦连续波(功率组合为P1、P2)同时作用于接收机时，P1、P2分别与P'1、P'2的比值之和S达到1时，接收机就可能产生相应的大信号阻塞干扰效应(之所以说是可能产生干扰，原因是给定的P1、P2未必是最敏感极化方向上的功率)；反之，若S小于1，则接收机一定不会出现上述大信号阻塞干扰效应。值得注意的是，当两个干扰信号的频率相等时，并不符合以上模型，这是因为两个同频率的正弦波叠加后，可以看作为一个正弦波信号，而这个和信号的幅值和功率的大小与相位有关。为了验证上述所建模型的正确性，本发明以某型超短波电台为试验对象，分别对受试电台进行了单频连续波大信号阻塞效应试验和双频连续波大信号阻塞效应试验。对于模拟通信系统来说，语音清晰度是评价模拟通信质量的最直观判据；对于数字通信系统来说，一般都采用误码率来评价数字通信质量的好坏。因此本发明分别选择语音清晰度和数据误码率作为评价模拟通信电台和数字通信电台通信质量好坏的判据。结合前期预试验和国军标《语音通信干扰效果评定准则》、《数字通信干扰效果评定准则》，选择工作破坏级(通信接收设备的工作状态在干扰信号作用下遭到破坏，失去了接收功能，无法通信)作为语音通信电台受干扰的判据，误码率等于10％作为数字通信电台受干扰的判据。单频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验：电台单频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验在开阔场进行，具体的试验配置如图2所示。信号源产生干扰信号经过功率放大后通过对数周期天线产生辐射场。为了模拟2台电台之间的远距离通信，将发射电台与辐射天线之间连接40dB左右的衰减器。在接收电台一侧，在接收天线和接收电台之间连接定向耦合装置，通过耦合装置的检测端口连接点对点光纤信号传输系统，并通过光纤传输在远端监测接收电台主机输入端口处的前向电压(功率)。试验过程中各天线的姿态与电台之间的相对位置保持不变。收发电台工作频率为40MHz、60MHz、80MHz分别进行试验。试验结果如图3～5所示，图中fi为干扰信号频率，“*”表示语音通信时语音信号完全被阻断干扰信号的功率大小,“o”表示数字通信时误码率达到10％干扰信号的功率大小。由图3～5可以看出受试电台在不同的工作频率时电磁干扰的敏感带宽都为±30kHz左右，这是由于射频前端滤波器幅频特性决定的，干扰频率偏离电台工作频率超过30kHz后，临界干扰功率提高不小于40dB，受试电台带外抗干扰能力很强。双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验：电台双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验与单频连续波试验基本相同，不同的是双频干扰信号由两个信号发生器产生，然后通过功率合成器进行功率合成，经过功率放大后由对数周期天线辐射出去，其他试验条件与单频试验保持一致，具体的试验配置如图6所示。当收发电台工作频率为40MHz、60MHz、80MHz时，在不同的干扰频率组合，不同的临界干扰功率组合下对受试电台的数字通信、语音通信进行了多组试验。随机选出其中四组试验结果如图7～10所示。由图7～10可以看出受试电台在双频连续波干扰下功率敏感度的组合基本满足椭圆关系，椭圆的长轴和短轴分别为两个单频辐射敏感度的阈值，在椭圆内部的干扰组合，考虑到试验误差留有一定安全系数的条件下，受试电台将不会受到干扰；在椭圆外部的干扰组合，受试电台将可能受到干扰。模型验证：根据式(20)所建预测模型对上述四组试验数据进行验证，结果如表1至表4所示。表1电台工作频率为40MHz时进行数字通信验证试验表2电台工作频率为60MHz时进行数字通信验证试验表3电台工作频率为40MHz时进行语音通信验证试验表4电台工作频率为80MHz时进行语音通信验证试验由上述结果可以看出，不同频率组合、不同功率强度组合下双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型的效应预测系数S都在1左右，预测误差在±3dB以内，符合军用标准的允差要求，从而证明了本发明所建模型的正确性和有效性。这就意味着当通信电台处于某一已知频率和强度的双频电磁场中，只要知道通信电台在该频率下单频辐射效应敏感度阈值，就能对受试通信电台的辐射效应进行预测。本发明通过对接收机带内大信号阻塞干扰机理分析，建立带内双频电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型，并以某型超短波通信电台为受试对象，设计了通信电台大信号阻塞干扰效应试验方案。通过通信电台带内单频和双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应试验，研究了受试电台在带内双频不同权重组合作用下电磁辐射敏感度变化规律。试验结果表明不同频率组合、不同功率强度组合下双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型系数都在1左右，预测误差都在±3dB以内，验证了接收机带内双频连续波电磁辐射大信号阻塞干扰效应预测模型的有效性。