基于灰色关联度分析的电磁环境逼真度验证方法

李艳莉¹,田 晓²

(1.电子科技大学成都学院， 成都 611731； 2.中国西南电子技术研究所， 成都 610036)

摘要 ：提出了一种基于电磁环境逼真度的宏观评估方法，把电磁环境逼真度评估的问题转化为基于灰关联度的图像相似度度量问题，较好地解决了逼真度评估过程中的不确定问题。针对典型的陆空复杂电磁环境仿真场景，计算频域、时域和空域等多维度指标，和电磁环境监测数据进行逼真度计算比对，分析计算重点战场区域的电磁环境实际构建效果，通过计算实例分析了逼真度评估的过程。

关键词 ：灰关联度分析；电磁环境；逼真度；模型验证

信息化战场上复杂电磁环境深刻地影响着作战行动，构建贴近实战的电磁环境对人员和装备进行试验和训练很有必要，如何评估所构设电磁环境的质量是电磁环境试验的基本问题^[1-2]。实际应用中，利用战场中的监测设备测量整个作战空域的多维度参数，通过定性或定量评估方法给出电磁环境的复杂度、威胁度、相关度等评估等级。这些评价结果将用于反馈调整电磁环境构建的质量。通过对电磁环境的评价，不断对生成的电磁环境进行优化以满足作战需求^[3]。

电磁环境生成和推演宏观逼真度是用来描述想定电磁环境与构设电磁环境在特定空间、整体的、宏观的电磁环境特征的相似性，从电磁环境复杂度评估指标中提取宏观逼真度，也就是从频域、时域、空域和能域中提取频谱占用度、时间占有度和空间覆盖率等指标进行测量和统计，对电磁环境进行与真实作战场景的相似性的度量，满足不同规模、不同作战场景和不同作战任务的仿真需求^[4-5]。

1 复杂电磁环境场景构建

根据作战需求构建一个典型的陆空典型战场复杂电磁环境的测试场景如图1，陆空战场的复杂电磁环境场景的主要参数设置如表1所示。

图1 陆空战场复杂电磁环境测试场景

表1 陆空战场复杂电磁环境的主要参数设置

2 电磁环境中时域 、空域 、频域 、功率域测试参数

通过时域、频域、空域和能量域四个维度对电磁环境态势进行多维度表征^[6]。

1) 功率域特性参数

为了给员工提供良好的工作环境，多家企业采取人机分离，操作空间与设备运行空间用隔音玻璃间隔，将工作环境受油墨挥发、机器噪音的影响降至最低等方式，既提高了产品质量，也使车间工人的工作环境得到较大改善。

(1)

式(1)中：AP 为信号平均功率密度谱；S (r ,t ,f )为功率谱密度；r 为空间位置坐标；V _Ω 为作战空间体积。

电力通信设备自动巡检起到了串联事前、事中和事后巡检，实现闭环管理的作用。通信运维人员在重大节假日、重大活动保障期间以及对承载重要业务的网络保障，不仅需要网络实时监视这一种支撑手段，还需要结合设备状态巡检对网络进行更精细化的监管。针对通信设备运行状态可以进行定期、自动、智能巡检，并能够自动生成巡检报表，提高工作效率，降低运维工作成本。通信管理系统的设备巡检现阶段主要实现对设备告警情况的巡检，包括巡检任务管理、巡检记录查询和巡检报告查看等基本功能。

2) 时域特征参数

时域特征参数通常用单位时间内超过一定强度的信号功率密度等参数来表示。在一定作战空间V _Ω 和频率范围f ₁,f ₂内，定义时间占有度为电磁环境功率谱密度均值超过某一电磁环境门限所占用的时间段与作战时间段的比值^[7]：

(2)

式(2)中：U 为单位阶跃函数；S ₀为电磁环境门限；双重积分是对频率和空间进行积分。

利用相似度和贴近度综合衡量矩阵和的逼近性。根据欧几里得距离公式，可以得到(h ，j )处构建仿真电磁环境特征参数与实际电磁环境特征参数之间的距离为：

空域特征参数通常用空间覆盖率表征，是指在一定时间范围[t ₁,t ₂]和频率[f ₁,f ₂]范围内，电磁信号平均功率密度谱超过指定电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值^[7]：

功率域参数表示特定区域、特定时段、特定频谱范围的频谱分布特征，在一定作战空间V _Ω 、时间范围[t ₁,t ₂]和频率范围[f ₁,f ₂]内，信号强度表示为^[7]

(3)

式(3)中：双重积分是对时间和频率进行积分。

4) 频域特征参数

不合理的教材结构，也严重限制了小学生思维能力的形成，比如说上述所提到的“位置和方向”这一知识点，内容跨度大，耗时长，无论是对学生知识点的理解和掌握还是对学生知识结构的形成都极为不利，要解决这一难题，除了在教材的编制上更为严谨外，教师在知识的传达方面也应更为完善，教师可以通过拓展方式，将不同的知识点进行延伸整合，以保证知识点能前后联系，从而让学生构建完整的知识体系，在拓展知识过程中，可以进一步要求学生对知识内容进行深度探究，以提升学生的自主思维能力。

充分利用现有实验室条件，尽可能多开实验，每种分析方法至少配一个实验，并且实验课与理论课紧密对接，一般在理论课讲授完1-2周内进行。通过实验，强化分析原理、仪器结构及分析应用等知识点。为加强实验教学环节，实验成绩计入该门课总成绩并占30%比例，实践证明改革后学生更加重视实验教学，对知识点掌握比以前更扎实。

频域特征参数通常用频率占用度表示，在一定的作战空间V _Ω 和时间范围[t ₁,t ₂]内，不同频率出的信号平均功率谱可以表示为^[7]

2.1 两组一般资料及代谢指标比较 NC组与T2DM组的年龄、性别、TG、TC比较，差异无统计学意义(P>0.05)。T2DM组的BMI、LDL、FBG、FINS、HOMA-IR、HbA1c、FGF-21、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factorα，TNF-α)、MDA均明显高于NC组，GSH、脂联素水平明显低于NC组，组间比较，差异均有统计学意义(P<0.05)。见表1。

(4)

式(4)中，双重积分是对时间和空间进行积分。

按照第1节设置的测试场景，在暗室中搭建一套缩比战场模型，根据图1和表1设计的陆空战场的复杂电磁场景，按照可仿真计算的最小栅格进行剖分，对每个栅格分别测试仿真模型和外场缩比模型的时域、频域、空域、能量域和极化域参数矩阵，形成整幅作战场景的多域电磁参数的统计值，然后通过灰关联的方法，计算仿真场景和外场缩比实物场景的逼真度。整个场景的模型验证的方法框图如图3所示。

此时，根据具体环境，设定一个S (f )门限。假设超过门限的频谱宽度为Δ，那么频谱占用度为

如图12和表7所示，对于1# 锚链力，工况4下其锚链力响应大小范围为809～1 170 kN，且出现较大的起伏波动，平均锚链力相当于工况1下增加了7.36%。工况4、工况5和工况6下，2# 锚链响应变化较小，平均锚链力为145 kN。工况4下，达到最大值193 kN。1# 舱室破损对3# 锚链力影响明显，如图12-(c)所示，3# 锚链最大张力值达到了1 180 kN，相较于工况1(正常组)最大锚链力，增幅达到了21.9%。

FO =Δ/ΔB

(5)

可见，频谱占用度越大，电磁环境越复杂。

3 复杂电磁环境逼真度测试方法

3.1 外场缩比测试场景

式(7)中：为仿真模型电磁栅格的参数矩阵；i 为参数类型；为仿真模型电磁栅格的参数。

在外场栅格(x _p ,y _p )位置部署3 MHz～18 GHz无线电频谱监测设备及辐射信号测试设备，对雷达、通信设备、陆军主战装备传感器辐射信号进行实时观察与测试，沿着栅格坐标(x _i ,y _j )移动无线电频谱监测设备及辐射信号测试设备，对外场区域内所有电磁栅格内的电磁环境多参数进行测试。

3.2.2 分时段收取停车费用。适当调节停车需求，根据停车时间的长短进行分时段、分地段收费，可以实行弹性收费制度，鼓励短时停车以提高停车位的周转率。在此基础上，也可以对有不同需求的群体进行不同的收费标准，对长时间占用车位的人适当提高收费标准，从而确保停车场的利用处于相对均衡的状态。

图2 陆战场复杂电磁环境外场测试布局图

3.2 逼真度测试方法

由上式可计算出在一定时间和作战空间范围内电磁信号所占有的频谱范围，简记为ΔB 。

图3 复杂电磁环境的模型验证方法框图

下面以10 km×10 km的陆战场电磁场景为例，按照1 km×1 km的准则进行作战场景的栅格剖分，分别得到整幅电磁场景的实测缩比场景和计算数字电磁场景的的时间占有度、频域占有度和空域覆盖度的参数矩阵。

(6)

式(6)中：为外场实物缩比模型电磁栅格的时域、频域、空域或能量域参数矩阵；i 为参数类型；x _1,1～x _10,10为外场实物缩比模型电磁栅格的参数。

⑰王绍媛、刘政:《国际投资协定中的竞争中立规则审视》，《哈尔滨工业大学学报》(社会科学版)2018年第5期。

(7)

外场缩比模拟测试的试验场地需求为1 000 m×1 000 m区域，需要考虑外场测试环境(基础设施、大型固定试验设施、配套条件)、受试设备架设安全性、操作便捷性等因素，外场缩比模型的组成如图2所示。对外场区域进行空间栅格离散，栅格尺寸约100 m×100 m，栅格坐标为(x _i ,y _j )。外场地貌涵盖阔叶林、草地、建筑物、道路、简易桥梁模型。根据作战想定和任务规划对作战部队进行部署，分别部署L/S/C/X波段雷达模、通信设备、某型主战坦克、某型装甲车、指挥控制系统、地空导弹车模型，将直升机模型架设于30m高塔上。

电磁环境的逼真性评估问题转化为矩阵和的逼真度评估问题，应该包括两个方面涵义：一是矩阵和的相似程度，一般用距离的倒数来表示，表示二者之间相似程度的一种度量；二是矩阵和的贴近程度，表示矩阵和中元素相比的正确程度。相似度仅能衡量两个矩阵几何形状上的相似程度，无法度量要素相比的正确程度。贴近度衡量两个矩阵要素折线在空间的接近程度，无法处理两个矩阵要素相比时局部与整体间的复杂关系^[8-9]。

2018年3月，在新一轮政府机构改革中，国家食药监总局被撤销，单独组建了国家药监局，归由国家市场监督管理总局管理。

3) 空域特征参数

(8)

又记并称

分别为极大距离和极小距离，反映了整个系统对单个特征参数关联程度的影响。

根据构建仿真场景电磁环境特征参数与外场缩比模型电磁环境特征参数之间的极大和极小距离来定义参数之间的关联系数，于是所构建电磁环境对于标准环境的灰关联系数矩阵为

(9)

式(9)中:ξ 为分辨系数，通常取ξ =0.5。假设(h ，j )处的关联系数权重为w _hj ，关联系数的权重矩阵为

(10)

并有

(11)

算法中，参数矩阵为同一指标，各灰关联系数的相对重要性相同，权重矩阵的系数都取相同值。

对灰关联系数进行聚焦，得到作战试验所构建的电磁环境相对于标准环境的逼真程度为^[10]

(12)

4 复杂电磁环境的模型验证实例

在作战试验实施过程中，利用辐射源信号模拟器、实物缩比模型、复杂地形地貌构建不同作战阶段的电磁环境，电磁环境监测设备对作战试验的作战空域进行监测，记录每个电磁栅格的电磁功率密度谱和电磁信号密度，作战试验不同阶段所构建电磁环境与数字仿真模型中要求电磁环境的频谱占有度分别如表2和表3所示。

对患者和家属就急性阑尾炎、腹腔镜手术做完整的健康教育，使其有一个全面的认识，减少不必要的心理压力，同时对手术方案充满信心，能够积极配合治疗等。

表2 数字仿真模型的电磁栅格的频谱占有度

表3 外场缩比模型的电磁栅格的频谱占有度参数

可以做出数字仿真模型和外场缩比模型构建的电磁环境电磁栅格的频域参数分布特性曲面分别如图4和图5所示。

图4 数字仿真模型电磁栅格的频谱分布

图5 外场缩比模型电磁栅格的频谱分布

通过灰关联分析算法可以得出两者的逼真度为0.94。同理可以分析电磁环境其他维度参数的电磁环境逼真度。

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Fidelity Verification Method of Electromagnetic Environment Based on Grey Relational Degree Analysis

LI Yanli¹， TIAN Xiao²

(1.Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731， China; 2.Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu 610036， China)

Abstract : A macroscopic assessment method based on the fidelity of the electromagnetic environment was proposed. The electromagnetic environment fidelity assessment problem was transformed into the image similarity measurement problem based on Grey relational degree. The method effectively solves the uncertainty problem in the fidelity assessment process. For the typical land-and-space complex electromagnetic environment simulation scenario, multidimensional indicators such as frequency domain, time domain, and spatial parameters are calculated, and the fidelity calculation were compared with the electromagnetic environment monitoring data. Then the actual construction effect of the electromagnetic environment in key battlefield areas was analyzed and calculated; Finally, the process of fidelity assessment was analyzed through calculation examples.

Key words : Grey correlation analysis； electromagnetic environment； fidelity； model validation

本文引用格式 ：李艳莉,田晓.基于灰色关联度分析的电磁环境逼真度验证方法[J].兵器装备工程学报，2019,40(3):132-136.

Citation format :LI Yanli，TIAN Xiao.Fidelity Verification Method of Electromagnetic Environment Based on Grey Relational Degree Analysis[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(3):132-136.

中图分类号 ：TN92

文献标识码： A

文章编号 ：2096-2304(2019)03-0132-05

收稿日期 ：2018-09-14；

修回日期： 2018-10-25

基金项目 ：四川省教育厅重点科研项目(17ZA0191)

作者简介 ：李艳莉(1982—)，女，硕士，讲师，主要从事微波、毫米波系统和电磁环境仿真研究，E-mail:390003981@qq.com。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2019.03.029

(责任编辑 杨继森)

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