浅谈电磁环境仿真技术的关键点

浅谈电磁环境仿真技术的关键点

高辉

（北京市劳动保护科学研究所北京西城100054）

摘要：随着电子信息技术的飞速发展，电磁环境仿真技术无论是在民用还是军事领域都得到了长足的发展，本文主要分析电磁环境仿真技术的系统架构及技术关键点，对仿真技术中的数据处理、建模、可视化技术进行一定的系统概述，为未来的进一步发展提出一定的展望。

关键词：电磁环境；仿真技术；关键点

电磁环境（electromagneticenvironment，EME）一般是指存在于某场合的所有电磁现象的总和。电磁环境的电磁场主要分类两种：人为的电磁场和自然的电磁场。随着信息化水平的提高，仿真技术的运用，人们对于自然或者人为电磁环境的控制都有了更深程度的发展。从之前只关注仿真对象本身到关注地形、气候、电磁环境等多方面的影响，仿真技术的优化运用，使人们对于不可见的电磁环境进行了信息化、数据化的处理，从中发现了大量有用的信息。尤其是在电子战中，仿真技术的运用，方便了作战人员形象直观的了解电磁环境，对于某一区域环境进行准确分析，仿真技术也成为电磁环境最重要的表现手段和核心技术。

一、电磁环境仿真系统架构

目前，对于电磁环境仿真系统的架构研究主要有两方面：一是基于电磁环境数据库建立与分析的功能仿真系统架构，二是侧重于电磁计算的信号仿真系统架构。

功能仿真系统架构要相对简单、计算量并不是太大。该系统架构是通过数学模型的建立运用，在计算机上产生用脉冲描述字描述的脉冲数据流，对电磁环境的特点、系统环境参数进行模拟分析，对具体信号的频率、相位并不进行模拟，不输出真实的射频、视频信号。在“实物回路”仿真实验模式中，建立起动态的战场电磁环境分布式仿真系统架构模型。如图1所示。该系统架构有机的结合了分布式仿真技术与辐射式半实物仿真技术，为电子侦察机提供雷达威胁测试环境，以仿真模型的形式展示了动态的雷达辐射源，

信号仿真系统架构需要构建精准的数学模型，将具体信号的相位、频率进行仿真，基础数据信息量大，计算量也较大，对计算机的存储、计算性能要求要高。对信息的存储于计算分析是该系统的核心内容。之前的仿真试验中，将该系统划分为五个层级：数据预处理与基础地理环境构建、数据库管理与维护、电磁环境计算与分析、电磁态势可视化和综合统计分析与决策支持。该五层模式对数据信息进行及时的处理分析，第一时间得到需要用的信息，并对信息进行一定的存储，方便后续工作需用时，及时提取信息[1]。如图2所示。

电磁场是不可见的，在电磁环境仿真技术中可视化技术是核心技术内容。随着信息水平的发展，电磁环境仿真系统的架构不止于以上两种方式，如何进行有效的系统架构显然是仿真技术运行的先行条件。可视化技术主要是将电磁环境通过数据库或者信号仿真，借助三维立体空间，把地面电磁信号的分布及类型实时展现出来。处理的数据繁杂，既有电磁标量数据，也有电磁矢量数据，因此探讨电磁环境仿真技术的关键点至关重要，技术可靠、可行是保障仿真技术有效运用的前提。

二、电磁环境方针技术的关键点

电磁环境具有高度复杂性，需要考虑仿真对象的差异，也要考虑地形、大气、植被等自然环境的影响，主要技术难点在于基于环境考虑的仿真对象建模与信息处理、传播模型的构建。

（一）基础数据的整理

电磁环境仿真技术是基于某一区域内，不同电磁辐射源的三维立体画呈现。基础数据的准确性，是整个仿真模型构建的基础。电磁辐射源在区域内是离散的，分布较为混乱，如果按照原始的数据信息点进行构建，数据网格量是巨大的，计算机的处理效率未必能够达到运行如此大数据的要求，对基础数据进行合理的分类、归集，呈现一定的规律性显得尤为重要。在保障基础数据覆盖面齐全的情况下，去除冗余繁杂，提炼数据，可以大大减少计算机系统处理数据的时间与精确度，方便数据信息的传输[2]。

（二）数据存储

仿真技术中计算机的优越性，不仅体现在其高效的运算，更体现在基础数据信息的分类存储。对数据进行存储，才能有序的构建复杂的仿真模型，对常见的问题能提供足够的处理经验。数据存储涉及到数据的压缩、存储、传输等多个方面，对数据必须进行合理的分类，划分数据才能保障数据的规模化传输，进行高效的管理。

（三）可视化技术

可视化技术是电磁环境仿真技术的核心内容，是对基础数据整理分析的直观呈现，其技术水平高低直接关系到仿真技术的成功与否。该技术可进一步分为可视化映射与绘制显示，映射技术主要解决离散数据与三维几何图形的转换，决定数据以什么样的方式呈现，人们将会直观的看到什么模型；绘制显示技术主要解决可视化映射转换成为可视化的图像问题，多借助于传统的计算机图形学技术。目前，商用的电磁环境仿真技术可视化软件并不多。WirelessInSite软件可以分析复杂自然环境下电磁波传播水平，但该软件侧重于对射线的跟踪仿真，不支持并行计算，若要计算大范围区域的电磁环境分布情况，需要在计算区域划分网格点的同时设置相应的接收点，显示出射线的路径，但计算量相当大，数据信息准确度无法保障。AREPS在图形表现方式上采用的是二维的电磁传播衰减值，主要用于军事领域，如雷达通信设备覆盖面的分析评估，该技术无法提供电磁环境的三维立体图。在实际应用中，必须将真实准确的雷达作用范围置于真实准确的战场环境当中，需要考虑大气、地形、植被等真实自然环境因素对雷达的影响，将准确的电磁波传播展现给指挥员或训练员[2]。

（四）数据信息的并行处理

并行算法是解决大规模数据信息计算的有效方法，可以有效提升计算效率。国内外在大数据并行处理方面取得了较大的成就，其运行效率也得到了科学的验证，目前该研究主要集中于高性能计算机基于MPI的FDTD、MOM、MLFMA、FMM等电磁仿真算法的并行处理，以及在网格计算环境中实现分布式电磁场数值计算与仿真的系统架构研究，网络通信技术、传输速率及多节点的平衡问题将是并行算法的关键技术[3]。电磁环境仿真技术在信息化技术日益革新的今天，基本的数据系统架构流程尚属清晰，如图3所示，但仍有进一步优化发展的空间

结语：

文章通过对电磁环境仿真技术的系统架构及关键的技术问题进行了分析，主要是硬件方面的探讨研究，这也是目前研究的主要方向。电磁仿真技术在民用、军用领域都有切实可靠的应用，长久发展以来，在对功能、计算效率等方面取得突破进展的同时，对传播媒介安全性的研究较为滞后，也是日后进一步优化改进仿真技术的关键问题。

参考文献：

[1]刘新桥庄夏.电磁环境仿真关键技术研究.中国民航飞行学院学报.2012

[2]吴迎年张霖张利芳张维存.电磁环境仿真与可视化研究综述.系统仿真学报.2009

[3]孙智信周一宇.电磁环境及仿真技术指标分析.航天电子对抗.2000

作者简介：

高辉（1985.11.12），男，学历：华北电力大学电路与系统硕士，研究方向：电磁学。