基于環(huán)境效應的WaveBench電磁仿真軟件的開發(fā)

背景

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能化、新能源等信息化技術的急劇發(fā)展，傳感器技術在探測、追蹤、定位、識別、導航、通信、控制等方面呈現(xiàn)爆發(fā)式應用，空間的電磁裝備數(shù)量及其使用頻率愈加密集，頻譜資源變得越來越擁擠和稀缺，被動和主動電子干擾日益加劇。為迅速掌控未來電磁領域的主導權(quán)，美國政府視電磁頻譜為繼陸、海、空、天和網(wǎng)絡之外的第六維物理域，近年進行了大量的頻譜體系理論算法和應用拓展。電磁頻譜關系到國防和民用的信息化建設的頂層架構(gòu)，是各國維護電磁安全的戰(zhàn)略性任務之一。

大量的現(xiàn)代電磁裝備在同一空間執(zhí)行不同的任務形成復雜電磁空間，該電磁空間具有時域上突發(fā)多變、空域上縱橫交錯、頻域上密集重疊、功率分布參差不齊的特點，這會導致有益的電磁活動被干擾，影響電磁空間中運行裝備使用性能、效能、甚至是安全。

一個裝備平臺內(nèi)部多個傳感器之間的頻譜沖突構(gòu)成系統(tǒng)級電磁兼容問題，多個裝備在同一時空的頻譜沖突構(gòu)成體系級頻譜兼容問題。系統(tǒng)級電磁兼容問題有長期的研究歷史，并形成了較為成熟的理論、建模和測試工程解決方案。體系級的頻譜兼容問題是隨著近年傳感器技術爆發(fā)式發(fā)展帶來的新問題，無論是把裝備電磁性能開發(fā)放到體系中研究，還是體系本身的電磁效能研究，從理論和工程兩個層面都需要探索和積累。

上海致卓基于近20年專注于電磁建模仿真領域的研究和積累，借鑒以模型為基礎的系統(tǒng)工程方法，考慮真實應用和測試環(huán)境影響，提出基于環(huán)境效應的協(xié)同電磁仿真技術，并開發(fā)了WaveBench電磁仿真軟件。

解決問題

協(xié)同仿真的目標是解決如何在系統(tǒng)（如空間網(wǎng)絡系統(tǒng)，5G系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)到汽車平臺）開發(fā)過程的早期來降低體系級頻譜兼容風險，從而使系統(tǒng)在設計上更安全，這與在開發(fā)過程后期通過測試和應用反饋再去解決問題相比有巨大優(yōu)勢。該技術可以幫助系統(tǒng)工程師能夠及早對系統(tǒng)進行威脅建模分析，并將緩解策略納入系統(tǒng)設計，從而降低系統(tǒng)的整體安全相關風險。

協(xié)同技術的一個關鍵特征是多尺度分層建模體系的建立，將經(jīng)過驗證的各級別系統(tǒng)工程電磁模型轉(zhuǎn)換成與應用需求相適應的多尺度數(shù)字電磁模型，并將其融入到各類真實使用場景（即復雜體系）中，進行體系級頻譜兼容特性的協(xié)同仿真。

以汽車自動駕駛為例，自動駕駛涉及到光學、毫米波、超聲波、通信、導航等傳感器，這些傳感器的性能受到復雜的使用場景和環(huán)境的影響。從體系頻譜兼容建模角度來講，需要分層建立合適尺度的地情環(huán)境電磁模型、氣象環(huán)境電磁模型、車輛運動模型、車輛編隊和運動模型、傳感器天線模型、傳感器鏈路模型等。應用這些模型協(xié)同仿真汽車在全地情、全時段、全氣象條件下的探測、定位、通信、控制和制導等性能。在設計早期就能評估體系級的頻譜干擾和兼容問題對自動駕駛性能的影響，并制定優(yōu)化和管理策略。

基于環(huán)境效應的協(xié)同電磁仿真技術實現(xiàn)了：1.裝備和復雜環(huán)境的協(xié)同；2. 多尺度模型和多尺度算法的協(xié)同；3.包含體系-系統(tǒng)-傳感器-元器件在內(nèi)的供應鏈協(xié)同。

技術和應用

一、協(xié)同場景

基于環(huán)境效應的協(xié)同電磁仿真技術包括四個方面建模技術：平臺建模、傳感器建模、環(huán)境建模、互聯(lián)特性建模。

環(huán)境效應不僅僅指自然環(huán)境，也包括來自平臺內(nèi)部、電磁背景和電磁威脅等綜合的環(huán)境效應。隨著環(huán)境效應考慮影響因素的增加，由模型空間尺度和電磁尺度激增而帶來的建模難度急劇增加。

考慮單個靜止平臺環(huán)境對電磁性能影響的建模技術已經(jīng)比較成熟，典型的應用是建模天線在平臺上的布局問題，涉及到的協(xié)同仿真技術就是全波算法與高頻算法之間的協(xié)同。

下方是理想環(huán)境下雷達的天線方向圖， 當它安裝在汽車上的時候，方向圖發(fā)生畸變，從信號時延可以看到畸變產(chǎn)生的原因。

當我們把更大空間的電磁環(huán)境效應引進的時候，就是我們常說的E3效應“電磁環(huán)境效應”（ electromagnetic environment effects），包括：靜電放電（ESD）、雷電（Lightning）效應、干擾/阻斷、電磁干擾（EMI）、電磁易損性（EMV）、電磁脈沖（EMP）、高強度輻射場（HIRF）、射頻能的威脅、高能微波（HPM）和元件間的干擾等效應。涉及到的仿真技術是環(huán)境信號模擬以及全波算法之間的協(xié)同。

當我們在E3基礎上引入更復雜的地理、氣象和海洋環(huán)境后，并考慮裝備的編隊、運動和對抗等特性，就構(gòu)建了基于環(huán)境效應的協(xié)同電磁仿真技術?；诃h(huán)境效應的協(xié)同電磁仿真技術可以應用于頻譜態(tài)勢、頻譜兼容、頻譜對抗等廣泛的業(yè)務領域，包括無線互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能社區(qū)等的性能分析。

二、技術難點

市場上已經(jīng)有一些相當不錯的國產(chǎn)軟件具備平臺環(huán)境效應和E3建模能力，基于環(huán)境效應的協(xié)同電磁建模技術目前還處在理論成熟、應用推廣和規(guī)范形成的過程中。從建模技術而言，主要難點集中在以下幾個方面：

1、環(huán)境建模：環(huán)境的建模的本質(zhì)是要真實反應電波傳播，要考慮地形地貌、地球曲率、大氣折射、大氣波導、水蒸氣密度/濕度、海面海情等影響。

電波傳播在空氣中傳播時候，需要考慮傳導，衰減和折射效應。

圖片中是發(fā)生在費拉隆群島中一種海市蜃樓情景，因為光線通過空氣中溫度不同的陡峭逆溫層導致的大氣波導造成的

環(huán)境建模應該基于協(xié)同仿真算法以及它們的耦合性制定綜合建模策略，其效應都是通過電波傳播耦合到天線系統(tǒng)和設備鏈路中的，建模的精細度也依賴于電波傳播的需求。比如大氣波導進行建模時要考慮地理不同區(qū)域和不同季節(jié)的大氣折射率是變化的，這會導致完全不同的電波傳播特性。

2、多尺度算法：前面也說了，考慮綜合環(huán)境效應的協(xié)同電磁仿真涉及的應用領域相當廣泛，包括通信、探測、導航、制導、物聯(lián)網(wǎng)、新能源等業(yè)務，仿真的內(nèi)容包括頻譜態(tài)勢、頻譜規(guī)劃、頻譜管理等。分析的頻率尺度范圍從千Hz到百GHz，空間尺度小到幾十米的倉庫，大到上千公里的通信。單一算法無法解決這一問題，須依據(jù)應用需求、精度、時間平衡妥協(xié)地選擇多尺度的算法。

3、多尺度設備鏈路模型：因環(huán)境效應都是通過電波傳播耦合到裝備的天線系統(tǒng)然后傳遞到設備鏈路中的，所以除信道特性外，評估綜合環(huán)境效應對裝備電磁性能和使用效能的影響必須建立合適的設備鏈路模型。受到應用需求、專業(yè)領域、知識產(chǎn)權(quán)等因素的影響，針對裝備整個研發(fā)鏈條上的不同主體，必須建立不同尺度的設備鏈路模型。

如傳感器廠家具備真實準確的傳感器設備鏈路模型，包括真實結(jié)構(gòu)和SPICE模型等，并關注更細節(jié)專業(yè)的問題點比如某個結(jié)構(gòu)對磁控管的諧振頻率的影響等，這種情況下必須建立高精度的精細尺度設備鏈路模型。平臺總體設計廠家只關注平臺的總體電磁特性和效能，且他們沒有設備子系統(tǒng)的詳細模型，這時候就需要結(jié)合設備廠家的高精度鏈路模型建立一個中等精度的鏈路模型，能夠考核和評估部分關鍵設備參數(shù)的改變對平臺總體性能和效能的影響。對于平臺用戶而言，更多的是關心平臺的使用效能，僅僅需要一個粗尺度的設備鏈路模型，能夠評估使用過程中一些與設備操作相關的參數(shù)變化對使用效能的影響。

下圖是一個典型的收發(fā)機網(wǎng)絡級聯(lián)模型，采用系統(tǒng)框圖，以級聯(lián)形式將網(wǎng)絡模型構(gòu)建起來。針對二端口網(wǎng)絡模型，在低頻段使用傳輸和阻抗矩陣實現(xiàn)級聯(lián)；在微波頻段，由于電壓和電流就變得難以測量，因此使用散射矩陣描述。

當把多個器件級聯(lián)后，整個聯(lián)級的噪聲系數(shù)，需要考慮每一級的器件自己產(chǎn)生的噪聲，和對前級噪聲的放大 以及端口損耗等等，最終得到級聯(lián)中的噪聲系數(shù)。

同時建模時需要考慮一些器件的特有特性，比如含帶通濾波器的放大器，其特有特性在系統(tǒng)鏈路建模的時候需要明確定義。

總 結(jié)

基于環(huán)境效應的系統(tǒng)電磁仿真技術融合系統(tǒng)鏈路、收發(fā)天線、平臺特性和環(huán)境建模技術，通過多尺度算法可實現(xiàn)復雜體系電磁特性仿真。

上海致卓就是在上述技術基礎上開發(fā)了WaveBench軟件。軟件基于分層建模技術、多尺度算法、基于GIS的場景可視化技術、多軟件接口，最終實現(xiàn)了包括5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能化、新能源等廣泛業(yè)務的頻譜態(tài)勢、頻譜兼容、頻譜規(guī)劃、頻譜管控全數(shù)字仿真和半實物聯(lián)合仿真。

審核編輯：郭婷