基于環(huán)境效應(yīng)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(shù)的急劇發(fā)展，傳感器技術(shù)在探測(cè)、追蹤、定位、識(shí)別、導(dǎo)航、通信、控制等方面呈現(xiàn)爆發(fā)式應(yīng)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(dòng)和主動(dòng)電子干擾日益加劇。為迅速掌控未來電磁領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)，美國政府視電磁頻譜為繼陸、海、空、天和網(wǎng)絡(luò)之外的第六維物理域，近年進(jìn)行了大量的頻譜體系理論算法和應(yīng)用拓展。電磁頻譜關(guān)系到國防和民用的信息化建設(shè)的頂層架構(gòu)，是各國維護(hù)電磁安全的戰(zhàn)略性任務(wù)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(wù)形成復(fù)雜電磁空間，該電磁空間具有時(shí)域上突發(fā)多變、空域上縱橫交錯(cuò)、頻域上密集重疊、功率分布參差不齊的特點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致有益的電磁活動(dòng)被干擾，影響電磁空間中運(yùn)行裝備使用性能、效能、甚至是安全。

一個(gè)裝備平臺(tái)內(nèi)部多個(gè)傳感器之間的頻譜沖突構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)電磁兼容問題，多個(gè)裝備在同一時(shí)空的頻譜沖突構(gòu)成體系級(jí)頻譜兼容問題。系統(tǒng)級(jí)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(cè)試工程解決方案。體系級(jí)的頻譜兼容問題是隨著近年傳感器技術(shù)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(gè)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(lǐng)域的研究和積累，借鑒以模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)工程方法，考慮真實(shí)應(yīng)用和測(cè)試環(huán)境影響，提出基于環(huán)境效應(yīng)的協(xié)同電磁仿真技術(shù)，并開發(fā)了WaveBench電磁仿真軟件。

解決問題

協(xié)同仿真的目標(biāo)是解決如何在系統(tǒng)（如空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，5G系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)到汽車平臺(tái)）開發(fā)過程的早期來降低體系級(jí)頻譜兼容風(fēng)險(xiǎn)，從而使系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上更安全，這與在開發(fā)過程后期通過測(cè)試和應(yīng)用反饋再去解決問題相比有巨大優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)可以幫助系統(tǒng)工程師能夠及早對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行威脅建模分析，并將緩解策略納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而降低系統(tǒng)的整體安全相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

協(xié)同技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵特征是多尺度分層建模體系的建立，將經(jīng)過驗(yàn)證的各級(jí)別系統(tǒng)工程電磁模型轉(zhuǎn)換成與應(yīng)用需求相適應(yīng)的多尺度數(shù)字電磁模型，并將其融入到各類真實(shí)使用場(chǎng)景（即復(fù)雜體系）中，進(jìn)行體系級(jí)頻譜兼容特性的協(xié)同仿真。

以汽車自動(dòng)駕駛為例，自動(dòng)駕駛涉及到光學(xué)、毫米波、超聲波、通信、導(dǎo)航等傳感器，這些傳感器的性能受到復(fù)雜的使用場(chǎng)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(yùn)動(dòng)模型、車輛編隊(duì)和運(yùn)動(dòng)模型、傳感器天線模型、傳感器鏈路模型等。應(yīng)用這些模型協(xié)同仿真汽車在全地情、全時(shí)段、全氣象條件下的探測(cè)、定位、通信、控制和制導(dǎo)等性能。在設(shè)計(jì)早期就能評(píng)估體系級(jí)的頻譜干擾和兼容問題對(duì)自動(dòng)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(yīng)的協(xié)同電磁仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了：1.裝備和復(fù)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(yīng)鏈協(xié)同。

技術(shù)和應(yīng)用

一、協(xié)同場(chǎng)景

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

環(huán)境效應(yīng)不僅僅指自然環(huán)境，也包括來自平臺(tái)內(nèi)部、電磁背景和電磁威脅等綜合的環(huán)境效應(yīng)。隨著環(huán)境效應(yīng)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(gè)靜止平臺(tái)環(huán)境對(duì)電磁性能影響的建模技術(shù)已經(jīng)比較成熟，典型的應(yīng)用是建模天線在平臺(tái)上的布局問題，涉及到的協(xié)同仿真技術(shù)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(dá)的天線方向圖， 當(dāng)它安裝在汽車上的時(shí)候，方向圖發(fā)生畸變，從信號(hào)時(shí)延可以看到畸變產(chǎn)生的原因。

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

當(dāng)我們?cè)贓3基礎(chǔ)上引入更復(fù)雜的地理、氣象和海洋環(huán)境后，并考慮裝備的編隊(duì)、運(yùn)動(dòng)和對(duì)抗等特性，就構(gòu)建了基于環(huán)境效應(yīng)的協(xié)同電磁仿真技術(shù)?；诃h(huán)境效應(yīng)的協(xié)同電磁仿真技術(shù)可以應(yīng)用于頻譜態(tài)勢(shì)、頻譜兼容、頻譜對(duì)抗等廣泛的業(yè)務(wù)領(lǐng)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(shù)難點(diǎn)

市場(chǎng)上已經(jīng)有一些相當(dāng)不錯(cuò)的國產(chǎn)軟件具備平臺(tái)環(huán)境效應(yīng)和E3建模能力，基于環(huán)境效應(yīng)的協(xié)同電磁建模技術(shù)目前還處在理論成熟、應(yīng)用推廣和規(guī)范形成的過程中。從建模技術(shù)而言，主要難點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：

1、環(huán)境建模：環(huán)境的建模的本質(zhì)是要真實(shí)反應(yīng)電波傳播，要考慮地形地貌、地球曲率、大氣折射、大氣波導(dǎo)、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(shí)候，需要考慮傳導(dǎo)，衰減和折射效應(yīng)。

圖片中是發(fā)生在費(fèi)拉隆群島中一種海市蜃樓情景，因?yàn)楣饩€通過空氣中溫度不同的陡峭逆溫層導(dǎo)致的大氣波導(dǎo)造成的

環(huán)境建模應(yīng)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(yīng)都是通過電波傳播耦合到天線系統(tǒng)和設(shè)備鏈路中的，建模的精細(xì)度也依賴于電波傳播的需求。比如大氣波導(dǎo)進(jìn)行建模時(shí)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(huì)導(dǎo)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(yīng)的協(xié)同電磁仿真涉及的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包括通信、探測(cè)、導(dǎo)航、制導(dǎo)、物聯(lián)網(wǎng)、新能源等業(yè)務(wù)，仿真的內(nèi)容包括頻譜態(tài)勢(shì)、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(yīng)用需求、精度、時(shí)間平衡妥協(xié)地選擇多尺度的算法。

3、多尺度設(shè)備鏈路模型：因環(huán)境效應(yīng)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(shè)備鏈路中的，所以除信道特性外，評(píng)估綜合環(huán)境效應(yīng)對(duì)裝備電磁性能和使用效能的影響必須建立合適的設(shè)備鏈路模型。受到應(yīng)用需求、專業(yè)領(lǐng)域、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等因素的影響，針對(duì)裝備整個(gè)研發(fā)鏈條上的不同主體，必須建立不同尺度的設(shè)備鏈路模型。

如傳感器廠家具備真實(shí)準(zhǔn)確的傳感器設(shè)備鏈路模型，包括真實(shí)結(jié)構(gòu)和SPICE模型等，并關(guān)注更細(xì)節(jié)專業(yè)的問題點(diǎn)比如某個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)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(xì)尺度設(shè)備鏈路模型。平臺(tái)總體設(shè)計(jì)廠家只關(guān)注平臺(tái)的總體電磁特性和效能，且他們沒有設(shè)備子系統(tǒng)的詳細(xì)模型，這時(shí)候就需要結(jié)合設(shè)備廠家的高精度鏈路模型建立一個(gè)中等精度的鏈路模型，能夠考核和評(píng)估部分關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)的改變對(duì)平臺(tái)總體性能和效能的影響。對(duì)于平臺(tái)用戶而言，更多的是關(guān)心平臺(tái)的使用效能，僅僅需要一個(gè)粗尺度的設(shè)備鏈路模型，能夠評(píng)估使用過程中一些與設(shè)備操作相關(guān)的參數(shù)變化對(duì)使用效能的影響。

下圖是一個(gè)典型的收發(fā)機(jī)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)模型，采用系統(tǒng)框圖，以級(jí)聯(lián)形式將網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建起來。針對(duì)二端口網(wǎng)絡(luò)模型，在低頻段使用傳輸和阻抗矩陣實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)；在微波頻段，由于電壓和電流就變得難以測(cè)量，因此使用散射矩陣描述。

當(dāng)把多個(gè)器件級(jí)聯(lián)后，整個(gè)聯(lián)級(jí)的噪聲系數(shù)，需要考慮每一級(jí)的器件自己產(chǎn)生的噪聲，和對(duì)前級(jí)噪聲的放大 以及端口損耗等等，最終得到級(jí)聯(lián)中的噪聲系數(shù)。

同時(shí)建模時(shí)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(shí)候需要明確定義。

總 結(jié)

基于環(huán)境效應(yīng)的系統(tǒng)電磁仿真技術(shù)融合系統(tǒng)鏈路、收發(fā)天線、平臺(tái)特性和環(huán)境建模技術(shù)，通過多尺度算法可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜體系電磁特性仿真。

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

審核編輯：郭婷