基于环境效应的WaveBench电磁仿真软件的开发

背景

随着5G、物联网、智能化、新能源等信息化技术的急剧发展，传感器技术在探测、追踪、定位、识别、导航、通信、控制等方面呈现爆发式应用，空间的电磁装备数量及其使用频率愈加密集，频谱资源变得越来越拥挤和稀缺，被动和主动电子干扰日益加剧。为迅速掌控未来电磁领域的主导权，美国政府视电磁频谱为继陆、海、空、天和网络之外的第六维物理域，近年进行了大量的频谱体系理论算法和应用拓展。电磁频谱关系到国防和民用的信息化建设的顶层架构，是各国维护电磁安全的战略性任务之一。

大量的现代电磁装备在同一空间执行不同的任务形成复杂电磁空间，该电磁空间具有时域上突发多变、空域上纵横交错、频域上密集重叠、功率分布参差不齐的特点，这会导致有益的电磁活动被干扰，影响电磁空间中运行装备使用性能、效能、甚至是安全。

一个装备平台内部多个传感器之间的频谱冲突构成系统级电磁兼容问题，多个装备在同一时空的频谱冲突构成体系级频谱兼容问题。系统级电磁兼容问题有长期的研究历史，并形成了较为成熟的理论、建模和测试工程解决方案。体系级的频谱兼容问题是随着近年传感器技术爆发式发展带来的新问题，无论是把装备电磁性能开发放到体系中研究，还是体系本身的电磁效能研究，从理论和工程两个层面都需要探索和积累。

上海致卓基于近20年专注于电磁建模仿真领域的研究和积累，借鉴以模型为基础的系统工程方法，考虑真实应用和测试环境影响，提出基于环境效应的协同电磁仿真技术，并开发了WaveBench电磁仿真软件。

解决问题

协同仿真的目标是解决如何在系统（如空间网络系统，5G系统、物联网到汽车平台）开发过程的早期来降低体系级频谱兼容风险，从而使系统在设计上更安全，这与在开发过程后期通过测试和应用反馈再去解决问题相比有巨大优势。该技术可以帮助系统工程师能够及早对系统进行威胁建模分析，并将缓解策略纳入系统设计，从而降低系统的整体安全相关风险。

协同技术的一个关键特征是多尺度分层建模体系的建立，将经过验证的各级别系统工程电磁模型转换成与应用需求相适应的多尺度数字电磁模型，并将其融入到各类真实使用场景（即复杂体系）中，进行体系级频谱兼容特性的协同仿真。

以汽车自动驾驶为例，自动驾驶涉及到光学、毫米波、超声波、通信、导航等传感器，这些传感器的性能受到复杂的使用场景和环境的影响。从体系频谱兼容建模角度来讲，需要分层建立合适尺度的地情环境电磁模型、气象环境电磁模型、车辆运动模型、车辆编队和运动模型、传感器天线模型、传感器链路模型等。应用这些模型协同仿真汽车在全地情、全时段、全气象条件下的探测、定位、通信、控制和制导等性能。在设计早期就能评估体系级的频谱干扰和兼容问题对自动驾驶性能的影响，并制定优化和管理策略。

基于环境效应的协同电磁仿真技术实现了：1.装备和复杂环境的协同；2. 多尺度模型和多尺度算法的协同；3.包含体系-系统-传感器-元器件在内的供应链协同。

技术和应用

一、协同场景

基于环境效应的协同电磁仿真技术包括四个方面建模技术：平台建模、传感器建模、环境建模、互联特性建模。

环境效应不仅仅指自然环境，也包括来自平台内部、电磁背景和电磁威胁等综合的环境效应。随着环境效应考虑影响因素的增加，由模型空间尺度和电磁尺度激增而带来的建模难度急剧增加。

考虑单个静止平台环境对电磁性能影响的建模技术已经比较成熟，典型的应用是建模天线在平台上的布局问题，涉及到的协同仿真技术就是全波算法与高频算法之间的协同。

下方是理想环境下雷达的天线方向图， 当它安装在汽车上的时候，方向图发生畸变，从信号时延可以看到畸变产生的原因。

当我们把更大空间的电磁环境效应引进的时候，就是我们常说的E3效应“电磁环境效应”（ electromagnetic environment effects），包括：静电放电（ESD）、雷电（Lightning）效应、干扰/阻断、电磁干扰（EMI）、电磁易损性（EMV）、电磁脉冲（EMP）、高强度辐射场（HIRF）、射频能的威胁、高能微波（HPM）和元件间的干扰等效应。涉及到的仿真技术是环境信号模拟以及全波算法之间的协同。

当我们在E3基础上引入更复杂的地理、气象和海洋环境后，并考虑装备的编队、运动和对抗等特性，就构建了基于环境效应的协同电磁仿真技术。基于环境效应的协同电磁仿真技术可以应用于频谱态势、频谱兼容、频谱对抗等广泛的业务领域，包括无线互联网、物联网、智能社区等的性能分析。

二、技术难点

市场上已经有一些相当不错的国产软件具备平台环境效应和E3建模能力，基于环境效应的协同电磁建模技术目前还处在理论成熟、应用推广和规范形成的过程中。从建模技术而言，主要难点集中在以下几个方面：

1、环境建模：环境的建模的本质是要真实反应电波传播，要考虑地形地貌、地球曲率、大气折射、大气波导、水蒸气密度/湿度、海面海情等影响。

电波传播在空气中传播时候，需要考虑传导，衰减和折射效应。

图片中是发生在费拉隆群岛中一种海市蜃楼情景，因为光线通过空气中溫度不同的陡峭逆温层导致的大气波导造成的

环境建模应该基于协同仿真算法以及它们的耦合性制定综合建模策略，其效应都是通过电波传播耦合到天线系统和设备链路中的，建模的精细度也依赖于电波传播的需求。比如大气波导进行建模时要考虑地理不同区域和不同季节的大气折射率是变化的，这会导致完全不同的电波传播特性。

2、多尺度算法：前面也说了，考虑综合环境效应的协同电磁仿真涉及的应用领域相当广泛，包括通信、探测、导航、制导、物联网、新能源等业务，仿真的内容包括频谱态势、频谱规划、频谱管理等。分析的频率尺度范围从千Hz到百GHz，空间尺度小到几十米的仓库，大到上千公里的通信。单一算法无法解决这一问题，须依据应用需求、精度、时间平衡妥协地选择多尺度的算法。

3、多尺度设备链路模型：因环境效应都是通过电波传播耦合到装备的天线系统然后传递到设备链路中的，所以除信道特性外，评估综合环境效应对装备电磁性能和使用效能的影响必须建立合适的设备链路模型。受到应用需求、专业领域、知识产权等因素的影响，针对装备整个研发链条上的不同主体，必须建立不同尺度的设备链路模型。

如传感器厂家具备真实准确的传感器设备链路模型，包括真实结构和SPICE模型等，并关注更细节专业的问题点比如某个结构对磁控管的谐振频率的影响等，这种情况下必须建立高精度的精细尺度设备链路模型。平台总体设计厂家只关注平台的总体电磁特性和效能，且他们没有设备子系统的详细模型，这时候就需要结合设备厂家的高精度链路模型建立一个中等精度的链路模型，能够考核和评估部分关键设备参数的改变对平台总体性能和效能的影响。对于平台用户而言，更多的是关心平台的使用效能，仅仅需要一个粗尺度的设备链路模型，能够评估使用过程中一些与设备操作相关的参数变化对使用效能的影响。

下图是一个典型的收发机网络级联模型，采用系统框图，以级联形式将网络模型构建起来。针对二端口网络模型，在低频段使用传输和阻抗矩阵实现级联；在微波频段，由于电压和电流就变得难以测量，因此使用散射矩阵描述。

当把多个器件级联后，整个联级的噪声系数，需要考虑每一级的器件自己产生的噪声，和对前级噪声的放大 以及端口损耗等等，最终得到级联中的噪声系数。

同时建模时需要考虑一些器件的特有特性，比如含带通滤波器的放大器，其特有特性在系统链路建模的时候需要明确定义。

总 结

基于环境效应的系统电磁仿真技术融合系统链路、收发天线、平台特性和环境建模技术，通过多尺度算法可实现复杂体系电磁特性仿真。

上海致卓就是在上述技术基础上开发了WaveBench软件。软件基于分层建模技术、多尺度算法、基于GIS的场景可视化技术、多软件接口，最终实现了包括5G、物联网、智能化、新能源等广泛业务的频谱态势、频谱兼容、频谱规划、频谱管控全数字仿真和半实物联合仿真。

审核编辑：郭婷