AFSIM 电磁模型概览¶

1. 架构与管理机制¶

AFSIM将电磁环境计算分为两个独立的维度：传播（Propagation）与衰减（Attenuation）。

1.1 传播模型管理器 (`WsfEM_PropagationTypes`)¶

该类是传播模型的中央注册表和工厂，负责管理几何、地形和多径效应相关的计算模型。

核心职责：
- 注册：维护可用传播模型列表（如FastMultipath, GroundWave）。
- 实例化：基于配置文件名称（如fast_multipath）创建对象。
- 场景隔离：每个WsfScenario维护独立的传播类型集合。
配置方式：
1. 引用预定义：propagation_model my_model
2. 内联定义：
```
propagation_model urban_model fast_multipath
   soil_moisture_fraction 0.1
   surface_roughness 0.5
end_propagation_model
```
3. 自定义扩展：允许用户通过C++接口注册新的传播类。

1.2 衰减模型管理器 (`WsfEM_AttenuationTypes`)¶

该类是大气衰减模型的中央管理器，负责管理由气体吸收、天气（雨/云/雾）引起的信号损耗。

核心职责：与传播管理器类似，但增加了对旧版模型兼容性的处理。
特殊机制：
- 兼容性检查：通过AcceptsInlineBlockInput()区分新旧模型。
  - 旧模型（如Blake）：仅支持引用，不支持内联参数块。
  - 新模型（如ITU）：支持完整的内联参数配置。
- 克隆策略：优先查找用户自定义类型，失败后回退到核心内置类型。

2. 传播模型 (Propagation Models)¶

定义：传播模型主要计算传播因子 (Propagation Factor, F)。作用：模拟几何位置、地形遮挡、地球曲率、多径反射（干涉）对信号幅度和相位的影响。

2.1 `WsfEM_GroundWavePropagation` (地波传播模型)¶

定位：中低频、超视距、高保真模型。

2.1.1 核心原理¶

基于Norton地表波理论和Sommerfeld积分，结合Wait-Hill分层大气模型。 * 物理机制：模拟电磁波沿地球表面的绕射、爬行波以及非均匀大气的折射。 * 数学方法：使用WKB（相位积分）近似和Runge-Kutta数值积分求解复数微分方程。

2.1.2 关键特性¶

频率覆盖：最佳适用 10 kHz - 30 MHz (LF/MF/HF)。
距离能力：支持超视距传播（考虑地球曲率）。
极化敏感：区分垂直极化（地波首选）和水平极化（高损耗）。

2.1.3 算法流程¶

大气设置：建立指数大气折射率模型。
模式选择：
- 近场/视距：几何光学方法。
- 短距离(<50km)：平坦地球近似。
- 远场/超视距：基于本征模态和相位积分的传输损耗计算。

2.1.4 适用场景¶

海事通信 (HF)
超视距雷达 (OTHR)
AM广播与导航信标 (NDB)

2.2 `WsfEM_FastMultipath` (快速多径模型)¶

定位：VHF/UHF及以上、视距内、地面/海面反射模型。

2.2.1 核心原理¶

基于经典的两射线（Two-Ray）理论。 * 机制：计算直射路径与经地面反射路径的相干叠加。 * 反射系数：使用菲涅尔方程（Fresnel Equations）计算复数反射系数。 * 粗糙度修正：引入高斯粗糙度因子降低镜面反射分量。

2.2.2 关键特性¶

输出结果：传播因子 F ∈ [0, 2]（0=完全抵消/深衰落，2=完全增强）。
环境参数：支持土壤湿度、表面粗糙度、地球半径设置。
限制：主要适用于视距内（LOS）场景，忽略地球曲率的绕射效应。

2.2.3 适用场景¶

低空雷达探测（多径瓣图分析）
海面舰舰通信
机场进近雷达

2.3 `WsfEM_ALARM_Propagation` (ALARM模型)¶

定位：军用级、地形敏感、高精度低空模型。

2.3.1 核心原理¶

源自SAIC/MIT林肯实验室的先进低空雷达模型。 * 多机制集成： * 绕射：刃形绕射 (Knife-Edge)、Deygout多重绕射、球面地球绕射。 * 多径：地形起伏引起的多径效应。 * 遮蔽：精确的地形遮挡分析。

2.3.2 关键特性¶

地形感知：直接利用DTED等地高数据分析沿途地形剖面。
混合计算：自动在几何光学、多径和绕射算法间切换。
受限使用：属于出口管制代码 (Non-Exportable)，仅限美军及授权方。

2.3.3 适用场景¶

低空突防分析（巡航导弹、直升机）。
复杂山地环境下的防空系统部署。
高保真度作战仿真。

2.4 `WsfEM_NullPropagation` (空传播模型)¶

定位：基准测试与调试。

原理：假设为自由空间传播。
输出：始终返回传播因子 F = 1.0（无多径、无绕射、无地形损耗）。
用途：用于验证系统功能，或作为对比基准排除环境因素干扰。

3. 衰减模型 (Attenuation Models)¶

定义：衰减模型计算大气损耗 (Loss)。作用：模拟空气分子、水蒸气、降雨、云雾对信号能量的吸收和散射。

3.1 `WsfEM_BlakeAttenuation` (Blake模型)¶

定位：经典经验模型，雷达仿真标准配置。

3.1.1 核心原理¶

基于Lamont Blake的经验数据图表。 * 算法：双线性插值查表法（频率 × 仰角）。 * 范围：频率 0.1-10 GHz，仰角 0-10°，距离 < 300海里。

3.1.2 优缺点¶

优点：计算极快，被早期雷达系统广泛采用。
缺点：仅包含干空气吸收，不含雨/云衰减；高仰角和高频段（>10GHz）精度差。

3.2 `WsfEM_EARCE_Attenuation` (EARCE模型)¶

定位：美军地基雷达专用标准模型。

3.2.1 核心原理¶

源自ESAMS/ALARM/RADGUNS通用环境架构。 * 数据基础：基于31,260个高精度数据点的庞大查找表。 * 算法：三维插值（距离 × 仰角 × 频率）+ 分层射线追踪积分。 * 特殊设计：包含专门的近场衰减模型 (ATNEAR)。

3.2.2 适用场景¶

地基防空雷达（爱国者、萨德等）。
频率 1-100 GHz 的精确仿真。
限制：出口管制，仅适用于地基平台（不适用于机载/星载）。

3.3 `WsfEM_ITU_Attenuation` (ITU模型)¶

定位：国际标准、物理完备、民用/科学通用。

3.3.1 核心原理¶

严格遵循 ITU-R P.676 / P.838 / P.840 建议书。 * 物理完备性： 1. 气体：逐线计算氧气和水蒸气吸收谱线。 2. 降雨：基于降雨率的幂律模型。 3. 云雾：基于液态水密度的瑞利/米氏散射。 * 算法：分层球面积分，高度分层策略（低空密集、高空稀疏）。

3.3.2 适用场景¶

毫米波/太赫兹系统 (1 - 1000 GHz)。
卫星通信链路（穿透整个大气层）。
全天候仿真（雨、雪、雾环境）。

3.4 `WsfEM_SimpleAttenuation` (简单模型)¶

定位：工程测试、快速原型。

3.4.1 核心原理¶

不涉及物理计算，仅根据用户配置应用数学规则。 * 模式1：固定因子。例：attenuation_factor 0.5 (恒定3dB损耗)。 * 模式2：线性衰减。例：specific_attenuation 0.1 dB/km。

3.4.2 适用场景¶

系统功能测试（如接收机灵敏度测试）。
模拟固定损耗（如电缆损耗、天线罩损耗）。
不需要环境真实性的简单场景。

4. 模型选型与对比指南¶

4.1 传播模型选型表¶

模型名称	适用频段	关键能力	典型应用场景	计算开销
GroundWave	LF - HF (30MHz以下)	地表波、超视距	远距离通信、OTHR雷达	高 (数值积分)
FastMultipath	VHF - SHF	两径反射、海面多径	海战、低空雷达探测	低
ALARM	VHF - S波段	地形遮蔽、多重绕射	山地防空、低空突防	极高 (地形分析)
Null	全频段	无 (F=1.0)	基准测试、理想环境	极低

4.2 衰减模型选型表¶

模型名称	适用频段	物理效应	精度/权威性	限制条件
Blake	0.1 - 10 GHz	仅气体吸收	中 (经验模型)	仅限低仰角 (<10°)，无雨雾
EARCE	1 - 100 GHz	气体、近场效应	高 (美军标)	出口管制，仅限地基
ITU	1 - 1000 GHz	气体 + 雨 + 云	高 (国际标)	计算较复杂
Simple	任意	用户自定义	N/A	无物理意义

4.3 最佳实践组合¶

常规雷达仿真 (低空/海面):
- 传播: FastMultipath (处理海面反射)
- 衰减: Blake (处理基本大气损耗)
- 理由：计算快，满足典型雷达方程需求。
高保真军事作战 (山地/突防):
- 传播: ALARM (精确计算地形遮挡和绕射)
- 衰减: EARCE (匹配军用雷达频段和特性)
- 理由：最高的物理逼真度，适合任务级仿真。
全天候通信/毫米波系统:
- 传播: FastMultipath 或 Null
- 衰减: ITU (开启降雨和云雾模型)
- 理由：ITU是唯一能准确模拟恶劣天气和毫米波段的模型。