電磁環境課程教學中抽象與具體的結合

覃宇建，李高升，劉培國

(國防科技大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073)

我校在本科和繼續教育教學中設置了“復雜電磁環境”課程。在教學過程中，我們發現很多學生在理解和掌握復雜電磁環境的特征及其影響方面存在困難，在認識上存在一些誤區，需要教師在授課過程中及時引導。該課程所涉及的內容，可在授課過程中進行一些對比，這有助于學生更好地理解概念和原理。

1 電磁環境的構成

國家標準對電磁環境的定義是:“存在于給定場所的所有電磁現象的總和”。在這里，給定場所即空間;所有電磁現象包括全部時間與頻譜，如頻率特性、脈沖串特性、天線掃描特性、極化特性和功率電平特性、輻射源數目以及在接收動態范圍之內每秒可以接收到的脈沖數等。而電磁環境效應是電磁干擾、電磁脈沖和電磁輻射對人體、設備和材料的危害，以及閃電和天電干擾等自然現象效應的總和［1]。

電磁環境主要由電磁輻射源和電磁傳播途徑這兩個要素構成。前者涉及信號的產生，是電磁環境出現并日益復雜的基本因素;后者涉及信號和能量的傳播過程，影響電磁環境的分布狀況。

電磁環境雖然抽象，但它是客觀存在的，與氣象環境和核化環境等一起，共同存在于地理環境中，并受地理環境的影響，構成了特定地域的綜合環境，如圖1所示。

圖1 特定地域綜合環境的構成

2 授課內容的選擇與安排

“復雜電磁環境”課程的研究范疇內涵及外延較廣，覆蓋多學科專業的知識。要精選授課內容，按照合理的邏輯架構組織安排，做到思路清晰，重點突出。

從內容上來說，“復雜電磁環境”課程主要包括基礎理論、關鍵技術和應用技術等三個層面。基礎理論涉及電磁環境的電磁原理、電磁環境的概念、構成、特性以及電磁環境的表征方法等;關鍵技術主要包括電磁兼容、電磁頻譜管理技術和電子對抗等;應用技術主要包括電磁環境的構建與生成、基于復雜環境的演習和訓練以及電磁環境評估與應對等。該課程的基本內容如圖2所示。

圖2 “復雜電磁環境”課程內容

3 電磁環境的各種具象

3.1 電磁環境的不可見性及其感知

雖然電磁環境難以感知，但我們可以通過各種儀器設備獲取其特征，從而建立感性認識。在時域、頻域和空域可以分別借助示波器、頻譜儀和場強儀等儀器設備，結合轉臺和升降機等設施，地理信息系統和數據庫等軟件環境，使其變為可見。條件具備時，可以設置這樣的實驗環境，對學生進行演示，使其建立直觀和感性的認識［2]。

對于電磁環境的顯示，還可在測量的基礎上，繪制某一地點的電場和磁場隨時間的變化曲線，繪制某一時刻電場和磁場強度在空間的分布曲線，生成電磁態勢圖，繪制三維電磁場分布圖。

3.2 環境存在的抽象性與影響的具體性

電磁環境的存在是抽象的，但它對各種電子信息系統的影響是具體的，易于感知的，這表現為電磁環境效應。

例如，電磁環境使通信系統伴有噪音，通話質量降低;圖像傳輸出現雪花和條紋干擾;無線甚至有線數據鏈路不穩定等;雷達顯示屏幕出現虛假目標甚至全屏幕信號均被噪聲湮沒;衛星導航定位系統出現衛星信號丟失的情況，導致定位失效等，這都是復雜電磁環境的具體影響。因此，可通過電子信息系統終端的響應，掌握電磁干擾效果，了解干擾程度，進而推斷和確定電磁環境的復雜程度，以具體的終端響應來感知抽象的電磁環境。

3.3 電磁環境的絕對復雜和相對復雜性

環境中的電磁信號在空域上縱橫交錯，在時域上動態變化，在頻域上密集交疊，呈現一種復雜的態勢。從絕對數量上來看，電磁環境是比較復雜的［3]。

例如，海灣戰爭中，美軍通過對戰區電子戰電磁信號的測試發現，信號環境密度高達每秒120萬～150萬個脈沖，而且頻率主要集中在10MHz－10GHz頻段，頻譜密度極高。

而另一方面，電磁環境的復雜性又具有相對性。不同設備的靈敏度、工作頻段和傳感器等各不相同，抗電磁干擾的軟、硬件配置及能力有差異，對相同輸入信號的反應程度不同。因此，相同的電磁環境對不同設備的影響不同，相對而言其復雜程度就不一樣。

電磁環境的整體復雜性不排斥局部和短時的簡單性。因為電磁波在空間的能量分布有起伏，存在時間不連續，頻譜分布不均勻。因此，復雜電磁環境中的某些局部區域、某些時段和某些頻帶上電磁環境可能并不復雜。因此，復雜電磁環境具有宏觀上的相對復雜性，局部和具體設備所處電磁環境的相對簡單性［4]。

3.4 電磁兼容與電磁環境

電磁環境的復雜化及動態多變性，對電子信息系統的電磁兼容性能提出高要求。在當前情況下，電磁干擾來源更廣，信號更強。因此，處于其中的系統要想安全正常工作，其電磁敏感度就要比以前更低;另一方面，如果設備的電磁泄漏水平較高，即電磁輻射發射和傳導發射量值超標，對環境的影響將增強，這將進一步加劇電磁環境的復雜性，對處于其中的系統帶來更多的直接或間接影響。

基于這樣的狀況，復雜電磁環境下，電子系統從設計、制造到使用和維護保障全壽命各階段都必須更強調電磁兼容性能。

4 結語

“復雜電磁環境”課程內容的特點，決定了其學習和理解存在一定的難度。筆者在三年來的課程教學中，理論與實踐相結合，運用各種教學手段將抽象的問題具體化，實現形象的展示，并結合深入的對比分析，包括概念剖析和原理闡釋，積極總結歸納相關問題的辨證統一關系，對本課程的教學起到了良好的促進作用。學生認可度較高，普遍反映這樣的對比講解形象生動，對重點內容記憶深刻，使他們建立了較為清晰的電磁環境場景。

［1] 劉尚合，武占成，張希軍.電磁環境效應及其發展趨勢［J] .北京:國防科技，2008，(1)

［2] 李高升，覃宇建，劉培國.電磁場與微波實驗教學設計及其實驗室建設研究［J] .西安:高校實驗室工作研究，2010，(4)

［3] 唐保東.對復雜電磁環境下訓練的認識與思考［J] .北京:國防大學學報，2007，(9)

［4] 劉培國.電磁環境基礎［M] .西安:西安電子科技大學出版社，20