復雜電磁環境問題的產生與研究

汪連棟，許 雄，2，曾勇虎，韓 慧，楊曉帆，2

（1.電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽471003；2.中國洛陽電子裝備試驗中心博士后科研工作站，河南 洛陽471003）

0 引言

無法直觀觸及卻又無處不在的第五維活動空間——電磁空間，已成為信息社會的一個重要構成部分［1］。隨著對電磁資源的大規模開發和運用，人們所面臨的以電磁空間為依托的電磁環境日益惡化。惡化的電磁環境對人們的生產方式和軍事斗爭形式產生了巨大的影響。這已體現在現代幾場高技術局部戰爭的戰場環境上?？梢哉f在當今的高技術戰爭中，制電磁權的爭奪幾乎直接關系著軍事斗爭的勝敗。因而，現今的電磁空間存在著眾多的安全問題，這些問題已上升為國家安全的重要組成部分。電磁環境問題已成為影響人類發展的一個重大戰略問題，對電磁環境的研究已成為當今科學技術領域的重要前沿［2-6］。

本文旨在通過闡述電磁環境的研究歷史，總結對抽象的電磁環境問題的直觀認識，敘述為研究電磁環境問題所做的相關環境構建工作，為復雜電磁環境特性與模擬研究指出一些亟待解決的困難問題。

1 電磁環境問題的產生

1.1 電磁應用歷程

早在兩千多年前，人們就發現了電現象和磁現象，而真正認識和應用電磁的歷史嚴格來說僅有一百多年。最重要的標志是1865年，英國物理學家麥克斯韋創立了統一的電磁理論，預言了電磁波的存在。之后在1887年，德國物理學家赫茲實驗證明了電磁波的存在并實現了其發射和接收。而1901年英國馬可尼跨越大西洋的無線通信試驗的成功開啟了人類進入電磁應用時代的大門。

無線電通信成為電磁應用最早的活動領域，同時也被首先應用于軍事行動。1904年的日俄戰爭是世界上第一次雙方都使用無線電通信的軍事斗爭。當時，無線電通信使用的是電磁頻譜中的長波、中波波段。1924年才出現了短波通信，1931年出現了超短波通信。隨后又迅速發展了微波、毫米波通信等。

雷達是電磁應用的又一個重要領域。1930年，美國海軍研究實驗室首次利用波的干涉效應探測到飛機，這可看作是連續波雷達的前身。1935年，英國研制出了第一部用于探測飛機的實用脈沖雷達。之后，隨著磁控管、速調管、行波管等大功率微波器件在雷達中的應用，雷達的工作頻率從米波逐步拓展到了厘米波頻段。目前，雷達所利用的波段已經覆蓋了從長波、短波、微波、毫米波、紅外到可見光等大部分頻譜資源。

隨著電子技術的發展，電磁應用領域不斷被擴展。從軍用到民用、從地上到天上，各種類型的電磁設備充斥著人們生活的每個角落。同種類型設備的數量，比如手機、戰術電臺、火控／炮瞄雷達等，隨著需求的增加而呈現爆炸性的增長趨勢，從而直接導致了頻譜資源的異常擁擠。于是出現了時分、碼分等各種不同體制的電磁應用系統。人類進入了廣泛應用電磁資源的時代。

1.2 電子對抗活動

人類活動擴展到電磁空間，軍事對抗也自然被引入到電磁空間。相互敵對的人們在有限的、擁擠的頻譜資源中進行爭奪和控制被視為國家戰略資源的電磁資源，即進行通信對抗、雷達對抗、光電對抗等電子對抗活動，進而使原本已經相當緊張的電磁空間局勢愈加惡化。

從20世紀初開始，主要在第一次世界大戰期間，不太成熟的電子對抗技術就已被運用于無線電通信測向偵察等，同時出現了一些有針對性的通信干擾發射機。而到了第二次世界大戰時期，無線電導航對抗和雷達對抗相繼出現。它們與不斷發展的通信對抗一起共同形成電子戰的主體框架，并確立了電子戰在戰爭中的地位和作用。20世紀60年代以來，伴隨精確制導武器的大量使用，光電對抗技術蓬勃發展，極大地拓寬了電子對抗的活動領域。電子對抗活動覆蓋了電磁頻譜的大部分波段，基本上形成了只要有一種新的電磁應用活動出現，就會催生相應對抗手段的局面。因而可以說，電子對抗活動成為了電磁空間中最為活躍的一種電磁應用形式，同時也在積極改變著電磁空間中相關要素的分布狀態，影響著相應的電磁活動。

現今，專用的電子戰飛機、多樣的干擾誘餌，以及具有硬殺傷能力的反輻射導彈的運用直接改變著傳統機械化戰爭的模式，致使戰爭進入了高度依賴電磁環境的信息化時代。于是電子戰這種新型的戰爭形態應運而生。隨著軍隊信息化建設進程的加快，各種電子設備和信息化武器裝備在戰場上被廣泛使用，電子對抗活動日益激烈，直接導致電磁環境的急劇復雜化。這種復雜的戰場電磁環境也給信息化武器裝備的效能發揮造成了嚴重的制約。因而世界各軍事大國都不得不花大力氣開展針對復雜電磁環境的研究工作。電磁空間的安全也被視作是國家安全的重要組成部分而備受各國重視。

2 電磁環境的認知

正是上述電磁應用活動的廣泛開展，不同的電磁活動之間出現了強烈的相互影響，一種新的電磁活動的加入必須先考慮其與已有的電磁活動的關系，于是人們意識到必須像研究自身所生存的自然環境一樣，去研究由各類電磁活動的總和所形成的這種客觀存在且復雜多變的電磁環境。

2.1 典型的電磁環境

戰場電磁環境是一種最為典型且最受關注的電磁環境。據有關資料顯示，作戰情況下，通常有上萬個無線電臺在通信；成百上千部雷達輻射源在搜索跟蹤，信號樣式有幾十種，信號密度可達100～200萬脈沖／秒。同時還有無數條激光束在不停地瞄準各種迅速移動的目標。這些活躍的電磁輻射現象在特定的戰場空間內形成了極其復雜的電磁環境，于是“復雜電磁環境”的概念逐漸形成。它即指在一定的戰場空間內，由時域、頻域、能域和空域上分布密集、數量繁多、樣式復雜、動態隨機的多種電磁信號交疊而成，對裝備、燃油和人員等構成一定影響的戰場電磁環境［7］。

2.2 電磁環境的構成

為了認清復雜電磁環境的本質，人們進行了電磁環境的基本構成要素分析。從產生輻射的角度來看，主要包括三個方面：人為電磁輻射、自然電磁輻射，以及輻射傳播因素。人為電磁輻射是戰場電磁環境的主體，同時按照作戰進程不斷發生著劇烈的變化。自然電磁輻射主要包括靜電、雷電、宇宙射線等，這在野戰環境中是一個幾乎不可控的組成要素。輻射傳播因素主要指能夠影響電磁波傳播形態的各種媒介物質，如大氣、土壤、人造電磁散射體等。

人為電磁輻射是人們主要研究的對象，也是電磁環境復雜化的根本原因。這里面既包括了常規的電磁應用活動，如通信輻射、雷達輻射等；也包含為對抗上述輻射源的各種干擾等。自然電磁輻射在各種電磁應用中則是要注重防護或消除。輻射傳播因素中的人造電磁散射體，如飛機、導彈、角反射器等也是重點考慮的對象。經它們所散射的電磁波可看成是輻射的一個間接來源。

2.3 電磁環境的特性

從電磁環境的構成要素上看，電磁環境是充斥在人類活動的整個自然環境空間中，即電磁空間與自然空間幾乎重合，可見電磁環境具有相當的廣泛性；其次，電磁環境中的各個要素均會隨時間的推移而不斷的發生變化，致使整個電磁環境具有動態性；同時，由于電子對抗活動在電磁空間中所占據的突出地位，使得電磁環境具有了獨特的對抗性；加之由于輻射源的種類繁多、信號樣式各異、信號使用密集等，使整個電磁環境呈現出直觀的復雜性特點。

此外，由于人為電磁輻射是電磁環境的主體構成要素，因而復雜的電磁環境仍可以看成是一個可以受控制的動態開放系統。尤其針對戰場電磁環境，可以通過一定的技術、戰術手段，如頻譜管控、電磁干擾、電子防護等，實現對電磁環境的有限控制，使電磁環境朝著對己方電子信息系統工作有利的方向變化。這正表明了電磁環境還具有有限可控性的特點。

2.4 電磁環境的作用

物質、能量、信息是現今世界的三大組成要素。電磁環境則既可以看成是能量的載體，也可以看成是信息的載體，因而其對各種電子信息系統所產生的作用就可以從兩個層面來考慮，分別為能量層面和信息層面。

能量層面的作用表現在電磁環境中的各種電磁信號通過各種能量耦合的方式作用于電子設備、系統的電磁兼容問題。這些問題往往偏重于硬件方面即物理層面的研究。而由于有電子對抗活動的存在，電磁環境中的各種噪聲壓制型或信息欺騙型信號會對相關電子信息系統所接收、處理的信息直接產生干擾。這種干擾即是電磁環境在信息層面的作用表現。

上述這兩種作用過程所表現出的一定物理規律即可統稱為電子信息系統的復雜電磁環境效應。電磁環境正是通過相關的效應而對電子信息系統的應用產生重要影響。這些影響既有使系統性能下降的，也有被相關系統加以有效利用的。

3 可控電磁環境的構建

為了科學有效地研究和利用電磁環境，需要對典型的、想定的電磁環境進行構建，從而形成一個具體的、可控的電磁環境。這就是復雜電磁環境的模擬工作?？煽仉姶怒h境的構建分為兩大方式。一種是實驗室層面的，另一種是依托開放的真實地理環境。

3.1 實驗室層面的仿真

實驗室層面的仿真主要用于裝備的先期研究和技術性能評估，包括全數字的計算機仿真和半實物仿真。

全數字的計算機仿真是指采用計算機模擬技術來仿真電子信息系統的技術性能、戰術性能、戰術背景、戰場環境以及模擬戰斗進行中全部電磁環境產生、傳播和控制的過程。目前，各軍事大國已建立了許多仿真系統框架，如美國的高層體系結構（HLA）、試驗與訓練使能體系結構（TENA）等。通過這些系統框架，許多適合大規模對抗試驗研究的全數字仿真系統被相繼建立了起來。

半實物仿真也被稱為室內模擬或內場仿真，通常有注入式和輻射式兩種方式。注入式則是不經過天線的發射和接收環節，直接將信號用導波系統來連接相關射頻系統；輻射式是一個將電磁波通過天線陣輻射到電波／微波暗室、混響室里而形成復雜電磁信號環境的綜合模擬系統。另外，還有一些專門用于研究雷電與核電磁脈沖，以及超寬帶和超高功率電磁脈沖的各種大型模擬系統，如美國的ATLAS I模擬器等。

3.2 模擬的戰場電磁環境

依托開放的真實地理環境來構建虛擬的戰場電磁環境是一種最直觀、最有效的研究復雜電磁環境問題的方式，同時也是對相關實驗室研究成果在實際應用當中的最直接考驗。通過在真實的地理空間，按照一定的作戰想定，可構建近似逼真的戰場電磁環境。這種模擬的戰場電磁環境可以用于開展人裝結合、系統的作戰效能評估，以及不同強度的作戰訓練或大規模的軍事演習。

美國的陸軍瓦丘卡堡電子靶場、海軍空戰中心武器部電子戰靶場、空軍內利斯綜合試驗場，北約的波利岡（POLYGON）電子戰靶場等都建有功能強大的虛擬戰場電磁環境試驗設施。 它們均擁有大量的可用于構筑逼真威脅環境的實際威脅系統，以及部分可編程的威脅模擬器和典型的電磁散射目標，同時還包括空中、地面控制系統在內的綜合指揮控制系統，以及用于試驗效果評估的精確的三維跟蹤監測系統。這些受控的、模擬的戰場電磁環境為開展復雜電磁環境問題的研究提供了最便利的資源和最逼真的物理實體。

4 亟待解決的一些技術難題

對電磁環境的認知及可控電磁環境的構建屬于復雜電磁環境特性與模擬的研究內容。在特性的認知方面，目前還無法做到對電磁環境進行客觀、定量地描述，對電磁環境的量化表征缺乏統一的方法。尤其是針對電磁環境復雜性這一本質特點上缺乏合適的度量指標體系，致使對某一具體的電磁環境無法做出科學的評價、評級等。

其次在可控模型的構建方面，現有模擬方法的針對性、逼真性、可用性、易實現性、效率等均受到不斷增長的模擬需求的強烈挑戰。模擬需求與有限的模擬資源之間已形成了尖銳的矛盾。“無邊界靶場”概念的提出［8］，提供了一種一體化模擬的有效思路，但目前仍未獲得具體實施。

此外，認知及模擬過程中還有許多關于復雜電磁環境的基礎理論及關鍵技術亟待研究?？傊?，復雜電磁環境問題是一個系統性科學工程問題，需引入系統工程的相關理論方法來指導解決。

5 結束語

電磁環境是當今人類必須面對的一個新的生存環境，對人們的生產、生活方式產生了巨大的影響。為了更好地在電磁空間中開展活動，需要加強對電磁環境的研究，掌握控制電磁環境的方法。本文從電磁應用活動出發，對復雜電磁環境特性與模擬的研究工作進行了簡要闡述?？煽仉姶怒h境的構建為有效研究復雜電磁環境問題提供了基礎，而研究復雜電磁環境問題歸根結底還是為研究電磁環境效應，即主要研究復雜電磁環境對所處其中的電子信息系統的綜合作用機理問題。這也進一步為開展電子信息系統的應用效能評估，提高其環境適應性提供了技術基礎。■

［1］王汝群，等.戰場電磁環境［M］.北京：解放軍出版社，2006.

［2］劉尚合.武器裝備的電磁環境效應及其發展趨勢［J］.裝備指揮技術學院學報，2005，16（1）：1-6.

［3］孫國至，劉尚合，陳京平，等.戰場電磁環境效應對信息化戰爭的影響［J］.軍事運籌與系統工程，2006，20（3）：43-47.

［4］耿海軍，卜曉紅.信息化戰場的“軟性平臺”——復雜電磁環境［J］.國防科技，2007，28（4）：75-77.

［5］唐朝京，劉培國.信息化戰場復雜電磁環境分析［J］.國防科技，2007，28（8）：25-28.

［6］劉尚合，武占成，張希軍.電磁環境效應及其發展趨勢［J］.國防科技，2008，29（1）：1-6.

［7］劉尚合，孫國至.復雜電磁環境內涵及效應分析［J］.裝備指揮技術學院學報，2008，19（2）：1-5.

［8］王國玉，馮潤明，陳永光.無邊界靶場［M］.北京：國防工業出版社，2007.