電磁環境的分層認知概念及其應用*

許 雄，汪連棟，王國良，曾勇虎，王國玉

（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）

電磁環境的分層認知概念及其應用*

許 雄，汪連棟，王國良，曾勇虎，王國玉

（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）

針對裝備復雜電磁環境適應性試驗評估的需求，指出若干需要重點解決的基礎科學問題。針對復雜電磁環境認知這一首要問題，運用層次化的分析思想，提出電磁環境的分層認知概念，并初步探討了概念的內在涵義和相關應用價值。

復雜電磁環境；適應性試驗；分層認知；相關性

0 引言

隨著電子技術的發展、社會信息化程度的提高，復雜電磁環境已成為一種客觀存在。由此而造成的對各種電子系統的影響，即復雜電磁環境效應，是當前人們遇到的一個棘手的重大現實問題。為了搞清楚電子系統在其所處工作環境中的運行狀態，解決復雜電磁環境效應問題，需要開展電子系統的復雜電磁環境適應性試驗，然而目前還沒有成熟的試驗理論與方法可供參考。

本文首先指出適應性試驗過程將遇到的若干關鍵問題，并重點針對其中最基礎的復雜電磁環境認知問題提出解決思路，以供參考。

1 復雜電磁環境適應性試驗中的關鍵問題

裝備的復雜電磁環境適應性試驗是依據一定的使命和目的，構想出具有最大可能性的電磁對抗態勢，并按照一定的規程，對各項裝備效能的發揮情況進行試驗檢驗，對電磁環境給裝備造成的影響情況給出分析結果，對裝備的論證、研制、使用給出科學建議。那么，試驗過程必然涉及電磁環境的構建、對抗態勢變化的試驗設計、復雜電磁環境效應現象的檢驗分析，以及針對具體考核方面的評估方法等關鍵問題。

而要解決這些關鍵問題，首先必須對復雜電磁環境本身有一個清晰的認識，并能夠進行有效、直觀的表征，即回答復雜電磁環境是什么樣的，如何有針對性地定量描述、度量。這就是復雜電磁環境認知問題。由于復雜電磁環境本身先天具有的抽象性、廣泛性和隨機性等特點，對復雜電磁環境的認知至今沒有一個成熟、顯性的理論或方法，基本是從“時、空、頻、能、極化、調制”這6個域同時來對其進行描述。

現行的這種描述方法是從物理量的類別上期望對電磁環境進行全面描述，具有一定的完整性，但也導致了認知上的復雜性。而且，由于各個域中的物理量并不是相互獨立的，因而在應用時也造成了諸多麻煩。

為了解決這個基礎問題，這里提出一種改進的認知方法，希望從應用的角度，換一個視角來對電磁環境進行描述，并建立一個新的概念模型以進行直觀分析。

2 電磁環境分層認知概念的提出

從認知的角度來說，認知不是一個完全從無到有的過程，而是有許多先驗知識作為支撐。因而認知過程就是一個在先驗知識基礎上將復雜問題簡單化的過程。又由于認知的目的是為了應用，那么應該可以從應用需求的角度來進行認知。

2.1 基于應用需求分析的認知思想

幾種常見的應用所對應的對電磁環境中相關物理參數的需求如圖1所示。針對認知電磁環境的應用需求而言，人們在某一次具體應用時往往不需要了解電磁環境的全部參數；同時針對環境對電子設備影響而言，也不是所有參數都會產生影響。于是，可以運用層次化的分析思想，對擬認知的對象，由面到點、由整體到局部對電磁環境所有的參數依照應用需求進行歸納分類并層層地剝離、分析。

圖1 電磁環境認知的應用需求

在該分析思想下，基于應用需求的認知可以認為，當人們站在空間某一點處，在無先驗信息的條件下，通過相應的電子測量儀器媒介對電磁信號進行感知時，一般需要做如表1所示的7件事，并采集相關的物理參量。這7件事正常是有先后順序的，前一步所獲得的信息可以作為后一步的先驗知識，后一步則可以看作是在前一步數據基礎上的信息挖掘。整個過程是一個由淺入深、循序漸進的信息獲取過程。這個過程不僅能夠獲得電磁信號的全部物理參數，同時將相關的參數分成了7類，具體應用時可只關注其中的某一類，這樣能夠從一定程度上解決認知的復雜性問題。

表l 對電磁信號感知的事件

2.2 電磁環境的分層認知

借鑒上述由淺入深的思路，對電磁環境認知的一般方法則可參照感知電磁信號的7個步驟進行分層，即分別為：基本屬性層、物理空間層、波動形態層、信號波形層、指紋特征層、基礎數據層、信息應用層。每個層里都包含了一類物理參數，分別覆蓋了現有6個物理域中相關的物理量。電磁環境的層次化形態如圖2所示。

圖2 電磁環境的分層認知概念模型

本質上說，這里其實是將現有對電磁環境的“六域”概念描述從平面的角度變成了立體的角度，從二維結構變成了具有層次特征的三維結構。這便是電磁環境的分層認知概念模型。

2.3 概念模型的內涵

模型的最下方為第1層，最上方為第7層。下面分別對每個層進行闡述：

第1層：基本屬性層

該層主要體現電磁環境的有無和屬性。通過頻譜儀等測量儀器，可得到電磁環境在時間、頻率和功率之間的關系，初步感知電磁環境的存在和電磁環境特有的頻域特征。

第2層：物理空間層

在第1層認識到電磁現象有無的基礎上，該層回答電磁輻射從哪里來，到哪里去的問題。電磁環境主要以電磁波的形式存在于自然空間中，因此具有一定的能量傳播方向。通過測向手段可以感受電磁波的能流參數，進而直觀的感受電磁環境的運動特性，這也是目前電磁環境可視化研究的基礎模型，其輸出結果如電磁云圖，可用于電磁態勢分析等。

第3層：波動形態層

類比螃蟹前進是橫著走，蛇前進時是彎著爬的直觀形態，可以想象電磁波在前進時會在其路徑上留下特有的腳印，這些腳印的形態可稱為極化。波動形態層主要是從極化方式上對電磁波的波動傳播形式的認知，可通過極化測量手段來實現。

第4層：信號波形層

在前三層的基礎上，通過示波器等工具可觀測其信號波形，可看清具體信號的振蕩形態。當采用這種方式時，實際上已經人為地將電磁信號置于一個平面上進行研究。因此此時看到的電磁環境是電磁波中的電場在示波器顯示器上的一個平面投影圖。

上述4個層次，均關注的是電磁波本身，將電磁波作為一個整體要素呈現在電磁環境中，因此也可統稱為物理層，而下面3個層次關注的是信息層面的參數，可統稱為邏輯層。

第5層：指紋特征層

電磁波既是能量的載體，也是信息的載體。調制是對電磁波作為信息載體的一種直觀反映。指紋特征層主要關注電磁波的調制方式，是對電磁環境更加深入細化的研究。該層可以利用調制域分析儀等工具將調幅、調頻和調相三種基本調制方式從第4層的信號波形中解析出來。

第6層：基礎數據層

在第5層的基礎上，通過混合信號分析儀等設備可以將用于調制的相關數字信號或模擬信號獲取出來。這些信號即是相關基礎數據的電子表示。該層主要完成解調的工作。輸出所要傳遞物理參量信息的基帶信號波形圖，或模擬信號波形圖等。

第7層：信息應用層

從第6層所獲取的數據可能會受到編碼、加密等操作。信息應用層需完成對電磁環境數據的顯現應用，是認知模型的最頂層。根據香農的信息論：信息是用來消除隨機不定性的東西。而認知電磁環境的最終目的也是為了消除復雜電磁環境的不確定性，以便于人們根據所掌握的復雜電磁環境中蘊含的信息，在復雜電磁環境下對各種電子裝備的運用進行決策、評估等。該層用于回答電磁波的行動意圖。輸出為獲取的電磁信息，可為相關用戶提供決策服務，包括身份識別、情報獲取、管理控制等。

3 應用探討

總體來看，分層認知概念模型與現有“六域”概念模型不同的是，這里對電磁環境的整體情況描述被按照一定的先后順序放置在不同的層中，且每個層具有一定的獨立性。每個層可以看成是對下一層的信息調制，而下一層是上一層的載體。認知電磁環境可按照從低層次到高層次的順序，實現層次嵌套，只要獲得滿足應用需求所要求的信息即可。這也類似于對電磁信號的解調過程，解調后就不用關心解調前的信息了。于是，從模型應用的角度來說，每個層次能夠完成的潛在應用如圖3所示。

圖3 模型中的潛在應用關系

針對不同的對象或用戶，在認知電磁環境時不需要了解所有層次的信息，而是依次從底層開始對電磁環境與相應的應用需求進行如圖4所示的電磁環境相關性分析，而后在每一層的相關域里再進行下一層的數據挖掘。

圖4中，信號環境與電子信息裝備之間的相關性具體體現在頻段相關、空間相關、極化相關3個方面，因而可以分別在第1、2、3層中依次建立頻段相關度、空間相關度、極化相關度3個物理量對環境與裝備的基本相關性進行描述。于是，在相關性分析的基礎上，對電磁環境的定量描述、度量、模擬等基本應用可以放在后續的每一個層上單獨進行，這樣從很大程度上降低了現有分析研究的難度。

圖4 信號環境與裝備的相關性分析

其中，在電磁環境的描述方面，首先可以從物理層的第4層：信號波形層里提取對電磁環境的定量描述物理量，即從信號波形層的物理參數：脈沖波形的參數（連續波看作是占空比為100%的一個脈沖特例）中提取；接著根據應用的需要再從邏輯層的第1層：指紋特征層里提取對電磁環境的定量描述物理量，即從指紋特征層的物理參數：線性/非線性調頻、各種編碼調相的物理參量描述中提取。之后，若有需要則可再向上前進一層，從基礎數據層中繼續提取相關物理量來對電磁環境進行描述。

在電磁環境的度量方面，則首先在物理層上，可對脈沖波形的物理參數進行取值范圍的區間劃分，如脈沖幅度的取值范圍、脈沖寬度的取值范圍、脈沖重復頻率的取值范圍、脈沖上升沿的取值范圍、脈沖波形變化率的取值范圍等；接著可在邏輯層上對線性/非線性調頻、各種編碼調相等信號物理參數進行取值范圍的區間劃分，如調頻斜率的取值范圍、調頻帶寬的取值范圍、編碼長度的取值范圍等。這樣便可實現針對一定應用需求的電磁環境的相對度量。

在電磁環境的模擬方面，則根據描述和度量中所采用的物理量，首先在物理層上，針對需求（如壓制性干擾、電磁脈沖損傷等）對脈沖波形的物理參數的模擬邊界，如脈沖幅度的取值范圍、脈沖寬度的取值范圍、脈沖重復頻率的取值范圍、脈沖上升沿的取值范圍、脈沖波形變化率的取值范圍等進行具體定量的設定；而在邏輯層上則可針對需求（如欺騙性的干擾）對線性/非線性調頻、各種編碼調相等信號物理參數的模擬邊界，如調頻斜率的取值范圍、調頻帶寬的取值范圍、編碼長度的取值范圍等進行具體定量化的設定，以實現對電磁環境的模擬構建。

總之，為了支撐開展裝備的復雜電磁環境適應性試驗，由該分層認知概念模型出發，在針對具體應用需求所進行的相關性分析的基礎上，開展復雜電磁環境的描述、模擬、度量是后續需要重點研究的具體技術問題。

4 結束語

本文針對開展裝備復雜電磁環境適應性試驗評估中的需要首先解決的關于復雜電磁環境認知的基礎科學問題，提出可運用層次化的分析思想，建立分別由基本屬性層、物理空間層、波動形態層、信號波形層、指紋特征層、基礎數據層、信息應用層共同組成的電磁環境的分層認知概念模型，并探討模型的內在涵義和相關應用價值。電磁環境的分層認知概念模型可看作是將現有對電磁環境的“六域”描述從平面的角度變成了立體的角度，從二維結構變成了具有層次特征的三維結構。該電磁環境分層認知概念模型的提出，將為后續研究復雜電磁環境的相關問題提供一定的參考。■

［1］ 王汝群，等.戰場電磁環境［M］.北京：解放軍出版社，2006.

［2］ 劉培國.電磁環境基礎［M］.西安：電子科技大學出版社，2010.

［3］ 王凱，趙定海，閆耀東，等.武器裝備作戰試驗［M］.北京：國防工業出版社，2012.

［4］ 汪連棟，許雄，曾勇虎，等.復雜電磁環境問題的產生與研究［J］.航天電子對抗，2013，29（2）：20-22.

［5］ 聶皞，汪連棟，曾勇虎，等.電子信息系統復雜電磁環境效應［M］.北京：國防工業出版社，2013.

［6］ 郭齊勝，羅小明，潘高田.武器裝備試驗理論與檢驗方法［M］.北京：國防工業出版社，2013.

［7］ 許雄，汪連棟，曾勇虎，等.裝備復雜電磁環境適應性試驗問題探討［J］.航天電子對抗，2014，30（4）：30-32 .

A layered cognitive concept for electromagnetic environment and its application

Xu Xiong，Wang Liandong，Wang Guoliang，Zeng Yonghu，Wang Guoyu
（State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Luoyang 471003，Henan，China）

Aiming at the test and evaluation demand of complex electromagnetic environment adaptability for equipment，some important basic scientific problem are pointed out.In allusion to the chief problem for cognizing the complex electromagnetic environment，a layered cognitive concept is put forward with the layered analysis idea，and then its in-depth meaning and potential application are also discussed.

complex electromagnetic environment；adaptation test；layered cognitive；pertinence

TN975

A

中國博士后科學基金（2013M542452）；電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室基金（CEMEE2012Z0103B）

2015-01-13；2015-05-16修回。

許雄（1985-），男，博士，助理研究員，研究方向為復雜電磁環境特性與模擬、雷達導引頭、雷達對抗試驗技術。