復雜電磁環境量化分級研究綜述

陳　飛，戎建剛，王　鑫，查麗萍(中國航天科工集團8511研究所，江蘇南京210007)

?

復雜電磁環境量化分級研究綜述

陳飛，戎建剛，王鑫，查麗萍
(中國航天科工集團8511研究所，江蘇南京210007)

摘要:對復雜電磁環境進行分類分級研究是認識電磁環境的基礎，建立一套對其準確描述的量化表征方法，對精確制導武器的研制、部隊訓練與演習等具有重要意義。分析了國內外對復雜電磁環境量化分級的研究現狀，指出當前量化方法在指導實踐中存在的問題，最后提出了基于干擾調制與干擾強度指標的量化表征方法。

關鍵詞:復雜電磁環境;量化表征方法;干擾調制;干擾強度

0　引言

現代信息化戰爭的戰場空間充斥著各種雷達、通信及干擾信號，在時域、空域、頻域上分布的電磁信號形成了極其復雜的電磁環境。為適應這種新形勢下現代高技術戰爭的客觀需求，亟需構建導彈武器在實戰中可能面臨的復雜電磁環境，對其復雜電磁環境適應性進行充分的試驗及準確的評估。而復雜電磁環境的量化表征研究，是逼真構建的基本前提條件，為內場構建符合外場實際的試驗電磁環境提供了理論基礎。只有深入研究復雜電磁環境在時域、頻域、空域、能域、極化域和調制域的綜合特性及其動態變化規律，摸清本質特性并構建相應的指標體系，進而形成統一的表征規范和度量方法，才能指導構建逼真的用于導彈武器抗干擾性能試驗的電磁環境，同時量化表征結果也是導彈武器抗干擾效能評估的輸入條件，直接決定了考核結論的準確性。

本文對比分析了國內外復雜電磁環境的量化分級方法，并對其進行歸類概括，最后對比導彈武器系統的電磁兼容性測試試驗，提出了復雜電磁環境量化分級的新方法。

1　國外研究情況

早在20世紀30年代，國外在電磁環境和電磁環境效應，以及評估技術方面就已開展了大量的研究，并形成了一系列標準和手冊等指導性文件。在電磁環境量化分級方面，國外的研究思路是先分類再進行量化數值的統計，即先按照電子對抗裝備的使用平臺對電磁環境分類，然后統計分析歷史數據與建模計算產生的電磁信號，獲得平臺的量化數據［1］。

1．1美國

美軍非常重視電磁環境的研究，成立了專門的電磁環境研究機構和管理機構。美軍并不對電磁環境作綜合評價分析，而是對不同平臺、不同電磁現象、不同頻段，逐一給出確定場強值，場強的具體量值是通過對大量的實際測量數據，進行統計分析后獲得的。

美軍標MIL-STD-464A《系統電磁環境效應要求》給出了電磁環境和電磁環境效應的明確定義，針對陸基、海基、空基平臺(系統)，提出了針對性的、分類量化的電磁環境，其中量化數據是美軍對幾十年積累的電磁環境測量和預測數據的統計結果。同時，標準中規定了12項試驗項目，包括:平臺/系統內電磁干擾、平臺/系統間電磁干擾、電磁易損性、沉積靜電、雷電、電磁脈沖、電磁輻射的危害、安全裕度、電搭接、外部接地、發射控制、防信息泄漏。

美軍標MIL-STD-461F《設備和分系統電磁干擾特性控制要求》規定了設備(分系統)電磁兼容性測試限值及測試方法。但該方法在量化平臺電磁環境時，并沒有考慮瞬變電磁場環境和電子對抗環境，且給出的電磁環境電平只是電場強度的平均值和峰值。當對裝備進行敏感度試驗的時候，還要考慮其它的環境參數，如調制方式、脈沖重復頻率、天線的極化方式等。

美軍國防部手冊MIL-HDBK-235《設計和采購電氣和電子設備、分系統、系統時電磁(輻射)環境考慮》，描述了美軍作戰對象電子對抗裝備的射頻性能，包括陸基、海基、空基、天基設備的電磁環境要求，友方、敵方不同平臺的發射機、干擾機的輻射電平。

軍用手冊MIL-HDBK-240《電磁輻射對軍械的危害測試指南》是在軍械司令聯合組HERO小組的主持下，由各軍種按照國防部長制定的標準化改革政策的準則編寫的，主要內容涉及武器系統的測試，并對電磁環境從測試頻率、場強、照射角度、極化方向和調制等方面進行了規定。

1．2其他國家

俄羅斯軍用標準體系文件分為國家軍用標準和行業軍用標準。俄羅斯“標準文件”目錄中包括標準文件、雙重用途的文件(軍用和民用造船)、軍用補充內容的文件。其中國家標準代號ΓOCT，行業標準代號OCT，行業指導性文件PД，共分為12個部分。

英軍極其重視武器裝備電磁環境及其效應的研究、試驗和管理，出版了一系列標準、規范、指南等文件，規模和詳盡程度甚至超過美國。2007年英軍國防部頒布了DEF STAN-59-411標準，標準由五部分組成，包括“管理與規劃”、“電場、磁場、電磁環境”、“設備和分系統的測試限制及測試方法”、“武器平臺和系統測試及實驗”、“三軍設計和安裝規程”，其中第二部分“電場、磁場、電磁環境”給出了電磁環境分類和量化的依據與方法，同時給出了典型應用中的電磁環境。該標準還強調要對電磁環境分類和量化適時更新，以反映日新月異的技術發展和不斷變化的用戶的需求。

1．3國際電工委員會

國際電工委員會(IEC)第77B分技術委員會提出了IEC61000-2-5《第二部分:環境》、《第五部分:電磁環境的分類》技術指導文件，給出IEC對電子電氣設備所處電磁環境的分類量化方法。文件涉及到:分類方法、分類體系的基本理論、電磁環境現象、環境基本數據的簡化等章節。

美軍、英軍及國際電工委員會對電磁環境進行分類與量化的研究思路一致，即不采用統計性的概略描述來劃分等級，而是先將電磁環境按照使用平臺進行分類，然后逐一分為眾多可量化的電磁現象，最后統計具體測量數值，實現電磁環境的量化。

國外對武器裝備所面臨復雜電磁環境的量化分級研究成果，對于解決武器裝備作戰條件下的電磁環境分析有重要的借鑒價值。但目前公開的國外資料中，未涉及復雜電磁環境的具體等級劃分規則和限值標準。

2　國內研究情況

近幾年，在信息作戰理論研究過程中，特別在《中國軍事百科全書》第二版撰寫過程中，學術界提出了戰場環境的概念，其范疇涉及到復雜電磁環境的內涵。

2．1要素綜合型量化表征方法

國軍標GJB 6520-2008《戰場電磁環境分類與分級方法》，按電磁環境信號復雜度等級，將戰場電磁環境分為簡單、輕度復雜、中度復雜、重度復雜四類電磁環境，并采用頻譜占用度、時間占有度、空間覆蓋率指標，依據表1中給出的標準，確定戰場電磁環境的復雜度等級。

表1　戰場電磁環境復雜度分級標準

該標準是對戰場某一特定空域電磁環境的客觀、靜態描述，通過指標計算，在一定程度上能夠精確表征戰場電磁環境。但該量化方法未考慮作戰過程中，各用頻裝備和輻射源空間位置關系動態變化的情況，也未考慮導彈武器對抗作戰過程中極化域、調制域參數的影響，同時各指標的計算與分級方法的流程冗雜，導致該量化分級方式還不能夠滿足準確評估的要求。

文獻［2］分析了兩種不同的度量方法:一是對電磁環境的度量，即把電磁環境作為一種客觀存在，以背景噪聲強度、信號功率強度、頻率占用度、頻率重合度和用頻威脅度等指標進行度量;二是基于作戰行動影響的電磁環境復雜度度量，即根據用頻設備受到電磁環境的影響程度，將戰場電磁環境對作戰行動的影響分為輕微影響、較大影響、嚴重影響和癱瘓性影響四個等級。并對這兩種具有代表性的量化方法進行了分析，指出其合理性以及存在的不足。

在單一屬性的度量不能全面表達復雜電磁環境本質特征的情況下，針對艦載雷達對抗偵察裝備，文獻［3］提出了一種多屬性的電磁環境分級方法。首先對復雜問題逐層分解，將電磁環境量化分級的層次結構分為分類層、屬性層和指標層;然后按照宏觀屬性、微觀屬性、個體屬性、集群屬性、擾動屬性，分別定義了電磁環境的五級度量分類(見表2) ;最后給出了詳細的指標體系和模型，通過算例分析，討論了不同電磁環境態勢樣本下，相同和不同試驗對象感受到的電磁環境復雜度。

針對電磁環境中的干擾因素，文獻［4］將其量化分級屬性層的擾動屬性，進一步細分為Ⅰ類與Ⅱ類干擾屬性，即無規律脈沖干擾(Ⅰ類干擾)和短時連續噪聲干擾(Ⅱ類干擾)。此外，利用模糊層次分析法建立了各指標的聚合模型，設計了分級度量的軟件工具，可綜合評判給出電磁環境復雜度值與度量等級。

2．2典型場景型量化表征方法

按照干擾環境對防空/反艦導彈武器系統造成的威脅程度大小，提出了電磁干擾環境的等級劃分方法和實施綱要。其中，一級典型電磁干擾環境是最基本的等級，是在研型號都能通過的等級，而四級典型電磁干擾環境是實戰中最可能出現的、也是最復雜的電磁干擾環境，具體分級標準見表3與表4。

表2　電磁環境分級表

表3　防空導彈四級典型電磁環境

表4　反艦導彈四級典型電磁環境

該方法把難以確定的復雜電磁環境按照作戰規模人為地固定化，通過對用頻裝備的輻射功率、天線增益、干擾帶寬等戰技參數進行合理設定，并明確干擾信號的樣式，實現了對復雜電磁環境的量化分級，為實驗電磁環境的構建提供了依據。但是，該方法中規定的典型作戰場景有限，僅能對復雜電磁環境作粗略的、概略性描述，且隨著雷達和電子對抗裝備的不斷發展，相應戰術的使用手段不斷變化，四級典型電磁干擾環境早已發生了很大的變化。

文獻［5］提出了一種嚴酷等級逐步加大的用頻裝備檢測電磁環境的分類方法，如圖1所示。首先將用頻裝備檢測電磁環境分成四大類:Ⅰ類為平臺基礎電磁環境;Ⅱ類為非對抗性干擾電磁環境;Ⅲ類為電子對抗性干擾電磁環境;Ⅳ類為瞬變電磁脈沖環境。然后依據分類原則對每類電磁環境涉及的主要電磁現象進行微分類。

圖1　用頻裝備檢測電磁環境分類

2．3特性比較型量化表征方法

針對反艦導彈作戰中經常面臨的干擾技術，國軍標《反艦導彈雷達制導人為干擾環境分級的表征規范》將人為干擾環境分為箔條干擾、角反射體干擾、舷外有源干擾和艦載有源干擾環境，采用干擾與目標特征能量對比和相似程度方法，通過對當前世界上的艦船尺寸、干擾裝備的參數進行統計分析后，按照相應公式計算徑向尺寸重合度、徑向尺寸相似度、等效功率面積比的度量指標，分別對四類干擾環境進行量化分級，具體分級閾值表見表5～8。

文獻［6］提出了一種電磁環境量化分析方法，該方法充分考慮了電磁環境信號的極化方式、調制方式對環境復雜程度的影響，并基于不同極化方式、調制方式之間影響特性的理論分析和仿真，給出了典型電磁環境極化因子、調制因子的變化特性與規律。該文獻僅考慮了單信號的極化方式、調制方式對環境的影響，指出下一步探索可由多極化、多調制復合信號入手，研究電磁環境復雜度量化分析方法和評估手段。

2．4環境感受型量化表征方法

文獻［7］一方面對武器裝備所面臨的戰場電磁環境，通過一個歸一化的綜合評估值進行概略性分級(見表9)，另一方面基于對武器裝備作戰效能的評估，從武器對環境“感受”的角度描述電磁環境。最后給出了詳細的仿真算例，分級方法體現了戰場電磁環境的相對性。表9中V為武器裝備的作戰效能指標，確定各指標權重后經計算獲得ΔV，根據定義判別武器裝備面臨電磁環境的復雜度。

表5　箔條干擾分深級入閾值表

表6　角反射體干擾分級閾值表

表7　舷外有源干擾分級閾值表

表8　艦載有源干擾分級閾值表

表9　環境復雜度評估

文獻［8～9］選擇基本干擾類型為有源壓制、有源欺騙、無源壓制、無源欺騙，提出了相對壓制距離的概念及其數學表達式，通過計算典型干擾技術的干擾強度指標，將威脅電磁環境劃分為12級，屬于精確量化的分級方式，且具有普適性和較高的可操作性。

1)按電磁功率密度譜s(壓制干擾強度)分級:

范圍: 100～1012;單位: N0/m2(N0=－114dBm/ MHz) ;級數: 1個十進制數量級為一級，分成12級。

2)按電磁信號密度m(欺騙干擾強度)分級:

范圍: 20～212，單位:相參假目標信號數量;級數: 1個二進制數量級為一級，分成12級。

該方法考慮了電磁信號能量特性，采用電磁功率密度譜和電磁信號密度指標對威脅電磁環境進行分級，但需要進一步考慮壓制/欺騙干擾信號的不同樣式，以及干擾調制所形成的不同干擾效果。

3　本文提出的量化分級方法

根據相關指南，可將其劃分為背景電磁環境和威脅電磁環境。由于背景電磁環境相關的研究技術較為成熟，目前重點研究威脅電磁環境。本質上，威脅電磁環境是由樣式繁雜、動態交迭的電磁波組成，在導彈武器系統導引頭天線口面處感知到的點環境可用正弦波的形式描述。但該描述方法缺乏對內外場復雜電磁環境構建的指導作用，同時可操作性較差。本文立足于干擾裝備固有的技術性能和使用方式，將威脅電磁環境分為干擾技術與干擾戰術:

威脅電磁環境=干擾技術(JTE) +干擾戰術(JTA)

干擾戰術的量化屬于定性的研究，本文重點針對典型干擾技術，進行定量的表征研究。當前可用的干擾技術達300多項，同時新的干擾技術也在不斷涌現。為便于對電磁干擾環境進行量化表征研究，將干擾技術分為干擾調制與干擾強度:

干擾技術(JTE)=干擾調制(Jm) +干擾強度(Js)

考慮以導彈武器天線口面處感受到的電磁環境為量化對象，建立電磁干擾環境的量化表征指標體系為{Jm; Js}，其中Jm={Mt，Mf，Ms，Me，Mm，Mp}，Js={s，m}。壓制干擾環境的干擾強度由電磁功率密度譜s表示，欺騙干擾環境的干擾強度由電磁信號密度m表示，增加涵蓋時域、頻域、空域、能量域、調制域、極化域等六個域特征的干擾調制Jm指標，表征相同干擾強度時壓制/欺騙干擾產生的干擾環境復雜度。

對典型干擾技術的干擾調制、干擾強度指標值范圍進行設置，即可在內外場構建電磁干擾環境，對導彈武器系統的抗干擾性能進行試驗與評估，具體試驗測試與性能評估流程如圖2所示。與導彈武器系統的EMC試驗類似，在產品研制初期，針對研制任務書中指出的可能面臨的典型干擾技術，以及被測系統的自身工作性能參數，明確測試項目，并規定合理的邊界基準值。

與EMC試驗不同之處在于，電磁干擾環境是輻射型電磁環境，且僅考核導彈武器系統的抗干擾性能，并不考慮EMC試驗中的傳導發射、傳導敏感度和輻射發射測試項。

圖2　導彈武器系統抗干擾性能試驗評估流程

4　結束語

本文基于國內外研究基礎，提出了電磁干擾環境的量化表征新方法，該方法可作為試驗檢測時實施電磁干擾環境的依據，具有以下優點:

1)表征精確性高。干擾調制參數從時、頻、空、能、極化、調制6個維度表征一項干擾技術，表征參數與干擾裝備的技術參數對接，提高了表征的精確度。

2)可操作性強。建立的表征指標容易通過測試獲得;類比于EMC試驗的19個測試項，指標體系為后續內外場試驗環境的構建提供操作指導、試驗條件設定、具體測試項目邊界值設置，均具有極強的可操作性。

3)忽略了欺騙干擾信號相似度問題，操作簡便。干擾信號與目標回波信號的相似程度會影響導引頭的目標識別。當信號之間的相似程度通過波形進行比較時，需采用18個參數來描述信號波形，構造信號的特征矢量，計算兩個波形之間的相似度。本文通過典型干擾技術在調制域上的指標參數，避免了信號相似度計算。

未來對于復雜電磁環境量化分級研究的發展趨勢是研究與試驗的綜合化，即把量化表征指標體系、數理驗證模型、內場試驗三者有機地結合在一起，完成高準確度的電磁環境量化描述、高逼真度的模型構建和強針對性的試驗方案制定，最終使試驗電磁環境高度逼近實戰的真實復雜電磁環境。

參考文獻:

［1］王瑩．用頻裝備面臨的電磁環境量化方法研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2013．

［2］王敏．淺談復雜電磁環境及其度量［J］．計算機工程與應用，2011，47(8S) : 419－421．

［3］趙嚴冰，袁興鵬．艦載雷達對抗偵察裝備試驗電磁環境分級方法研究［J］．艦船電子工程，2013，33(9) : 161 －164．

［4］張鴻喜，趙嚴冰．雷達對抗偵察電磁環境分級度量方法研究［J］．系統仿真學報，2014，26(4) : 915－919．

［5］賈立印，雷斌，肖凱寧，等．用頻裝備檢測電磁環境分類與量化方法研究［J］．中國電子科學研究院學報，2010，5(3) : 253－259．

［6］王月清，王健，王凡，等．一種電磁環境量化分析方法［J］．電波科學學報，2013，28(4) : 744－748．

［7］劉義，趙晶，劉佳楠，等．基于作戰效能的戰場電磁環境分級描述方法［J］．系統工程與電子技術，2011，33(5) : 1059－1062．

［8］戎建剛，黃和國，王鑫，等．威脅電磁環境的定量描述方法［J］．航天電子對抗，2013，29(4) : 18－21．

［9］戎建剛，王鑫，魏建寧．威脅電磁環境的分級方法［J］．航天電子對抗，2013，29(6) : 33－36．

Review on quantification and gradation of complex electromagnetic environment

Chen Fei，Rong Jiangang，Wang Xin，Zha Liping
(No．8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Abstract:The research on classification and gradation of complex electromagnetic environment is the basic of studying electromagnetic environment．The quantification method which accurately describes complex electromagnetic environment is of great significance to develop weapons and train troops．The current research situation of complex electromagnetic environment is analyzed both at home and abroad．The faults of quantification method are discussed．Finally，the new method which is based on jamming modulation and jamming intensity is submitted．

Key words:complex electromagnetic environment; quantification method; jamming modulation; jamming intensity

作者簡介:陳飛(1977－)，男，工程師，博士，主要研究方向為復雜電磁環境的表征與構建。

收稿日期:2015－05－10; 2015－12－03修回。

中圖分類號:TN97

文獻標識碼:A