國內復雜電磁環境研究與展望

◆王天樂

（中國西南電子技術研究所 四川 610036）

隨著現代化戰爭的日益深入，各作戰部隊大規模升級自身信息化作戰水平，各種類型的以電磁通信為載體的設備先后大規模應用，這使得戰場電磁環境變得日趨復雜。資料顯示，在目前世界上的通信信號種類多達100 種以上，各種復雜信號的使用更進一步增加了電磁環境的復雜性[1]。我國對復雜電磁環境的研究起步較晚，但是自1995年將“復雜電磁環境”作為主題詞提出以來[2]，到目前為止，已經對其進行了大量的研究，并且取得了顯著成果。根據不完全統計，到2015年年底為止國內在以含有“復雜電磁環境”為題目的公開發表文章已接近630 余篇，其中研究的方面涵蓋復雜電磁環境的定義、復雜度評估分析、對武器及裝備系統的電磁效應影響等多方面的內容。

1 復雜電磁環境概念的發展

復雜電磁環境是一個相對概念[3]，復雜電磁環境這一概念是在研究電磁環境達到一定階段時提出來的，最早在研究人體和天線受電磁環境影響時，介于電磁信號的種類繁多，對影響物體作用難以計算，諸如自然電磁信號和生物電磁信號，就提出了復雜電磁環境這一概念[4]，但是沒有給出嚴格意義上的衡量方法。經過進一步的發展，對復雜電磁環境才有了明確的界定，認為在電磁信號非常密集，數量巨大，而且電磁信號的種類繁多的情況下，可以認為電磁環境很復雜[5-6]。雖然沒有具體給出定義或者是概念，但是卻給了一個對復雜電磁環境的研究更加具體化的方向。

對復雜電磁環境的定義，基于對復雜電磁環境組成條件的認識，復雜電磁環境的復雜信號來源于自然界和人為因素兩方面。對其本質的把握使得2007 年對復雜電磁環境的國內研究突變，在對復雜電磁環境量化描述的基礎上[3-7]，耿海軍等在文獻[8]中對復雜電磁環境這一概念給出了定義，對戰場的復雜電磁環境從時域、頻域、能域和空域方面定性研究；并在復雜電磁環境對影響物體產生電磁效應的方式上，分為熱效應、射頻干擾和“熱浪”效應、強電場效應、磁效應四種。劉福全等針對性地對復雜情況提出了分析，說明復雜電磁環境一定具有信號密集、種類繁雜、對抗激烈、動態多變的復雜性的特點。最終在2008 年，劉尚合院士等在《復雜電磁環境內涵及效應分析》一文中，對復雜電磁環境給出了廣泛被后來研究者接受的定義：在一定的戰場空間，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的，對裝備、燃油和人員等構成一定影響的戰場電磁環境。雖然在后期的定義中對能域和功率[9]的說法有一定爭議，但是復雜電磁環境的概念到此已經趨近完善了，后期電磁環境的研究多基于這種定義[10]。總體來說，復雜電磁環境的定義從復雜根源上強調是人為和自然兩方面的原因，在復雜形式上著重時域、頻域、空域、能域或功率方面的復雜多變，效果上說明受影響武器或裝備受到電磁效應作用結果的相對性和不確定性。

總結復雜電磁環境的特點，可以有以下幾方面的性質：相對性，復雜要以影響物體的承受能力為依據；特殊性，無法直接感受，只能通過測量設備探知[11]；決定性，現代信息化戰場下，復雜電磁環境能夠對環境中設備產生重大影響，取得復雜電磁環境的控制權，一定程度上能夠影響戰爭的勝敗；模糊性，復雜電磁環境的度量方法和度量尺度沒有明確的定論，存在很大的爭議；廣泛性，電磁環境的復雜可能是自然電磁環境的結果，也可能是認為電磁活動的干擾；動態性，隨時間和空間不斷變化；開放性[12]，復雜電磁環境空間不封閉。另外，從復雜電磁環境的作用效果看，有兩方面的作用：一、惡化戰場電磁環境，增加電磁通信難度，影響通信傳輸空間的媒質電磁特性，干擾以電磁信號為途徑的傳輸過程。二、影響復雜電磁環境下的武器或裝備，對其產生電磁效應影響。針對兩方面的作用，研究的類型也是分為增加敵方電子環境復雜性以便摧毀敵方和減弱我方電子環境復雜性以便保護我方。

2 國內復雜電磁環境研究分類

按照文章對復雜電磁環境論述內容和研究主題的不同，可以分為三類。

第一類：復雜電磁環境分析和復雜度評估。因為電磁環境復雜與否是個相對的概念[13]，所以復雜電磁環境是建立在感受設備的承受干擾的適應程度來定義[14]。對電磁環境復雜程度的評估和判定也沒有一個定論，對復雜度的界定也在不斷完善和發展。從最初的對功率的分析判定[15]得出環境電磁信號復雜到多層次惡劣電磁環境的認識[16]，經歷了相當長的時期，這與在此期間內各種電磁信號復雜性較小有關。

在復雜性評估和分析上，存在不確定性，使得復雜性度量有很大差別。以熵的概念來分析戰場電磁環境的復雜性為例，文獻[17]引入類型熵和密度熵作為電磁環境復雜性測度，探討了電磁信號環境熵度量。針對復雜電磁環境不確定性，文獻[18]提出了一種基于Shannon概率熵的復雜電磁環境的不確定性空間分析方法。針對跳頻信號分選，文獻[19]提出了評估電磁環境復雜度的復合信息熵方法。基于一種新的模糊粗糙集廣義信息熵模型，另外也有以實際的軍事訓練為基礎，依據軍隊作戰特點提出了基于證據理論的評估方法[20]。復雜度研究分別從復雜性分析和仿真模擬兩大方面入手，但是研究復雜性問題和其復雜性一樣復雜，其涉及的復雜因素類也是從原來的空、時、頻、能四域增加了信號樣式、信號密度等，對影響值的確定也是受到專家自身感知的限制，將影響因數運用模糊數學法處理，得到其具體數值化的結果。將關心的因數設為子集運用映射法得出復雜程度劃分方法，然后對復雜電磁環境的構成因素做深入分析[21-22]；另外，諸如文章[23]和[14]中直接對復雜電磁環境的復雜度問題作出了研究，研究復雜電磁環境到底什么是復雜，怎樣才叫復雜。在這類文章中，其中結合國內外的研究成果，提出了“自適應神經模糊推理系統”[15]、“D-S 證據理論”[16]、“三標度法”[24]等很多理論性的評估、分析方法；研究單位也主要集中在國防院校和作戰部隊及其研究所等。

第二類：復雜電磁環境的建模與仿真。復雜電磁環境的構建就是運用各種軟件和硬件技術手段完成復雜電磁環境的模擬，使得其接近或近似于實際的復雜電磁環境[25]。復雜電磁環境構建可采用的方法有外場實兵模擬、半實物仿真模擬和數字仿真模擬[26]三種類型。外場實兵模擬就是將各種電磁波產生源不規則放置，模擬實際戰場上可能會出現的各種電磁設備和裝置，產生類似于實際空間中的復雜電磁環境；半實物仿真模擬就是將電磁波產生源模型化，在搭建的模型環境中測量響應數據，然后運用計算機將數據分析仿真；數字仿真模擬中，首先給出了復雜電磁環境的定義，根據定義提出的方法，以數學方式建立復雜電磁環境模型，用相應工具或算法進行仿真[27-28]，一般是運用計算機仿真技術模擬和分析戰場復雜電磁環境，并運用matlab軟件等工具進行仿真[29]。但是無論哪種模擬方法，組成論都是復雜電磁環境建模的基礎[30]，將復雜電磁環境中的各個輻射組成要素設為初始集合，然后根據組成元素的類型建模計算。雖然復雜電磁環境的形成具有不確定性，但是在組成元素的選擇上，電波、磁場、聲場和光波四要素是建模選擇的基礎[31]，基本上可以涵蓋所有形式的電磁信號。

第三類：復雜電磁環境的電磁效應，復雜電磁環境與不同的系統或設備之間的干擾和抗干擾能力。復雜電磁環境中的復雜電磁波通過熱效應、強電場和磁場效應、強干擾效應等的作用方式，對電子裝備、系統、人員等產生影響。復雜電磁環境通過產生高強度局部電壓、欺騙電磁信號等方式影響電子設備、武器裝備等。復雜電磁環境的生物效應主要研究復雜電磁環境對人體的影響[25]、復雜電磁環境下的軍事訓練或作戰以及政治工作[32]、后勤保障受復雜電磁環境的影響[33]、以及對復雜電磁環境的教育和教學工作[34]等。

隨著電子戰的深入，對復雜電磁效應的研究增多；主要著眼增加電磁效應以達到干擾敵方的效果和防護我方電磁效應兩方面的內容。在增強敵方電磁環境復雜度干擾方面，干擾對象為雷達系統[35]、導彈精確打擊系統[36]、電子設備電子對抗系統[37]，從而影響部隊裝備的野戰化[38]。因為這類研究更接近于復雜電磁環境下的武器系統實戰，所以在國內高等院校、高校研究所、軍工研究所、一線作戰部隊等單位有較多研究。

抗干擾能力主要集中在技術層面和戰術層面[1]。從戰術層面上，為了減小復雜電磁環境的相對復雜性，對頻譜進行管理，實現電磁信號的有效管理，是提高站長裝備生存能力和運行能力的有效手段。復雜電磁環境下對頻譜管控問題研究，對于奪取戰場制電磁權具有重要的理論和現實意義[39]。增加裝備系統的電磁兼容性是從技術層面上適應復雜電磁環境的另一種手段，飛機及無人機的戰場安全性保障系統[40-41]的干擾和抗干擾能力，武器裝備的受干擾和抗干擾[42]，潛艇艦船的干擾和抗干擾[43]。

統計以上三方面的研究成果可以看出，單從方向上來看，主要的研究內容分布在第三類上，這說明不同的設備、武器和系統在復雜電磁環境中的受干擾與采用手段和技術抗干擾是對復雜電磁環境研究的主要方向。特別是由于電磁頻譜管控作為一種對作戰區域用頻設備的有效管理行為，已成為決定現代戰爭勝負的關鍵因素，所以其在復雜電磁環境主題下的研究中最具有發展的勢頭。第一類和第二類研究類型的研究在逐年完善提出新的方法，基本平穩發展。

3 國內電磁環境研究的發展趨勢

國外各國都建立了自己的復雜電磁環境的相關標準，如美國很早就建立了E3 的標準，美國軍用標準MIL-STD-464/464A/464C-2010《Electromagnetic environmental effects requirements for systems》對電磁環境做了明確的界定[44]，對處于負載電磁環境的相關設備系統的考核等做了詳細的要求。英國、北約等都建立了自己的復雜電磁環境的標準。國內也建立了復雜環境標準，如GJB1389B《系統級電磁環境效應》等，但是隨著對電磁環境研究的加深，繼續制定、更新標準是國內對復雜電磁環境研究的一個主要方向。

復雜電磁環境研究的目的是更逼真的模擬出戰場環境，趨向層級性和模塊化。電磁環境的復雜與否和研究對象密切相關，后續研究中，會在不同層級上出現研究內容。從系統級模型、分系統級、設備級、模塊級等層次深入的分析復雜電磁環境的影響，分層級研究復雜電磁環境是國內對復雜電磁環境研究的另一個主要方向。

世界各國對電磁環境模型研究趨于一體化，即便是存在地域等方面的空域建模的問題，但是從空間一體化去研究復雜電磁環境的效應是一個必走的階段。為了將復雜電磁環境的研究指導武器裝備的使用，未來的研究可能將地球以空域為界定，劃分板塊研究地區的復雜電磁環境，并建立全球復雜電磁環境分布的區域性研究報告。

隨著人類對電磁環境與身體健康之間關系的關注，復雜電磁環境的效應研究將復雜化。復雜電磁環境已有的效應研究包括生物效應以及其他的熱和非熱效應等。隨著研究的深入，電磁環境效應研究必然會有更寬的研究面，對于生物效應等研究，會隨著對健康度的關注而逐漸增加。

4 結語

復雜電磁環境作為一種模糊的、相對的電磁環境特征，其在國內的研究經歷了數十年的發展，定義到目前已經趨于完善，但是隨著電磁環境復雜情況的改變，其定義也會隨之發生改變。信息化時代帶來的空間電磁環境的日趨復雜，電磁信號相互干擾[45]，決定了復雜電磁環境的研究是個難以繞開的領域，以目前對復雜電磁環境的研究平穩發展的勢頭來看，復雜電磁環境的研究，勢必成為電磁研究的一個重點方向。雖然電磁環境的復雜性使得研究有很大的難度，但是復雜電磁環境中電磁信號不可能是無限復雜的，總可以從空域、頻域、時域和能域方面去分析建模。從本質上講，對復雜電磁環境的研究，歸根結底是對受影響武器、設備[46]、人等在復雜電磁環境中效能發揮情況的研究；復雜電磁環境與其中的受影響物體之間的作用關系將是復雜電磁環境研究的一個重點。針對武器或裝備效能影響的量化和建模是復雜電磁環境研究的又一個難點。圍繞復雜電磁環境的攻、防兩方面的研究將催生出復雜電磁環境進一步復雜化方案和復雜電磁環境簡化方案。