電磁環(huán)境課程教學(xué)中抽象與具體的結(jié)合

覃宇建，李高升，劉培國(guó)

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

我校在本科和繼續(xù)教育教學(xué)中設(shè)置了“復(fù)雜電磁環(huán)境”課程。在教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在理解和掌握復(fù)雜電磁環(huán)境的特征及其影響方面存在困難，在認(rèn)識(shí)上存在一些誤區(qū)，需要教師在授課過(guò)程中及時(shí)引導(dǎo)。該課程所涉及的內(nèi)容，可在授課過(guò)程中進(jìn)行一些對(duì)比，這有助于學(xué)生更好地理解概念和原理。

1 電磁環(huán)境的構(gòu)成

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁環(huán)境的定義是:“存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和”。在這里，給定場(chǎng)所即空間;所有電磁現(xiàn)象包括全部時(shí)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(shù)目以及在接收動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)每秒可以接收到的脈沖數(shù)等。而電磁環(huán)境效應(yīng)是電磁干擾、電磁脈沖和電磁輻射對(duì)人體、設(shè)備和材料的危害，以及閃電和天電干擾等自然現(xiàn)象效應(yīng)的總和［1]。

電磁環(huán)境主要由電磁輻射源和電磁傳播途徑這兩個(gè)要素構(gòu)成。前者涉及信號(hào)的產(chǎn)生，是電磁環(huán)境出現(xiàn)并日益復(fù)雜的基本因素;后者涉及信號(hào)和能量的傳播過(guò)程，影響電磁環(huán)境的分布狀況。

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

圖1 特定地域綜合環(huán)境的構(gòu)成

2 授課內(nèi)容的選擇與安排

“復(fù)雜電磁環(huán)境”課程的研究范疇內(nèi)涵及外延較廣，覆蓋多學(xué)科專業(yè)的知識(shí)。要精選授課內(nèi)容，按照合理的邏輯架構(gòu)組織安排，做到思路清晰，重點(diǎn)突出。

從內(nèi)容上來(lái)說(shuō)，“復(fù)雜電磁環(huán)境”課程主要包括基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等三個(gè)層面?；A(chǔ)理論涉及電磁環(huán)境的電磁原理、電磁環(huán)境的概念、構(gòu)成、特性以及電磁環(huán)境的表征方法等;關(guān)鍵技術(shù)主要包括電磁兼容、電磁頻譜管理技術(shù)和電子對(duì)抗等;應(yīng)用技術(shù)主要包括電磁環(huán)境的構(gòu)建與生成、基于復(fù)雜環(huán)境的演習(xí)和訓(xùn)練以及電磁環(huán)境評(píng)估與應(yīng)對(duì)等。該課程的基本內(nèi)容如圖2所示。

圖2 “復(fù)雜電磁環(huán)境”課程內(nèi)容

3 電磁環(huán)境的各種具象

3.1 電磁環(huán)境的不可見(jiàn)性及其感知

雖然電磁環(huán)境難以感知，但我們可以通過(guò)各種儀器設(shè)備獲取其特征，從而建立感性認(rèn)識(shí)。在時(shí)域、頻域和空域可以分別借助示波器、頻譜儀和場(chǎng)強(qiáng)儀等儀器設(shè)備，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)和升降機(jī)等設(shè)施，地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件環(huán)境，使其變?yōu)榭梢?jiàn)。條件具備時(shí)，可以設(shè)置這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)學(xué)生進(jìn)行演示，使其建立直觀和感性的認(rèn)識(shí)［2]。

對(duì)于電磁環(huán)境的顯示，還可在測(cè)量的基礎(chǔ)上，繪制某一地點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化曲線，繪制某一時(shí)刻電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的分布曲線，生成電磁態(tài)勢(shì)圖，繪制三維電磁場(chǎng)分布圖。

3.2 環(huán)境存在的抽象性與影響的具體性

電磁環(huán)境的存在是抽象的，但它對(duì)各種電子信息系統(tǒng)的影響是具體的，易于感知的，這表現(xiàn)為電磁環(huán)境效應(yīng)。

例如，電磁環(huán)境使通信系統(tǒng)伴有噪音，通話質(zhì)量降低;圖像傳輸出現(xiàn)雪花和條紋干擾;無(wú)線甚至有線數(shù)據(jù)鏈路不穩(wěn)定等;雷達(dá)顯示屏幕出現(xiàn)虛假目標(biāo)甚至全屏幕信號(hào)均被噪聲湮沒(méi);衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)丟失的情況，導(dǎo)致定位失效等，這都是復(fù)雜電磁環(huán)境的具體影響。因此，可通過(guò)電子信息系統(tǒng)終端的響應(yīng)，掌握電磁干擾效果，了解干擾程度，進(jìn)而推斷和確定電磁環(huán)境的復(fù)雜程度，以具體的終端響應(yīng)來(lái)感知抽象的電磁環(huán)境。

3.3 電磁環(huán)境的絕對(duì)復(fù)雜和相對(duì)復(fù)雜性

環(huán)境中的電磁信號(hào)在空域上縱橫交錯(cuò)，在時(shí)域上動(dòng)態(tài)變化，在頻域上密集交疊，呈現(xiàn)一種復(fù)雜的態(tài)勢(shì)。從絕對(duì)數(shù)量上來(lái)看，電磁環(huán)境是比較復(fù)雜的［3]。

例如，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍通過(guò)對(duì)戰(zhàn)區(qū)電子戰(zhàn)電磁信號(hào)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，信號(hào)環(huán)境密度高達(dá)每秒120萬(wàn)～150萬(wàn)個(gè)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(huán)境的復(fù)雜性又具有相對(duì)性。不同設(shè)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(duì)相同輸入信號(hào)的反應(yīng)程度不同。因此，相同的電磁環(huán)境對(duì)不同設(shè)備的影響不同，相對(duì)而言其復(fù)雜程度就不一樣。

電磁環(huán)境的整體復(fù)雜性不排斥局部和短時(shí)的簡(jiǎn)單性。因?yàn)殡姶挪ㄔ诳臻g的能量分布有起伏，存在時(shí)間不連續(xù)，頻譜分布不均勻。因此，復(fù)雜電磁環(huán)境中的某些局部區(qū)域、某些時(shí)段和某些頻帶上電磁環(huán)境可能并不復(fù)雜。因此，復(fù)雜電磁環(huán)境具有宏觀上的相對(duì)復(fù)雜性，局部和具體設(shè)備所處電磁環(huán)境的相對(duì)簡(jiǎn)單性［4]。

3.4 電磁兼容與電磁環(huán)境

電磁環(huán)境的復(fù)雜化及動(dòng)態(tài)多變性，對(duì)電子信息系統(tǒng)的電磁兼容性能提出高要求。在當(dāng)前情況下，電磁干擾來(lái)源更廣，信號(hào)更強(qiáng)。因此，處于其中的系統(tǒng)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(shè)備的電磁泄漏水平較高，即電磁輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射量值超標(biāo)，對(duì)環(huán)境的影響將增強(qiáng)，這將進(jìn)一步加劇電磁環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)處于其中的系統(tǒng)帶來(lái)更多的直接或間接影響。

基于這樣的狀況，復(fù)雜電磁環(huán)境下，電子系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、制造到使用和維護(hù)保障全壽命各階段都必須更強(qiáng)調(diào)電磁兼容性能。

4 結(jié)語(yǔ)

“復(fù)雜電磁環(huán)境”課程內(nèi)容的特點(diǎn)，決定了其學(xué)習(xí)和理解存在一定的難度。筆者在三年來(lái)的課程教學(xué)中，理論與實(shí)踐相結(jié)合，運(yùn)用各種教學(xué)手段將抽象的問(wèn)題具體化，實(shí)現(xiàn)形象的展示，并結(jié)合深入的對(duì)比分析，包括概念剖析和原理闡釋，積極總結(jié)歸納相關(guān)問(wèn)題的辨證統(tǒng)一關(guān)系，對(duì)本課程的教學(xué)起到了良好的促進(jìn)作用。學(xué)生認(rèn)可度較高，普遍反映這樣的對(duì)比講解形象生動(dòng)，對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容記憶深刻，使他們建立了較為清晰的電磁環(huán)境場(chǎng)景。

［1] 劉尚合，武占成，張希軍.電磁環(huán)境效應(yīng)及其發(fā)展趨勢(shì)［J] .北京:國(guó)防科技，2008，(1)

［2] 李高升，覃宇建，劉培國(guó).電磁場(chǎng)與微波實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究［J] .西安:高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2010，(4)

［3] 唐保東.對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下訓(xùn)練的認(rèn)識(shí)與思考［J] .北京:國(guó)防大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(9)

［4] 劉培國(guó).電磁環(huán)境基礎(chǔ)［M] .西安:西安電子科技大學(xué)出版社，20