復(fù)雜電磁環(huán)境問題的產(chǎn)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(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003；2.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)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(gè)重要構(gòu)成部分［1］。隨著對電磁資源的大規(guī)模開發(fā)和運(yùn)用，人們所面臨的以電磁空間為依托的電磁環(huán)境日益惡化。惡化的電磁環(huán)境對人們的生產(chǎn)方式和軍事斗爭形式產(chǎn)生了巨大的影響。這已體現(xiàn)在現(xiàn)代幾場高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境上。可以說在當(dāng)今的高技術(shù)戰(zhàn)爭中，制電磁權(quán)的爭奪幾乎直接關(guān)系著軍事斗爭的勝敗。因而，現(xiàn)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(huán)境問題已成為影響人類發(fā)展的一個(gè)重大戰(zhàn)略問題，對電磁環(huán)境的研究已成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要前沿［2-6］。

本文旨在通過闡述電磁環(huán)境的研究歷史，總結(jié)對抽象的電磁環(huán)境問題的直觀認(rèn)識，敘述為研究電磁環(huán)境問題所做的相關(guān)環(huán)境構(gòu)建工作，為復(fù)雜電磁環(huán)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(huán)境問題的產(chǎn)生

1.1 電磁應(yīng)用歷程

早在兩千多年前，人們就發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象，而真正認(rèn)識和應(yīng)用電磁的歷史嚴(yán)格來說僅有一百多年。最重要的標(biāo)志是1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立了統(tǒng)一的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。之后在1887年，德國物理學(xué)家赫茲實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在并實(shí)現(xiàn)了其發(fā)射和接收。而1901年英國馬可尼跨越大西洋的無線通信試驗(yàn)的成功開啟了人類進(jìn)入電磁應(yīng)用時(shí)代的大門。

無線電通信成為電磁應(yīng)用最早的活動領(lǐng)域，同時(shí)也被首先應(yīng)用于軍事行動。1904年的日俄戰(zhàn)爭是世界上第一次雙方都使用無線電通信的軍事斗爭。當(dāng)時(shí)，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(xiàn)了短波通信，1931年出現(xiàn)了超短波通信。隨后又迅速發(fā)展了微波、毫米波通信等。

雷達(dá)是電磁應(yīng)用的又一個(gè)重要領(lǐng)域。1930年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室首次利用波的干涉效應(yīng)探測到飛機(jī)，這可看作是連續(xù)波雷達(dá)的前身。1935年，英國研制出了第一部用于探測飛機(jī)的實(shí)用脈沖雷達(dá)。之后，隨著磁控管、速調(diào)管、行波管等大功率微波器件在雷達(dá)中的應(yīng)用，雷達(dá)的工作頻率從米波逐步拓展到了厘米波頻段。目前，雷達(dá)所利用的波段已經(jīng)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(shù)的發(fā)展，電磁應(yīng)用領(lǐng)域不斷被擴(kuò)展。從軍用到民用、從地上到天上，各種類型的電磁設(shè)備充斥著人們生活的每個(gè)角落。同種類型設(shè)備的數(shù)量，比如手機(jī)、戰(zhàn)術(shù)電臺、火控／炮瞄雷達(dá)等，隨著需求的增加而呈現(xiàn)爆炸性的增長趨勢，從而直接導(dǎo)致了頻譜資源的異常擁擠。于是出現(xiàn)了時(shí)分、碼分等各種不同體制的電磁應(yīng)用系統(tǒng)。人類進(jìn)入了廣泛應(yīng)用電磁資源的時(shí)代。

1.2 電子對抗活動

人類活動擴(kuò)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(jìn)行爭奪和控制被視為國家戰(zhàn)略資源的電磁資源，即進(jìn)行通信對抗、雷達(dá)對抗、光電對抗等電子對抗活動，進(jìn)而使原本已經(jīng)相當(dāng)緊張的電磁空間局勢愈加惡化。

從20世紀(jì)初開始，主要在第一次世界大戰(zhàn)期間，不太成熟的電子對抗技術(shù)就已被運(yùn)用于無線電通信測向偵察等，同時(shí)出現(xiàn)了一些有針對性的通信干擾發(fā)射機(jī)。而到了第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，無線電導(dǎo)航對抗和雷達(dá)對抗相繼出現(xiàn)。它們與不斷發(fā)展的通信對抗一起共同形成電子戰(zhàn)的主體框架，并確立了電子戰(zhàn)在戰(zhàn)爭中的地位和作用。20世紀(jì)60年代以來，伴隨精確制導(dǎo)武器的大量使用，光電對抗技術(shù)蓬勃發(fā)展，極大地拓寬了電子對抗的活動領(lǐng)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(yīng)用活動出現(xiàn)，就會催生相應(yīng)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(yīng)用形式，同時(shí)也在積極改變著電磁空間中相關(guān)要素的分布狀態(tài)，影響著相應(yīng)的電磁活動。

現(xiàn)今，專用的電子戰(zhàn)飛機(jī)、多樣的干擾誘餌，以及具有硬殺傷能力的反輻射導(dǎo)彈的運(yùn)用直接改變著傳統(tǒng)機(jī)械化戰(zhàn)爭的模式，致使戰(zhàn)爭進(jìn)入了高度依賴電磁環(huán)境的信息化時(shí)代。于是電子戰(zhàn)這種新型的戰(zhàn)爭形態(tài)應(yīng)運(yùn)而生。隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，各種電子設(shè)備和信息化武器裝備在戰(zhàn)場上被廣泛使用，電子對抗活動日益激烈，直接導(dǎo)致電磁環(huán)境的急劇復(fù)雜化。這種復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境也給信息化武器裝備的效能發(fā)揮造成了嚴(yán)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(fù)雜電磁環(huán)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(huán)境的認(rèn)知

正是上述電磁應(yīng)用活動的廣泛開展，不同的電磁活動之間出現(xiàn)了強(qiáng)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(guān)系，于是人們意識到必須像研究自身所生存的自然環(huán)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(fù)雜多變的電磁環(huán)境。

2.1 典型的電磁環(huán)境

戰(zhàn)場電磁環(huán)境是一種最為典型且最受關(guān)注的電磁環(huán)境。據(jù)有關(guān)資料顯示，作戰(zhàn)情況下，通常有上萬個(gè)無線電臺在通信；成百上千部雷達(dá)輻射源在搜索跟蹤，信號樣式有幾十種，信號密度可達(dá)100～200萬脈沖／秒。同時(shí)還有無數(shù)條激光束在不停地瞄準(zhǔn)各種迅速移動的目標(biāo)。這些活躍的電磁輻射現(xiàn)象在特定的戰(zhàn)場空間內(nèi)形成了極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，于是“復(fù)雜電磁環(huán)境”的概念逐漸形成。它即指在一定的戰(zhàn)場空間內(nèi)，由時(shí)域、頻域、能域和空域上分布密集、數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、動態(tài)隨機(jī)的多種電磁信號交疊而成，對裝備、燃油和人員等構(gòu)成一定影響的戰(zhàn)場電磁環(huán)境［7］。

2.2 電磁環(huán)境的構(gòu)成

為了認(rèn)清復(fù)雜電磁環(huán)境的本質(zhì)，人們進(jìn)行了電磁環(huán)境的基本構(gòu)成要素分析。從產(chǎn)生輻射的角度來看，主要包括三個(gè)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(zhàn)場電磁環(huán)境的主體，同時(shí)按照作戰(zhàn)進(jìn)程不斷發(fā)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(zhàn)環(huán)境中是一個(gè)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(tài)的各種媒介物質(zhì)，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(huán)境復(fù)雜化的根本原因。這里面既包括了常規(guī)的電磁應(yīng)用活動，如通信輻射、雷達(dá)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(yīng)用中則是要注重防護(hù)或消除。輻射傳播因素中的人造電磁散射體，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、角反射器等也是重點(diǎn)考慮的對象。經(jīng)它們所散射的電磁波可看成是輻射的一個(gè)間接來源。

2.3 電磁環(huán)境的特性

從電磁環(huán)境的構(gòu)成要素上看，電磁環(huán)境是充斥在人類活動的整個(gè)自然環(huán)境空間中，即電磁空間與自然空間幾乎重合，可見電磁環(huán)境具有相當(dāng)?shù)膹V泛性；其次，電磁環(huán)境中的各個(gè)要素均會隨時(shí)間的推移而不斷的發(fā)生變化，致使整個(gè)電磁環(huán)境具有動態(tài)性；同時(shí)，由于電子對抗活動在電磁空間中所占據(jù)的突出地位，使得電磁環(huán)境具有了獨(dú)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(gè)電磁環(huán)境呈現(xiàn)出直觀的復(fù)雜性特點(diǎn)。

此外，由于人為電磁輻射是電磁環(huán)境的主體構(gòu)成要素，因而復(fù)雜的電磁環(huán)境仍可以看成是一個(gè)可以受控制的動態(tài)開放系統(tǒng)。尤其針對戰(zhàn)場電磁環(huán)境，可以通過一定的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)手段，如頻譜管控、電磁干擾、電子防護(hù)等，實(shí)現(xiàn)對電磁環(huán)境的有限控制，使電磁環(huán)境朝著對己方電子信息系統(tǒng)工作有利的方向變化。這正表明了電磁環(huán)境還具有有限可控性的特點(diǎn)。

2.4 電磁環(huán)境的作用

物質(zhì)、能量、信息是現(xiàn)今世界的三大組成要素。電磁環(huán)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(tǒng)所產(chǎn)生的作用就可以從兩個(gè)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(xiàn)在電磁環(huán)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(shè)備、系統(tǒng)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(huán)境中的各種噪聲壓制型或信息欺騙型信號會對相關(guān)電子信息系統(tǒng)所接收、處理的信息直接產(chǎn)生干擾。這種干擾即是電磁環(huán)境在信息層面的作用表現(xiàn)。

上述這兩種作用過程所表現(xiàn)出的一定物理規(guī)律即可統(tǒng)稱為電子信息系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)。電磁環(huán)境正是通過相關(guān)的效應(yīng)而對電子信息系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。這些影響既有使系統(tǒng)性能下降的，也有被相關(guān)系統(tǒng)加以有效利用的。

3 可控電磁環(huán)境的構(gòu)建

為了科學(xué)有效地研究和利用電磁環(huán)境，需要對典型的、想定的電磁環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，從而形成一個(gè)具體的、可控的電磁環(huán)境。這就是復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬工作?？煽仉姶怒h(huán)境的構(gòu)建分為兩大方式。一種是實(shí)驗(yàn)室層面的，另一種是依托開放的真實(shí)地理環(huán)境。

3.1 實(shí)驗(yàn)室層面的仿真

實(shí)驗(yàn)室層面的仿真主要用于裝備的先期研究和技術(shù)性能評估，包括全數(shù)字的計(jì)算機(jī)仿真和半實(shí)物仿真。

全數(shù)字的計(jì)算機(jī)仿真是指采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來仿真電子信息系統(tǒng)的技術(shù)性能、戰(zhàn)術(shù)性能、戰(zhàn)術(shù)背景、戰(zhàn)場環(huán)境以及模擬戰(zhàn)斗進(jìn)行中全部電磁環(huán)境產(chǎn)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(tǒng)框架，如美國的高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）、試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)（TENA）等。通過這些系統(tǒng)框架，許多適合大規(guī)模對抗試驗(yàn)研究的全數(shù)字仿真系統(tǒng)被相繼建立了起來。

半實(shí)物仿真也被稱為室內(nèi)模擬或內(nèi)場仿真，通常有注入式和輻射式兩種方式。注入式則是不經(jīng)過天線的發(fā)射和接收環(huán)節(jié)，直接將信號用導(dǎo)波系統(tǒng)來連接相關(guān)射頻系統(tǒng)；輻射式是一個(gè)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(fù)雜電磁信號環(huán)境的綜合模擬系統(tǒng)。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(tǒng)，如美國的ATLAS I模擬器等。

3.2 模擬的戰(zhàn)場電磁環(huán)境

依托開放的真實(shí)地理環(huán)境來構(gòu)建虛擬的戰(zhàn)場電磁環(huán)境是一種最直觀、最有效的研究復(fù)雜電磁環(huán)境問題的方式，同時(shí)也是對相關(guān)實(shí)驗(yàn)室研究成果在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的最直接考驗(yàn)。通過在真實(shí)的地理空間，按照一定的作戰(zhàn)想定，可構(gòu)建近似逼真的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。這種模擬的戰(zhàn)場電磁環(huán)境可以用于開展人裝結(jié)合、系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估，以及不同強(qiáng)度的作戰(zhàn)訓(xùn)練或大規(guī)模的軍事演習(xí)。

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

4 亟待解決的一些技術(shù)難題

對電磁環(huán)境的認(rèn)知及可控電磁環(huán)境的構(gòu)建屬于復(fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬的研究內(nèi)容。在特性的認(rèn)知方面，目前還無法做到對電磁環(huán)境進(jìn)行客觀、定量地描述，對電磁環(huán)境的量化表征缺乏統(tǒng)一的方法。尤其是針對電磁環(huán)境復(fù)雜性這一本質(zhì)特點(diǎn)上缺乏合適的度量指標(biāo)體系，致使對某一具體的電磁環(huán)境無法做出科學(xué)的評價(jià)、評級等。

其次在可控模型的構(gòu)建方面，現(xiàn)有模擬方法的針對性、逼真性、可用性、易實(shí)現(xiàn)性、效率等均受到不斷增長的模擬需求的強(qiáng)烈挑戰(zhàn)。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(shí)施。

此外，認(rèn)知及模擬過程中還有許多關(guān)于復(fù)雜電磁環(huán)境的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)亟待研究?？傊瑥?fù)雜電磁環(huán)境問題是一個(gè)系統(tǒng)性科學(xué)工程問題，需引入系統(tǒng)工程的相關(guān)理論方法來指導(dǎo)解決。

5 結(jié)束語

電磁環(huán)境是當(dāng)今人類必須面對的一個(gè)新的生存環(huán)境，對人們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)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(qiáng)對電磁環(huán)境的研究，掌握控制電磁環(huán)境的方法。本文從電磁應(yīng)用活動出發(fā)，對復(fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬的研究工作進(jìn)行了簡要闡述?？煽仉姶怒h(huán)境的構(gòu)建為有效研究復(fù)雜電磁環(huán)境問題提供了基礎(chǔ)，而研究復(fù)雜電磁環(huán)境問題歸根結(jié)底還是為研究電磁環(huán)境效應(yīng)，即主要研究復(fù)雜電磁環(huán)境對所處其中的電子信息系統(tǒng)的綜合作用機(jī)理問題。這也進(jìn)一步為開展電子信息系統(tǒng)的應(yīng)用效能評估，提高其環(huán)境適應(yīng)性提供了技術(shù)基礎(chǔ)?！?/p>

［1］王汝群，等.戰(zhàn)場電磁環(huán)境［M］.北京：解放軍出版社，2006.

［2］劉尚合.武器裝備的電磁環(huán)境效應(yīng)及其發(fā)展趨勢［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，16（1）：1-6.

［3］孫國至，劉尚合，陳京平，等.戰(zhàn)場電磁環(huán)境效應(yīng)對信息化戰(zhàn)爭的影響［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2006，20（3）：43-47.

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

［5］唐朝京，劉培國.信息化戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)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(huán)境效應(yīng)及其發(fā)展趨勢［J］.國防科技，2008，29（1）：1-6.

［7］劉尚合，孫國至.復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應(yīng)分析［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，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(yè)出版社，2007.