電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念及其應(yīng)用*

許 雄，汪連棟，王國(guó)良，曾勇虎，王國(guó)玉

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng)471003）

電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念及其應(yīng)用*

許 雄，汪連棟，王國(guó)良，曾勇虎，王國(guó)玉

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng)471003）

針對(duì)裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)評(píng)估的需求，指出若干需要重點(diǎn)解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境認(rèn)知這一首要問(wèn)題，運(yùn)用層次化的分析思想，提出電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念，并初步探討了概念的內(nèi)在涵義和相關(guān)應(yīng)用價(jià)值。

復(fù)雜電磁環(huán)境；適應(yīng)性試驗(yàn)；分層認(rèn)知；相關(guān)性

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展、社會(huì)信息化程度的提高，復(fù)雜電磁環(huán)境已成為一種客觀存在。由此而造成的對(duì)各種電子系統(tǒng)的影響，即復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)，是當(dāng)前人們遇到的一個(gè)棘手的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。為了搞清楚電子系統(tǒng)在其所處工作環(huán)境中的運(yùn)行狀態(tài)，解決復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題，需要開(kāi)展電子系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，然而目前還沒(méi)有成熟的試驗(yàn)理論與方法可供參考。

本文首先指出適應(yīng)性試驗(yàn)過(guò)程將遇到的若干關(guān)鍵問(wèn)題，并重點(diǎn)針對(duì)其中最基礎(chǔ)的復(fù)雜電磁環(huán)境認(rèn)知問(wèn)題提出解決思路，以供參考。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題

裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是依據(jù)一定的使命和目的，構(gòu)想出具有最大可能性的電磁對(duì)抗態(tài)勢(shì)，并按照一定的規(guī)程，對(duì)各項(xiàng)裝備效能的發(fā)揮情況進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，對(duì)電磁環(huán)境給裝備造成的影響情況給出分析結(jié)果，對(duì)裝備的論證、研制、使用給出科學(xué)建議。那么，試驗(yàn)過(guò)程必然涉及電磁環(huán)境的構(gòu)建、對(duì)抗態(tài)勢(shì)變化的試驗(yàn)設(shè)計(jì)、復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)現(xiàn)象的檢驗(yàn)分析，以及針對(duì)具體考核方面的評(píng)估方法等關(guān)鍵問(wèn)題。

而要解決這些關(guān)鍵問(wèn)題，首先必須對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境本身有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，并能夠進(jìn)行有效、直觀的表征，即回答復(fù)雜電磁環(huán)境是什么樣的，如何有針對(duì)性地定量描述、度量。這就是復(fù)雜電磁環(huán)境認(rèn)知問(wèn)題。由于復(fù)雜電磁環(huán)境本身先天具有的抽象性、廣泛性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的認(rèn)知至今沒(méi)有一個(gè)成熟、顯性的理論或方法，基本是從“時(shí)、空、頻、能、極化、調(diào)制”這6個(gè)域同時(shí)來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述。

現(xiàn)行的這種描述方法是從物理量的類(lèi)別上期望對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行全面描述，具有一定的完整性，但也導(dǎo)致了認(rèn)知上的復(fù)雜性。而且，由于各個(gè)域中的物理量并不是相互獨(dú)立的，因而在應(yīng)用時(shí)也造成了諸多麻煩。

為了解決這個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題，這里提出一種改進(jìn)的認(rèn)知方法，希望從應(yīng)用的角度，換一個(gè)視角來(lái)對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行描述，并建立一個(gè)新的概念模型以進(jìn)行直觀分析。

2 電磁環(huán)境分層認(rèn)知概念的提出

從認(rèn)知的角度來(lái)說(shuō)，認(rèn)知不是一個(gè)完全從無(wú)到有的過(guò)程，而是有許多先驗(yàn)知識(shí)作為支撐。因而認(rèn)知過(guò)程就是一個(gè)在先驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)上將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的過(guò)程。又由于認(rèn)知的目的是為了應(yīng)用，那么應(yīng)該可以從應(yīng)用需求的角度來(lái)進(jìn)行認(rèn)知。

2.1 基于應(yīng)用需求分析的認(rèn)知思想

幾種常見(jiàn)的應(yīng)用所對(duì)應(yīng)的對(duì)電磁環(huán)境中相關(guān)物理參數(shù)的需求如圖1所示。針對(duì)認(rèn)知電磁環(huán)境的應(yīng)用需求而言，人們?cè)谀骋淮尉唧w應(yīng)用時(shí)往往不需要了解電磁環(huán)境的全部參數(shù)；同時(shí)針對(duì)環(huán)境對(duì)電子設(shè)備影響而言，也不是所有參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生影響。于是，可以運(yùn)用層次化的分析思想，對(duì)擬認(rèn)知的對(duì)象，由面到點(diǎn)、由整體到局部對(duì)電磁環(huán)境所有的參數(shù)依照應(yīng)用需求進(jìn)行歸納分類(lèi)并層層地剝離、分析。

圖1 電磁環(huán)境認(rèn)知的應(yīng)用需求

在該分析思想下，基于應(yīng)用需求的認(rèn)知可以認(rèn)為，當(dāng)人們站在空間某一點(diǎn)處，在無(wú)先驗(yàn)信息的條件下，通過(guò)相應(yīng)的電子測(cè)量?jī)x器媒介對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行感知時(shí)，一般需要做如表1所示的7件事，并采集相關(guān)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(yàn)知識(shí)，后一步則可以看作是在前一步數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的信息挖掘。整個(gè)過(guò)程是一個(gè)由淺入深、循序漸進(jìn)的信息獲取過(guò)程。這個(gè)過(guò)程不僅能夠獲得電磁信號(hào)的全部物理參數(shù)，同時(shí)將相關(guān)的參數(shù)分成了7類(lèi)，具體應(yīng)用時(shí)可只關(guān)注其中的某一類(lèi)，這樣能夠從一定程度上解決認(rèn)知的復(fù)雜性問(wèn)題。

表l 對(duì)電磁信號(hào)感知的事件

2.2 電磁環(huán)境的分層認(rèn)知

借鑒上述由淺入深的思路，對(duì)電磁環(huán)境認(rèn)知的一般方法則可參照感知電磁信號(hào)的7個(gè)步驟進(jìn)行分層，即分別為：基本屬性層、物理空間層、波動(dòng)形態(tài)層、信號(hào)波形層、指紋特征層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、信息應(yīng)用層。每個(gè)層里都包含了一類(lèi)物理參數(shù)，分別覆蓋了現(xiàn)有6個(gè)物理域中相關(guān)的物理量。電磁環(huán)境的層次化形態(tài)如圖2所示。

圖2 電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念模型

本質(zhì)上說(shuō)，這里其實(shí)是將現(xiàn)有對(duì)電磁環(huán)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(jié)構(gòu)變成了具有層次特征的三維結(jié)構(gòu)。這便是電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念模型。

2.3 概念模型的內(nèi)涵

模型的最下方為第1層，最上方為第7層。下面分別對(duì)每個(gè)層進(jìn)行闡述：

第1層：基本屬性層

該層主要體現(xiàn)電磁環(huán)境的有無(wú)和屬性。通過(guò)頻譜儀等測(cè)量?jī)x器，可得到電磁環(huán)境在時(shí)間、頻率和功率之間的關(guān)系，初步感知電磁環(huán)境的存在和電磁環(huán)境特有的頻域特征。

第2層：物理空間層

在第1層認(rèn)識(shí)到電磁現(xiàn)象有無(wú)的基礎(chǔ)上，該層回答電磁輻射從哪里來(lái)，到哪里去的問(wèn)題。電磁環(huán)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(guò)測(cè)向手段可以感受電磁波的能流參數(shù)，進(jìn)而直觀的感受電磁環(huán)境的運(yùn)動(dòng)特性，這也是目前電磁環(huán)境可視化研究的基礎(chǔ)模型，其輸出結(jié)果如電磁云圖，可用于電磁態(tài)勢(shì)分析等。

第3層：波動(dòng)形態(tài)層

類(lèi)比螃蟹前進(jìn)是橫著走，蛇前進(jìn)時(shí)是彎著爬的直觀形態(tài)，可以想象電磁波在前進(jìn)時(shí)會(huì)在其路徑上留下特有的腳印，這些腳印的形態(tài)可稱(chēng)為極化。波動(dòng)形態(tài)層主要是從極化方式上對(duì)電磁波的波動(dòng)傳播形式的認(rèn)知，可通過(guò)極化測(cè)量手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第4層：信號(hào)波形層

在前三層的基礎(chǔ)上，通過(guò)示波器等工具可觀測(cè)其信號(hào)波形，可看清具體信號(hào)的振蕩形態(tài)。當(dāng)采用這種方式時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)人為地將電磁信號(hào)置于一個(gè)平面上進(jìn)行研究。因此此時(shí)看到的電磁環(huán)境是電磁波中的電場(chǎng)在示波器顯示器上的一個(gè)平面投影圖。

上述4個(gè)層次，均關(guān)注的是電磁波本身，將電磁波作為一個(gè)整體要素呈現(xiàn)在電磁環(huán)境中，因此也可統(tǒng)稱(chēng)為物理層，而下面3個(gè)層次關(guān)注的是信息層面的參數(shù)，可統(tǒng)稱(chēng)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(diào)制是對(duì)電磁波作為信息載體的一種直觀反映。指紋特征層主要關(guān)注電磁波的調(diào)制方式，是對(duì)電磁環(huán)境更加深入細(xì)化的研究。該層可以利用調(diào)制域分析儀等工具將調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本調(diào)制方式從第4層的信號(hào)波形中解析出來(lái)。

第6層：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

在第5層的基礎(chǔ)上，通過(guò)混合信號(hào)分析儀等設(shè)備可以將用于調(diào)制的相關(guān)數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)獲取出來(lái)。這些信號(hào)即是相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的電子表示。該層主要完成解調(diào)的工作。輸出所要傳遞物理參量信息的基帶信號(hào)波形圖，或模擬信號(hào)波形圖等。

第7層：信息應(yīng)用層

從第6層所獲取的數(shù)據(jù)可能會(huì)受到編碼、加密等操作。信息應(yīng)用層需完成對(duì)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)的顯現(xiàn)應(yīng)用，是認(rèn)知模型的最頂層。根據(jù)香農(nóng)的信息論：信息是用來(lái)消除隨機(jī)不定性的東西。而認(rèn)知電磁環(huán)境的最終目的也是為了消除復(fù)雜電磁環(huán)境的不確定性，以便于人們根據(jù)所掌握的復(fù)雜電磁環(huán)境中蘊(yùn)含的信息，在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)各種電子裝備的運(yùn)用進(jìn)行決策、評(píng)估等。該層用于回答電磁波的行動(dòng)意圖。輸出為獲取的電磁信息，可為相關(guān)用戶(hù)提供決策服務(wù)，包括身份識(shí)別、情報(bào)獲取、管理控制等。

3 應(yīng)用探討

總體來(lái)看，分層認(rèn)知概念模型與現(xiàn)有“六域”概念模型不同的是，這里對(duì)電磁環(huán)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(gè)層具有一定的獨(dú)立性。每個(gè)層可以看成是對(duì)下一層的信息調(diào)制，而下一層是上一層的載體。認(rèn)知電磁環(huán)境可按照從低層次到高層次的順序，實(shí)現(xiàn)層次嵌套，只要獲得滿(mǎn)足應(yīng)用需求所要求的信息即可。這也類(lèi)似于對(duì)電磁信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，解調(diào)后就不用關(guān)心解調(diào)前的信息了。于是，從模型應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，每個(gè)層次能夠完成的潛在應(yīng)用如圖3所示。

圖3 模型中的潛在應(yīng)用關(guān)系

針對(duì)不同的對(duì)象或用戶(hù)，在認(rèn)知電磁環(huán)境時(shí)不需要了解所有層次的信息，而是依次從底層開(kāi)始對(duì)電磁環(huán)境與相應(yīng)的應(yīng)用需求進(jìn)行如圖4所示的電磁環(huán)境相關(guān)性分析，而后在每一層的相關(guān)域里再進(jìn)行下一層的數(shù)據(jù)挖掘。

圖4中，信號(hào)環(huán)境與電子信息裝備之間的相關(guān)性具體體現(xiàn)在頻段相關(guān)、空間相關(guān)、極化相關(guān)3個(gè)方面，因而可以分別在第1、2、3層中依次建立頻段相關(guān)度、空間相關(guān)度、極化相關(guān)度3個(gè)物理量對(duì)環(huán)境與裝備的基本相關(guān)性進(jìn)行描述。于是，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)電磁環(huán)境的定量描述、度量、模擬等基本應(yīng)用可以放在后續(xù)的每一個(gè)層上單獨(dú)進(jìn)行，這樣從很大程度上降低了現(xiàn)有分析研究的難度。

圖4 信號(hào)環(huán)境與裝備的相關(guān)性分析

其中，在電磁環(huán)境的描述方面，首先可以從物理層的第4層：信號(hào)波形層里提取對(duì)電磁環(huán)境的定量描述物理量，即從信號(hào)波形層的物理參數(shù)：脈沖波形的參數(shù)（連續(xù)波看作是占空比為100%的一個(gè)脈沖特例）中提取；接著根據(jù)應(yīng)用的需要再?gòu)倪壿媽拥牡?層：指紋特征層里提取對(duì)電磁環(huán)境的定量描述物理量，即從指紋特征層的物理參數(shù)：線(xiàn)性/非線(xiàn)性調(diào)頻、各種編碼調(diào)相的物理參量描述中提取。之后，若有需要?jiǎng)t可再向上前進(jìn)一層，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層中繼續(xù)提取相關(guān)物理量來(lái)對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行描述。

在電磁環(huán)境的度量方面，則首先在物理層上，可對(duì)脈沖波形的物理參數(shù)進(jìn)行取值范圍的區(qū)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(fù)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(duì)線(xiàn)性/非線(xiàn)性調(diào)頻、各種編碼調(diào)相等信號(hào)物理參數(shù)進(jìn)行取值范圍的區(qū)間劃分，如調(diào)頻斜率的取值范圍、調(diào)頻帶寬的取值范圍、編碼長(zhǎng)度的取值范圍等。這樣便可實(shí)現(xiàn)針對(duì)一定應(yīng)用需求的電磁環(huán)境的相對(duì)度量。

在電磁環(huán)境的模擬方面，則根據(jù)描述和度量中所采用的物理量，首先在物理層上，針對(duì)需求（如壓制性干擾、電磁脈沖損傷等）對(duì)脈沖波形的物理參數(shù)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(fù)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(jìn)行具體定量的設(shè)定；而在邏輯層上則可針對(duì)需求（如欺騙性的干擾）對(duì)線(xiàn)性/非線(xiàn)性調(diào)頻、各種編碼調(diào)相等信號(hào)物理參數(shù)的模擬邊界，如調(diào)頻斜率的取值范圍、調(diào)頻帶寬的取值范圍、編碼長(zhǎng)度的取值范圍等進(jìn)行具體定量化的設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁環(huán)境的模擬構(gòu)建。

總之，為了支撐開(kāi)展裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，由該分層認(rèn)知概念模型出發(fā)，在針對(duì)具體應(yīng)用需求所進(jìn)行的相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展復(fù)雜電磁環(huán)境的描述、模擬、度量是后續(xù)需要重點(diǎn)研究的具體技術(shù)問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)開(kāi)展裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)評(píng)估中的需要首先解決的關(guān)于復(fù)雜電磁環(huán)境認(rèn)知的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，提出可運(yùn)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(dòng)形態(tài)層、信號(hào)波形層、指紋特征層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、信息應(yīng)用層共同組成的電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念模型，并探討模型的內(nèi)在涵義和相關(guān)應(yīng)用價(jià)值。電磁環(huán)境的分層認(rèn)知概念模型可看作是將現(xiàn)有對(duì)電磁環(huán)境的“六域”描述從平面的角度變成了立體的角度，從二維結(jié)構(gòu)變成了具有層次特征的三維結(jié)構(gòu)。該電磁環(huán)境分層認(rèn)知概念模型的提出，將為后續(xù)研究復(fù)雜電磁環(huán)境的相關(guān)問(wèn)題提供一定的參考。■

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

［2］ 劉培國(guó).電磁環(huán)境基礎(chǔ)［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，2010.

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［6］ 郭齊勝，羅小明，潘高田.武器裝備試驗(yàn)理論與檢驗(yàn)方法［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［7］ 許雄，汪連棟，曾勇虎，等.裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)問(wèn)題探討［J］.航天電子對(duì)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(guó)博士后科學(xué)基金（2013M542452）；電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬、雷達(dá)導(dǎo)引頭、雷達(dá)對(duì)抗試驗(yàn)技術(shù)。