國內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境研究與展望

◆王天樂

（中國西南電子技術(shù)研究所 四川 610036）

隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的日益深入，各作戰(zhàn)部隊(duì)大規(guī)模升級(jí)自身信息化作戰(zhàn)水平，各種類型的以電磁通信為載體的設(shè)備先后大規(guī)模應(yīng)用，這使得戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境變得日趨復(fù)雜。資料顯示，在目前世界上的通信信號(hào)種類多達(dá)100 種以上，各種復(fù)雜信號(hào)的使用更進(jìn)一步增加了電磁環(huán)境的復(fù)雜性[1]。我國對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的研究起步較晚，但是自1995年將“復(fù)雜電磁環(huán)境”作為主題詞提出以來[2]，到目前為止，已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，并且取得了顯著成果。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2015年年底為止國內(nèi)在以含有“復(fù)雜電磁環(huán)境”為題目的公開發(fā)表文章已接近630 余篇，其中研究的方面涵蓋復(fù)雜電磁環(huán)境的定義、復(fù)雜度評(píng)估分析、對(duì)武器及裝備系統(tǒng)的電磁效應(yīng)影響等多方面的內(nèi)容。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境概念的發(fā)展

復(fù)雜電磁環(huán)境是一個(gè)相對(duì)概念[3]，復(fù)雜電磁環(huán)境這一概念是在研究電磁環(huán)境達(dá)到一定階段時(shí)提出來的，最早在研究人體和天線受電磁環(huán)境影響時(shí)，介于電磁信號(hào)的種類繁多，對(duì)影響物體作用難以計(jì)算，諸如自然電磁信號(hào)和生物電磁信號(hào)，就提出了復(fù)雜電磁環(huán)境這一概念[4]，但是沒有給出嚴(yán)格意義上的衡量方法。經(jīng)過進(jìn)一步的發(fā)展，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境才有了明確的界定，認(rèn)為在電磁信號(hào)非常密集，數(shù)量巨大，而且電磁信號(hào)的種類繁多的情況下，可以認(rèn)為電磁環(huán)境很復(fù)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(gè)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的研究更加具體化的方向。

對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的定義，基于對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境組成條件的認(rèn)識(shí)，復(fù)雜電磁環(huán)境的復(fù)雜信號(hào)來源于自然界和人為因素兩方面。對(duì)其本質(zhì)的把握使得2007 年對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的國內(nèi)研究突變，在對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境量化描述的基礎(chǔ)上[3-7]，耿海軍等在文獻(xiàn)[8]中對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境這一概念給出了定義，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜電磁環(huán)境從時(shí)域、頻域、能域和空域方面定性研究；并在復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)影響物體產(chǎn)生電磁效應(yīng)的方式上，分為熱效應(yīng)、射頻干擾和“熱浪”效應(yīng)、強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)、磁效應(yīng)四種。劉福全等針對(duì)性地對(duì)復(fù)雜情況提出了分析，說明復(fù)雜電磁環(huán)境一定具有信號(hào)密集、種類繁雜、對(duì)抗激烈、動(dòng)態(tài)多變的復(fù)雜性的特點(diǎn)。最終在2008 年，劉尚合院士等在《復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應(yīng)分析》一文中，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境給出了廣泛被后來研究者接受的定義：在一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間，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(dòng)態(tài)隨機(jī)的多種電磁信號(hào)交疊而成的，對(duì)裝備、燃油和人員等構(gòu)成一定影響的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。雖然在后期的定義中對(duì)能域和功率[9]的說法有一定爭(zhēng)議，但是復(fù)雜電磁環(huán)境的概念到此已經(jīng)趨近完善了，后期電磁環(huán)境的研究多基于這種定義[10]?？傮w來說，復(fù)雜電磁環(huán)境的定義從復(fù)雜根源上強(qiáng)調(diào)是人為和自然兩方面的原因，在復(fù)雜形式上著重時(shí)域、頻域、空域、能域或功率方面的復(fù)雜多變，效果上說明受影響武器或裝備受到電磁效應(yīng)作用結(jié)果的相對(duì)性和不確定性。

總結(jié)復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn)，可以有以下幾方面的性質(zhì)：相對(duì)性，復(fù)雜要以影響物體的承受能力為依據(jù)；特殊性，無法直接感受，只能通過測(cè)量設(shè)備探知[11]；決定性，現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場(chǎng)下，復(fù)雜電磁環(huán)境能夠?qū)Νh(huán)境中設(shè)備產(chǎn)生重大影響，取得復(fù)雜電磁環(huán)境的控制權(quán)，一定程度上能夠影響戰(zhàn)爭(zhēng)的勝??；模糊性，復(fù)雜電磁環(huán)境的度量方法和度量尺度沒有明確的定論，存在很大的爭(zhēng)議；廣泛性，電磁環(huán)境的復(fù)雜可能是自然電磁環(huán)境的結(jié)果，也可能是認(rèn)為電磁活動(dòng)的干擾；動(dòng)態(tài)性，隨時(shí)間和空間不斷變化；開放性[12]，復(fù)雜電磁環(huán)境空間不封閉。另外，從復(fù)雜電磁環(huán)境的作用效果看，有兩方面的作用：一、惡化戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，增加電磁通信難度，影響通信傳輸空間的媒質(zhì)電磁特性，干擾以電磁信號(hào)為途徑的傳輸過程。二、影響復(fù)雜電磁環(huán)境下的武器或裝備，對(duì)其產(chǎn)生電磁效應(yīng)影響。針對(duì)兩方面的作用，研究的類型也是分為增加敵方電子環(huán)境復(fù)雜性以便摧毀敵方和減弱我方電子環(huán)境復(fù)雜性以便保護(hù)我方。

2 國內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境研究分類

按照文章對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境論述內(nèi)容和研究主題的不同，可以分為三類。

第一類：復(fù)雜電磁環(huán)境分析和復(fù)雜度評(píng)估。因?yàn)殡姶怒h(huán)境復(fù)雜與否是個(gè)相對(duì)的概念[13]，所以復(fù)雜電磁環(huán)境是建立在感受設(shè)備的承受干擾的適應(yīng)程度來定義[14]。對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜程度的評(píng)估和判定也沒有一個(gè)定論，對(duì)復(fù)雜度的界定也在不斷完善和發(fā)展。從最初的對(duì)功率的分析判定[15]得出環(huán)境電磁信號(hào)復(fù)雜到多層次惡劣電磁環(huán)境的認(rèn)識(shí)[16]，經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，這與在此期間內(nèi)各種電磁信號(hào)復(fù)雜性較小有關(guān)。

在復(fù)雜性評(píng)估和分析上，存在不確定性，使得復(fù)雜性度量有很大差別。以熵的概念來分析戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜性為例，文獻(xiàn)[17]引入類型熵和密度熵作為電磁環(huán)境復(fù)雜性測(cè)度，探討了電磁信號(hào)環(huán)境熵度量。針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境不確定性，文獻(xiàn)[18]提出了一種基于Shannon概率熵的復(fù)雜電磁環(huán)境的不確定性空間分析方法。針對(duì)跳頻信號(hào)分選，文獻(xiàn)[19]提出了評(píng)估電磁環(huán)境復(fù)雜度的復(fù)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(shí)際的軍事訓(xùn)練為基礎(chǔ)，依據(jù)軍隊(duì)作戰(zhàn)特點(diǎn)提出了基于證據(jù)理論的評(píng)估方法[20]。復(fù)雜度研究分別從復(fù)雜性分析和仿真模擬兩大方面入手，但是研究復(fù)雜性問題和其復(fù)雜性一樣復(fù)雜，其涉及的復(fù)雜因素類也是從原來的空、時(shí)、頻、能四域增加了信號(hào)樣式、信號(hào)密度等，對(duì)影響值的確定也是受到專家自身感知的限制，將影響因數(shù)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法處理，得到其具體數(shù)值化的結(jié)果。將關(guān)心的因數(shù)設(shè)為子集運(yùn)用映射法得出復(fù)雜程度劃分方法，然后對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)成因素做深入分析[21-22]；另外，諸如文章[23]和[14]中直接對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的復(fù)雜度問題作出了研究，研究復(fù)雜電磁環(huán)境到底什么是復(fù)雜，怎樣才叫復(fù)雜。在這類文章中，其中結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，提出了“自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)”[15]、“D-S 證據(jù)理論”[16]、“三標(biāo)度法”[24]等很多理論性的評(píng)估、分析方法；研究單位也主要集中在國防院校和作戰(zhàn)部隊(duì)及其研究所等。

第二類：復(fù)雜電磁環(huán)境的建模與仿真。復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建就是運(yùn)用各種軟件和硬件技術(shù)手段完成復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬，使得其接近或近似于實(shí)際的復(fù)雜電磁環(huán)境[25]。復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建可采用的方法有外場(chǎng)實(shí)兵模擬、半實(shí)物仿真模擬和數(shù)字仿真模擬[26]三種類型。外場(chǎng)實(shí)兵模擬就是將各種電磁波產(chǎn)生源不規(guī)則放置，模擬實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)上可能會(huì)出現(xiàn)的各種電磁設(shè)備和裝置，產(chǎn)生類似于實(shí)際空間中的復(fù)雜電磁環(huán)境；半實(shí)物仿真模擬就是將電磁波產(chǎn)生源模型化，在搭建的模型環(huán)境中測(cè)量響應(yīng)數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)分析仿真；數(shù)字仿真模擬中，首先給出了復(fù)雜電磁環(huán)境的定義，根據(jù)定義提出的方法，以數(shù)學(xué)方式建立復(fù)雜電磁環(huán)境模型，用相應(yīng)工具或算法進(jìn)行仿真[27-28]，一般是運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬和分析戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境，并運(yùn)用matlab軟件等工具進(jìn)行仿真[29]。但是無論哪種模擬方法，組成論都是復(fù)雜電磁環(huán)境建模的基礎(chǔ)[30]，將復(fù)雜電磁環(huán)境中的各個(gè)輻射組成要素設(shè)為初始集合，然后根據(jù)組成元素的類型建模計(jì)算。雖然復(fù)雜電磁環(huán)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(chǎng)、聲場(chǎng)和光波四要素是建模選擇的基礎(chǔ)[31]，基本上可以涵蓋所有形式的電磁信號(hào)。

第三類：復(fù)雜電磁環(huán)境的電磁效應(yīng)，復(fù)雜電磁環(huán)境與不同的系統(tǒng)或設(shè)備之間的干擾和抗干擾能力。復(fù)雜電磁環(huán)境中的復(fù)雜電磁波通過熱效應(yīng)、強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)效應(yīng)、強(qiáng)干擾效應(yīng)等的作用方式，對(duì)電子裝備、系統(tǒng)、人員等產(chǎn)生影響。復(fù)雜電磁環(huán)境通過產(chǎn)生高強(qiáng)度局部電壓、欺騙電磁信號(hào)等方式影響電子設(shè)備、武器裝備等。復(fù)雜電磁環(huán)境的生物效應(yīng)主要研究復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)人體的影響[25]、復(fù)雜電磁環(huán)境下的軍事訓(xùn)練或作戰(zhàn)以及政治工作[32]、后勤保障受復(fù)雜電磁環(huán)境的影響[33]、以及對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的教育和教學(xué)工作[34]等。

隨著電子戰(zhàn)的深入，對(duì)復(fù)雜電磁效應(yīng)的研究增多；主要著眼增加電磁效應(yīng)以達(dá)到干擾敵方的效果和防護(hù)我方電磁效應(yīng)兩方面的內(nèi)容。在增強(qiáng)敵方電磁環(huán)境復(fù)雜度干擾方面，干擾對(duì)象為雷達(dá)系統(tǒng)[35]、導(dǎo)彈精確打擊系統(tǒng)[36]、電子設(shè)備電子對(duì)抗系統(tǒng)[37]，從而影響部隊(duì)裝備的野戰(zhàn)化[38]。因?yàn)檫@類研究更接近于復(fù)雜電磁環(huán)境下的武器系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)，所以在國內(nèi)高等院校、高校研究所、軍工研究所、一線作戰(zhàn)部隊(duì)等單位有較多研究。

抗干擾能力主要集中在技術(shù)層面和戰(zhàn)術(shù)層面[1]。從戰(zhàn)術(shù)層面上，為了減小復(fù)雜電磁環(huán)境的相對(duì)復(fù)雜性，對(duì)頻譜進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的有效管理，是提高站長(zhǎng)裝備生存能力和運(yùn)行能力的有效手段。復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)頻譜管控問題研究，對(duì)于奪取戰(zhàn)場(chǎng)制電磁權(quán)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[39]。增加裝備系統(tǒng)的電磁兼容性是從技術(shù)層面上適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的另一種手段，飛機(jī)及無人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)安全性保障系統(tǒng)[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(tǒng)計(jì)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?jī)?nèi)容分布在第三類上，這說明不同的設(shè)備、武器和系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的受干擾與采用手段和技術(shù)抗干擾是對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境研究的主要方向。特別是由于電磁頻譜管控作為一種對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域用頻設(shè)備的有效管理行為，已成為決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵因素，所以其在復(fù)雜電磁環(huán)境主題下的研究中最具有發(fā)展的勢(shì)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(wěn)發(fā)展。

3 國內(nèi)電磁環(huán)境研究的發(fā)展趨勢(shì)

國外各國都建立了自己的復(fù)雜電磁環(huán)境的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美國很早就建立了E3 的標(biāo)準(zhǔn)，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-464/464A/464C-2010《Electromagnetic environmental effects requirements for systems》對(duì)電磁環(huán)境做了明確的界定[44]，對(duì)處于負(fù)載電磁環(huán)境的相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的考核等做了詳細(xì)的要求。英國、北約等都建立了自己的復(fù)雜電磁環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)也建立了復(fù)雜環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，如GJB1389B《系統(tǒng)級(jí)電磁環(huán)境效應(yīng)》等，但是隨著對(duì)電磁環(huán)境研究的加深，繼續(xù)制定、更新標(biāo)準(zhǔn)是國內(nèi)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境研究的一個(gè)主要方向。

復(fù)雜電磁環(huán)境研究的目的是更逼真的模擬出戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，趨向?qū)蛹?jí)性和模塊化。電磁環(huán)境的復(fù)雜與否和研究對(duì)象密切相關(guān)，后續(xù)研究中，會(huì)在不同層級(jí)上出現(xiàn)研究?jī)?nèi)容。從系統(tǒng)級(jí)模型、分系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、模塊級(jí)等層次深入的分析復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，分層級(jí)研究復(fù)雜電磁環(huán)境是國內(nèi)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境研究的另一個(gè)主要方向。

世界各國對(duì)電磁環(huán)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(fù)雜電磁環(huán)境的效應(yīng)是一個(gè)必走的階段。為了將復(fù)雜電磁環(huán)境的研究指導(dǎo)武器裝備的使用，未來的研究可能將地球以空域?yàn)榻缍?，劃分板塊研究地區(qū)的復(fù)雜電磁環(huán)境，并建立全球復(fù)雜電磁環(huán)境分布的區(qū)域性研究報(bào)告。

隨著人類對(duì)電磁環(huán)境與身體健康之間關(guān)系的關(guān)注，復(fù)雜電磁環(huán)境的效應(yīng)研究將復(fù)雜化。復(fù)雜電磁環(huán)境已有的效應(yīng)研究包括生物效應(yīng)以及其他的熱和非熱效應(yīng)等。隨著研究的深入，電磁環(huán)境效應(yīng)研究必然會(huì)有更寬的研究面，對(duì)于生物效應(yīng)等研究，會(huì)隨著對(duì)健康度的關(guān)注而逐漸增加。

4 結(jié)語

復(fù)雜電磁環(huán)境作為一種模糊的、相對(duì)的電磁環(huán)境特征，其在國內(nèi)的研究經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，定義到目前已經(jīng)趨于完善，但是隨著電磁環(huán)境復(fù)雜情況的改變，其定義也會(huì)隨之發(fā)生改變。信息化時(shí)代帶來的空間電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜，電磁信號(hào)相互干擾[45]，決定了復(fù)雜電磁環(huán)境的研究是個(gè)難以繞開的領(lǐng)域，以目前對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的研究平穩(wěn)發(fā)展的勢(shì)頭來看，復(fù)雜電磁環(huán)境的研究，勢(shì)必成為電磁研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。雖然電磁環(huán)境的復(fù)雜性使得研究有很大的難度，但是復(fù)雜電磁環(huán)境中電磁信號(hào)不可能是無限復(fù)雜的，總可以從空域、頻域、時(shí)域和能域方面去分析建模。從本質(zhì)上講，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的研究，歸根結(jié)底是對(duì)受影響武器、設(shè)備[46]、人等在復(fù)雜電磁環(huán)境中效能發(fā)揮情況的研究；復(fù)雜電磁環(huán)境與其中的受影響物體之間的作用關(guān)系將是復(fù)雜電磁環(huán)境研究的一個(gè)重點(diǎn)。針對(duì)武器或裝備效能影響的量化和建模是復(fù)雜電磁環(huán)境研究的又一個(gè)難點(diǎn)。圍繞復(fù)雜電磁環(huán)境的攻、防兩方面的研究將催生出復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)一步復(fù)雜化方案和復(fù)雜電磁環(huán)境簡(jiǎn)化方案。