复杂电磁环境问题的产生与研究

汪连栋，许 雄，2，曾勇虎，韩 慧，杨晓帆，2

（1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳471003；2.中国洛阳电子装备试验中心博士后科研工作站，河南 洛阳471003）

0 引言

无法直观触及却又无处不在的第五维活动空间——电磁空间，已成为信息社会的一个重要构成部分［1］。随着对电磁资源的大规模开发和运用，人们所面临的以电磁空间为依托的电磁环境日益恶化。恶化的电磁环境对人们的生产方式和军事斗争形式产生了巨大的影响。这已体现在现代几场高技术局部战争的战场环境上。可以说在当今的高技术战争中，制电磁权的争夺几乎直接关系着军事斗争的胜败。因而，现今的电磁空间存在着众多的安全问题，这些问题已上升为国家安全的重要组成部分。电磁环境问题已成为影响人类发展的一个重大战略问题，对电磁环境的研究已成为当今科学技术领域的重要前沿［2-6］。

本文旨在通过阐述电磁环境的研究历史，总结对抽象的电磁环境问题的直观认识，叙述为研究电磁环境问题所做的相关环境构建工作，为复杂电磁环境特性与模拟研究指出一些亟待解决的困难问题。

1 电磁环境问题的产生

1.1 电磁应用历程

早在两千多年前，人们就发现了电现象和磁现象，而真正认识和应用电磁的历史严格来说仅有一百多年。最重要的标志是1865年，英国物理学家麦克斯韦创立了统一的电磁理论，预言了电磁波的存在。之后在1887年，德国物理学家赫兹实验证明了电磁波的存在并实现了其发射和接收。而1901年英国马可尼跨越大西洋的无线通信试验的成功开启了人类进入电磁应用时代的大门。

无线电通信成为电磁应用最早的活动领域，同时也被首先应用于军事行动。1904年的日俄战争是世界上第一次双方都使用无线电通信的军事斗争。当时，无线电通信使用的是电磁频谱中的长波、中波波段。1924年才出现了短波通信，1931年出现了超短波通信。随后又迅速发展了微波、毫米波通信等。

雷达是电磁应用的又一个重要领域。1930年，美国海军研究实验室首次利用波的干涉效应探测到飞机，这可看作是连续波雷达的前身。1935年，英国研制出了第一部用于探测飞机的实用脉冲雷达。之后，随着磁控管、速调管、行波管等大功率微波器件在雷达中的应用，雷达的工作频率从米波逐步拓展到了厘米波频段。目前，雷达所利用的波段已经覆盖了从长波、短波、微波、毫米波、红外到可见光等大部分频谱资源。

随着电子技术的发展，电磁应用领域不断被扩展。从军用到民用、从地上到天上，各种类型的电磁设备充斥着人们生活的每个角落。同种类型设备的数量，比如手机、战术电台、火控／炮瞄雷达等，随着需求的增加而呈现爆炸性的增长趋势，从而直接导致了频谱资源的异常拥挤。于是出现了时分、码分等各种不同体制的电磁应用系统。人类进入了广泛应用电磁资源的时代。

1.2 电子对抗活动

人类活动扩展到电磁空间，军事对抗也自然被引入到电磁空间。相互敌对的人们在有限的、拥挤的频谱资源中进行争夺和控制被视为国家战略资源的电磁资源，即进行通信对抗、雷达对抗、光电对抗等电子对抗活动，进而使原本已经相当紧张的电磁空间局势愈加恶化。

从20世纪初开始，主要在第一次世界大战期间，不太成熟的电子对抗技术就已被运用于无线电通信测向侦察等，同时出现了一些有针对性的通信干扰发射机。而到了第二次世界大战时期，无线电导航对抗和雷达对抗相继出现。它们与不断发展的通信对抗一起共同形成电子战的主体框架，并确立了电子战在战争中的地位和作用。20世纪60年代以来，伴随精确制导武器的大量使用，光电对抗技术蓬勃发展，极大地拓宽了电子对抗的活动领域。电子对抗活动覆盖了电磁频谱的大部分波段，基本上形成了只要有一种新的电磁应用活动出现，就会催生相应对抗手段的局面。因而可以说，电子对抗活动成为了电磁空间中最为活跃的一种电磁应用形式，同时也在积极改变着电磁空间中相关要素的分布状态，影响着相应的电磁活动。

现今，专用的电子战飞机、多样的干扰诱饵，以及具有硬杀伤能力的反辐射导弹的运用直接改变着传统机械化战争的模式，致使战争进入了高度依赖电磁环境的信息化时代。于是电子战这种新型的战争形态应运而生。随着军队信息化建设进程的加快，各种电子设备和信息化武器装备在战场上被广泛使用，电子对抗活动日益激烈，直接导致电磁环境的急剧复杂化。这种复杂的战场电磁环境也给信息化武器装备的效能发挥造成了严重的制约。因而世界各军事大国都不得不花大力气开展针对复杂电磁环境的研究工作。电磁空间的安全也被视作是国家安全的重要组成部分而备受各国重视。

2 电磁环境的认知

正是上述电磁应用活动的广泛开展，不同的电磁活动之间出现了强烈的相互影响，一种新的电磁活动的加入必须先考虑其与已有的电磁活动的关系，于是人们意识到必须像研究自身所生存的自然环境一样，去研究由各类电磁活动的总和所形成的这种客观存在且复杂多变的电磁环境。

2.1 典型的电磁环境

战场电磁环境是一种最为典型且最受关注的电磁环境。据有关资料显示，作战情况下，通常有上万个无线电台在通信；成百上千部雷达辐射源在搜索跟踪，信号样式有几十种，信号密度可达100～200万脉冲／秒。同时还有无数条激光束在不停地瞄准各种迅速移动的目标。这些活跃的电磁辐射现象在特定的战场空间内形成了极其复杂的电磁环境，于是“复杂电磁环境”的概念逐渐形成。它即指在一定的战场空间内，由时域、频域、能域和空域上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成，对装备、燃油和人员等构成一定影响的战场电磁环境［7］。

2.2 电磁环境的构成

为了认清复杂电磁环境的本质，人们进行了电磁环境的基本构成要素分析。从产生辐射的角度来看，主要包括三个方面：人为电磁辐射、自然电磁辐射，以及辐射传播因素。人为电磁辐射是战场电磁环境的主体，同时按照作战进程不断发生着剧烈的变化。自然电磁辐射主要包括静电、雷电、宇宙射线等，这在野战环境中是一个几乎不可控的组成要素。辐射传播因素主要指能够影响电磁波传播形态的各种媒介物质，如大气、土壤、人造电磁散射体等。

人为电磁辐射是人们主要研究的对象，也是电磁环境复杂化的根本原因。这里面既包括了常规的电磁应用活动，如通信辐射、雷达辐射等；也包含为对抗上述辐射源的各种干扰等。自然电磁辐射在各种电磁应用中则是要注重防护或消除。辐射传播因素中的人造电磁散射体，如飞机、导弹、角反射器等也是重点考虑的对象。经它们所散射的电磁波可看成是辐射的一个间接来源。

2.3 电磁环境的特性

从电磁环境的构成要素上看，电磁环境是充斥在人类活动的整个自然环境空间中，即电磁空间与自然空间几乎重合，可见电磁环境具有相当的广泛性；其次，电磁环境中的各个要素均会随时间的推移而不断的发生变化，致使整个电磁环境具有动态性；同时，由于电子对抗活动在电磁空间中所占据的突出地位，使得电磁环境具有了独特的对抗性；加之由于辐射源的种类繁多、信号样式各异、信号使用密集等，使整个电磁环境呈现出直观的复杂性特点。

此外，由于人为电磁辐射是电磁环境的主体构成要素，因而复杂的电磁环境仍可以看成是一个可以受控制的动态开放系统。尤其针对战场电磁环境，可以通过一定的技术、战术手段，如频谱管控、电磁干扰、电子防护等，实现对电磁环境的有限控制，使电磁环境朝着对己方电子信息系统工作有利的方向变化。这正表明了电磁环境还具有有限可控性的特点。

2.4 电磁环境的作用

物质、能量、信息是现今世界的三大组成要素。电磁环境则既可以看成是能量的载体，也可以看成是信息的载体，因而其对各种电子信息系统所产生的作用就可以从两个层面来考虑，分别为能量层面和信息层面。

能量层面的作用表现在电磁环境中的各种电磁信号通过各种能量耦合的方式作用于电子设备、系统的电磁兼容问题。这些问题往往偏重于硬件方面即物理层面的研究。而由于有电子对抗活动的存在，电磁环境中的各种噪声压制型或信息欺骗型信号会对相关电子信息系统所接收、处理的信息直接产生干扰。这种干扰即是电磁环境在信息层面的作用表现。

上述这两种作用过程所表现出的一定物理规律即可统称为电子信息系统的复杂电磁环境效应。电磁环境正是通过相关的效应而对电子信息系统的应用产生重要影响。这些影响既有使系统性能下降的，也有被相关系统加以有效利用的。

3 可控电磁环境的构建

为了科学有效地研究和利用电磁环境，需要对典型的、想定的电磁环境进行构建，从而形成一个具体的、可控的电磁环境。这就是复杂电磁环境的模拟工作。可控电磁环境的构建分为两大方式。一种是实验室层面的，另一种是依托开放的真实地理环境。

3.1 实验室层面的仿真

实验室层面的仿真主要用于装备的先期研究和技术性能评估，包括全数字的计算机仿真和半实物仿真。

全数字的计算机仿真是指采用计算机模拟技术来仿真电子信息系统的技术性能、战术性能、战术背景、战场环境以及模拟战斗进行中全部电磁环境产生、传播和控制的过程。目前，各军事大国已建立了许多仿真系统框架，如美国的高层体系结构（HLA）、试验与训练使能体系结构（TENA）等。通过这些系统框架，许多适合大规模对抗试验研究的全数字仿真系统被相继建立了起来。

半实物仿真也被称为室内模拟或内场仿真，通常有注入式和辐射式两种方式。注入式则是不经过天线的发射和接收环节，直接将信号用导波系统来连接相关射频系统；辐射式是一个将电磁波通过天线阵辐射到电波／微波暗室、混响室里而形成复杂电磁信号环境的综合模拟系统。另外，还有一些专门用于研究雷电与核电磁脉冲，以及超宽带和超高功率电磁脉冲的各种大型模拟系统，如美国的ATLAS I模拟器等。

3.2 模拟的战场电磁环境

依托开放的真实地理环境来构建虚拟的战场电磁环境是一种最直观、最有效的研究复杂电磁环境问题的方式，同时也是对相关实验室研究成果在实际应用当中的最直接考验。通过在真实的地理空间，按照一定的作战想定，可构建近似逼真的战场电磁环境。这种模拟的战场电磁环境可以用于开展人装结合、系统的作战效能评估，以及不同强度的作战训练或大规模的军事演习。

美国的陆军瓦丘卡堡电子靶场、海军空战中心武器部电子战靶场、空军内利斯综合试验场，北约的波利冈（POLYGON）电子战靶场等都建有功能强大的虚拟战场电磁环境试验设施。 它们均拥有大量的可用于构筑逼真威胁环境的实际威胁系统，以及部分可编程的威胁模拟器和典型的电磁散射目标，同时还包括空中、地面控制系统在内的综合指挥控制系统，以及用于试验效果评估的精确的三维跟踪监测系统。这些受控的、模拟的战场电磁环境为开展复杂电磁环境问题的研究提供了最便利的资源和最逼真的物理实体。

4 亟待解决的一些技术难题

对电磁环境的认知及可控电磁环境的构建属于复杂电磁环境特性与模拟的研究内容。在特性的认知方面，目前还无法做到对电磁环境进行客观、定量地描述，对电磁环境的量化表征缺乏统一的方法。尤其是针对电磁环境复杂性这一本质特点上缺乏合适的度量指标体系，致使对某一具体的电磁环境无法做出科学的评价、评级等。

其次在可控模型的构建方面，现有模拟方法的针对性、逼真性、可用性、易实现性、效率等均受到不断增长的模拟需求的强烈挑战。模拟需求与有限的模拟资源之间已形成了尖锐的矛盾。“无边界靶场”概念的提出［8］，提供了一种一体化模拟的有效思路，但目前仍未获得具体实施。

此外，认知及模拟过程中还有许多关于复杂电磁环境的基础理论及关键技术亟待研究。总之，复杂电磁环境问题是一个系统性科学工程问题，需引入系统工程的相关理论方法来指导解决。

5 结束语

电磁环境是当今人类必须面对的一个新的生存环境，对人们的生产、生活方式产生了巨大的影响。为了更好地在电磁空间中开展活动，需要加强对电磁环境的研究，掌握控制电磁环境的方法。本文从电磁应用活动出发，对复杂电磁环境特性与模拟的研究工作进行了简要阐述。可控电磁环境的构建为有效研究复杂电磁环境问题提供了基础，而研究复杂电磁环境问题归根结底还是为研究电磁环境效应，即主要研究复杂电磁环境对所处其中的电子信息系统的综合作用机理问题。这也进一步为开展电子信息系统的应用效能评估，提高其环境适应性提供了技术基础。■

［1］王汝群，等.战场电磁环境［M］.北京：解放军出版社，2006.

［2］刘尚合.武器装备的电磁环境效应及其发展趋势［J］.装备指挥技术学院学报，2005，16（1）：1-6.

［3］孙国至，刘尚合，陈京平，等.战场电磁环境效应对信息化战争的影响［J］.军事运筹与系统工程，2006，20（3）：43-47.

［4］耿海军，卜晓红.信息化战场的“软性平台”——复杂电磁环境［J］.国防科技，2007，28（4）：75-77.

［5］唐朝京，刘培国.信息化战场复杂电磁环境分析［J］.国防科技，2007，28（8）：25-28.

［6］刘尚合，武占成，张希军.电磁环境效应及其发展趋势［J］.国防科技，2008，29（1）：1-6.

［7］刘尚合，孙国至.复杂电磁环境内涵及效应分析［J］.装备指挥技术学院学报，2008，19（2）：1-5.

［8］王国玉，冯润明，陈永光.无边界靶场［M］.北京：国防工业出版社，2007.