复杂电磁环境认知研究综述

汪连栋，申绪涧，周 波

（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）

0 引言

对电磁环境的认知是复杂电磁环境效应机理研究和装备预研论证的前提和基础，也是进行电子信息装备试验鉴定评估和对抗训练演习的重要内容。研究复杂电磁环境的认知，只有对电子信息装备所面临的复杂电磁环境有比较清晰的认识，才能开展电磁环境模拟表征、电磁环境逼真构建及试验评估等相关工作。然而，目前，复杂电磁环境的分类方法已呈现百家争鸣的景象，对电磁环境的分类和量化有多种观点[1-4]，有的是根据信号特征进行分类分级：按照电磁波在时域、频域、能域及空域的特征对电磁环境复杂度进行分级[5]；另外一些是根据射频装备的电磁环境效应进行分类分级，即按照电磁环境对射频装备性能的影响程度来确定电磁环境的复杂度[6]。还有的观点认为战场电磁环境非常复杂、无法预测、说不清楚等等[4]。对于人们对复杂电磁环境这样那样的认识，本文综述了国内外对复杂电磁环境认知的研究现状，并对复杂电磁环境认知的研究方向进行展望。

1 电磁环境认知分析

1.1 国外电磁环境研究概述

国外从无线电设备开始使用以来，就非常重视对电磁环境的认知研究。但以前人们对特定电磁环境的描述通常是一般性的，很难给出电磁环境特性的定量化描述。电磁兼容学会（IEEE EMC Society）一直致力于发展和发布有关降低电磁干扰的技术和工具的信息，其下属的技术委员会进行了长期的持续研究，收集、分类和整理电磁环境度量的出版物。他们还提出了一个实际的分类方法，通过对电磁现象及其特性的描述，来对区域进行分类。

美国也很早就开展针对电磁环境的研究，在20世纪90年代初，美国国防部将电磁环境定义为“军队、系统或平台在特定工作环境中执行任务时可能遇到的各种频率范围内电磁辐射或传导辐射的功率和时间的分布情况，它是电磁干扰、电磁脉冲、电磁辐射对人体、兵器和材料的危害以及闪电和天气干扰等自然现象的总和”[7]。对于复杂电磁环境，美军十分重视武器装备的电磁环境试验,并在电磁环境试验过程中，形成了国防部指令（DoDD）、国防部指示（DoDI）、标准（MIL-STD）和文件等系列内容。在标准方面，美军以相关军用标准作为顶层设计，不仅构建了（纵向）电磁环境特性分析及其效应评估军用标准体系，而且以军用标准、应用指南、操作手册以及工作指南构建了（横向）与电磁环境有关的操作、认证方法和过程体系，使得电磁环境及其效应的研究工作既具有系统完备性，又具有可操作性。例如美军标“系统电磁环境效应要求”规定了美军机载、舰载、太空及地面系统的电磁环境效应接口要求，还包括了系统内电磁兼容性、系统对外部电磁环境适应性等要求[8]。美国认为复杂电磁环境就是电磁环境效应(E3)问题，其E3涵盖了所有电磁学科，包括电磁兼容性、电磁干扰，电磁易损性，电磁脉冲，电子防护，以及闪电和静电自然现象效应[9]。另外，美军还拥有多个E3实验室，开展设备级、系统级电磁兼容性研究和试验评估，至少建有20个大型E3试验设施，其中6个具有全部E3试验能力。而俄罗斯对电磁环境的解释是“战场电磁环境是指特定区域内，电子战双方使用各自电磁能的电子战系统构成的信号的总和，规定区域内或目标以上的电磁环境，主要决定于无线电装置（及其部件）的数量、工作状态、功率和辐射频率”[10]。

1.2 国内电磁环境研究综述

我国对于复杂电磁环境的研究工作虽然开展得比较晚，但是随着研究的深入，也取得了比较多的研究成果。对于如何认识复杂电磁环境，不同学者基于自己对复杂电磁环境的理解，给出了不同的认识以及分类方法。

1.2.1 关于电磁环境的认识

1）复杂电磁环境的表现

复杂电磁环境概念出现后，人们大都认识到电磁环境是比较复杂的现象，然后人们根据自己的研究内容对复杂电磁环境现象进行了描述，这里主要有三种描述复杂电磁环境现象的方式：

①对电磁环境的总体描述：文献[11]认为复杂电磁环境是由于在战场中各种电子信息装备辐射的电磁信号形成的极其复杂、动态变化的电磁环境；文献[12]将复杂电磁环境描述为“空域表现无处不在，时域表现变幻莫测，频域表现纵横交错，能量密度强而不均”。

②按照不同辐射源类型描述：主要有雷达电磁环境、光电电磁环境、通信电磁环境等，例如包括雷达背景环境信号、有意干扰信号、目标回波信号与杂波信号的雷达电磁环境[13]；包括民用通信信号环境、对抗双方电子装备无意干扰环境以及对方有意光电对抗干扰的光电电磁环境[14]等等。

③电磁环境的层次化形态：包括基本属性层、物理空间层、波动形态层、信号波形层、指纹特征层、基础数据层、信息应用层7层认知，将电磁环境的认知从二维结构变成了具有层次特征的三维结构，是从立体角度来认识电磁环境[15]。

上述几种描述方式从不同的侧面对复杂电磁环境现象进行了描述，并且都描述了电磁环境的共同特点，即包括动态性、对抗性、多元性、模糊性等多种特性的复杂性。

2）电磁环境的复杂性

随着人们对复杂电磁环境问题研究的逐步深入，大家逐渐认识到电磁环境这种现象由实体产生，并且会受到外部因素的影响，而外部因素本身也是某种实体[16]。产生电磁环境的实体是雷达系统、通信电台、光电设备等各种用频电子信息系统，影响实体包括各种自然因素和人为因素，如地海杂波、云雨颗粒、陆海空平台等。电磁环境产生实体辐射或接收电磁信号，电磁信号在经过各种影响实体后形成复杂的电磁现象，即复杂电磁环境。由于电磁环境受电子装备的分布状况、工作频率、辐射功率、辐射方式、所处地理地物环境、气象条件等多种影响，所以认为电磁环境是复杂系统，具有多元性、动态性、对抗性等复杂系统具有的特征，“复杂性”是其最本质特征的概括[17]。对于电磁环境复杂性的认识主要有以下几类研究：

①基于“时、空、频、能、调制、极化”等六域描述复杂性。由于在相当一段时间内，大部分学者在本领域的研究都是基于空域、时域、频域、能量域四个域认识电磁环境[18]，所以最初有了时空频能的复杂性[19]。文献[20]针对电子对抗中压制干扰和欺骗干扰在复杂电磁环境中的表现，提出一种二维指标体系来描述复杂电磁环境。他们的评价指标体系基于雷达脉冲描述字，从接收机抗干扰特性出发，提出了时、频、空、能、极化、调制等六域评价指标。除了上述六域以外，部分文献还加入了密度域、码域等不同的域（维度）[21]。

②对复杂性进行分类，即客观复杂性和主观复杂性。这里主要根据对电磁环境度量的标准问题，如果是客观的共同的宏观度量标准，就是客观复杂性[1]；如果针对某特定的电子设备、群体、或者系统在复杂电磁环境中的度量标准，就是主观复杂性。对于客观复杂性和主观复杂性也有人将其称为电磁环境的一般复杂性和个别复杂性。

③对复杂性进行定量评估。文献[22]以用频装备接收机的信噪比参数和用频网络可用性为依据，定义了用频网络的电磁环境复杂度度量标准，并提出了基于有向图的电磁环境复杂度度量算法，定义了战场电磁环境复杂度。文献[23]建立了电磁环境复杂性模糊评估体系，构建了模糊评判的数学模型，提出了一种模糊综合评判的电磁环境复杂度评估方法。文献[24]提出了基于信号特征的电磁环境复杂性定量计算方法，在信号样式、信号数量、信号流密度、频率分布等方面给出定量评估结果。

④基于复杂网络研究复杂性。电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室等单位尝试用复杂网络来描述战场电磁环境，即将能够以电磁波的形式向空间辐射电磁能量的设备或产生各种自然电磁现象的物质抽象为辐射节点，将能够接收处理电磁波的单元抽象为接收处理节点，本身既不发射也不接收处理电磁信号，但能将照射于其上的电磁信号反射出去并为接收节点所接收的单元作为中介节点，取得了初步的研究成果。

1.2.2 关于电磁环境分类

国军标中电磁环境等级划分标准主要是根据电磁环境的频谱占用度、时间占有度、空间覆盖率或电磁环境平均功率密度谱的大小对电磁环境的复杂程度进行等级划分[6]。所描述的复杂电磁环境呈现的是战场上客观的、共同的和宏观的战场电磁环境特征，其分级结果均倾向于指战员，尤其是中高级指挥员对整个战场电磁态势进行宏观的了解和掌控，能对战场电磁环境的复杂性进行一个初步的估计，但是对于在某地域、某时间段的某个用射频装备或某群作战实体所感受的战场电磁环境的影响程度却不能给出明确结果。

目前的相关文献中对于复杂电磁环境的分类，主要提出了以下分类方法：

1）按照辐射信号类型分类[25]，即从产生战场电磁环境的辐射源角度进行分类，可分为雷达信号环境、雷达干扰信号环境、通信信号环境、通信干扰信号环境、光电信号环境、光电干扰信号环境、导航信号环境、导航干扰信号环境、敌我识别信号环境、敌我识别干扰信号环境、引信信号环境、引信干扰信号环境、背景信号电磁环境等。

2）按照受影响的电子信息系统分类[17]，即从处于战场电磁环境中的各类电子装备设备面临的电磁环境角度进行分类，可分为雷达电磁环境、雷达对抗电磁环境、通信电磁环境、通信对抗电磁环境、光电电磁环境、光电对抗电磁环境、导航电磁环境、导航对抗电磁环境、敌我识别电磁环境、敌我识别对抗电磁环境、引信电磁环境、引信对抗电磁环境等。

3）按照电磁环境信号复杂度等级分类[26]，利用层次分析法对人为电磁环境的复杂程度建立了递阶层次结构，可将给定空间、时间内的电磁环境分为洁净电磁环境、轻度复杂电磁环境、中度复杂电磁环境、重度复杂电磁环境、极度复杂电磁环境。

4）基于装备作战效能的复杂电磁环境复杂度分级[6]，即从电磁环境的相对性和可控性分析，利用装备对电磁环境的不同感受，根据装备在环境中的作战效能，对装备面临的环境复杂度分为：I级、II级、III级和IV级,分别对应于简单、轻度、中度和重度复杂电磁环境。

5）为了便于评估用频装备的电磁环境适应能力,文献[27]提出了一种严酷等级逐步加大的用频装备检测电磁环境的分类方法,其分类思路为首先将用频装备检测电磁环境分成四大类：I类为平台基础电磁环境；II类为非对抗性干扰电磁环境；III类为电子对抗性干扰电磁环境；IV类为瞬变电磁脉冲环境。然后依据分类原则对每类电磁环境涉及的主要电磁现象进行微分类。

针对上述几种分类方法进行分析，第一、二种主要从信号体制上对电磁环境进行分类，看似很全面，但是在实际外场试验与评估中，由于受实际测试条件的限制，特别是由于电子装备技术的发展，要将雷达信号和通信信号等区分开来难度很大。第三种分类是对战场电磁环境的整体态势进行描述，该等级在实际试验中很难操作，另外，电磁环境的复杂度对试验装备的影响程度并不是一个线性关系，以雷达装备为例，噪声和假目标对雷达干扰时，电磁环境复杂度对干扰效果没有必然关联效果。而且，相同的环境对不同的设备产生的影响也不相同，所以，单纯从采用电磁环境复杂度等级设置进行试验有很大的局限性[28]。第四种分类方法主要困难在于作战效能很难评估。第五种分类方法便于指导用频装备体制论证单位建立用频装备复杂电磁环境适应性的指标体系,便于电磁环境效应试验的组织实施,便于对用频装备电磁环境适应性能进行总体评价。

以上相关标准和文献中对电磁环境的分析，大都是就电磁环境研究电磁环境，只反映了电磁环境的某一个侧面,这些电磁环境分类方法在实际模拟构建应用中也存在着一定的困难。例如，雷达系统的抗干扰性能评估需求以及复杂电磁环境适应性试验需求迫切需要对雷达信号环境的特性进行深入分析。同时，根据特性分析的结果，利用现有的模拟手段，形成一套标准的信号环境模拟方法，以供试验与评估过程的应用。目前，人们对雷达信号环境的特性认识是根据雷达接收机所接收到的信号来源分为四个主要的环境要素：目标回波、环境杂波、背景信号、干扰信号。鉴于此，也就催生了四大类信号模拟器，即目标回波模拟器、环境杂波模拟器、背景信号模拟器、干扰信号模拟器。这些模拟器在雷达系统的测试与评估中正发挥着重要的作用。然而，如何利用这些模拟器来开展雷达类装备的复杂电磁环境适应性试验评估给人们带来了一系列困难。分析原因，主要在于这四个环境要素的分解是从信号来源的角度提出的，其各个要素特性之间存在着一些相似性，导致考核评估时无法做到各项指标具有独立、正交、完备的特点。尤其以干扰信号模拟器为例，其遮盖性干扰的特性与背景信号模拟器有部分相似，其欺骗性干扰的特性又分别与目标回波和环境杂波都有部分相似，这就导致各模拟器之间存在相互交叠，无法完全独立。

1.2.3 综合对比分析

综合比较以上国内、外研究现状，不难看出我国在复杂电磁环境认识的基础问题研究与实际应用方面与国际先进国家还存在很大差距。以美国为例，电磁环境效应试验评估已贯穿于美国信息化武器装备采办全寿命周期，有效保证了美军武器装备的复杂电磁环境适应能力。而我国目前对于复杂电磁环境的认识、分类还缺乏统一的认识，必须采用系统的、科学的、理论的方法，全面研究解决复杂电磁环境研究基础问题，促进我信息化武器装备在复杂电磁环境下作战能力的提升。

战场电磁环境特性认知问题受到国内外的广泛关注，整体上呈现出研究内容不断扩展，理论方法不断创新等特点，但也存在较大差异。在电磁环境特性研究方面，国内外均注重于突破电磁环境的一般性、单一特性描述，实现电磁环境的定量化、整体性描述，在电波传播特性等方面都取得了较好的发展。在军事领域，美军已建立了相对完善的军用标准体系，较好地指导了电磁环境效应研究及军事活动开展，而国内的军用标准体系尚处于研究构建阶段，完备性和可操作性上有所欠缺。而对于电磁环境复杂性问题的描述，国内较之国外开展了更多方法性研究。另外，目前国内外在战场电磁环境的认识领域都有相关研究，只是根据不同的军事应用需求表现出研究侧重点的差异，国外对战场电磁环境的认识重点在于解决战场电磁兼容问题，并推进了E3问题的研究，取得了较多的研究成果，而国内战场电磁环境认识研究主要注重战场的监测、频谱感知、电波传播建模以及战场电磁环境可视化等方面，研究结论的实用性、实时性和准确性相对于国外都有很大差距。国内对战场电磁环境研究重点在于提升对未知战场电磁环境的认知能力，尚还没有形成成熟的理论，在研究方法及应用技术方面成熟的研究成果也很少，从目前的研究成果来看，在应用技术领域，国内在硬件系统建设或软件方面均起步较晚，与技术先进国家存在较大差距。

2 发展趋势分析

2.1 国外发展趋势分析

当前，国际上对电磁环境认知的研究发展呈现出如下特点：

1）研究内容不断扩展

针对电磁环境复杂、多变的特性，电磁环境综合动态特性已逐渐成为电磁环境认知研究的重点内容，主要包括：建立能够满足电磁环境效应研究基本要求的电磁环境综合动态特性模型库，形成复杂电磁环境认知理论；实现典型工作场景下逼真的复杂电磁环境动态交互模拟等。

2）研究方法不断创新

对于电磁环境的研究，传统的单一信号层面的研究逐步表现出明显的局限性，研究人员开始逐步引入新的研究方法，采用许多前沿的科学思想和学术观点研究复杂电磁环境，并形成新的研究思路。例如在电磁环境综合动态特性方面，引入了分形、复杂网络等理论来研究电磁环境本质特性，探索建立新型的电磁环境认知模型。

3）与其他学科不断融合

传统的电磁科学、新兴的信息科学、前沿的复杂性科学等多学科的融合，正不断催生复杂电磁环境研究领域中的许多新技术生长点。不断发展中的复杂系统理论、神经网络理论、集成控制技术等的广泛研究应用，促进了复杂电磁环境研究的发展，也拓展了复杂电磁环境研究的应用方向。

2.2 国内发展趋势分析

1）基于复杂科学认识电磁环境的复杂性

随着电子信息装备体系化、网络化的发展，电子信息系统本身及其面临的电磁环境复杂性越来也强，复杂电磁环境的认知涉及到的内容很广，从复杂性科学、系统学、信号理论、电磁场和天线理论、网络科学均有所涉及。目前的研究虽然引入了许多复杂系统和复杂网络的结论，但缺乏对复杂性科学本源问题进行讨论，虽然开展了一些方法性的研究，并没有真正把复杂电磁环境看成一个充满了未知与不确定性的复杂系统。复杂电磁环境不仅体现在对抗干扰，同时也包含了截获、探知和分析等方面。从干扰层面上讲，两个辐射源之间信号传递的成功率体现了电磁环境的复杂性。同样，在一个电磁环境中寻找一个信号或辐射源，或分析整个电磁环境的设备连接关系，分析重要设备所在等的难易程度也是复杂电磁环境复杂性的体现。因此，对于复杂电磁环境复杂性的研究，需要从复杂性科学的研究成果入手，找到复杂电磁环境复杂性的来源和本质特征，建立一套符合复杂性科学大框架的认知方式[29]。

2）基于相关性认识复杂电磁环境

研究电磁环境的目的，就是要创新电子信息装备的试验鉴定，构建逼真的贴近实际应用的电磁环境，其重点研究对电子信息装备有影响的电磁环境，什么样的电磁环境对电子信息装备有影响，这就需要通过分析电磁环境中不同射频电磁信号与电子信息装备之间的作用机理，按照信号与电子信息装备接收机之间的相关性，研究基于相关性的射频电磁信号分类标准与方法。

3）电磁环境智能认知

随着电子信息技术的飞速发展，电子信息装备种类越来越多、应用越来越广泛，进而导致电磁频谱资源匮乏、拥堵的现象也越来越突出，在日益复杂的环境及密集的杂波、多目标背景下，新型智能化的认知无线电、认知雷达等相继应运而生，为有效地控制电磁空间、取得战场电磁频谱优势，应对认知技术不断发展带来的挑战，世界各国都在寻找最优的智能方法感知复杂电磁环境。在复杂的战场电磁环境中，面对不断出现的新型威胁，未来的先进电子战装备将以一种“智能”的方式，自适应地感知战场电磁环境的瞬息万变，并能够在几纳秒的短时间内自适应调整到最佳性能，进而使作战体系中的各种装备能够迅速而准确的侦察、干扰和打击这些威胁[30]。

3 结束语

对电磁环境的认识和分类是电磁环境研究的基本问题，认清电磁环境的复杂性及弄清其分类有助于解决电子信息装备实战化检验难题。本文综述了国内外对于复杂电磁环境的认知和分类方法，对比了国内与国外在电磁环境方面研究的差距。从研究内容、方法和手段等方面总结了国外在电磁环境认知方面研究发展的特点，展望了国内在电磁环境复杂性认知、相关性认识和智能化发展方面的发展趋势。