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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003；2.中國(guó)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(dòng)空間——電磁空間，已成為信息社會(huì)的一個(gè)重要構(gòu)成部分［1］。隨著對(duì)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(duì)人們的生產(chǎn)方式和軍事斗爭(zhēng)形式產(chǎn)生了巨大的影響。這已體現(xiàn)在現(xiàn)代幾場(chǎng)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境上?？梢哉f在當(dāng)今的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，制電磁權(quán)的爭(zhēng)奪幾乎直接關(guān)系著軍事斗爭(zhēng)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(guó)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(duì)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(duì)抽象的電磁環(huán)境問題的直觀認(rèn)識(shí)，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(shí)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(guó)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(guó)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(guó)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(dòng)領(lǐng)域，同時(shí)也被首先應(yīng)用于軍事行動(dòng)。1904年的日俄戰(zhàn)爭(zhēng)是世界上第一次雙方都使用無線電通信的軍事斗爭(zhēng)。當(dāng)時(shí)，無線電通信使用的是電磁頻譜中的長(zhǎng)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(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室首次利用波的干涉效應(yīng)探測(cè)到飛機(jī)，這可看作是連續(xù)波雷達(dá)的前身。1935年，英國(guó)研制出了第一部用于探測(cè)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(zhǎng)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(tái)、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(zhǎng)趨勢(shì)，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(duì)抗活動(dòng)

人類活動(dòng)擴(kuò)展到電磁空間，軍事對(duì)抗也自然被引入到電磁空間。相互敵對(duì)的人們?cè)谟邢薜摹頂D的頻譜資源中進(jìn)行爭(zhēng)奪和控制被視為國(guó)家戰(zhàn)略資源的電磁資源，即進(jìn)行通信對(duì)抗、雷達(dá)對(duì)抗、光電對(duì)抗等電子對(duì)抗活動(dòng)，進(jìn)而使原本已經(jīng)相當(dāng)緊張的電磁空間局勢(shì)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(duì)抗技術(shù)就已被運(yùn)用于無線電通信測(cè)向偵察等，同時(shí)出現(xiàn)了一些有針對(duì)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(duì)抗和雷達(dá)對(duì)抗相繼出現(xiàn)。它們與不斷發(fā)展的通信對(duì)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(zhēng)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(duì)抗技術(shù)蓬勃發(fā)展，極大地拓寬了電子對(duì)抗的活動(dòng)領(lǐng)域。電子對(duì)抗活動(dòng)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(dòng)出現(xiàn)，就會(huì)催生相應(yīng)對(duì)抗手段的局面。因而可以說，電子對(duì)抗活動(dòng)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(dòng)。

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(zhēng)的模式，致使戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhēng)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(chǎng)上被廣泛使用，電子對(duì)抗活動(dòng)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(chǎng)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(guó)都不得不花大力氣開展針對(duì)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(guó)家安全的重要組成部分而備受各國(guó)重視。

2 電磁環(huán)境的認(rèn)知

正是上述電磁應(yīng)用活動(dòng)的廣泛開展，不同的電磁活動(dòng)之間出現(xiàn)了強(qiáng)烈的相互影響，一種新的電磁活動(dòng)的加入必須先考慮其與已有的電磁活動(dòng)的關(guān)系，于是人們意識(shí)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(dòng)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(chǎng)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(tái)在通信；成百上千部雷達(dá)輻射源在搜索跟蹤，信號(hào)樣式有幾十種，信號(hào)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(dòng)的目標(biāo)。這些活躍的電磁輻射現(xiàn)象在特定的戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)態(tài)隨機(jī)的多種電磁信號(hào)交疊而成，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［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(chǎng)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(duì)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(dòng)，如通信輻射、雷達(dá)輻射等；也包含為對(duì)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(duì)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(dòng)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(huì)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(dòng)態(tài)性；同時(shí)，由于電子對(duì)抗活動(dòng)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(duì)抗性；加之由于輻射源的種類繁多、信號(hào)樣式各異、信號(hào)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(dòng)態(tài)開放系統(tǒng)。尤其針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)電磁環(huán)境的有限控制，使電磁環(huán)境朝著對(duì)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(duì)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(hào)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(duì)抗活動(dòng)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(hào)會(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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。可控電磁環(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(píng)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(chǎng)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(guó)已建立了許多仿真系統(tǒng)框架，如美國(guó)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(duì)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(chǎng)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(hào)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(hào)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(guó)的ATLAS I模擬器等。

3.2 模擬的戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)電磁環(huán)境。這種模擬的戰(zhàn)場(chǎng)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(píng)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(guó)的陸軍瓦丘卡堡電子靶場(chǎng)、海軍空戰(zhàn)中心武器部電子戰(zhàn)靶場(chǎng)、空軍內(nèi)利斯綜合試驗(yàn)場(chǎng)，北約的波利岡（POLYGON）電子戰(zhàn)靶場(chǎng)等都建有功能強(qiáng)大的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)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(píng)估的精確的三維跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些受控的、模擬的戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)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?jī)?nèi)容。在特性的認(rèn)知方面，目前還無法做到對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行客觀、定量地描述，對(duì)電磁環(huán)境的量化表征缺乏統(tǒng)一的方法。尤其是針對(duì)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(duì)某一具體的電磁環(huán)境無法做出科學(xué)的評(píng)價(jià)、評(píng)級(jí)等。

其次在可控模型的構(gòu)建方面，現(xiàn)有模擬方法的針對(duì)性、逼真性、可用性、易實(shí)現(xiàn)性、效率等均受到不斷增長(zhǎng)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?！盁o邊界靶場(chǎng)”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?，復(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(duì)的一個(gè)新的生存環(huán)境，對(duì)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(dòng)，需要加強(qiáng)對(duì)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(dòng)出發(fā)，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬的研究工作進(jìn)行了簡(jiǎn)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(duì)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(píng)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(chǎng)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(shì)［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，16（1）：1-6.

［3］孫國(guó)至，劉尚合，陳京平，等.戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境效應(yīng)對(duì)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)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(chǎng)的“軟性平臺(tái)”——復(fù)雜電磁環(huán)境［J］.國(guó)防科技，2007，28（4）：75-77.

［5］唐朝京，劉培國(guó).信息化戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境分析［J］.國(guó)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(shì)［J］.國(guó)防科技，2008，29（1）：1-6.

［7］劉尚合，孫國(guó)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(guó)玉，馮潤(rùn)明，陳永光.無邊界靶場(chǎng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.