陳 翔，曾勇虎，許 雄，汪連棟，郝曉軍

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

0 引言

美軍標(biāo)MIL-STD-464A-2002將輻射和傳導(dǎo)的電磁能量在空間和時(shí)間上的分布定義為電磁環(huán)境，我國國軍標(biāo)認(rèn)為給定場所內(nèi)的所有電磁現(xiàn)象的綜合為電磁環(huán)境。隨著科技的進(jìn)步，尤其是在各種先進(jìn)技術(shù)和思想在軍事領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，電磁環(huán)境的內(nèi)涵與外延不斷擴(kuò)展，已不僅僅局限于使用能量分布來進(jìn)行描述。例如近年來頗為火熱的概念“電磁頻譜戰(zhàn)”，將依托電磁頻譜開展的一系列對抗活動(dòng)都包含在內(nèi)，既有電磁波能量分布，又有產(chǎn)生的信息流，而在電磁兼容、高功率微波和電磁脈沖等領(lǐng)域仍然以能量為主。

電磁環(huán)境紛繁復(fù)雜，為了研究方便，各領(lǐng)域的研究人員一般站在自己的立場上，根據(jù)各自專業(yè)領(lǐng)域的特點(diǎn)來認(rèn)知自己涉及的電磁環(huán)境，發(fā)展各自的研究方法。在電磁兼容領(lǐng)域已有成體系的電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)，能夠細(xì)致入微地檢測和考核模塊、系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間在寬頻帶上的電磁兼容性，確保設(shè)備的基礎(chǔ)能力滿足要求。在高功率微波和電磁脈沖領(lǐng)域，主要關(guān)注如何提高功率、縮短上升時(shí)間、小型化，研究如何準(zhǔn)確測量特殊環(huán)境下的電磁場，研究電子信息系統(tǒng)、人體等在此環(huán)境下的效應(yīng)。在電子對抗領(lǐng)域，重點(diǎn)關(guān)注如何利用電磁頻譜保護(hù)己方，阻止敵方利用電磁頻譜。

雖然從各自領(lǐng)域出發(fā)，來考慮各自所面臨的問題，能夠提高解決問題的針對性，也都取得了巨大的成果，但也有可能囿于研究人員各自的視角，影響對電磁環(huán)境的全面認(rèn)知。本文首先從人們習(xí)慣的認(rèn)知過程出發(fā)，試圖歸納出電磁環(huán)境認(rèn)知的一般流程，然后按照電磁環(huán)境特性、電磁環(huán)境感知和電磁環(huán)境認(rèn)知的邏輯順序，對近年來各領(lǐng)域的一些研究方向和內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

1 電磁環(huán)境認(rèn)知的一般流程

圖1為電磁環(huán)境認(rèn)知的一般流程，電磁環(huán)境是一個(gè)十分復(fù)雜的客觀對象，由于人類感官的限制，視覺只能接收波長400～760 nm范圍的電磁波，觸覺也只有在高功率微波照射等情況下才能感受，大部分情況下，人類對于電磁環(huán)境是毫無感知的。因此，一般是借助儀器將電磁環(huán)境信號先轉(zhuǎn)化為人類可感知的視覺信號，比如赫茲將電磁波信號轉(zhuǎn)化為放電火花、目前廣泛使用的頻譜儀、示波器、矢量信號分析儀等。對于電磁環(huán)境的感知結(jié)果，根據(jù)各自的需求進(jìn)行分類、識別、抽象，形成某一專業(yè)領(lǐng)域的特有理論，作為專業(yè)知識積累下來，進(jìn)一步指導(dǎo)對電磁環(huán)境的認(rèn)知，而且隨著人們感知手段的提高，會不斷深化和改進(jìn)電磁環(huán)境認(rèn)知，使其更接近于電磁環(huán)境本來的面貌。如果我們建立的概念認(rèn)知能夠很好地符合表象，就是一個(gè)好的理論，比如以經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中的麥克斯韋方程組建立的電磁場模型就是對電磁場的高度概括和抽象，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的一些電磁數(shù)值計(jì)算方法和電磁場仿真軟件已經(jīng)能夠?qū)σ恍┖喕碾娮釉O(shè)備系統(tǒng)、飛機(jī)和艦船等大系統(tǒng)進(jìn)行精確的電磁建模。如果概念、表象和客觀對象能夠重合，就是絕對真理，當(dāng)然這是認(rèn)知的終極目標(biāo)。而電磁環(huán)境認(rèn)知能力的提高，反過來也會促進(jìn)電磁環(huán)境特性和電磁環(huán)境感知的提高，形成一個(gè)認(rèn)知環(huán)。

圖1 電磁環(huán)境認(rèn)知的一般流程

2 電磁環(huán)境認(rèn)知的分階段論述

2.1 電磁環(huán)境特性

電磁環(huán)境包含輻射源、傳播途徑和受體三個(gè)客觀要素，這三個(gè)要素即是研究的客觀對象，在不同的專業(yè)領(lǐng)域（見表1），關(guān)于這三個(gè)要素的稱呼不同，側(cè)重點(diǎn)也不一樣。例如騷擾源、能量耦合通道和敏感設(shè)備是電磁兼容的三要素，是以解決設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性為目的，而產(chǎn)生的對電磁環(huán)境分類方式。下面按照電磁環(huán)境三要素輻射源、傳播途徑和受體的分類方式，對各專業(yè)領(lǐng)域的三要素特性研究進(jìn)行討論。

表1 各專業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的電磁環(huán)境特性對比

1）電磁兼容

重點(diǎn)關(guān)注騷擾源與敏感設(shè)備之間的能量耦合，通過騷擾源輻射功率控制和用頻頻段分離、能量耦合通道的阻隔，敏感設(shè)備防護(hù)，減少騷擾源對于敏感設(shè)備的影響，提高電磁兼容性[1]。其中，對敏感設(shè)備造成影響的輻射源都可稱之為騷擾源，而且根據(jù)能量是不是從天線端口進(jìn)來的，將干擾分為前門耦合和后門耦合，可見電磁兼容領(lǐng)域的問題都是圍繞著能量耦合通道開展的。

傳輸途徑就是能量耦合通道，可以通過電磁場輻射，也可以通過線纜傳導(dǎo)。在輻射源和邊界條件確定的情況下，可以很精確地計(jì)算出敏感設(shè)備處的電磁場，對于艦船、大飛機(jī)等也能夠獲得很高的計(jì)算精度。

2）強(qiáng)電磁場

輻射源一般考慮高功率微波源、各類電磁脈沖。圍繞著強(qiáng)場對于被試設(shè)備的效應(yīng)，開展脈沖源的研究，目標(biāo)相當(dāng)明確，即提高功率、控制脈沖上升沿、減小體積等。開展效應(yīng)試驗(yàn)研究，利用模擬器，研究各類電子設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的效應(yīng)，一方面是提高電磁脈沖的殺傷力，一方面是加強(qiáng)己方的電磁脈沖防護(hù)能力。

傳輸途徑與電磁兼容領(lǐng)域類似，不同的是高功率微波[2]和電磁脈沖[3]環(huán)境下，還可能會發(fā)生多物理場效應(yīng)，對電子設(shè)備產(chǎn)生損傷和潛在性失效。

3）電子對抗

輻射源包括敵我雙方所有的用頻設(shè)備，對于己方設(shè)備首先應(yīng)保證電磁兼容性，通過技術(shù)手段和頻譜管理手段，協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)分時(shí)、分頻、空間隔離使用，組成一個(gè)作戰(zhàn)單元后，在一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)互不影響，而且對于敵方的干擾源具有抗干擾措施，確保通信暢通、雷達(dá)正常發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。由于涉及的輻射源眾多、區(qū)域大，電磁波在傳播過程中不僅有大尺度衰落，還有小尺度衰落，在電子對抗領(lǐng)域，通常是以電波傳播的統(tǒng)計(jì)模型來考慮問題，更加關(guān)注電磁波所攜帶的信息。受體上除了電磁兼容和強(qiáng)電磁場中考慮的敏感設(shè)備或效應(yīng)物（輻射源對于受體本身的影響）,還包括輻射源發(fā)射的電磁波經(jīng)受體反射后，所攜帶的受體的一些信息，如目標(biāo)的RCS。

在電子對抗領(lǐng)域存在著高強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)博弈，除了電磁環(huán)境的三個(gè)客觀要素外，電磁波中所攜帶的信息也是敵我雙方爭奪控制的目標(biāo)，常稱之為復(fù)雜電磁環(huán)境，具有對抗性、密集性、動(dòng)態(tài)性、廣泛性和相對性的特點(diǎn)。目前電子對抗的概念和內(nèi)容進(jìn)一步拓展，認(rèn)知電子戰(zhàn)[4]已進(jìn)入工程實(shí)現(xiàn)階段，電磁頻譜戰(zhàn)[5]的討論也正如火如荼。

4）電磁環(huán)境監(jiān)測

輻射源一般考慮廣播電視塔[6]、移動(dòng)通信基站[7]、高壓變電站[8]、家用電器等日常生活中可能遇到的輻射源，主要關(guān)注這些輻射源形成的電磁場強(qiáng)度在人們的生活環(huán)境中是否超標(biāo)。

5）無線電監(jiān)測

按照國家用頻劃分，利用無線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行頻譜管理[9]，定位偽基站、黑廣播等非法輻射源。

圖2 電磁環(huán)境感知與電磁環(huán)境認(rèn)知的關(guān)系

2.2 電磁環(huán)境感知

電磁環(huán)境感知是電子環(huán)境認(rèn)知的基礎(chǔ)，如圖2所示。下面按照電磁場測量、信號檢測和輻射源定位、信號分類和個(gè)體識別的邏輯順序進(jìn)行討論，逐步細(xì)化電磁環(huán)境感知的粒度。電磁環(huán)境感知的應(yīng)用有軍用頻譜監(jiān)測、電子對抗偵察、民用無線電監(jiān)測等。

1）電磁場測量

電磁場測量主要指測量電磁場的基礎(chǔ)物理參量，電場、磁場和電磁場，在電磁兼容、強(qiáng)電磁場合電磁環(huán)境監(jiān)測中重點(diǎn)考慮。電磁場測量使用傳感器和接收機(jī)的組合方式來完成。傳感器需要經(jīng)過專門的標(biāo)定，能夠反映所在空間節(jié)點(diǎn)的絕對場強(qiáng)值。對于一些強(qiáng)電磁場環(huán)境下的測量，還需要考慮電磁場對于傳感器內(nèi)部電路的影響、傳感器對快沿脈沖的寬帶不失真測量和傳感器對空間場的擾動(dòng)問題。

2）信號檢測和輻射源定位

即在各種噪聲、干擾情況下，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地檢測到是否存在關(guān)注的信號[10-11]，以及信號是從什么位置發(fā)射的。在無線電頻譜監(jiān)測和電子對抗領(lǐng)域，在合作通信中，需要在各種電磁環(huán)境下，檢測到約定好的通信調(diào)制樣式的信號；在通信偵察中，需要在背景信號中發(fā)現(xiàn)敵方的隱蔽通信信號；在雷達(dá)探測中，需要檢測到微弱的回波信號，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位和跟蹤目標(biāo)。在電磁兼容中，通過騷擾信號檢測和騷擾源定位，實(shí)現(xiàn)和提高電磁兼容性。在強(qiáng)電磁場中，通過檢測電暈放電信號，可以實(shí)現(xiàn)對高壓放電裝置的故障定位；通過對雷電電磁脈沖的檢測和定位，實(shí)現(xiàn)對雷暴的定位和預(yù)警，為人員安全、發(fā)射場安全提供保證。

3）信號分類與個(gè)體識別

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信方式被廣泛采用，從頻率、時(shí)間、空間和編碼上進(jìn)行分集復(fù)用，發(fā)展出了各種各樣的調(diào)制方式、編碼方式，民用通信的特點(diǎn)就是有效利用稀缺的頻譜資源。在民用通信和己方通信中，通信雙方事先已約定好通信的方式，對于信號分類和識別的需求不大。在電子對抗領(lǐng)域，干擾和抗干擾是永恒的主題，在通信對抗偵察中，電子偵察設(shè)備是不知道敵方將采用什么調(diào)制樣式進(jìn)行通信，需要對接收的大量信號進(jìn)行分類和識別，提取出有用的信息；在雷達(dá)對抗偵察中，現(xiàn)代雷達(dá)信號常采用的復(fù)雜帶內(nèi)調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的低截獲概率。從干擾的角度看，在偵察時(shí)能夠有效實(shí)現(xiàn)對敵方信號的分類和識別，就能夠更有效地實(shí)現(xiàn)對通信、雷達(dá)等電子設(shè)備的干擾。特定輻射源個(gè)體識別能夠進(jìn)一步提高分類的精細(xì)度，通過提取接收信號的指紋特征[12]，實(shí)現(xiàn)對相同型號、相同信號樣式設(shè)備的個(gè)體識別。這些更細(xì)化的信息提供給電磁環(huán)境態(tài)勢系統(tǒng)后，能夠識別重要的輻射源個(gè)體目標(biāo)，掌握使用者的身份和性質(zhì)，并通過監(jiān)視跟蹤對敵方的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役，甚至戰(zhàn)略動(dòng)向做出預(yù)測，掌握軍事行動(dòng)的主動(dòng)權(quán)。

2.3 電磁環(huán)境認(rèn)知

認(rèn)知過程是主觀客觀化的過程，電磁環(huán)境認(rèn)知就是人腦在接受電磁環(huán)境感知信息的輸入后，經(jīng)過頭腦的加工處理，轉(zhuǎn)換成內(nèi)在的心理活動(dòng)，進(jìn)而支配人的行為，其中對電磁環(huán)境感知信息的加工過程就是認(rèn)知過程。

1）電磁場理論

通過對庫倫定律、高斯定律、安培環(huán)路定律和法拉第電磁感應(yīng)定律的總結(jié)，在引入“位移電流”假說后，麥克斯韋完成了電場與磁場的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了人類認(rèn)識的飛躍，最終濃縮為麥克斯韋方程組。利用電磁場理論，麥克斯韋預(yù)言了光也是一種電磁波，而且經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)也證明了電磁場理論的有效性，是對電磁場這一客觀對象的抽象和概括。電磁場理論作為電磁環(huán)境認(rèn)知的基礎(chǔ)知識，其提供的電磁場物理圖像是認(rèn)知電磁環(huán)境的基石。

2）分層認(rèn)知方法

分層認(rèn)知方法[13]從應(yīng)用需求出發(fā)，通過層次化的分析思想，由點(diǎn)到面、由整體到局部對電磁環(huán)境所有的參數(shù)進(jìn)行歸納分類?；趹?yīng)用需求，當(dāng)人們位于空間某一點(diǎn)處，通過測量儀器對電磁信號進(jìn)行感知時(shí)，一般需要依次完成7個(gè)步驟，即判斷有無和電磁屬性、了解其行動(dòng)方向、感受其如何來往哪去、觀察其細(xì)節(jié)形態(tài)、獲知其攜帶有什么東西、分析其所帶東西的價(jià)值、搞清其行動(dòng)的意圖。參考感知的7個(gè)步驟，可將電磁環(huán)境分為7層，即基本屬性層、物理空間層、波動(dòng)形態(tài)層、信號波形層、指紋特征層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、信息應(yīng)用層。所有層按照認(rèn)知的順序，一層層深化，下一層是上一層的載體，每一層又具有一定的獨(dú)立性，只要獲得滿足應(yīng)用需求的信息即可。

3）電磁環(huán)境表征

電磁環(huán)境表征通過參數(shù)化的方法，在對特定區(qū)域內(nèi)各種電磁信號的類型、屬性和分布等情況進(jìn)行定性和定量分析的基礎(chǔ)上，選取主要表征參數(shù)對電磁環(huán)境特性進(jìn)行描述，可從環(huán)境實(shí)體和電磁信號兩個(gè)層面對電磁環(huán)境進(jìn)行表征[14]。環(huán)境實(shí)體表征包括輻射源和傳播環(huán)境，以及由此形成的電磁環(huán)境態(tài)勢表征。電磁信號表征從時(shí)域、頻域、空域、能域、極化域、調(diào)制域等不同角度對電磁信號進(jìn)行定性和定量的描述，最終實(shí)現(xiàn)電磁信號的分類識別、輻射源定位和電磁環(huán)境分級等參數(shù)化表征。電磁環(huán)境表征試圖通過標(biāo)準(zhǔn)化的方法，對電磁環(huán)境這種抽象的存在進(jìn)行客觀描述，提取其中的關(guān)鍵要素，直接為電磁環(huán)境態(tài)勢提供數(shù)據(jù)支持，是對電磁環(huán)境原生要素的一次抽象。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，試圖將智能化引進(jìn)電磁環(huán)境表征中以實(shí)現(xiàn)智能表征[15]。

4）電磁環(huán)境態(tài)勢

電磁環(huán)境態(tài)勢在電磁環(huán)境表征的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行抽象，將多種表征參數(shù)融合，結(jié)合先驗(yàn)知識和個(gè)人對電磁環(huán)境的理解進(jìn)行可視化處理，將電磁環(huán)境當(dāng)前狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)出來，并具備對電磁環(huán)境演變趨勢的預(yù)測能力，最終為決策和動(dòng)作提供依據(jù)。在電磁環(huán)境表征的基礎(chǔ)上，電磁環(huán)境態(tài)勢可分為電磁環(huán)境態(tài)勢生成和電磁環(huán)境態(tài)勢利用[16]。電磁環(huán)境態(tài)勢生成主要是分析和預(yù)測電磁環(huán)境的綜合形勢和未來發(fā)展趨勢，文獻(xiàn)[17]實(shí)現(xiàn)了能量分布態(tài)勢圖、能量切片圖、干擾連線圖、頻率用圖、用頻瀑布圖、用頻威脅圖等可視化方法，文獻(xiàn)[18]基于稀疏空間采樣實(shí)現(xiàn)了空域干擾圖構(gòu)建，文獻(xiàn)[19]實(shí)現(xiàn)了自由空間及干擾環(huán)境下雷達(dá)輻射源探測范圍三維可視化和多輻射源空間合成場強(qiáng)的態(tài)勢展示。電磁環(huán)境態(tài)勢利用主要應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、電磁頻譜管理[20]、電磁頻譜戰(zhàn)等領(lǐng)域[5]。

3 結(jié)束語

在電磁場理論的基礎(chǔ)上，各領(lǐng)域人員從專業(yè)領(lǐng)域出發(fā)，已形成了各自領(lǐng)域?qū)τ陔姶怒h(huán)境的研究方法，在解決問題的同時(shí)也使得關(guān)于電磁環(huán)境的認(rèn)知產(chǎn)生了專業(yè)領(lǐng)域的割裂。在綜合比較電磁兼容、強(qiáng)電磁場、電子對抗等多個(gè)領(lǐng)域的研究內(nèi)容和關(guān)注問題后，可以發(fā)現(xiàn)其背后有著更高一層的關(guān)于電磁環(huán)境認(rèn)知的一般思路。按照電磁環(huán)境認(rèn)知的一般思路和方法，不斷地進(jìn)行綜合提高，可以不斷深化對于電磁環(huán)境認(rèn)知的理解，積累電磁環(huán)境的相關(guān)知識?！?/p>