復(fù)雜電磁環(huán)境量化表征方法研究綜述

李巖松，王 超，戎建剛，陳 飛

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

敵我雙方信息化裝備的密集部署與激烈對(duì)抗，形成了極為多變的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。這種電磁環(huán)境呈現(xiàn)出越來(lái)越復(fù)雜的特點(diǎn)，因此稱之為復(fù)雜電磁環(huán)境。復(fù)雜電磁環(huán)境的定義為“在一定的空域、時(shí)域、頻域和功率域上，多種電磁信號(hào)同時(shí)存在，對(duì)用頻裝備運(yùn)用和作戰(zhàn)行動(dòng)產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境”[1]。復(fù)雜電磁環(huán)境的量化表征就是在深入研究復(fù)雜電磁環(huán)境全域綜合特性及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成統(tǒng)一的表征規(guī)范和度量方法，構(gòu)建定量化的表征指標(biāo)體系。

復(fù)雜電磁環(huán)境量化表征研究具有兩方面的意義:一是在對(duì)試驗(yàn)電磁環(huán)境的逼真性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要將環(huán)境量化表征指標(biāo)作為輸入，因此量化表征指標(biāo)的準(zhǔn)確性和覆蓋性直接影響到試驗(yàn)電磁環(huán)境構(gòu)建的逼真程度；二是復(fù)雜電磁環(huán)境量化表征方法的研究，有助于形成完整的武器裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系，為裝備試驗(yàn)鑒定提供重要支撐。

本文分析了國(guó)內(nèi)外復(fù)雜電磁環(huán)境表征方法的相關(guān)研究與標(biāo)準(zhǔn)，指出了各種量化表征方法在工程應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)表征方法未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)與展望，分析了未來(lái)復(fù)雜電磁環(huán)境表征面臨的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出了新的研究思路。

1 國(guó)外研究情況

國(guó)外對(duì)電磁環(huán)境的研究側(cè)重于對(duì)電磁環(huán)境效應(yīng)的研究，其定義為“戰(zhàn)場(chǎng)電磁危害源總體或某一種對(duì)武器裝備或生物體的作用效果”[2]，本質(zhì)上是研究電磁環(huán)境對(duì)武器裝備的影響。通過(guò)電磁環(huán)境效應(yīng)的研究，形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。下面從美軍標(biāo)和IEEE 電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)兩方面進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1）美軍

在MIL-STD-464C“系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求”[3]中，美軍建立了“頻率范圍-電場(chǎng)峰值-電場(chǎng)平均值”的表征指標(biāo)體系，對(duì)不同作戰(zhàn)區(qū)域、不同使用平臺(tái)的電磁環(huán)境進(jìn)行表征。

該表征方法采用具體量化數(shù)據(jù)描述電磁環(huán)境，具有操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是有以下缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮瞬變電磁環(huán)境和電子對(duì)抗環(huán)境；描述平臺(tái)電磁環(huán)境的量化數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有一定的局限性。

2）IEEE 標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-5《電磁環(huán)境的現(xiàn)象、分類、兼容性及防護(hù)等級(jí)》[4]中，提出的表征方法為：用一些參數(shù)如頻段、信號(hào)上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、干擾下的電壓等描述環(huán)境對(duì)不同系統(tǒng)的干擾程度與干擾等級(jí)。

該表征方法采用具體數(shù)據(jù)描述電磁環(huán)境,同樣具有操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，其不足之處在于：描述參數(shù)偏微觀，在實(shí)際應(yīng)用中不便于設(shè)備測(cè)量；且沒(méi)有描述威脅環(huán)境下的電磁信息。

2 國(guó)內(nèi)研究情況

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，復(fù)雜電磁環(huán)境的研究迅速發(fā)展，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的認(rèn)知也更為深入。本文對(duì)國(guó)內(nèi)的復(fù)雜電磁環(huán)境表征方法按照層次化表征法、復(fù)雜度表征法、典型場(chǎng)景表征法以及特性比較表征法進(jìn)行了以下歸類與整理。

1）層次化表征法

層次化表征法是以分層認(rèn)知為基礎(chǔ)的、基于應(yīng)用需求的復(fù)雜電磁環(huán)境表征方法。該概念最早在文獻(xiàn)[5—6]中提出：根據(jù)特定需求來(lái)表征復(fù)雜電磁環(huán)境，運(yùn)用層次分析法的思想，對(duì)擬認(rèn)知的對(duì)象由面到點(diǎn)、由整體到局部進(jìn)行分析。表1 給出了不同的應(yīng)用需求與相應(yīng)的層次劃分。

文獻(xiàn)[7—8]使用該表征方法對(duì)雷達(dá)電磁環(huán)境進(jìn)行了定量化描述并測(cè)量，表征了基本屬性層（如頻帶寬度、平均功率譜密度、最大功率譜密度）、物理空間層（如空間譜密度、空間波束密集度、最小空間譜間隔）、波動(dòng)形態(tài)層（如水平垂直極化比、極化空間聯(lián)合譜）、信號(hào)波形層（如脈沖流密度、最小脈沖間隔）以及指紋特征層（以圖形的方式顯示各域信息）。

表1 應(yīng)用需求與相應(yīng)的層次劃分

層次化表征法從應(yīng)用需求的角度對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行表征，針對(duì)應(yīng)用需求提指標(biāo)，為復(fù)雜電磁環(huán)境的測(cè)量提供了一定的支撐作用。該方法存在工程可操作性不足和普適性不足的缺點(diǎn)。

2）復(fù)雜度表征法

復(fù)雜度表征法是利用新興的信息科學(xué)、前沿的復(fù)雜性科學(xué)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行表征的方法。

GJB6520-2008《戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分類與分級(jí)方法》[9]采用頻譜占用度F0、時(shí)間占有度T0、空間覆蓋率指標(biāo)S0，規(guī)定了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜度等級(jí)，具體復(fù)雜度等級(jí)的分級(jí)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)[10]從戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的一般復(fù)雜性和特定復(fù)雜性給出定量評(píng)價(jià)：一般復(fù)雜性是戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境本身的性質(zhì)，通過(guò)電磁信號(hào)空域分布、電磁信號(hào)頻域分布、電磁信號(hào)強(qiáng)度分布等參數(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行表征；特定復(fù)雜性是指根據(jù)裝備效能在特定環(huán)境的下降程度進(jìn)行分級(jí)。

文獻(xiàn)[11]提出了以模糊評(píng)估為基礎(chǔ)的戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境定量描述方法。文獻(xiàn)[12—15]亦是使用各種復(fù)雜度指標(biāo)來(lái)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行表征。

復(fù)雜度表征法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了新興學(xué)科，從新角度研究復(fù)雜電磁環(huán)境，拓展了復(fù)雜電磁環(huán)境研究的應(yīng)用方向；其缺點(diǎn)是復(fù)雜度指標(biāo)在工程應(yīng)用中計(jì)算繁瑣，可操作性不強(qiáng)，故還需要對(duì)“復(fù)雜度”做出進(jìn)一步的解釋和研究。

3）典型場(chǎng)景表征法

典型場(chǎng)景表征法是對(duì)作戰(zhàn)使用的用頻裝備及其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行量化描述的方法。文獻(xiàn)[16—17]提出，根據(jù)作戰(zhàn)規(guī)模的大小與電子對(duì)抗環(huán)境的復(fù)雜程度對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景進(jìn)行分級(jí)。以反艦導(dǎo)彈為例對(duì)典型電磁干擾環(huán)境的等級(jí)進(jìn)行劃分，如表3 所示。

表3 反艦導(dǎo)彈四級(jí)典型電磁干擾環(huán)境的等級(jí)劃分及說(shuō)明

文獻(xiàn)[18]將威脅電磁環(huán)境按照干擾類型的組合方式進(jìn)行分類：Ⅰ類指1 個(gè)基本干擾類型構(gòu)成的威脅電磁環(huán)境，Ⅱ類指2個(gè)基本干擾類型組合構(gòu)成的威脅電磁環(huán)境，Ⅲ類指3個(gè)基本干擾類型組合構(gòu)成的威脅電磁環(huán)境，Ⅳ類指4個(gè)及以上基本干擾類型組合構(gòu)成的威脅電磁環(huán)境。

文獻(xiàn)[19]按照作戰(zhàn)信號(hào)環(huán)境本身的復(fù)雜度以及對(duì)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭性能的影響程度，提出環(huán)境干擾強(qiáng)度的分級(jí)方法，如表4所示。

表4 反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭復(fù)雜電磁環(huán)境分級(jí)

典型場(chǎng)景法通過(guò)定量描述明確干擾裝備的數(shù)量和技術(shù)參數(shù)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行表征,其優(yōu)點(diǎn)是可以為試驗(yàn)電磁環(huán)境的實(shí)施提供依據(jù)，且便于操作；其缺點(diǎn)是隨著雷達(dá)和電子對(duì)抗裝備的不斷發(fā)展與典型作戰(zhàn)場(chǎng)景的頻繁變化，這些典型場(chǎng)景難以固化為作戰(zhàn)可用的標(biāo)準(zhǔn)。

4）特性比較表征法

特性比較法是基于干擾與目標(biāo)特征能量的對(duì)比和相似程度的比較，提出了徑向尺寸重合度、徑向尺寸相似度、等效功率面積比的度量指標(biāo)，從裝備的角度分別對(duì)箔條干擾、角反射器射體干擾、舷外有源干擾和艦載有源干擾環(huán)境進(jìn)行量化分級(jí)[20]。

針對(duì)質(zhì)心式箔條/角反射器干擾，徑向尺寸重合度定義為箔條云/角反射器與艦船目標(biāo)徑向重合部分的尺寸艦船目標(biāo)徑向總長(zhǎng)度的比值，即：

式中，Jch為箔條/角反射器干擾徑向尺寸重合度；Δc=ct-c′為雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)的箔條/角反射器與艦船回波信號(hào)的重合部分；ct為雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)的艦船回波信號(hào)徑向尺寸；c′為雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)的艦船可識(shí)別部分的尺寸。

針對(duì)沖淡式箔條/角反射器干擾，徑向尺寸相似度定義為箔條云/角反射器徑向尺寸和艦船目標(biāo)徑向尺寸的相似度，即：

式中，Jcx為箔條/角反射器干擾徑向尺寸相似度；cj為雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)到的箔條/角反射器干擾徑向尺寸；ct為雷達(dá)導(dǎo)引頭檢測(cè)到的艦船徑向尺寸。

針對(duì)舷外有源干擾，等效功率面積比定義為雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的舷外有源干擾等效輻射功率與艦船RCS 的比值，即：

式中，Jxpsb為舷外有源干擾等效功率面積比；Ex為舷外有源干擾等效輻射功率；σt為雷達(dá)導(dǎo)引頭可探測(cè)的艦船目標(biāo)RCS。

特性比較法的優(yōu)點(diǎn)為概念清晰，可操作性強(qiáng)，其缺點(diǎn)為不能完整表征出電磁環(huán)境對(duì)裝備的影響，且只能對(duì)單一干擾進(jìn)行表征。

3 表征研究發(fā)展趨勢(shì)——從環(huán)境、樣式到效應(yīng)機(jī)理

國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的表征方法研究快速發(fā)展，可將其總結(jié)為2 個(gè)階段：1）過(guò)去的表征方法——基于復(fù)雜環(huán)境的表征：研究復(fù)雜環(huán)境如何復(fù)雜并對(duì)其進(jìn)行表征。2）新興的表征方法——基于干擾樣式的表征：考慮干擾對(duì)裝備的影響，圍繞復(fù)雜環(huán)境中的各種干擾樣式進(jìn)行表征。時(shí)間線如圖1 所示。

圖1 復(fù)雜電磁環(huán)境表征方法時(shí)間線

這些表征方法與表征指標(biāo)都有據(jù)可循，但是相關(guān)指標(biāo)不具有系統(tǒng)性、方法不具有普適性，且不能適應(yīng)快速發(fā)展的干擾戰(zhàn)、技術(shù)。為了從根本上解決復(fù)雜電磁環(huán)境的表征問(wèn)題，需要深究復(fù)雜電磁環(huán)境“復(fù)雜”的本質(zhì)。而復(fù)雜電磁環(huán)境之所以“復(fù)雜”，其本質(zhì)原因在于復(fù)雜電磁環(huán)境是電子對(duì)抗條件下的電磁環(huán)境，電子對(duì)抗中的對(duì)抗技術(shù)和對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)是影響復(fù)雜電磁環(huán)境的2 大核心要素，技術(shù)樣式繁多，戰(zhàn)術(shù)靈活多變，導(dǎo)致其對(duì)電磁環(huán)境的影響難以捉摸。這就是復(fù)雜電磁環(huán)境的效應(yīng)機(jī)理?；谛?yīng)機(jī)理的表征方法有2 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以構(gòu)建出具有覆蓋性的表征指標(biāo)；可以表征各種組合干擾且可以對(duì)未知干擾進(jìn)行表征。

前人對(duì)基于效應(yīng)機(jī)理的表征方法已進(jìn)行了初步研究，文獻(xiàn)[21]提出了天線口面表征法來(lái)描述電磁環(huán)境的二維指標(biāo)，用壓制干擾信號(hào)的干信比k 和欺騙干擾信號(hào)的假目標(biāo)數(shù)量n 作為描述電磁空間中干擾信號(hào)的參數(shù)，用電磁功率密度譜s 和電磁信號(hào)密度m 來(lái)描述天線口面處對(duì)應(yīng)信號(hào)的參數(shù)，這2 個(gè)指標(biāo)則是電子對(duì)抗技術(shù)中可算可測(cè)的核心指標(biāo)。

文獻(xiàn)[22—24]在s、m 指標(biāo)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了干擾功率與干擾質(zhì)量的詳細(xì)指標(biāo)，如表5 和表6 所示，并從常見的干擾樣式出發(fā)，對(duì)干擾樣式描述參數(shù)和復(fù)雜電磁環(huán)境量化表征參數(shù)的映射關(guān)系進(jìn)行了分析計(jì)算。

表5 壓制干擾環(huán)境量化表征指標(biāo)體系

表6 欺騙干擾環(huán)境量化表征指標(biāo)體系

該方法只是從電子對(duì)抗技術(shù)的角度，在電子對(duì)抗影響下對(duì)壓制干擾信號(hào)環(huán)境與欺騙干擾信號(hào)環(huán)境進(jìn)行了表征，而對(duì)電子對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)、對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境中的目標(biāo)與背景環(huán)境信息，以及干擾信號(hào)的角度信息，都沒(méi)有提出表征方法與思路，在復(fù)雜電磁環(huán)境的表征中不具有系統(tǒng)性。

4 表征研究需要解決的問(wèn)題與新思路

為了從根源上突破復(fù)雜電磁環(huán)境表征難的問(wèn)題，系統(tǒng)地構(gòu)建表征指標(biāo)，在天線口面表征法的基礎(chǔ)上，還需要解決以下問(wèn)題：

1）對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行更深層的分析。深入研究復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)機(jī)理，研究電子對(duì)抗中的干擾戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)對(duì)武器裝備的本質(zhì)影響，研究干擾信號(hào)在空域上的表征方法、研究目標(biāo)與背景環(huán)境的表征方法。

2）選取適當(dāng)且合理的參數(shù)，構(gòu)建工程可操作性強(qiáng)的表征指標(biāo)體系。

基于這些難點(diǎn)問(wèn)題，提出了新的研究思路：

1）以天線口面表征法為基礎(chǔ)，在天線口面處建立一個(gè)能夠表征全體環(huán)境要素電磁信息的坐標(biāo)系，從天線口面一維表征點(diǎn)到天線口面三維坐標(biāo)系，從只有數(shù)值大小的“一維信息”即時(shí)域、頻域、能量域指標(biāo)，到既有數(shù)值大小又有細(xì)節(jié)特征的“三維信息”即空域、調(diào)制域、極化域指標(biāo)，全面、綜合、統(tǒng)一地進(jìn)行表征。

2）分析復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)機(jī)理，分別從電子對(duì)抗技術(shù)和對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)影響的角度對(duì)表征面電磁環(huán)境進(jìn)行表征：電子對(duì)抗技術(shù)影響下，圍繞背景、干擾、目標(biāo)3 大環(huán)境要素，借鑒天線口面表征法的思路，從概略到細(xì)節(jié)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行表征；電子對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)影響下，表征出環(huán)境信號(hào)在戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用中的動(dòng)態(tài)變化。最終形成“表征指標(biāo)——?jiǎng)討B(tài)值域”的表征架構(gòu)，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行全面、細(xì)致的表征。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要梳理了國(guó)內(nèi)外復(fù)雜電磁環(huán)境量化表征方法，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)復(fù)雜環(huán)境表征方法的發(fā)展歷程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)未來(lái)表征方法的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析展望，分析了基于效應(yīng)機(jī)理的表征方法。本文立足當(dāng)下，提出了現(xiàn)有表征方法需要解決的問(wèn)題；展望未來(lái)，提出了新的研究思路。■