电磁环境认知一般方法的思考

陈 翔，曾勇虎，许 雄，汪连栋，郝晓军

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验，河南洛阳471003）

0 引言

美军标MIL-STD-464A-2002将辐射和传导的电磁能量在空间和时间上的分布定义为电磁环境，我国国军标认为给定场所内的所有电磁现象的综合为电磁环境。随着科技的进步，尤其是在各种先进技术和思想在军事领域的不断应用，电磁环境的内涵与外延不断扩展，已不仅仅局限于使用能量分布来进行描述。例如近年来颇为火热的概念“电磁频谱战”，将依托电磁频谱开展的一系列对抗活动都包含在内，既有电磁波能量分布，又有产生的信息流，而在电磁兼容、高功率微波和电磁脉冲等领域仍然以能量为主。

电磁环境纷繁复杂，为了研究方便，各领域的研究人员一般站在自己的立场上，根据各自专业领域的特点来认知自己涉及的电磁环境，发展各自的研究方法。在电磁兼容领域已有成体系的电磁兼容测试标准，能够细致入微地检测和考核模块、系统内和系统间在宽频带上的电磁兼容性，确保设备的基础能力满足要求。在高功率微波和电磁脉冲领域，主要关注如何提高功率、缩短上升时间、小型化，研究如何准确测量特殊环境下的电磁场，研究电子信息系统、人体等在此环境下的效应。在电子对抗领域，重点关注如何利用电磁频谱保护己方，阻止敌方利用电磁频谱。

虽然从各自领域出发，来考虑各自所面临的问题，能够提高解决问题的针对性，也都取得了巨大的成果，但也有可能囿于研究人员各自的视角，影响对电磁环境的全面认知。本文首先从人们习惯的认知过程出发，试图归纳出电磁环境认知的一般流程，然后按照电磁环境特性、电磁环境感知和电磁环境认知的逻辑顺序，对近年来各领域的一些研究方向和内容进行总结。

1 电磁环境认知的一般流程

图1为电磁环境认知的一般流程，电磁环境是一个十分复杂的客观对象，由于人类感官的限制，视觉只能接收波长400～760 nm范围的电磁波，触觉也只有在高功率微波照射等情况下才能感受，大部分情况下，人类对于电磁环境是毫无感知的。因此，一般是借助仪器将电磁环境信号先转化为人类可感知的视觉信号，比如赫兹将电磁波信号转化为放电火花、目前广泛使用的频谱仪、示波器、矢量信号分析仪等。对于电磁环境的感知结果，根据各自的需求进行分类、识别、抽象，形成某一专业领域的特有理论，作为专业知识积累下来，进一步指导对电磁环境的认知，而且随着人们感知手段的提高，会不断深化和改进电磁环境认知，使其更接近于电磁环境本来的面貌。如果我们建立的概念认知能够很好地符合表象，就是一个好的理论，比如以经典电动力学中的麦克斯韦方程组建立的电磁场模型就是对电磁场的高度概括和抽象，在此基础上发展的一些电磁数值计算方法和电磁场仿真软件已经能够对一些简化的电子设备系统、飞机和舰船等大系统进行精确的电磁建模。如果概念、表象和客观对象能够重合，就是绝对真理，当然这是认知的终极目标。而电磁环境认知能力的提高，反过来也会促进电磁环境特性和电磁环境感知的提高，形成一个认知环。

图1 电磁环境认知的一般流程

2 电磁环境认知的分阶段论述

2.1 电磁环境特性

电磁环境包含辐射源、传播途径和受体三个客观要素，这三个要素即是研究的客观对象，在不同的专业领域（见表1），关于这三个要素的称呼不同，侧重点也不一样。例如骚扰源、能量耦合通道和敏感设备是电磁兼容的三要素，是以解决设备和系统的电磁兼容性为目的，而产生的对电磁环境分类方式。下面按照电磁环境三要素辐射源、传播途径和受体的分类方式，对各专业领域的三要素特性研究进行讨论。

表1 各专业领域关注的电磁环境特性对比

1）电磁兼容

重点关注骚扰源与敏感设备之间的能量耦合，通过骚扰源辐射功率控制和用频频段分离、能量耦合通道的阻隔，敏感设备防护，减少骚扰源对于敏感设备的影响，提高电磁兼容性[1]。其中，对敏感设备造成影响的辐射源都可称之为骚扰源，而且根据能量是不是从天线端口进来的，将干扰分为前门耦合和后门耦合，可见电磁兼容领域的问题都是围绕着能量耦合通道开展的。

传输途径就是能量耦合通道，可以通过电磁场辐射，也可以通过线缆传导。在辐射源和边界条件确定的情况下，可以很精确地计算出敏感设备处的电磁场，对于舰船、大飞机等也能够获得很高的计算精度。

2）强电磁场

辐射源一般考虑高功率微波源、各类电磁脉冲。围绕着强场对于被试设备的效应，开展脉冲源的研究，目标相当明确，即提高功率、控制脉冲上升沿、减小体积等。开展效应试验研究，利用模拟器，研究各类电子设备在强电磁环境下的效应，一方面是提高电磁脉冲的杀伤力，一方面是加强己方的电磁脉冲防护能力。

传输途径与电磁兼容领域类似，不同的是高功率微波[2]和电磁脉冲[3]环境下，还可能会发生多物理场效应，对电子设备产生损伤和潜在性失效。

3）电子对抗

辐射源包括敌我双方所有的用频设备，对于己方设备首先应保证电磁兼容性，通过技术手段和频谱管理手段，协调各个设备和系统分时、分频、空间隔离使用，组成一个作战单元后，在一定区域内应互不影响，而且对于敌方的干扰源具有抗干扰措施，确保通信畅通、雷达正常发现目标。由于涉及的辐射源众多、区域大，电磁波在传播过程中不仅有大尺度衰落，还有小尺度衰落，在电子对抗领域，通常是以电波传播的统计模型来考虑问题，更加关注电磁波所携带的信息。受体上除了电磁兼容和强电磁场中考虑的敏感设备或效应物（辐射源对于受体本身的影响）,还包括辐射源发射的电磁波经受体反射后，所携带的受体的一些信息，如目标的RCS。

在电子对抗领域存在着高强度的动态博弈，除了电磁环境的三个客观要素外，电磁波中所携带的信息也是敌我双方争夺控制的目标，常称之为复杂电磁环境，具有对抗性、密集性、动态性、广泛性和相对性的特点。目前电子对抗的概念和内容进一步拓展，认知电子战[4]已进入工程实现阶段，电磁频谱战[5]的讨论也正如火如荼。

4）电磁环境监测

辐射源一般考虑广播电视塔[6]、移动通信基站[7]、高压变电站[8]、家用电器等日常生活中可能遇到的辐射源，主要关注这些辐射源形成的电磁场强度在人们的生活环境中是否超标。

5）无线电监测

按照国家用频划分，利用无线监测设备进行频谱管理[9]，定位伪基站、黑广播等非法辐射源。

图2 电磁环境感知与电磁环境认知的关系

2.2 电磁环境感知

电磁环境感知是电子环境认知的基础，如图2所示。下面按照电磁场测量、信号检测和辐射源定位、信号分类和个体识别的逻辑顺序进行讨论，逐步细化电磁环境感知的粒度。电磁环境感知的应用有军用频谱监测、电子对抗侦察、民用无线电监测等。

1）电磁场测量

电磁场测量主要指测量电磁场的基础物理参量，电场、磁场和电磁场，在电磁兼容、强电磁场合电磁环境监测中重点考虑。电磁场测量使用传感器和接收机的组合方式来完成。传感器需要经过专门的标定，能够反映所在空间节点的绝对场强值。对于一些强电磁场环境下的测量，还需要考虑电磁场对于传感器内部电路的影响、传感器对快沿脉冲的宽带不失真测量和传感器对空间场的扰动问题。

2）信号检测和辐射源定位

即在各种噪声、干扰情况下，准确、实时、稳定地检测到是否存在关注的信号[10-11]，以及信号是从什么位置发射的。在无线电频谱监测和电子对抗领域，在合作通信中，需要在各种电磁环境下，检测到约定好的通信调制样式的信号；在通信侦察中，需要在背景信号中发现敌方的隐蔽通信信号；在雷达探测中，需要检测到微弱的回波信号，及时发现、定位和跟踪目标。在电磁兼容中，通过骚扰信号检测和骚扰源定位，实现和提高电磁兼容性。在强电磁场中，通过检测电晕放电信号，可以实现对高压放电装置的故障定位；通过对雷电电磁脉冲的检测和定位，实现对雷暴的定位和预警，为人员安全、发射场安全提供保证。

3）信号分类与个体识别

随着通信技术的发展，数字通信方式被广泛采用，从频率、时间、空间和编码上进行分集复用，发展出了各种各样的调制方式、编码方式，民用通信的特点就是有效利用稀缺的频谱资源。在民用通信和己方通信中，通信双方事先已约定好通信的方式，对于信号分类和识别的需求不大。在电子对抗领域，干扰和抗干扰是永恒的主题，在通信对抗侦察中，电子侦察设备是不知道敌方将采用什么调制样式进行通信，需要对接收的大量信号进行分类和识别，提取出有用的信息；在雷达对抗侦察中，现代雷达信号常采用的复杂带内调制方式，实现雷达信号的低截获概率。从干扰的角度看，在侦察时能够有效实现对敌方信号的分类和识别，就能够更有效地实现对通信、雷达等电子设备的干扰。特定辐射源个体识别能够进一步提高分类的精细度，通过提取接收信号的指纹特征[12]，实现对相同型号、相同信号样式设备的个体识别。这些更细化的信息提供给电磁环境态势系统后，能够识别重要的辐射源个体目标，掌握使用者的身份和性质，并通过监视跟踪对敌方的战术、战役，甚至战略动向做出预测，掌握军事行动的主动权。

2.3 电磁环境认知

认知过程是主观客观化的过程，电磁环境认知就是人脑在接受电磁环境感知信息的输入后，经过头脑的加工处理，转换成内在的心理活动，进而支配人的行为，其中对电磁环境感知信息的加工过程就是认知过程。

1）电磁场理论

通过对库伦定律、高斯定律、安培环路定律和法拉第电磁感应定律的总结，在引入“位移电流”假说后，麦克斯韦完成了电场与磁场的统一，实现了人类认识的飞跃，最终浓缩为麦克斯韦方程组。利用电磁场理论，麦克斯韦预言了光也是一种电磁波，而且经过实践检验也证明了电磁场理论的有效性，是对电磁场这一客观对象的抽象和概括。电磁场理论作为电磁环境认知的基础知识，其提供的电磁场物理图像是认知电磁环境的基石。

2）分层认知方法

分层认知方法[13]从应用需求出发，通过层次化的分析思想，由点到面、由整体到局部对电磁环境所有的参数进行归纳分类。基于应用需求，当人们位于空间某一点处，通过测量仪器对电磁信号进行感知时，一般需要依次完成7个步骤，即判断有无和电磁属性、了解其行动方向、感受其如何来往哪去、观察其细节形态、获知其携带有什么东西、分析其所带东西的价值、搞清其行动的意图。参考感知的7个步骤，可将电磁环境分为7层，即基本属性层、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。所有层按照认知的顺序，一层层深化，下一层是上一层的载体，每一层又具有一定的独立性，只要获得满足应用需求的信息即可。

3）电磁环境表征

电磁环境表征通过参数化的方法，在对特定区域内各种电磁信号的类型、属性和分布等情况进行定性和定量分析的基础上，选取主要表征参数对电磁环境特性进行描述，可从环境实体和电磁信号两个层面对电磁环境进行表征[14]。环境实体表征包括辐射源和传播环境，以及由此形成的电磁环境态势表征。电磁信号表征从时域、频域、空域、能域、极化域、调制域等不同角度对电磁信号进行定性和定量的描述，最终实现电磁信号的分类识别、辐射源定位和电磁环境分级等参数化表征。电磁环境表征试图通过标准化的方法，对电磁环境这种抽象的存在进行客观描述，提取其中的关键要素，直接为电磁环境态势提供数据支持，是对电磁环境原生要素的一次抽象。近年来，机器学习的兴起，试图将智能化引进电磁环境表征中以实现智能表征[15]。

4）电磁环境态势

电磁环境态势在电磁环境表征的基础上继续进行抽象，将多种表征参数融合，结合先验知识和个人对电磁环境的理解进行可视化处理，将电磁环境当前状态直观地呈现出来，并具备对电磁环境演变趋势的预测能力，最终为决策和动作提供依据。在电磁环境表征的基础上，电磁环境态势可分为电磁环境态势生成和电磁环境态势利用[16]。电磁环境态势生成主要是分析和预测电磁环境的综合形势和未来发展趋势，文献[17]实现了能量分布态势图、能量切片图、干扰连线图、频率用图、用频瀑布图、用频威胁图等可视化方法，文献[18]基于稀疏空间采样实现了空域干扰图构建，文献[19]实现了自由空间及干扰环境下雷达辐射源探测范围三维可视化和多辐射源空间合成场强的态势展示。电磁环境态势利用主要应用于无线网络规划、电磁频谱管理[20]、电磁频谱战等领域[5]。

3 结束语

在电磁场理论的基础上，各领域人员从专业领域出发，已形成了各自领域对于电磁环境的研究方法，在解决问题的同时也使得关于电磁环境的认知产生了专业领域的割裂。在综合比较电磁兼容、强电磁场、电子对抗等多个领域的研究内容和关注问题后，可以发现其背后有着更高一层的关于电磁环境认知的一般思路。按照电磁环境认知的一般思路和方法，不断地进行综合提高，可以不断深化对于电磁环境认知的理解，积累电磁环境的相关知识。■