复杂电磁环境量化表征方法研究综述

2020-02-04李岩松戎建刚

航天电子对抗 2020年6期

李岩松，王超，戎建刚，陈飞

（中国航天科工集团8511 研究所，江苏南京210007）

0 引言

敌我双方信息化装备的密集部署与激烈对抗，形成了极为多变的战场电磁环境。这种电磁环境呈现出越来越复杂的特点，因此称之为复杂电磁环境。复杂电磁环境的定义为“在一定的空域、时域、频域和功率域上，多种电磁信号同时存在，对用频装备运用和作战行动产生一定影响的电磁环境”[1]。复杂电磁环境的量化表征就是在深入研究复杂电磁环境全域综合特性及其动态变化规律的基础上，形成统一的表征规范和度量方法，构建定量化的表征指标体系。

复杂电磁环境量化表征研究具有两方面的意义:一是在对试验电磁环境的逼真性进行评价时，需要将环境量化表征指标作为输入，因此量化表征指标的准确性和覆盖性直接影响到试验电磁环境构建的逼真程度；二是复杂电磁环境量化表征方法的研究，有助于形成完整的武器装备复杂电磁环境适应性试验与评估标准体系，为装备试验鉴定提供重要支撑。

本文分析了国内外复杂电磁环境表征方法的相关研究与标准，指出了各种量化表征方法在工程应用中的优缺点。对表征方法未来的发展趋势进行了总结与展望，分析了未来复杂电磁环境表征面临的问题，针对这些问题提出了新的研究思路。

1 国外研究情况

国外对电磁环境的研究侧重于对电磁环境效应的研究，其定义为“战场电磁危害源总体或某一种对武器装备或生物体的作用效果”[2]，本质上是研究电磁环境对武器装备的影响。通过电磁环境效应的研究，形成了一系列的标准。下面从美军标和IEEE 电磁兼容性标准两方面进行简要分析。

1）美军

在MIL-STD-464C“系统电磁环境效应要求”[3]中，美军建立了“频率范围-电场峰值-电场平均值”的表征指标体系，对不同作战区域、不同使用平台的电磁环境进行表征。

该表征方法采用具体量化数据描述电磁环境，具有操作性强的优点，但是有以下缺点：没有考虑瞬变电磁环境和电子对抗环境；描述平台电磁环境的量化数据是实测或预测数据的统计结果，有一定的局限性。

2）IEEE 标准

IEEE 电磁兼容性标准IEC61000-2-5《电磁环境的现象、分类、兼容性及防护等级》[4]中，提出的表征方法为：用一些参数如频段、信号上升时间、持续时间、干扰下的电压等描述环境对不同系统的干扰程度与干扰等级。

该表征方法采用具体数据描述电磁环境,同样具有操作性强的特点，其不足之处在于：描述参数偏微观，在实际应用中不便于设备测量；且没有描述威胁环境下的电磁信息。

2 国内研究情况

随着电子信息技术的高速发展，复杂电磁环境的研究迅速发展，对复杂电磁环境的认知也更为深入。本文对国内的复杂电磁环境表征方法按照层次化表征法、复杂度表征法、典型场景表征法以及特性比较表征法进行了以下归类与整理。

1）层次化表征法

层次化表征法是以分层认知为基础的、基于应用需求的复杂电磁环境表征方法。该概念最早在文献[5—6]中提出：根据特定需求来表征复杂电磁环境，运用层次分析法的思想，对拟认知的对象由面到点、由整体到局部进行分析。表1 给出了不同的应用需求与相应的层次划分。

文献[7—8]使用该表征方法对雷达电磁环境进行了定量化描述并测量，表征了基本属性层（如频带宽度、平均功率谱密度、最大功率谱密度）、物理空间层（如空间谱密度、空间波束密集度、最小空间谱间隔）、波动形态层（如水平垂直极化比、极化空间联合谱）、信号波形层（如脉冲流密度、最小脉冲间隔）以及指纹特征层（以图形的方式显示各域信息）。

表1 应用需求与相应的层次划分

层次化表征法从应用需求的角度对复杂电磁环境进行表征，针对应用需求提指标，为复杂电磁环境的测量提供了一定的支撑作用。该方法存在工程可操作性不足和普适性不足的缺点。

2）复杂度表征法

复杂度表征法是利用新兴的信息科学、前沿的复杂性科学对复杂电磁环境进行表征的方法。

GJB6520-2008《战场电磁环境分类与分级方法》[9]采用频谱占用度F0、时间占有度T0、空间覆盖率指标S0，规定了战场电磁环境的复杂度等级，具体复杂度等级的分级评级标准如表2 所示。

表2 战场电磁环境复杂度分级评价标准

文献[10]从战场电磁环境的一般复杂性和特定复杂性给出定量评价：一般复杂性是战场电磁环境本身的性质，通过电磁信号空域分布、电磁信号频域分布、电磁信号强度分布等参数对环境进行表征；特定复杂性是指根据装备效能在特定环境的下降程度进行分级。

文献[11]提出了以模糊评估为基础的战场复杂电磁环境定量描述方法。文献[12—15]亦是使用各种复杂度指标来对复杂电磁环境进行表征。

复杂度表征法的优点是结合了新兴学科，从新角度研究复杂电磁环境，拓展了复杂电磁环境研究的应用方向；其缺点是复杂度指标在工程应用中计算繁琐，可操作性不强，故还需要对“复杂度”做出进一步的解释和研究。

3）典型场景表征法

典型场景表征法是对作战使用的用频装备及其战术技术参数进行量化描述的方法。文献[16—17]提出，根据作战规模的大小与电子对抗环境的复杂程度对作战场景进行分级。以反舰导弹为例对典型电磁干扰环境的等级进行划分，如表3 所示。

表3 反舰导弹四级典型电磁干扰环境的等级划分及说明

文献[18]将威胁电磁环境按照干扰类型的组合方式进行分类：Ⅰ类指1 个基本干扰类型构成的威胁电磁环境，Ⅱ类指2个基本干扰类型组合构成的威胁电磁环境，Ⅲ类指3个基本干扰类型组合构成的威胁电磁环境，Ⅳ类指4个及以上基本干扰类型组合构成的威胁电磁环境。

文献[19]按照作战信号环境本身的复杂度以及对被动雷达导引头性能的影响程度，提出环境干扰强度的分级方法，如表4所示。

表4 反辐射导弹导引头复杂电磁环境分级

典型场景法通过定量描述明确干扰装备的数量和技术参数对复杂电磁环境进行表征,其优点是可以为试验电磁环境的实施提供依据，且便于操作；其缺点是随着雷达和电子对抗装备的不断发展与典型作战场景的频繁变化，这些典型场景难以固化为作战可用的标准。

4）特性比较表征法

特性比较法是基于干扰与目标特征能量的对比和相似程度的比较，提出了径向尺寸重合度、径向尺寸相似度、等效功率面积比的度量指标，从装备的角度分别对箔条干扰、角反射器射体干扰、舷外有源干扰和舰载有源干扰环境进行量化分级[20]。

针对质心式箔条/角反射器干扰，径向尺寸重合度定义为箔条云/角反射器与舰船目标径向重合部分的尺寸舰船目标径向总长度的比值，即：

式中，Jch为箔条/角反射器干扰径向尺寸重合度；Δc=ct-c′为雷达导引头检测的箔条/角反射器与舰船回波信号的重合部分；ct为雷达导引头检测的舰船回波信号径向尺寸；c′为雷达导引头检测的舰船可识别部分的尺寸。

针对冲淡式箔条/角反射器干扰，径向尺寸相似度定义为箔条云/角反射器径向尺寸和舰船目标径向尺寸的相似度，即：

式中，Jcx为箔条/角反射器干扰径向尺寸相似度；cj为雷达导引头检测到的箔条/角反射器干扰径向尺寸；ct为雷达导引头检测到的舰船径向尺寸。

针对舷外有源干扰，等效功率面积比定义为雷达导引头接收到的舷外有源干扰等效辐射功率与舰船RCS 的比值，即：

式中，Jxpsb为舷外有源干扰等效功率面积比；Ex为舷外有源干扰等效辐射功率；σt为雷达导引头可探测的舰船目标RCS。

特性比较法的优点为概念清晰，可操作性强，其缺点为不能完整表征出电磁环境对装备的影响，且只能对单一干扰进行表征。

3 表征研究发展趋势——从环境、样式到效应机理

国内外针对复杂电磁环境的表征方法研究快速发展，可将其总结为2 个阶段：1）过去的表征方法——基于复杂环境的表征：研究复杂环境如何复杂并对其进行表征。2）新兴的表征方法——基于干扰样式的表征：考虑干扰对装备的影响，围绕复杂环境中的各种干扰样式进行表征。时间线如图1 所示。

图1 复杂电磁环境表征方法时间线

这些表征方法与表征指标都有据可循，但是相关指标不具有系统性、方法不具有普适性，且不能适应快速发展的干扰战、技术。为了从根本上解决复杂电磁环境的表征问题，需要深究复杂电磁环境“复杂”的本质。而复杂电磁环境之所以“复杂”，其本质原因在于复杂电磁环境是电子对抗条件下的电磁环境，电子对抗中的对抗技术和对抗战术是影响复杂电磁环境的2 大核心要素，技术样式繁多，战术灵活多变，导致其对电磁环境的影响难以捉摸。这就是复杂电磁环境的效应机理。基于效应机理的表征方法有2 个优点：可以构建出具有覆盖性的表征指标；可以表征各种组合干扰且可以对未知干扰进行表征。

前人对基于效应机理的表征方法已进行了初步研究，文献[21]提出了天线口面表征法来描述电磁环境的二维指标，用压制干扰信号的干信比k 和欺骗干扰信号的假目标数量n 作为描述电磁空间中干扰信号的参数，用电磁功率密度谱s 和电磁信号密度m 来描述天线口面处对应信号的参数，这2 个指标则是电子对抗技术中可算可测的核心指标。

文献[22—24]在s、m 指标的基础上补充了干扰功率与干扰质量的详细指标，如表5 和表6 所示，并从常见的干扰样式出发，对干扰样式描述参数和复杂电磁环境量化表征参数的映射关系进行了分析计算。

表5 压制干扰环境量化表征指标体系

表6 欺骗干扰环境量化表征指标体系

该方法只是从电子对抗技术的角度，在电子对抗影响下对压制干扰信号环境与欺骗干扰信号环境进行了表征，而对电子对抗战术、对复杂电磁环境中的目标与背景环境信息，以及干扰信号的角度信息，都没有提出表征方法与思路，在复杂电磁环境的表征中不具有系统性。

4 表征研究需要解决的问题与新思路

为了从根源上突破复杂电磁环境表征难的问题，系统地构建表征指标，在天线口面表征法的基础上，还需要解决以下问题：

1）对复杂电磁环境进行更深层的分析。深入研究复杂电磁环境效应机理，研究电子对抗中的干扰战术、技术对武器装备的本质影响，研究干扰信号在空域上的表征方法、研究目标与背景环境的表征方法。

2）选取适当且合理的参数，构建工程可操作性强的表征指标体系。

基于这些难点问题，提出了新的研究思路：

1）以天线口面表征法为基础，在天线口面处建立一个能够表征全体环境要素电磁信息的坐标系，从天线口面一维表征点到天线口面三维坐标系，从只有数值大小的“一维信息”即时域、频域、能量域指标，到既有数值大小又有细节特征的“三维信息”即空域、调制域、极化域指标，全面、综合、统一地进行表征。

2）分析复杂电磁环境效应机理，分别从电子对抗技术和对抗战术影响的角度对表征面电磁环境进行表征：电子对抗技术影响下，围绕背景、干扰、目标3 大环境要素，借鉴天线口面表征法的思路，从概略到细节对复杂电磁环境进行表征；电子对抗战术影响下，表征出环境信号在战术运用中的动态变化。最终形成“表征指标——动态值域”的表征架构，对复杂电磁环境进行全面、细致的表征。