電磁頻譜裝備技術初探

王國玉，許雄，汪連棟，徐振海，劉興華，4

（1.電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003；2.國防科技大學電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073；3.北京航空航天大學，北京 100191；4.軍事科學院軍事科學信息研究中心，北京 100142）

0 引言

電磁頻譜安全事關國家利益和國家安全［1-3］。在大國競爭的戰略背景下，美國重新審視了未來戰場，提出了電磁頻譜優勢戰略。電磁頻譜作戰是奪取電頻頻譜優勢的新型作戰樣式，其作戰行動包括電磁頻譜管理、信號情報和電磁戰三大部分［4-8］，其中，電磁戰是電磁頻譜作戰中最活躍、最具進攻性、威脅性和主動性的部分，主要包括電磁支援、電磁防護和電磁攻擊等作戰樣式。由于每一種作戰樣式都離不開具體裝備技術的支撐，因此，電磁頻譜裝備技術是實現電磁戰的關鍵要素和物質基礎，是奪取電磁頻譜優勢、維護電磁頻譜安全的基本保障。

當前，在各種軍事需求的牽引和前沿技術的推動下，各類用頻裝備也獲得了飛速發展，不同功能用途、形態規模、性能水平的用頻裝備層出不窮，呈現出百花齊放但又煙囪林立的狀態。本文提出應該系統建立電磁頻譜裝備的概念，梳理電磁頻譜裝備技術體系和發展趨勢，以便集約高效發展相關裝備技術，加快提升電磁頻譜作戰能力。

1 電磁頻譜裝備及其主要分類

從概念上說，電磁頻譜裝備與常說的電子信息裝備既有區別又有聯系。電子信息裝備主要關注的是信息，主要功能包括信息獲取、傳輸、處理和控制等［9-11］。而電磁頻譜裝備則關注的是其利用電磁波的物理屬性，重點在電磁頻譜的研發利用［12］。電磁頻譜裝備可以稱作是工作在特定頻段電磁頻譜上以電磁波為能量或信息承載體的裝備。

1.1 電磁頻譜裝備的概念內涵

電磁頻譜裝備是以電磁波為工作載體的各類系統、設備、設施、儀器、器材等的總稱，是軍事裝備的重要組成部分。電磁頻譜裝備是直接工作在電磁頻譜域或電磁空間的實體。電磁空間的人為活動是由一系列不同的電磁頻譜裝備共同參與的。

一般而言，電磁頻譜裝備共性特征是都具有對電磁波的接收或發射等功能。簡單說電磁頻譜裝備都具有天線這一關鍵部件，包括光學天線或光電傳感器。

例如，獨立的強激光系統就是一種電磁頻譜裝備，但不是電子信息裝備；而帶有探測跟蹤裝置的激光武器系統既是電磁頻譜裝備也可視作廣義的電子信息裝備。

1.2 電磁頻譜裝備的主要分類

首先，按照所利用頻譜頻段差異，從低頻到高頻，大體可分為無線電系統、微波系統、毫米波系統、太赫茲系統、紅外系統、可見光系統、X射線系統等。不同頻段具有不同的發射、傳播、接收等特性和不同的功能，在不同的場合發揮不同的作用。

其次，按照是否主動發射電磁波的差異，又可分為有源系統、無源系統2大類。有源系統就是利用裝備自己主動發射的電磁波進行工作；而無源系統則是利用其它系統發射的電磁波進行工作。這2類系統各有特點，對應于不同的需求。在不同場景中，各自還有不同的變體，如有源系統可以是本地的單獨輻射源，也可以是分布式的多輻射源；無源系統可以是外界直達的輻射源，也可以是反射或散射而來的輻射源。

再者，按功能用途差異，可分為無線通信、無線探測、無線遙控、無線導航、無線偵察、無線對抗等功能?；竞w現有軍事裝備中的無線通信裝備、預警探測裝備、遙測遙控裝備、導航定位裝備、電子偵察裝備、電子對抗裝備、高功率微波武器、高能激光武器等類型，也包括嵌入到各類武器裝備中的用頻模塊，如雷達導引頭、光電導引頭、電視攝像頭、數據鏈組件、無線電引信等。

當然，還可以有其他多種分類方式，如可以按照技術體制或技術參數區分為寬帶系統、窄帶系統，以及小功率或大功率系統；也可以根據使用場景、使用方式等區分為地面、水面、空中、空間等不同應用，以及車載、艦載、機載、彈載、星載等不同形式；又或者分為通用和專用等不同類型，等等。

2 電磁頻譜裝備的特點

電磁頻譜裝備的主要特點表現在技術和戰術2個方面。

2.1 技術特點

1）外在表現無聲無息

電磁波是電磁頻譜裝備的工作載體。除了可見光頻段外，電磁波看不見、摸不著，所以從外部角度一般看不明白電磁頻譜裝備的工作狀態，即使是傳統的機械掃描式雷達，人們也無法準確確定其天線的波束范圍等。電磁頻譜裝備的工作狀態只能依賴于先進的電子測量儀器來進行感知。人們正在探索不同的可視化方法，來盡可能地展現或模擬仿真電磁頻譜裝備的工作過程。

2）功能作用瞬間完成

電磁波具有光速的傳播速度，承載在電磁波上的能量或信息可以在1 s內傳播3×105km。在有限地域空間內，電磁頻譜裝備功能作用能夠在瞬間完成，裝備之間的相互影響也可以在瞬間發生，完全超出了人類能夠反應的時間。因此，電磁頻譜裝備用于軍事行動具有“秒殺”效應。

3）作用范圍超越視距

電磁波不僅傳播速度快，而且傳播距離遠。正像馬可尼實現跨洋長距離無線電通信那樣，在當時對人類來說是不可思議的。后來又陸續發展了遠程無線電廣播、無線電探測、無線電測控、無線電導航等先進技術。這些技術的出現都極大拓展了人類的感官能力，使人們能夠在相當遙遠的距離上便捷地實現通話、測量、遙控等諸多功能，創造了許多意想不到的“超人”能力。

4）環境影響難以捉摸

電磁波的折射、散射等物理特性，使得電磁頻譜裝備在工作時會受到地理環境和大氣環境等自然環境的影響，導致原本設計好的技術性能可能出現一些隨機不穩定的狀態。同時，電磁頻譜裝備數量的無限增長，導致電磁信號環境變得密集而又雜亂；加之軍事斗爭的需要，人為設計的對抗類裝備使得電磁環境更為惡化。這就產生了所謂的復雜電磁環境。復雜電磁環境作用到電磁頻譜裝備上又會產生各種難以明晰的效應現象，電磁頻譜裝備的脆弱性與生俱來。

2.2 戰術特點

1）主動輻射裝備易被發現

雖然，電磁頻譜裝備的外在表現無聲無息，但只要是有源系統，工作時都主動向外界輻射電磁波，就可能被高靈敏度的儀器探測到。裝備的輻射功率越大、作用距離越遠，就越容易被發現。在當今“發現即摧毀”的時代，這種電磁頻譜裝備的使用越來越受限。人們也持續不斷地對這類裝備進行改進，提出低截獲概率等新概念和新技術，尋求射頻隱身等技術突破，以進一步滿足現實的軍事需求。

2）被動探測裝備隱蔽性強

被動探測裝備不主動向外發射電磁波，只是作為一個沉默的“哨兵”，悄悄地進行偵察、監聽。得益于電磁波作用范圍廣、信號感知快等特點，被動探測系統具有得天獨厚的隱蔽優勢，能夠在超視距范圍長時間、快速又穩定地進行信號情報偵察分析，已成為現代戰爭中必不可少的關鍵裝備。它通常貫穿戰爭始終，支援全程作戰行動，也催生出了現代戰場上的電磁靜默戰術戰法，以及美軍的“低-零功率”作戰概念。

3 電磁頻譜裝備技術動態趨勢

鑒于電磁頻譜裝備易受自然環境和電磁環境的影響，特別是在強對抗戰術環境下，電磁頻譜裝備所呈現出的電磁環境效應現象復雜、效應機理難以解析，作用效能發揮受限。為了進一步解決電磁頻譜裝備面臨的易受環境影響和效能難以發揮等問題，人們不斷從技術體制上進行研究改進，陸續提出一些新的理念，如采用多功能一體、網絡化協同等概念進行裝備技術創新，以進一步全面地推動電磁頻譜裝備的性能提升。

3.1 共享射頻孔徑，實現一體化集成

從需求上說，自然希望在同一個物理載體，如同一艘艦、同一架飛機、同一顆衛星，甚至同一枚導彈上安裝更多的設備模塊。然而物理載體的空間畢竟是有限的，于是從技術層面就催生了偵、干、探、通等多種功能集于一體的架構，其關鍵技術在于設備模塊化、射頻孔徑共享化、波形共用化、控制一體化等。而這些技術概念可實現的物理基礎則在于電磁波參數的多維特性，可以設法做到處于不同頻帶的信號相互不影響、位于不同波束的信號相互不影響，排在不同時序上的信號相互不影響等。這些特性不僅為多功能集成提供了手段，也為研究解決電磁環境效應等問題提供了途徑。

例如，美海軍的“集成桅桿”項目［13］，這是針對艦載使用平臺的一種解決方案。由于對雷達、通信、電子戰等射頻功能的需求多樣化，早期型號艦艇的上層建筑總是布設有大量離散的射頻天線，不斷新增的設備數量不僅會增加桅桿質量及電力消耗，也會導致船型不斷增大和建造成本增加；同時艦艇的隱身性能難以得到控制；不僅如此，每個用頻設備之間還不可避免地存在各個電磁耦合、干擾現象，嚴重影響設備的正常使用。通過“集成桅桿”項目研究，目前美軍基本實現了艦載多功能射頻孔徑的一體化設計、模塊化開放式的射頻構架設計和動態資源統籌分配設計，總體上有效提高了艦船的電磁頻譜作戰能力，同時顯著降低了成本消耗，延長了使用壽命。

另一個有代表性的案例就是美軍機載平臺上的“寶石臺”計劃［14］，其是“寶石柱”計劃的后續。由于飛機上的空間比艦艇上的空間要小得多，航空電子系統的綜合化、一體化更是業界一貫的追求?！皩毷庇媱潅戎氐氖呛娇针娮酉到y后端軟件系統的綜合化，而“寶石臺”則側重硬件架構，即從先進綜合射頻的角度進行攻關。最終，以“寶石臺”為代表的綜合射頻等顛覆性技術成就了F-35戰斗機的先進性能。

同樣，還有星載電磁頻譜設備也在一體化集成上不斷取得進展。同時，在芯片技術的推動下，各種導引頭也實現了射頻功能的積極拓展，已經在無源與有源復合、微波和光電復合等多模復合的路線上取得重要進步。

3.2 互聯分工協作，追求網絡化協同

由于單平臺的綜合集成能力在一定程度上還是會受限的，于是，在“平臺中心戰”到“網絡中心戰”的作戰概念演進過程中，電磁頻譜裝備的網絡化自然成為發展潮流。作為網絡信息體系的重要組成，電磁頻譜裝備都試圖通過無線或有線網絡實現互聯互通。在“全球信息柵格”（GIG）概念的驅動下，通過作為“神經中樞”的無線數據鏈將地基、?；?、空基和天基的各種傳感器和武器平臺集成在一起，努力形成一個強大的指揮自動化系統（C4ISR）。

例如，美導彈防御計劃［15］，包括陸基中段防御（GMD）、“宙斯盾”?；卸畏烙到y、“薩德”（THAAD）陸基末端高空區域防御系統，以及“愛國者”（PAC）末端防御系統。從電磁頻譜使用角度看，該計劃涉及天基紅外預警衛星、地/?；h程預警雷達GBR/SBX/LRDR、艦載“宙斯盾”SPY-1D雷達、“薩德”TPY-2雷達、“愛國者”MPQ-65雷達、攔截武器各類多模制導等諸多系統，既有光學/紅外頻段，也有P/L/S/C/X等各微波頻段。在作戰管理系統統一指揮控制下，各系統分工協作，網絡化協同，遂行導彈防御作戰任務。

當前，美軍又在“馬賽克戰”作戰概念的指引下［16］，期望以穩健的無線通信組網技術為基礎，充分發揮分布式系統靈活組合后的整體協同優勢，形成能夠快速響應任何場景需求的理想作戰能力?？梢?，電磁頻譜裝備的形態又將發生革命性的變化，其將與武器平臺、無人平臺充分融合，充分利用電磁頻譜天然紐帶和橋梁作用，實現真正的跨域聯合，以支撐全域聯合作戰。

3.3 軟件定義功能，尋求智能化決策

無論是單平臺的多功能一體，還是“馬賽克戰”中的靈活組合，都離不開裝備軟件的支持?？梢哉f，自從1990年代“軟件無線電”概念提出后，電磁頻譜裝備技術發展的重要熱點焦點就是軟件。當然，軟件化與硬件數字化的發展是分不開的。在先進精簡指令集微處理器（ARM）、數字信號處理器（DSP）、現場可編程門陣列（FPGA）等數字技術和高速模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）等芯片技術，以及標準總線技術等共同牽引下，軟件無線電技術得以飛速發展。開放式、可重構理念與技術進步展現出可編程、軟件定義功能的便捷與先進。于是電磁頻譜裝備不僅功能越來越強大，滿足了多樣化的需求，而且設備越來越靈活，順應了通用化、小型化、低成本等迫切要求。

在機器學習算法、圖形處理器（GPU）等人工智能前沿技術的發展觸動下，為了提高頻譜利用率，提高裝備在電磁空間的決策控制能力，相繼出現了“認知無線電”“認知雷達”“認知電子戰”等概念。認知無線電技術在尋找頻譜空洞，以及實時改變傳輸功率、載波頻率和調制方式等方面的進步給通信裝備的性能帶來了質的飛躍，能夠自動感知、適應外界電磁環境的變化，發揮最佳通信效能。認知雷達技術通過自主學習和提取目標和環境的多域特征，可以判定雜波或干擾性質，進而可采取具有針對性的信號處理措施，可全面提升目標檢測識別能力。認知電子戰技術則嘗試通過不斷感知電磁信號環境以實時智能分析出目標輻射源信號特征、行為和威脅程度，進而動態調整對抗措施，優化干擾波形參數等。

近來，比較有代表性的工作有［17］：美自適應雷達對抗（ARC）項目、自適應電子戰行為學習（BLADE）項目、極端射頻頻譜條件下的通信（COMMEX）項目等。

認知系統實質上是模擬人類“觀察（Observation）-判斷（Orientation）-決策（Decision）-執行（Action）”（OODA）行為的一個閉環系統，共性特征一般包含為五類功能模塊：電磁環境感知模塊、電磁行為判斷模塊、輻射波形優化模塊和決策效果評估模塊，以及必不可少的知識庫。認知系統已具備一定的智能化能力，但現實的戰場電磁環境錯綜復雜，現有的智能算法在電磁環境特性的基礎研究以及用于訓練算法的海量數據積累等方面與要求相差甚遠。

3.4 能量效應突顯，武器化演進加快

在電磁頻譜裝備的軟硬件架構不斷往綜合化、網絡化、智能化方向發展的同時，電磁能量武器化的應用探索也在被穩步推進。作為新概念武器庫中的定向能武器，目前已獲得了實質性的突破。其中，高能激光武器一般要求具有100 kW以上的激光功率輸出，能夠在極短時間內對一定距離內目標進行燒毀；而高功率微波武器一般應具有100 MW以上的脈沖峰值功率輸出，能夠攻擊一定距離內幾乎所有電子設備，包括雷達、通信、導航、計算機、傳感器等，瞬間擊穿電子元器件，達到損壞電子系統的目的。在武器化演進過程中，功率是這類裝備的核心指標，同時也關注電磁能量在大氣中的獨特傳輸特性，以及高能激光束/強電磁脈沖與目標的相互作用效應等。

激光武器方面［18］，波音公司與通用動力公司聯合設計的機動戰術高能激光打擊概念被美國陸軍看中，計劃用于摧毀飛行中的短程火箭彈及炮彈。洛克希德·馬丁公司向五角大樓交付了技術先進的300千瓦級激光器；同時諾斯羅普·格魯曼公司也在研究機載高能激光吊艙。目前，激光武器的功率還不足以達到“瞬間”摧毀大型目標的程度；尚不具備全天候作戰能力；在環境適應方面上仍需尋求突破。

微波武器方面［19］，作為試驗品，在海灣戰爭中美軍就曾用一枚裝備有電磁脈沖彈頭的“戰斧”巡航導彈攻擊伊拉克防空指揮中心的電子系統；在對南聯盟的轟炸中，美軍也曾使用微波武器癱瘓南通信設施。伊拉克戰爭中，微波脈沖炸彈被首次用于空襲伊拉克國家電視臺行動，也標志著高功率微波武器正式登上了歷史舞臺。當前，值得關注的是美國空軍的反電子系統高功率微波先進導彈計劃（CHAMP）。其載荷平臺使用的是波音公司的AGM-86常規空射型巡航導彈，可針對重要戰略目標的關鍵指揮通訊與雷達系統實施電磁攻擊，為火力打擊贏得戰略先機。

電磁頻譜裝備武器化演進的同時，“電磁毀癱戰”等新型作戰樣式也逐漸嶄露頭角，正改變著電磁空間作戰的已有規則。這反過來也給其他電磁頻譜裝備帶來了更為惡劣的電磁環境效應問題，促進了裝備電磁防護加固技術的發展。

4 結束語

電磁頻譜是唯一能支持機動作戰、分布式作戰和跨域聯合作戰的物理載體，是決定未來戰爭勝負的核心因素。電磁頻譜裝備及其電磁機動能力是獲取電磁頻譜優勢，實現“馬賽克戰”和殺傷網理論的核心能力技術支撐。應當站在國家安全、電磁頻譜安全的高度，統籌規劃、全面推進電磁頻譜裝備體系建設發展。電磁頻譜裝備作用廣泛，對各個作戰環節影響深遠。針對跨域體系對抗的需求，在作戰平臺高機動、隱身化的基礎上，電磁頻譜裝備在戰術運用上還需要在偵察立體化、控制智能化、打擊精確化、防護綜合化方面加快發展，以進一步增強火力投入效率、加速作戰進程，提高體系對抗的整體作戰效能。

干擾、抗干擾等電磁環境效應機理的分析研究是一個永恒的基礎理論課題。為進一步研發利用電磁頻譜資源，應充分利用波形設計、極化技術、渦旋電磁波、空間功率合成、電磁超材料等基礎前沿技術深挖電磁波各個維度物理參數價值，并借助仿真和試驗手段綜合分析各類效應機理問題，進而從理論層面牽引新型電磁頻譜裝備技術的發展。