电磁频谱装备技术初探

王国玉，许雄，汪连栋，徐振海，刘兴华，4

（1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003；2.国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南 长沙 410073；3.北京航空航天大学，北京 100191；4.军事科学院军事科学信息研究中心，北京 100142）

0 引言

电磁频谱安全事关国家利益和国家安全［1-3］。在大国竞争的战略背景下，美国重新审视了未来战场，提出了电磁频谱优势战略。电磁频谱作战是夺取电频频谱优势的新型作战样式，其作战行动包括电磁频谱管理、信号情报和电磁战三大部分［4-8］，其中，电磁战是电磁频谱作战中最活跃、最具进攻性、威胁性和主动性的部分，主要包括电磁支援、电磁防护和电磁攻击等作战样式。由于每一种作战样式都离不开具体装备技术的支撑，因此，电磁频谱装备技术是实现电磁战的关键要素和物质基础，是夺取电磁频谱优势、维护电磁频谱安全的基本保障。

当前，在各种军事需求的牵引和前沿技术的推动下，各类用频装备也获得了飞速发展，不同功能用途、形态规模、性能水平的用频装备层出不穷，呈现出百花齐放但又烟囱林立的状态。本文提出应该系统建立电磁频谱装备的概念，梳理电磁频谱装备技术体系和发展趋势，以便集约高效发展相关装备技术，加快提升电磁频谱作战能力。

1 电磁频谱装备及其主要分类

从概念上说，电磁频谱装备与常说的电子信息装备既有区别又有联系。电子信息装备主要关注的是信息，主要功能包括信息获取、传输、处理和控制等［9-11］。而电磁频谱装备则关注的是其利用电磁波的物理属性，重点在电磁频谱的研发利用［12］。电磁频谱装备可以称作是工作在特定频段电磁频谱上以电磁波为能量或信息承载体的装备。

1.1 电磁频谱装备的概念内涵

电磁频谱装备是以电磁波为工作载体的各类系统、设备、设施、仪器、器材等的总称，是军事装备的重要组成部分。电磁频谱装备是直接工作在电磁频谱域或电磁空间的实体。电磁空间的人为活动是由一系列不同的电磁频谱装备共同参与的。

一般而言，电磁频谱装备共性特征是都具有对电磁波的接收或发射等功能。简单说电磁频谱装备都具有天线这一关键部件，包括光学天线或光电传感器。

例如，独立的强激光系统就是一种电磁频谱装备，但不是电子信息装备；而带有探测跟踪装置的激光武器系统既是电磁频谱装备也可视作广义的电子信息装备。

1.2 电磁频谱装备的主要分类

首先，按照所利用频谱频段差异，从低频到高频，大体可分为无线电系统、微波系统、毫米波系统、太赫兹系统、红外系统、可见光系统、X射线系统等。不同频段具有不同的发射、传播、接收等特性和不同的功能，在不同的场合发挥不同的作用。

其次，按照是否主动发射电磁波的差异，又可分为有源系统、无源系统2大类。有源系统就是利用装备自己主动发射的电磁波进行工作；而无源系统则是利用其它系统发射的电磁波进行工作。这2类系统各有特点，对应于不同的需求。在不同场景中，各自还有不同的变体，如有源系统可以是本地的单独辐射源，也可以是分布式的多辐射源；无源系统可以是外界直达的辐射源，也可以是反射或散射而来的辐射源。

再者，按功能用途差异，可分为无线通信、无线探测、无线遥控、无线导航、无线侦察、无线对抗等功能。基本涵盖现有军事装备中的无线通信装备、预警探测装备、遥测遥控装备、导航定位装备、电子侦察装备、电子对抗装备、高功率微波武器、高能激光武器等类型，也包括嵌入到各类武器装备中的用频模块，如雷达导引头、光电导引头、电视摄像头、数据链组件、无线电引信等。

当然，还可以有其他多种分类方式，如可以按照技术体制或技术参数区分为宽带系统、窄带系统，以及小功率或大功率系统；也可以根据使用场景、使用方式等区分为地面、水面、空中、空间等不同应用，以及车载、舰载、机载、弹载、星载等不同形式；又或者分为通用和专用等不同类型，等等。

2 电磁频谱装备的特点

电磁频谱装备的主要特点表现在技术和战术2个方面。

2.1 技术特点

1）外在表现无声无息

电磁波是电磁频谱装备的工作载体。除了可见光频段外，电磁波看不见、摸不着，所以从外部角度一般看不明白电磁频谱装备的工作状态，即使是传统的机械扫描式雷达，人们也无法准确确定其天线的波束范围等。电磁频谱装备的工作状态只能依赖于先进的电子测量仪器来进行感知。人们正在探索不同的可视化方法，来尽可能地展现或模拟仿真电磁频谱装备的工作过程。

2）功能作用瞬间完成

电磁波具有光速的传播速度，承载在电磁波上的能量或信息可以在1 s内传播3×105km。在有限地域空间内，电磁频谱装备功能作用能够在瞬间完成，装备之间的相互影响也可以在瞬间发生，完全超出了人类能够反应的时间。因此，电磁频谱装备用于军事行动具有“秒杀”效应。

3）作用范围超越视距

电磁波不仅传播速度快，而且传播距离远。正像马可尼实现跨洋长距离无线电通信那样，在当时对人类来说是不可思议的。后来又陆续发展了远程无线电广播、无线电探测、无线电测控、无线电导航等先进技术。这些技术的出现都极大拓展了人类的感官能力，使人们能够在相当遥远的距离上便捷地实现通话、测量、遥控等诸多功能，创造了许多意想不到的“超人”能力。

4）环境影响难以捉摸

电磁波的折射、散射等物理特性，使得电磁频谱装备在工作时会受到地理环境和大气环境等自然环境的影响，导致原本设计好的技术性能可能出现一些随机不稳定的状态。同时，电磁频谱装备数量的无限增长，导致电磁信号环境变得密集而又杂乱；加之军事斗争的需要，人为设计的对抗类装备使得电磁环境更为恶化。这就产生了所谓的复杂电磁环境。复杂电磁环境作用到电磁频谱装备上又会产生各种难以明晰的效应现象，电磁频谱装备的脆弱性与生俱来。

2.2 战术特点

1）主动辐射装备易被发现

虽然，电磁频谱装备的外在表现无声无息，但只要是有源系统，工作时都主动向外界辐射电磁波，就可能被高灵敏度的仪器探测到。装备的辐射功率越大、作用距离越远，就越容易被发现。在当今“发现即摧毁”的时代，这种电磁频谱装备的使用越来越受限。人们也持续不断地对这类装备进行改进，提出低截获概率等新概念和新技术，寻求射频隐身等技术突破，以进一步满足现实的军事需求。

2）被动探测装备隐蔽性强

被动探测装备不主动向外发射电磁波，只是作为一个沉默的“哨兵”，悄悄地进行侦察、监听。得益于电磁波作用范围广、信号感知快等特点，被动探测系统具有得天独厚的隐蔽优势，能够在超视距范围长时间、快速又稳定地进行信号情报侦察分析，已成为现代战争中必不可少的关键装备。它通常贯穿战争始终，支援全程作战行动，也催生出了现代战场上的电磁静默战术战法，以及美军的“低-零功率”作战概念。

3 电磁频谱装备技术动态趋势

鉴于电磁频谱装备易受自然环境和电磁环境的影响，特别是在强对抗战术环境下，电磁频谱装备所呈现出的电磁环境效应现象复杂、效应机理难以解析，作用效能发挥受限。为了进一步解决电磁频谱装备面临的易受环境影响和效能难以发挥等问题，人们不断从技术体制上进行研究改进，陆续提出一些新的理念，如采用多功能一体、网络化协同等概念进行装备技术创新，以进一步全面地推动电磁频谱装备的性能提升。

3.1 共享射频孔径，实现一体化集成

从需求上说，自然希望在同一个物理载体，如同一艘舰、同一架飞机、同一颗卫星，甚至同一枚导弹上安装更多的设备模块。然而物理载体的空间毕竟是有限的，于是从技术层面就催生了侦、干、探、通等多种功能集于一体的架构，其关键技术在于设备模块化、射频孔径共享化、波形共用化、控制一体化等。而这些技术概念可实现的物理基础则在于电磁波参数的多维特性，可以设法做到处于不同频带的信号相互不影响、位于不同波束的信号相互不影响，排在不同时序上的信号相互不影响等。这些特性不仅为多功能集成提供了手段，也为研究解决电磁环境效应等问题提供了途径。

例如，美海军的“集成桅杆”项目［13］，这是针对舰载使用平台的一种解决方案。由于对雷达、通信、电子战等射频功能的需求多样化，早期型号舰艇的上层建筑总是布设有大量离散的射频天线，不断新增的设备数量不仅会增加桅杆质量及电力消耗，也会导致船型不断增大和建造成本增加；同时舰艇的隐身性能难以得到控制；不仅如此，每个用频设备之间还不可避免地存在各个电磁耦合、干扰现象，严重影响设备的正常使用。通过“集成桅杆”项目研究，目前美军基本实现了舰载多功能射频孔径的一体化设计、模块化开放式的射频构架设计和动态资源统筹分配设计，总体上有效提高了舰船的电磁频谱作战能力，同时显著降低了成本消耗，延长了使用寿命。

另一个有代表性的案例就是美军机载平台上的“宝石台”计划［14］，其是“宝石柱”计划的后续。由于飞机上的空间比舰艇上的空间要小得多，航空电子系统的综合化、一体化更是业界一贯的追求。“宝石柱”计划侧重的是航空电子系统后端软件系统的综合化，而“宝石台”则侧重硬件架构，即从先进综合射频的角度进行攻关。最终，以“宝石台”为代表的综合射频等颠覆性技术成就了F-35战斗机的先进性能。

同样，还有星载电磁频谱设备也在一体化集成上不断取得进展。同时，在芯片技术的推动下，各种导引头也实现了射频功能的积极拓展，已经在无源与有源复合、微波和光电复合等多模复合的路线上取得重要进步。

3.2 互联分工协作，追求网络化协同

由于单平台的综合集成能力在一定程度上还是会受限的，于是，在“平台中心战”到“网络中心战”的作战概念演进过程中，电磁频谱装备的网络化自然成为发展潮流。作为网络信息体系的重要组成，电磁频谱装备都试图通过无线或有线网络实现互联互通。在“全球信息栅格”（GIG）概念的驱动下，通过作为“神经中枢”的无线数据链将地基、海基、空基和天基的各种传感器和武器平台集成在一起，努力形成一个强大的指挥自动化系统（C4ISR）。

例如，美导弹防御计划［15］，包括陆基中段防御（GMD）、“宙斯盾”海基中段防御系统、“萨德”（THAAD）陆基末端高空区域防御系统，以及“爱国者”（PAC）末端防御系统。从电磁频谱使用角度看，该计划涉及天基红外预警卫星、地/海基远程预警雷达GBR/SBX/LRDR、舰载“宙斯盾”SPY-1D雷达、“萨德”TPY-2雷达、“爱国者”MPQ-65雷达、拦截武器各类多模制导等诸多系统，既有光学/红外频段，也有P/L/S/C/X等各微波频段。在作战管理系统统一指挥控制下，各系统分工协作，网络化协同，遂行导弹防御作战任务。

当前，美军又在“马赛克战”作战概念的指引下［16］，期望以稳健的无线通信组网技术为基础，充分发挥分布式系统灵活组合后的整体协同优势，形成能够快速响应任何场景需求的理想作战能力。可见，电磁频谱装备的形态又将发生革命性的变化，其将与武器平台、无人平台充分融合，充分利用电磁频谱天然纽带和桥梁作用，实现真正的跨域联合，以支撑全域联合作战。

3.3 软件定义功能，寻求智能化决策

无论是单平台的多功能一体，还是“马赛克战”中的灵活组合，都离不开装备软件的支持。可以说，自从1990年代“软件无线电”概念提出后，电磁频谱装备技术发展的重要热点焦点就是软件。当然，软件化与硬件数字化的发展是分不开的。在先进精简指令集微处理器（ARM）、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等数字技术和高速模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）等芯片技术，以及标准总线技术等共同牵引下，软件无线电技术得以飞速发展。开放式、可重构理念与技术进步展现出可编程、软件定义功能的便捷与先进。于是电磁频谱装备不仅功能越来越强大，满足了多样化的需求，而且设备越来越灵活，顺应了通用化、小型化、低成本等迫切要求。

在机器学习算法、图形处理器（GPU）等人工智能前沿技术的发展触动下，为了提高频谱利用率，提高装备在电磁空间的决策控制能力，相继出现了“认知无线电”“认知雷达”“认知电子战”等概念。认知无线电技术在寻找频谱空洞，以及实时改变传输功率、载波频率和调制方式等方面的进步给通信装备的性能带来了质的飞跃，能够自动感知、适应外界电磁环境的变化，发挥最佳通信效能。认知雷达技术通过自主学习和提取目标和环境的多域特征，可以判定杂波或干扰性质，进而可采取具有针对性的信号处理措施，可全面提升目标检测识别能力。认知电子战技术则尝试通过不断感知电磁信号环境以实时智能分析出目标辐射源信号特征、行为和威胁程度，进而动态调整对抗措施，优化干扰波形参数等。

近来，比较有代表性的工作有［17］：美自适应雷达对抗（ARC）项目、自适应电子战行为学习（BLADE）项目、极端射频频谱条件下的通信（COMMEX）项目等。

认知系统实质上是模拟人类“观察（Observation）-判断（Orientation）-决策（Decision）-执行（Action）”（OODA）行为的一个闭环系统，共性特征一般包含为五类功能模块：电磁环境感知模块、电磁行为判断模块、辐射波形优化模块和决策效果评估模块，以及必不可少的知识库。认知系统已具备一定的智能化能力，但现实的战场电磁环境错综复杂，现有的智能算法在电磁环境特性的基础研究以及用于训练算法的海量数据积累等方面与要求相差甚远。

3.4 能量效应突显，武器化演进加快

在电磁频谱装备的软硬件架构不断往综合化、网络化、智能化方向发展的同时，电磁能量武器化的应用探索也在被稳步推进。作为新概念武器库中的定向能武器，目前已获得了实质性的突破。其中，高能激光武器一般要求具有100 kW以上的激光功率输出，能够在极短时间内对一定距离内目标进行烧毁；而高功率微波武器一般应具有100 MW以上的脉冲峰值功率输出，能够攻击一定距离内几乎所有电子设备，包括雷达、通信、导航、计算机、传感器等，瞬间击穿电子元器件，达到损坏电子系统的目的。在武器化演进过程中，功率是这类装备的核心指标，同时也关注电磁能量在大气中的独特传输特性，以及高能激光束/强电磁脉冲与目标的相互作用效应等。

激光武器方面［18］，波音公司与通用动力公司联合设计的机动战术高能激光打击概念被美国陆军看中，计划用于摧毁飞行中的短程火箭弹及炮弹。洛克希德·马丁公司向五角大楼交付了技术先进的300千瓦级激光器；同时诺斯罗普·格鲁曼公司也在研究机载高能激光吊舱。目前，激光武器的功率还不足以达到“瞬间”摧毁大型目标的程度；尚不具备全天候作战能力；在环境适应方面上仍需寻求突破。

微波武器方面［19］，作为试验品，在海湾战争中美军就曾用一枚装备有电磁脉冲弹头的“战斧”巡航导弹攻击伊拉克防空指挥中心的电子系统；在对南联盟的轰炸中，美军也曾使用微波武器瘫痪南通信设施。伊拉克战争中，微波脉冲炸弹被首次用于空袭伊拉克国家电视台行动，也标志着高功率微波武器正式登上了历史舞台。当前，值得关注的是美国空军的反电子系统高功率微波先进导弹计划（CHAMP）。其载荷平台使用的是波音公司的AGM-86常规空射型巡航导弹，可针对重要战略目标的关键指挥通讯与雷达系统实施电磁攻击，为火力打击赢得战略先机。

电磁频谱装备武器化演进的同时，“电磁毁瘫战”等新型作战样式也逐渐崭露头角，正改变着电磁空间作战的已有规则。这反过来也给其他电磁频谱装备带来了更为恶劣的电磁环境效应问题，促进了装备电磁防护加固技术的发展。

4 结束语

电磁频谱是唯一能支持机动作战、分布式作战和跨域联合作战的物理载体，是决定未来战争胜负的核心因素。电磁频谱装备及其电磁机动能力是获取电磁频谱优势，实现“马赛克战”和杀伤网理论的核心能力技术支撑。应当站在国家安全、电磁频谱安全的高度，统筹规划、全面推进电磁频谱装备体系建设发展。电磁频谱装备作用广泛，对各个作战环节影响深远。针对跨域体系对抗的需求，在作战平台高机动、隐身化的基础上，电磁频谱装备在战术运用上还需要在侦察立体化、控制智能化、打击精确化、防护综合化方面加快发展，以进一步增强火力投入效率、加速作战进程，提高体系对抗的整体作战效能。

干扰、抗干扰等电磁环境效应机理的分析研究是一个永恒的基础理论课题。为进一步研发利用电磁频谱资源，应充分利用波形设计、极化技术、涡旋电磁波、空间功率合成、电磁超材料等基础前沿技术深挖电磁波各个维度物理参数价值，并借助仿真和试验手段综合分析各类效应机理问题，进而从理论层面牵引新型电磁频谱装备技术的发展。