CN103852648B - 获取空间电磁强度数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取空间电磁强度数据的方法，主要解决现有技术运算速度缓慢，造成电子设备无法正常工作或目标干扰大的问题，其实现步骤是：1）确定雷达发射机、通信发射机的数量和参数，并分别计算其采样频率和采样点数；2）分别对雷达信号和通信信号进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到相应信号频谱；3）设置观测点；4）通过对信号频谱运算，得到观测点雷达信号叠加频谱和通信信号叠加频谱；5）根据叠加频谱计算信号总功率，进而得到电磁强度；6）对整个观测区域重复步骤3至步骤5，获得观测区域的电磁强度数据。本发明大幅度减小了运算量，提高了电子设备反应速度，可用于分析电磁环境，避免各种电磁设备相互干扰。

Description

获取空间电磁强度数据的方法

技术领域

本发明属于空间电磁态势感知技术，具体涉及一种获取空间电磁强度数据的方法。可用于分析电磁环境，避免各种电磁设备相互干扰。

背景技术

随着信息化的发展，现实环境中的电磁设备越来越多，造成电磁环境异常复杂，如何得到电磁环境中的功率，电磁强度数据对研究电磁环境具有重要价值：一是有助于避免各电磁设备间的相互干扰；二是可引导民航飞机在运动过程中避免强电磁干扰，以使自身安全起飞和降落。

传统获取空间电磁强度数据的方法是：在观测点处先将所有经过该点的时域信号叠加，再对叠加信号进行频谱变换获得空间电磁强度数据。该方法需要在每个观测点处均进行一次运算量较大的频谱变换计算，在有大量观测点的情况下，运算速度十分缓慢，将造成电子设备无法正常工作或飞机无法及时躲避干扰等情况。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种获取空间电磁强度数据的方法，以大幅度减小运算量，提高电子设备反应速度。

为实现上述目的，本发明的实现步骤包括如下：

1）在空间放置M台雷达发射机和N台通信发射机，其中，M≥1，N≥1，雷达发射机的功率为：P_rm>0，雷达发射机的天线增益为：G_rm>0，通信发射机的功率为：P_cn>0，通信发射机的天线增益为：G_cn>0，雷达发射机的发射信号为s_rm(t)，通信发射机的发射信号为s_cn(t)，其中，m表示雷达发射机序号，m=1,2,...,M，n表示通信发射机序号，n=1,2,...,N；

2）计算雷达发射信号的采样频率f_r和采样点数K_r，通信发射信号的采样频率f_c和采样点数K_c；

3）计算雷达发射信号频谱S_rm(f)和通信发射信号频谱S_cn(f)：

对各雷达发射机信号均以采样频率f_r进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到雷达发射信号频谱S_rm(f)；

对各通信发射机信号均以采样频率f_c进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到通信发射信号频谱S_cn(f)；

4）设置一个观测点，计算观测点处各雷达信号的幅值A_rm和各通信信号的幅值A_cn：

$A_{\mathrm{rm}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{rm}}{G}_{\mathrm{rm}}\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π}{R_{\mathrm{rm}}}^2}}\text{,}$ $A_{\mathrm{cn}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{cn}}{G}_{\mathrm{cn}}\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π}{R_{\mathrm{cn}}}^2}}\text{,}$

其中，σ表示空间观测点的截面积，R_rm和R_cn分别表示雷达发射机和通信发射机到该观测点的距离；

5）计算观测点处的雷达信号叠加频谱S_r(f)和通信信号叠加频谱S_c(f)；

5a)分别计算观测点处各雷达信号的频谱得到所有雷达信号的叠加频谱S_r(f)：

$S_r\left(f\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{S}}_{\mathrm{rm}}\left(f\right)$

${\tilde{S}}_{\mathrm{rm}}\left(f\right)=A_{\mathrm{rm}}{S}_{\mathrm{rm}}\left(f\right)e^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rm}}},$

其中，τ_rm=R_rm/c表示观测点与雷达发射机间的时间延迟，c表示光速；

5b)分别计算观测点处的各通信信号频谱得到所有通信信号的叠加频谱S_c(f)：

$S_c\left(f\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{S}}_{\mathrm{cn}}\left(f\right)$

${\tilde{S}}_{\mathrm{cn}}\left(f\right)=A_{\mathrm{cn}}{S}_{\mathrm{cn}}\left(f\right)e^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{cn}}},$

其中，τ_cn=R_cn/c表示观测点与通信发射机间的时间延迟；

6）根据观测点处的雷达信号叠加频谱S_r(f)和通信信号的叠加频谱S_c(f)，计算观测点处信号总功率P：

6a)根据雷达信号叠加频谱S_r(f)每个频点上的谱线幅值H_r(k)，计算观测点处雷达信号功率P_r；

6b)根据通信信号叠加频谱S_c(f)每个频点上的谱线幅值H_c(k)，计算观测点处通信信号功率P_c；

6c)将观测点处雷达信号功率P_r与通信信号功率P_c相加，得到观测点处信号总功率P；

7）根据观测点处信号总功率P和观测点处的截面积σ得出功率谱密度：D=P/σ，进而得出观测点处的场强：

8）对整个观测区域的其它观测点重复步骤4）至步骤7），即可获得观测区域的空间电磁强度数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1）本发明采用全采样方法对中心频率较低的通信信号进行采样，而对中心频率较高的雷达信号，仅仅取其带宽内的信号进行采样，避免了对每个发射信号进行一次全采样，因而很大程度上减轻了系统的负担。

2）本发明事先对所有发射信号做频域变换得到发射信号的频谱，在每个观测点处，只需要将发射信号频谱进行一系列运算量较小的乘法和加法运算即可获得叠加频谱，避免了在每个观测点处均进行一次运算量较大的频域变换，大大提高了电子设备的运算速率，节省了运算时间，使电子装备更具灵活性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是观测点数与运行时间的关系图；

图3是观测区域电磁强度平面分布图；

图4是观测区域电磁强度三维分布图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1：确定雷达发射机和通信发射机的数量及相关参数。

在空间放置M台雷达发射机和N台通信发射机，其中，M≥1，N≥1，雷达发射机的功率为：P_rm>0，雷达发射机的天线增益为：G_rm>0，通信发射机的功率为：P_cn>0，通信发射机的天线增益为：G_cn>0，雷达发射机的发射信号为s_rm(t)，通信发射机的发射信号为s_cn(t)，其中，m表示雷达发射机序号，m=1,2,...,M，n表示通信发射机序号，n=1,2,...,N。

步骤2：计算雷达发射信号的采样频率f_r和采样点数K_r。

2a)计算雷达发射信号采样频率f_r：

2a1)根据各雷达发射信号的中心频率f_rm和带宽B_rm，计算各雷达发射信号的起始频率f_rmL和终止频率f_rmH：

f_rmL=f_rm-B_rm/2

f_rmH=f_rm+B_rm/2

2a2)取所有雷达发射信号的起始频率中的最小值，终止频率中的最大值，得到雷达发射信号的最低频率f_rL和最高频率f_rH：

f_rL=min{f_rmL}，f_rH=max{f_rmH}；

2a3)根据雷达发射信号的最低频率f_rL和最高频率f_rH，计算中间变量o：

其中，表示向下取整运算，|·|表示取绝对值运算；

2a4)根据雷达发射信号的最高频率f_rH和中间变量o，计算雷达发射信号的采样频率f_r：

f_r=2f_rH/(o+1)；

2b)计算雷达发射信号采样点数K_r：

为了保证得到的离散信号中至少包含一个完整的脉冲周期，故将雷达发射信号的采样点数K_r按下式计算：

K_r=1.2f_rmax{t_rm}，

其中，t_rm为各雷达发射信号的脉冲重复周期；为了能够进行快速傅里叶变换，雷达发射信号的采样点数K_r必须是2的幂次方，如果K_r不是2的幂次方，则将K_r增大到2的幂次方。

步骤3：计算通信发射机信号的采样频率f_c和采样点数K_c。

3a)根据各通信发射信号的中心频率f_cn和带宽B_cn，计算各通信发射信号的终止频率f_cnH：

f_cnH=f_cn+B_cn/2；

3b)取所有通信发射信号终止频率中的最大值，得到通信发射信号的最高频率f_cH：

f_cH=max{f_cnH}；

3c)通信发射信号采样点数K_c：

根据信号频谱叠加的要求，雷达信号频谱和通信信号频谱需要具有相同的采样率，即f_c/K_c=f_r/K_r；根据奈奎斯特采样定理，通信发射信号采样频率f_c应大于等于信号最高频率f_cH的2倍，即f_c≥2×f_cH；

由以上两式得到不等式K_c×(f_r/K_r)≥2f_cH，解此不等式得到通信发射信号采样点数K_c的取值范围：

$K_c\≥\frac{2f_{\mathrm{cH}}{K}_r}{f_r},$

为了能够进行快速傅里叶变换，K_c必须是2的幂次方，因此，在K_c的取值范围内，K_c取2的幂次方的最小整数；

3d)根据通信发射信号的采样点数K_c，计算通信发射信号的采样频率f_c：

f_c=K_c×(f_r/K_r)。

步骤4：计算雷达发射信号频谱S_rm(f)和通信发射信号频谱S_cn(f)。

4a)对各雷达发射机信号均以采样频率f_r进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到雷达发射信号频谱S_rm(f)；

4b)对各通信发射机信号均以采样频率f_c进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到通信发射信号频谱S_cn(f)。

步骤5：计算观测点处雷达信号的幅值A_rm和观测点处通信信号的幅值A_cn。

5a)在观测区域确定一个观测点，其位置为(x，y，z)，其中x，y，z分别表示经度、纬度和高度，分别计算观测点到各雷达发射机的距离R_rm，观测点到各通信发射机的距离R_cn：

$R_{\mathrm{rm}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{rm}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{rm}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{rm}}-z)}^2},$

$R_{\mathrm{cn}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{cn}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{cn}}-y)}^2{(z_{\mathrm{cn}}-z)}^2},$

其中，(x_rm,y_rm,z_rm)表示第m个雷达发射机的位置坐标，(x_cn,y_cn,z_cn)表示第n个通信发射机的位置坐标；

5b)计算观测点处雷达信号的幅值A_rm和观测点处通信信号的幅值A_cn：

$A_{\mathrm{rm}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{rm}}{G}_{\mathrm{rm}}\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π}{R_{\mathrm{rm}}}^2}}\text{,}$

$A_{\mathrm{cn}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{cn}}{G}_{\mathrm{cn}}\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π}{R_{\mathrm{cn}}}^2}}\text{,}$

其中，σ表示空间观测点的截面积，σ取值为1。

步骤6：计算观测点处的雷达信号叠加频谱S_r(f)和通信信号叠加频谱S_c(f)。

6a)计算观测点处的各雷达信号的频谱和各通信信号频谱

根据傅里叶变换的基本性质：

若则

可得观测点处的各雷达信号的频谱为：

${\tilde{S}}_{\mathrm{rm}}\left(f\right)=A_{\mathrm{rm}}{S}_{\mathrm{rm}}\left(f\right)e^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rm}}},$

其中，τ_rm=R_rm/c表示观测点与各雷达发射机之间的时间延迟，c表示光速，

同理可得，观测点处的各通信信号频谱

${\tilde{S}}_{\mathrm{cn}}\left(f\right)=A_{\mathrm{cn}}{S}_{\mathrm{cn}}\left(f\right)e^{-j2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{cn}}},$

其中，τ_cn=R_cn/c表示观测点到各通信发射机间的时间延迟；

6b)计算观测点处所有雷达信号的叠加频谱S_r(f)和所有通信信号的叠加频谱S_c(f)：

$S_r\left(f\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{S}}_{\mathrm{rm}}\left(f\right),$

$S_c\left(f\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{S}}_{\mathrm{cn}}\left(f\right).$

步骤7：计算观测点处信号总功率P。

7a)根据雷达信号叠加频谱S_r(f)每个频点上的谱线幅值H_r(k),计算观测点处雷达信号功率P_r：

$P_r=\underset{k=0}{\overset{K_r-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{H_r\left(k\right)}{K_r}\right)}^2,$

7b)根据通信信号叠加频谱S_c(f)每个频点上的谱线幅值H_c(k)，计算观测点处通信信号功率P_c：

$P_c=\underset{k=0}{\overset{K_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{H_c\left(k\right)}{K_c}\right)}^2,$

7c)将观测点处雷达信号功率P_r与通信信号功率P_c相加，得到观测点处信号总功率P：

P=P_r+P_c。

步骤8：获得观测点处的场强E。

8a)根据观测点处信号总功率P和观测点处的面积σ，得出功率谱密度D

D=P/σ；

8b)根据功率谱密度D，由式得出观测点处场强。

步骤9：对整个观测区域的其它观测点重复步骤4）至步骤8）即可获得观测区域的空间电磁强度数据。

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

1.仿真条件：

空间有四部不同的装备，即雷达装备、通信装备、雷达干扰装备、通信干扰装备各一个，位置坐标分别为（115°，15°，100m）,（124°，15°，300m）,（124°，24°，50m）,（115°，24°，100m）。它们的发射信号的中心频率、带宽、天线增益均相同。其中发射信号中心频率为2500MHz，带宽为10MHz，天线增益为25dB，发射功率分别为50kw，1kw，150kw，20kw。

观测区域经度范围：115°～124°，纬度范围：15°～24°，高度：10000m。

采用本发明在MatlabR2010a软件平台进行仿真实验。

2.仿真内容与结果：

仿真1，采用本发明和现有的时域叠加求场强法，分别获取各观测点的电磁强度数据，并统计软件运行时间，绘制观测点数与运行时间的关系如图2所示。图2中横坐标表示观测点数，纵坐标表示运行时间。

从图2可以看出，本发明与现有时域叠加求场强法相比，大幅度降低了运算时间，且随着观测点数的增加，运行时间降低幅度越大。

仿真2，采用本发明和现有的时域叠加求场强法，分别获取观测区域的各点的电磁强度数据，根据观测点位置坐标和对应该点的电磁强度数据，分别绘制电磁强度平面分布如图3和电磁强度三维分布如图4。

由图3、4可见，本发明和现有的时域叠加求场强法得到的磁强度分布是相同的，证明本发明获得的电磁强度数据是正确的。

综上，本发明在保证观测点电磁强度计算准确的同时，大幅度提高运算速度，不仅使电子装备更具灵活性，还有助于更迅速的感知电磁环境，做出合理决策。

Claims (5)

1.一种获取空间电磁强度数据的方法，包括以下步骤：

1)在空间放置M台雷达发射机和N台通信发射机，其中，M≥1，N≥1，雷达发射机的功率为：P_rm>0，雷达发射机的天线增益为：G_rm>0，通信发射机的功率为：P_cn>0，通信发射机的天线增益为：G_cn>0，雷达发射机的发射信号为s_rm(t)，通信发射机的发射信号为s_cn(t)，其中，m表示雷达发射机序号，m＝1,2,...,M，n表示通信发射机序号，n＝1,2,...,N；

2)计算雷达发射信号的采样频率f_r和采样点数K_r，通信发射信号的采样频率f_c和采样点数K_c；

其特征在于，还包括以下步骤：

3)计算雷达发射信号频谱S_rm(f)和通信发射信号频谱S_cn(f)：

对各雷达发射机信号均以采样频率f_r进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到雷达发射信号频谱S_rm(f)；

对各通信发射机信号均以采样频率f_c进行采样，并对采样信号进行傅里叶变换得到通信发射信号频谱S_cn(f)；

4)设置一个观测点，计算观测点处各雷达信号的幅值A_rm和各通信信号的幅值A_cn：

$\begin{array}{cc}{A}_{rm}=\sqrt{\frac{P_{rm}{G}_{rm}\mathrm{\σ}}{4{{\mathrm{\πR}}_{rm}}^2}},& A_{cn}=\sqrt{\frac{P_{cn}{G}_{cn}\mathrm{\σ}}{4{{\mathrm{\πR}}_{cn}}^2}},\end{array}$

其中，σ表示空间观测点的截面积，R_rm和R_cn分别表示雷达发射机和通信发射机到该观测点的距离；

5)计算观测点处的雷达信号叠加频谱S_r(f)和通信信号叠加频谱S_c(f)；

5a)分别计算观测点处各雷达信号的频谱得到所有雷达信号的叠加频谱S_r(f)：

$S_r\left(f\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{\tilde{S}}_{rm}\left(f\right)$

${\tilde{S}}_m\left(f\right)=A_{rm}{S}_{rm}\left(f\right)e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{rm}},$

其中，τ_rm＝R_rm/c表示观测点与雷达发射机间的时间延迟，c表示光速；

5b)分别计算观测点处的各通信信号频谱得到所有通信信号的叠加频谱S_c(f)：

$S_c\left(f\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{\tilde{S}}_{cn}\left(f\right)$

${\tilde{S}}_{cn}\left(f\right)=A_{cn}{S}_{cn}\left(f\right)e^{-j2{\mathrm{\πf\τ}}_{cn}},$

其中，τ_cn＝R_cn/c表示观测点与通信发射机间的时间延迟；

6)根据观测点处的雷达信号叠加频谱S_r(f)和通信信号的叠加频谱S_c(f)，计算观测点处信号总功率P：

6a)根据雷达信号叠加频谱S_r(f)每个频点上的谱线幅值H_r(k)，计算观测点处雷达信号功率P_r；

6b)根据通信信号叠加频谱S_c(f)每个频点上的谱线幅值H_c(k)，计算观测点处通信信号功率P_c；

6c)将观测点处雷达信号功率P_r与通信信号功率P_c相加，得到观测点处信号总功率P；

7)根据观测点处信号总功率P和观测点处的面积σ得出功率谱密度：D＝P/σ，进而得出观测点处的场强：

8)对整个观测区域的其它观测点重复步骤4)至步骤7)，即可获得观测区域的空间电磁强度数据。

2.根据权利要求1所述方法，其中所述步骤2)中计算所有雷达发射信号的采样频率f_r和采样点数K_r，按如下步骤进行：

2a)计算雷达发射信号的采样频率f_r：

2a1)根据各雷达发射信号的中心频率f_rm和带宽B_rm，计算各雷达发射信号的起始频率f_rmL和终止频率f_rmH：

$\begin{array}{c}{f}_{rmL}=f_{rm}-B_{rm}/2\\ f_{rmH}=f_{rm}+B_{rm}/2\end{array},$

2a2)取所有雷达发射信号的起始频率中的最小值，终止频率中的最大值，得到雷达发射信号的最低频率f_rL和最高频率f_rH：

f_rL＝min{f_rmL}，f_rH＝max{f_rmH}；

2a3)根据雷达发射信号的最低频率f_rL和最高频率f_rH，计算中间变量o：

其中，表示向下取整运算，|·|表示取绝对值运算；

2a4)根据雷达发射信号的最高频率f_rH和中间变量o，计算雷达发射信号的采样频率f_r：

f_r＝2f_rH/(o+1)；

2b)根据雷达发射信号的采样频率f_r，得出雷达发射信号的采样点数K_r：

K_r＝1.2f_rmax{t_rm}，

其中，t_rm表示各雷达发射信号的脉冲重复周期，如果采样点数K_r不是2的幂次方，则将K_r增大到2的幂次方。

3.根据权利要求1所述方法，其中所述步骤2)中计算通信发射信号的采样频率f_c和采样点数K_c，按如下步骤进行：

2.1)根据各通信发射信号的中心频率f_cn和带宽B_cn，计算各通信发射信号的终止频率f_cnH：

f_cnH＝f_cn+B_cn/2，

2.2)取所有通信发射信号终止频率中的最大值，得到通信发射信号的最高频率f_cH：

f_cH＝max{f_cnH}

2.3)根据通信发射信号的最高频率f_cH，雷达发射信号的采样频率f_r和采样点数K_r，得到通信发射信号采样点数K_c的取值范围：

$K_c\≥\frac{2f_{cH}{K}_r}{f_r},$

在此范围内，K_c取2的幂次方的最小整数；

2.4)根据通信发射信号的采样点数K_c，计算通信发射信号的采样频率f_c：

f_c＝K_c×(f_r/K_r)。

4.根据权利要求1所述方法，其中步骤6a)所述的计算观测点处雷达信号功率P_r，按如下公式计算：

$P_r=\underset{k=0}{\overset{K_r-1}{\Σ}}{\left(\frac{H_r\left(k\right)}{K_r}\right)}^2,$

其中，H_r(k)表示雷达信号叠加频谱S_r(f)每个频点上的谱线幅值，K_r表示雷达发射信号的采样点数。

5.根据权利要求1所述方法，其中步骤6b)所述的计算观测点处通信信号功率P_c，按如下公式计算：

$P_c=\underset{k=0}{\overset{K_c-1}{\Σ}}{\left(\frac{H_c\left(k\right)}{K_c}\right)}^2,$

其中，H_c(k)表示通信信号叠加频谱S_c(f)每个频点上的谱线幅值，K_c表示通信发射信号采样点数。