CN105389431A - 一种区域电磁环境的动态特性表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域电磁环境的动态特性表征方法，用于解决现有区域电磁环境的动态特性表征方法实用性差的技术问题。技术方案是：首先，基于信号基础理论对区域接收点处电磁信号集合的进行建模；其次，利用数学形态学滤波原理对接收的电磁信号集合进行交替滤波，滤除电磁信号中的脉冲噪声和白噪声；最后，运用分形理论求解电磁环境接收点集合的关联维数。对区域电磁环境动态性量化表征。本发明根据区域电磁信号表示和数学形态学理论，不仅对区域L个接收点N个辐射源产生的电磁信号进行了建模，并且滤除了环境中突发噪声，实现了对接收信号的动态性表征。

Description

一种区域电磁环境的动态特性表征方法

技术领域

本发明涉及一种动态特性表征方法，特别是涉及一种区域电磁环境的动态特性表征方法。

背景技术

区域电磁环境中各种电磁干扰辐射信号种类繁多、调制体制各异，且在传播空间的叠加，信号参数的动态变化，传播路径及其相应影响的不确定性，表明电磁信号在时间、能量上相互干扰发生异常变化造成电磁环境动态性异常激烈。对区域中的接收设备造成严重危害。

文献“AnalysisofComplexityinBattlefieldElectromagneticEnvironment4^thIEEE.ConferenceoIndustrialElectronicsandApplicationsXi'an,China:IEEE,2009”公开了一种对区域战场电磁环境存在的异动信号特征分析方法。该方法利用基于信号密度分布的方法对区域电磁环境复杂度进行估计与表征，为战场电磁环境分析奠定基础。但是，该方法只是估计电磁环境复杂度特征，而电磁环境具有很多特征，比如动态性、涌现性、非线性等。因此，难以表征真实区域电磁环境特性。

发明内容

为了克服现有区域电磁环境的动态特性表征方法实用性差的不足，本发明提供一种区域电磁环境的动态特性表征方法。该方法首先基于信号基础理论对区域接收点处电磁信号集合的进行建模；其次，利用数学形态学滤波原理对接收的电磁信号集合进行交替滤波，滤除电磁信号中的脉冲噪声和白噪声；最后，运用分形理论求解电磁环境接收点集合的关联维数。对区域电磁环境动态性量化表征。本发明根据区域电磁信号表示和数学形态学理论，不仅对区域L个接收点N个辐射源产生的电磁信号进行了建模，并且滤除了环境中突发噪声，实现了对接收信号的动态性表征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种区域电磁环境的动态特性表征方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、将N个辐射源在某空间区域形成的电磁信号环境表示为L个点处电磁信号的集合：

{E₁(t)，E₂(t)，…，E_L(t)}(1)其中，E_i为接收点i处合成电磁信号，

式中，A_i(t)为电场的幅值，f_i(t)为频率，为相位，为场强方向或极化方向，F_i为辐射天线方向图，H_ij为辐射源i的j径信号的传递函数，∑表示传输信号多径合成，△f_i(t)为辐射源i相对接收点运动速度为v_i(t)时产生的频移。

步骤二、基于数学形态学的电磁环境信号处理。

通过形态学混合开、闭运算交替滤波，滤除电磁信号中的脉冲噪声和白噪声。具体公式如下：

开运算：

闭运算： $(E_i\·g)\left(n\right)=E_i\⊕g\mathrm{\Θ}g---\left(4\right)$

式中，E_i(t)是接收点一维离散电磁信号，取值范围为E_i(t)＝{0,1,2,…,N-1}；g(m)是结构元素，取值范围为G＝{0,1,2，…,M-1}；表示膨胀算子，表示为 $(E_i\⊕g)\left(n\right)=\underset{m\∈G}{max}\left\{E_i\right(n-m)+g(m\left)\right\};$ 表示腐蚀算子，表示为 $\left(E_i\mathrm{\Θ}g\right)\left(n\right)=\underset{m\∈G}{max}\left\{E_i\right(n-m)-g(m\left)\right\}.$

步骤三、基于分形理论求解电磁环境关联维数D(m)。

$D\left(m\right)=\lim \frac{{\mathrm{lnC}}_m\left(r\right)}{ln\left(r\right)}---\left(5\right)$

$C\left(r\right)=\frac{2}{N_m(N_m-1)}\underset{i,j=1}{\overset{N_m}{\Σ}}H(r-r_{ij})---\left(6\right)$

$r_{ij}=d_2(Y_i,Y_j){\[\underset{l=0}{\overset{m-l}{\Σ}}{(E_{i+l\mathrm{\τ}}-E_{j+l\mathrm{\τ}})}^2\]}^{\frac{1}{2}}---\left(7\right)$

式中，H是Heaviside函数，当r>0，H(r)为1，r≤0是H(r)为0。{E₁,E₂,…,E_i,…}为区域形成的电磁合成信号的集合，重构延时后得到新集合记为： $Y_n(m,\mathrm{\τ})=(E_n,E_{n+1},...E_{n+(m-1)\mathrm{\τ}}),n=1,...,N_m,$ τ为延迟时间，τ＝k△t，△t是时间序列的采样时间间隔，N_m＝N-(m-1)τ为的总点数。

本发明的有益效果是：该方法首先基于信号基础理论对区域接收点处电磁信号集合的进行建模；其次，利用数学形态学滤波原理对接收的电磁信号集合进行交替滤波，滤除电磁信号中的脉冲噪声和白噪声；最后，运用分形理论求解电磁环境接收点集合的关联维数。对区域电磁环境动态性量化表征。本发明根据区域电磁信号表示和数学形态学理论，不仅对区域L个接收点N个辐射源产生的电磁信号进行了建模，并且滤除了环境中突发噪声，实现了对接收信号的动态性表征。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法中QPSK信号关联维数D＝1.7的曲线。

图2是本发明方法中QPSK和16QAM合成关联维数D＝1.8的曲线。

图3是本发明方法中DPSK和ASK合成关联维数D＝1.6的曲线。

图4是本发明方法中DPSKASK16QAMQPSK合成关联维数D＝2.2的曲线。

具体实施方式

参照图1-4。本发明区域电磁环境的动态特性表征方法具体步骤如下：

步骤一、区域电磁环境信号表示。

N个辐射源在某空间区域形成的电磁信号环境表示为L个点处电磁信号的集合：

{E₁(t)，E₂(t)，…，E_L(t)}(1)

其中，E_i为接收点i处合成电磁信号，

A_i(t)为电场的幅值，f_i(t)为频率，为相位，为场强方向或极化方向，F_i为辐射天线方向图，H_ij为辐射源i的j径信号的传递函数，∑表示传输信号多径合成，△f_i(t)为辐射源i相对接收点运动速度为v_i(t)时产生的频移。

步骤二、基于数学形态学的电磁环境信号处理。

通过形态学混合开、闭运算交替滤波，滤除电磁信号中的脉冲噪声和白噪声。具体公式如下：

开运算：

闭运算： $(E_i\·g)\left(n\right)=E_i\⊕g\mathrm{\Θ}g---\left(4\right)$

式中：E_i(t)是接收点一维离散电磁信号，取值范围为E_i(t)＝{0,1,2,…,N-1}；g(m)是结构元素，取值范围为G＝{0,1,2,…,M-1}；表示膨胀算子，表示为 $(E_i\⊕g)\left(n\right)=\underset{m\∈G}{max}\left\{E_i\right(n-m)+g(m\left)\right\};$ 表示腐蚀算子，表示为 $\left(E_i\mathrm{\Θ}g\right)\left(n\right)=\underset{m\∈G}{max}\left\{E_i\right(n-m)-g(m\left)\right\}.$

步骤三、基于分形理论求解电磁环境关联维数D(m)。

$D\left(m\right)=\lim \frac{{\mathrm{lnC}}_m\left(r\right)}{ln\left(r\right)}---\left(5\right)$

$C\left(r\right)=\frac{2}{N_m(N_m-1)}\underset{i,j=1}{\overset{N_m}{\Σ}}H(r-r_{ij})---\left(6\right)$

$r_{ij}=d_2(Y_i,Y_j){\[\underset{l=0}{\overset{m-l}{\Σ}}{(E_{i+l\mathrm{\τ}}-E_{j+l\mathrm{\τ}})}^2\]}^{\frac{1}{2}}---\left(7\right)$

式中H是Heaviside函数，当r>0，H(r)为1，r≤0是H(r)为0。{E₁,E₂,…,E_i,…}为区域形成的电磁合成信号的集合，重构延时后得到新集合记为： $Y_n(m,\mathrm{\τ})=(E_n,E_{n+1},...E_{n+(m-1)\mathrm{\τ}}),n=1,...,N_m,$ τ为延迟时间，τ＝k△t，△t是时间序列的采样时间间隔，N_m＝N-(m-1)τ为的总点数。

参照表1首先运用Matlab模拟产生了四种不同调制方式的通信信号作为构成复杂区域电磁环境的主要要素，其次对于其余的信号和杂波一并作为噪声信号模拟产生。运用基于数学形态学和分型理论对该区域四中不同调制的通信信号及其相互作用后信号关联维数的计算，解算其分行维数对区域电磁环境动态性进行特征。

表1仿真信号参数设置

图1所示曲线表示区域中是1.4GHz的QPSK信号时接收点集合的关联维数；直线表示最小二乘拟合后，该区域的关联维数。

图2所示曲线表示区域中是1.4GHz的QPSK信号和1.2GHz的16QAM合成时接收点集合的关联维数；直线表示最小二乘拟合后，该区域的关联维数。

图3所示曲线表示区域中是1.1GHz的DPSK信号和1.2GHz的ASK合成时接收点集合的关联维数；直线表示最小二乘拟合后，该区域的关联维数。

图4所示曲线表示区域中是1.1GHz的DPSK信号、1.2GHz的ASK、1.4GHz的QPSK信号和1.2GHz的16QAM合成时接收点集合的关联维数；直线表示最小二乘拟合后，该区域的关联维数。

Claims (1)

1.一种区域电磁环境的动态特性表征方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将N个辐射源在某空间区域形成的电磁信号环境表示为L个点处电磁信号的集合：

{E₁(t)，E₂(t)，…，E_L(t)}(1)

其中，E_i为接收点i处合成电磁信号，

式中，A_i(t)为电场的幅值，f_i(t)为频率，为相位，为场强方向或极化方向，F_i为辐射天线方向图，H_ij为辐射源i的j径信号的传递函数，∑表示传输信号多径合成，△f_i(t)为辐射源i相对接收点运动速度为v_i(t)时产生的频移；

步骤二、基于数学形态学的电磁环境信号处理；

通过形态学混合开、闭运算交替滤波，滤除电磁信号中的脉冲噪声和白噪声；具体公式如下：

开运算：(E_iоg)(n)＝E_iΘg⊕g(3)

闭运算：(E_i·g)(n)＝E_i⊕gΘg(4)

式中，E_i(t)是接收点一维离散电磁信号，取值范围为E_i(t)＝{0,1,2,…,N-1}；g(m)是结构元素，取值范围为G＝{0,1,2,…,M-1}；⊕表示膨胀算子，表示为Θ表示腐蚀算子，表示为 $\left(E_i\mathrm{\Θ}g\right)\left(n\right)=\underset{m\∈G}{max}\left\{E_i\right(n-m)-g(m\left)\right\};$

步骤三、基于分形理论求解电磁环境关联维数D(m)；

$D\left(m\right)=\lim \frac{{\mathrm{lnC}}_m\left(r\right)}{ln\left(r\right)}---\left(5\right)$

$C\left(r\right)=\frac{2}{N_m(N_m-1)}\underset{i,j=1}{\overset{N_m}{\Σ}}H(r-r_{ij})---\left(6\right)$

$r_{ij}=d_2(Y_i,Y_j){\[\underset{l=0}{\overset{m-l}{\Σ}}{(E_{i+l\mathrm{\τ}}-E_{j+l\mathrm{\τ}})}^2\]}^{\frac{1}{2}}---\left(7\right)$

式中，H是Heaviside函数，当r>0，H(r)为1，r≤0是H(r)为0；{E₁,E₂,…,E_i,…}为区域形成的电磁合成信号的集合，重构延时后得到新集合记为：Y_n(m,τ)＝(E_n,E_n+1,…E_n+(m-1)τ),n＝1,…,N_m，τ为延迟时间，τ＝k△t，△t是时间序列的采样时间间隔，N_m＝N-(m-1)τ为的总点数。