CN108469560B - 一种基于快速s变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，包括以下步骤：(1)对实时采集到的空间电磁信号进行快速S变换，获得信号快速度S变换二维时频矩阵；(2)计算快速S变换二维时频矩阵内评估对象与干扰信号的时域占用度T_P、频率占用度F_P和能量占用度E_P；(3)根据时频空间模型，计算出电磁干扰客观复杂度C＝T_P*F_P*E_P；(4)根据客观复杂度值查找定级标准从而确定电磁干扰客观复杂度类型。本发明与现有技术相比，采用快速S变换方法，克服了傅里叶变换的一维局限性，可以同时快速提取时域占用度、频率占用度和能量占用度三个评估参数，采用时频空间模型能有效解决多评估参数同步整体评估问题。

Description

一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评 估方法

技术领域

本发明属于电磁信号处理领域，具体涉及一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法。

背景技术

电磁干扰是影响电子设备通讯正常工作的主要原因之一。近年来，由于复杂电磁环境及同频电磁干扰引起的电子设备故障频发，电磁干扰造成的热效应和强电场效应可使局部电子设备产生误动作，部分电子设备功能失效，严重时可使电子设备意外起火，造成恶性事故。面对日益复杂的应用电磁环境，如何正确评估电子设备所处电磁环境复杂程度，有效防护电磁干扰成为当前研究的热点。尽管影响电磁环境复杂度的影响因素很多，且难以从时域、频域、能量域和空域进行准确表征，但目前的文献研究结果表明电磁环境的复杂性与时频特征及能量分布密切相关。现有的研究文献分别从单个指标入手，提取相关独立参数，根据国军标独立参数分布百分比从而确定相应的电磁环境复杂度等级。但是，该方法忽略了评估对象的整体性，评估参数缺乏相应整体模型，不能确切描述干扰对象与评估对象在时间、频率和功率上的相互关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有复杂电磁环境评估存在评估参数同步提取和定性与定量评估难题，提供一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，该方法通用性强，采用快速S变换时频空间模型能有效提取时频评估特征参数，整体评估参数能精确反映电磁干扰强度；该方法实现简单，不需要多种参数测量设备，在单信号采集条件下，能实现多评估参数的提取与实时评估。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，包括以下步骤：

(1)对实时采集到的空间电磁信号进行快速S变换，获得信号快速度S变换二维时频矩阵；

(2)根据S变换二维时频矩阵计算快速S变换二维时频矩阵内评估对象与干扰信号的时域占用度T_P、频率占用度F_P和能量占用度E_P；

(3)根据时域占用度、频率占用度和能量占用度构成的时频空间模型，计算出电磁干扰客观复杂度C＝T_P*F_P*E_P；

(4)根据客观复杂度值查找定级标准从而确定电磁干扰客观复杂度类型。

按上述方案，所述步骤(1)中，快速S变换是指以高斯函数为窗函数的信号短时傅里叶变换快速度算法，算法表达式为

式中，

为实时采集到的空间电磁信号x(t)的傅里叶变换，

为高斯窗函数

的傅里叶变换，t为时间，f'为采样频率，f为频率，τ为时移因子，i为虚数；

所述步骤(2)中，时域占用度T_P是指

式中，t₁、t₂分别为有效起始时间、有效终止时间([t₁,t₂]为有效时间段)，f₁、f₂分别为所评估的起始频率、终止频率([f₁,f₂]为所评估的起终止频率范围)，S(t,f)为快速S变换二维时频矩阵，S₀为参考时频矩阵平面；

频率占用度F_P是指

能量占用度E_P是指

式中，max[S(t,f)]为S变换时频矩阵所有行列中的最大值。

按上述方案，所述步骤(4)中，根据客观复杂度值查找定级标准从而确定电磁干扰客观复杂度类型，电磁环境复杂度的定级标准如表1所示：

表1电磁环境复杂度的定级标准(％)

本发明的工作原理：首先，对实时采集到的复杂电磁信号进行S变换，获得时频域信号特征；然后，根据参考时频矩阵平面S₀，计算评估对象与干扰信号的时域占用度、频率占用度和能量占用度。最后，根据时频空间模型，计算时频能量占用度乘积，查表找出对应的电磁环境复杂度定性与定量结果，从而实现复杂电磁环境的定性与定量评估，为复杂电子设备在复杂电磁环境下的电磁干扰防护及决策提供理论依据。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、该方法实现简单，不需要多种参数测量设备，采用快速S变换方法，克服了傅里叶变换的一维局限性，在单信号采集条件下，实现多评估参数的提取与实时评估，可以同时快速提取时域占用度、频率占用度和能量占用度三个评估参数，采用时频空间模型能有效解决多评估参数同步整体评估问题，相比传统的神经网络方法计算速度更快，不仅可以对复杂电磁环境实现定量评估，而且可以实现电磁环境定性评估；

2、该设计方法通用性强，适合于无屏蔽无遮掩情况下电磁对抗评估及复杂应用环境电子设备部署前的电磁环境干扰评估。

附图说明

图1为本发明基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法流程图；

图2为本发明实施例时频空间模型；

图3为快速S变换时频空间电磁环境复杂度评估原理图；

图4为仿真信号S变换二维时频等高图；

图5为仿真信号三维时频等高图；

图6为干扰信号1作用下的S变换时频参数测试结果；

图7为干扰信号2作用下的S变换时频参数测结果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，包括以下步骤：

(1)对实时采集到的空间电磁信号进行快速S变换，获得信号快速度S变换二维时频矩阵；快速S变换是指以高斯函数为窗函数的信号短时傅里叶变换快速度算法，其表达式为式中，

为空间电磁信号x(t)的傅里叶变换，

为高斯窗函数

的傅里叶变换，t为时间，f'为采样频率，f为频率，τ为时移因子，i为虚数；

(2)根据S变换二维时频矩阵计算快速S变换二维时频矩阵内评估对象与干扰信号的时域占用度T_P、频率占用度F_P和能量占用度E_P；

时域占用度

式中，t₁、t₂分别为有效起始时间、有效终止时间，f₁、f₂分别为所评估的起始频率、终止频率，S(t,f)为快速S变换二维时频矩阵，S₀为参考时频矩阵平面；

频率占用度

能量占用度式中，max[S(t,f)]为S变换时频矩阵所有行列中的最大值；

(3)根据时域占用度、频率占用度和能量占用度构成的时频空间模型，计算出电磁干扰客观复杂度C＝T_P*F_P*E_P；时频空间模型如图2所示；

(4)根据客观复杂度值查找定级标从而确定电磁干扰客观复杂度类型；电磁环境复杂度的定级标准如表1所示。

一、快速S变换的原理如下：

设一维连续复杂电磁信号即空间电磁信号x(t)的小波变换定义为

其中，

为小波基函数，τ为时移因子，a为尺度因子。当小波基函数选用高斯窗函数

时，其对应的小波变换为

对式(2)两边同时乘以相位修正因子e^-2πat，取a＝1/f，并对其幅值进行

修正可得S变换S_T(τ,f)为

电磁信号x(t)经S变换后可得二维时频矩阵S_T(τ,f)，其中τ轴反映了信号的时域特性，f轴反映信号的频域特性，S_T幅值的大小反映了信号在该时间和频率点上的能量大小，评估原理如图3所示。

由于电磁信号所涉及信号频带范围宽，信号采样点数多，在评估参数提取时，需要大量的计算。为了提高电磁信号S变换效率，减小参数提取时间，本发明采用快速S变换算法对实时电磁信号进行时频参数提取。假设G(f')为空间电磁信号x(t)的傅里叶变换，W(f',f)为高斯窗函数ψ_a,τ(t)的傅里叶变换，则有

电磁信号x(t)的快速S变换则可表示为

由于G(f')和W(f',f)均可由快速FFT算法来实现，因此，上述快速S变换方法可实现电磁信号的快速计算，减少信号参数提取时间，实现在线实时评估。

二、时频参数分离计算方法如下：

电磁信号经快速S变换后的时频矩阵能准确地反映信号的时域特征和频域特征，快速S变换后的时频矩阵的大小代表着信号在该时间点对应频率点信号的能量的大小，因此，当评估对象的工作时间和频段范围确定后，采集信号经快速S变换后的二维时频特征就能同步准确的计算系统的时域占用度，频域占用度和能量占用度三个评估计指标。

假设评估对象位于某一特定空间Ω范围，所处的有效时间段为[t₁,t₂]，所处的起终止频率范围为[f₁,f₂]，根据环境电磁主要干扰信号的时频分布情况，计算评估时间范围t₁、t₂内，超过参考时频矩阵平面S₀的干扰信号持续时间之和K_P与评估持续时间t₂-t₁之比即可得干扰信号的时域占用度，因此，时域占用度的S变换域计算表达式为

其中，0≤S₀≤max[S_T(τ,f)]。T_P反映了干扰信号与评估对象在该时间段内的重叠程度。T_P越大，对评估对象干扰的可能性就越大。

同理，在评估频带范围f₁、f₂内，计算超过参考时频矩阵平面S₀的干扰信号频点所占带宽之和B_P与评估带宽f₂-f₁之比即可得干扰信号的频域占用度，计算表达式为

能量占用度则可通过计算时间段为[t₁,t₁]和频率段为[f₁,f₂]内的电磁干扰信号S变换幅值与评估对象幅值之比，即可得干扰电磁信号的能量占用度为

三、客观复杂度评估模型

由于电磁环境客观复杂度描述的是干扰对象与评估区域间的关系，因此，可以采用干扰信号在区域内的时间占用度、频率占用度和能量占用度三者的乘积来描述干扰信号对区域的影响力。假设区域内时间占用度、频率占用度和能量占用度的最大值为100％，则干扰信号在该区域内的占用度可用如图2所示的模型来表示。

假设评估的电磁干扰客观复杂度用C表示，则

C＝T_P*F_P*E_P (10)

传统电磁环境客观复杂度评估方法采用分离指标来划分电磁环境复杂度等级，采用10级评价模式，将不同时间占用度、频率占用度、空域占用度和背景噪声等指标定性分为一般复杂度、轻度复杂度、中度复杂度和重度复杂度四个复杂度等级。如表2所示。传统电磁环境复杂度评估方法量化了单个评估指标，但忽略了不同指标存在交叉时该方法无法对电磁环境做出客观正确的评估。

表2传统电磁环境复杂度的定级标准(％)

例如时间占用5％，频率占用30％，传统方法无法对其进行评估。因些，采用本文所提的时频空间整体评估模型，能有效解决参数交叉时的评估问题。采用时频空间模型评估时，参数定义如表1所示。定义客观复杂度和主观复杂度评估指标，并将信号工作带宽B作为主观复杂度评价的重要性能指标。干扰信号处于评估信号的有效带宽内时，该信号才能实现对目标的有效干扰。

应用实施例：

本发明方法适合任意复杂电磁环境下电磁信号干扰复杂度定性与定量评估。为了说明的方便，下面以13.56MHz射频卡为例进行电磁干扰复杂度定性与定量评估进行设计说明。

设计时，主要包括以下几点：首先，对仿真信号进行采样，假设仿真信号的频率为13.56MHz，干扰信号频率分别为25MHz、13MHz、5MHz。仿真信号经快速S变换后的二维时频等高图如图4所示。图4中，S1代表频率为13.56MHz的仿真信号，S2、S3、S4分别代表频率为5MHz、13MHz、25MHz的干扰信号，其中频率为5MHz的干扰信号虽然在时间上与评估信号同处于20-40时间段内，从主观复杂度角度分析，其时间占用度为100％，但频率占用度为0；相反，干扰信号S4在频率占用度上为100％，但在时间占用度上为0。因此，S2、S4两干扰信号对仿真信号S1没有干扰，其客观复杂度为C＝0。干扰信号S3与仿真信号S1在时频上均有部分重叠，如图5所示。因些，在实际评估过程中，只有S3处的干扰信号对评估对象存在电磁干扰，在存在时频及能量交叉时该评估结果有效。

实验采用任意波形发生器产生不同复杂程度的电磁干扰信号对射频公交卡进行模拟欺骗式电磁干扰和环境噪声电磁干扰，测试其在两种电磁干扰情况下射频公交卡的实时工作性能。实验采用集成了快速S变换labview程序RFID测试系统和实时频谱分析仪作为监测设备，对实时采集信号采用快速S变换进行时频参数、功率参数及带宽参数监测，实验监测干扰信号1作用下的公交卡测试结果如图6所示，监测干扰信号2作用下所得结果如图7所示。根据图6、图7所示的时频参数计算结果，可得表3所示的公交卡及电磁干扰信号评估参数。其中干扰信号1为同频欺骗式干扰，干扰信号2为信号源模拟环境噪声干扰。根据表3所示的干扰信号参数，根据式(7)～式(9)计算各干扰信号对公交卡信号的时域占用度、频率占用度及能量占用度。具体计算结果如表4所示。根据式(10)可以计算客观复杂度评估参数及评价结果如表5所示。由表4可知，在干扰信号1的作用下，其主观复杂度为16.8％，对照表1很难确定其电磁干扰复杂度等级，而采用本实施例新提出的时频联合模型划分标准，可知其干扰电磁复杂度等级为中度复杂，根据国军标电磁环境复杂度定义可知，在该复杂度干扰信号作用下，装备的性能将受到一定的影响，图6所示的测试波形及解码存在少量误码的测试结果验证了本实施例所提方法的正确性。由表4所示的干扰信号2所得测试结果为<0.01％可知，该环境噪声干扰下，系统的波形及解码结果均未受到影响，如图7所示。对照表1和表2可知其电磁干扰复杂度为一般复杂度。

表3公交卡及电磁干扰信号参数表

表4主观复杂度评估参数及定量评价结果

表5客观复杂度评估参数及定量评价结果

综合上述仿真结果及分析表明，本发明实施例基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法是可行的。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对实时采集到的空间电磁信号进行快速S变换，获得信号快速S变换二维时频矩阵；

所述快速S变换是指以高斯函数为窗函数的信号短时傅里叶变换快速度算法，算法表达式为

式中，

为实时采集到的空间电磁信号x(t)的傅里叶变换，

为窗函数

的傅里叶变换，t为时间，f'为采样频率，f为频率，τ为时移因子，i为虚数；

(2)根据快速S变换二维时频矩阵计算快速S变换二维时频矩阵内评估对象与干扰信号的时域占用度T_P、频率占用度F_P和能量占用度E_P；

(3)根据时域占用度、频率占用度和能量占用度构成的时频空间模型，计算出电磁干扰客观复杂度C＝T_P*F_P*E_P；

(4)根据客观复杂度值查找定级标准从而确定电磁干扰客观复杂度类型。

2.根据权利要求1所述的一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，其特征在于，所述步骤(2)中，时域占用度T_P是指

式中，t₁、t₂分别为有效起始时间、有效终止时间，f₁、f₂分别为所评估的起始频率、终止频率，S(t,f)为快速S变换二维时频矩阵，S₀为参考时频矩阵平面；频率占用度F_P是指

能量占用度E_P是指

式中，max[S(t,f)]为S变换时频矩阵所有行列中的最大值。

3.根据权利要求1所述的一种基于快速S变换时频空间模型的电磁干扰客观复杂度评估方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据客观复杂度值查找定级标准从而确定电磁干扰客观复杂度类型，电磁环境复杂度的定级标准如表1所示：

表1 电磁环境复杂度的定级标准(％)

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