CN110456168A - 电磁环境态势展示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，旨在提供一种灵活直观、能获得较为全面的数据，更清晰、更精确的电磁环境态势展示方法。通过下述技术方案予以实现：基于平行坐标系将电磁环境进行格点化，对感知得到的辐射源位置信息进行离散化处理，并用格点编号表示辐射源位置，对空间频率维度进行定量映射，以为单位的频率数值较大，将其转化为对数形式；对其频率进行归一化处理；利用首尾两个端点为曲线的起点和终点，其余格点控制曲线走向的贝塞尔曲线对特征维之间关系进行描述；并采用贝塞尔曲线对相同特征，不同时间的相互联系进行展示，将能够反映电磁环境的各特征之间的联系以及各特征随时间的变化以图像形式展现出来。

Description

电磁环境态势展示方法

技术领域

本发明涉及电磁环境认知领域，尤其涉及电磁环境态势的展示方法。

背景技术

电磁环境的展示能够为频谱分配人员对频谱分析和决策提供支持，在内容上，电磁态势应包括辐射源目标态势、装备用频状态、电磁环境信息，以及对这些信息的分析和理解；在数据上，电磁态势应能为电子频谱管控、航路规划等指控功能提供准确的数据支撑；在形式上，电磁态势应能供丰富且便于理解的信息表现形式，使其更好的认清和理解电磁环境。其重要性丝毫不亚于地理环境和气象环境。空间内不同方位、不同类型、不同功率的辐射源射频脉冲在接收机处叠加,形成密集、多样、时变的电磁脉冲,直接地反映出电磁环境的动态性。因此,可通过电磁环境脉冲流的描述来间接地实现电磁环境态势显示。然而，电磁环境的复杂性、动态性和不可见性给态势生成中的电磁信息表征带来了困难。复杂电磁环境主要包括：地理环境、气象环境和电磁辐射等。电磁辐射是复杂电磁环境一个最为重要的因素，因此电磁效应是描述电磁态势必不可少的因素。如何在复杂电磁环境下评估和展现看不见、摸不着的电磁态势，成为仿真人员面临的新难题。由于在不同时间使用不同辐射源,造成信号数量、种类、密集程度动态变化；频域上,多种辐射源集中于有限的电磁频段内,造成信号频谱严重交叠；空域上,性能各异辐射，时域上,双源所辐射的电磁波,密集地覆盖空间；能量域上, 各型辐射源的天线方向图、波束扫描、发射功率等特性迥异,且辐射源与接收机相对位置时变,导致目标点处感知信号的功率实时变化。信号密集、频谱交叠、分布广泛、功率多变等电磁环境态势,严重地影响着装备效能的发挥。由于在空域、时域、频域上分布的电磁信号数量繁多、样式复杂、动态多变，形成了极其复杂的电磁环境。电磁环境的复杂性可能会影响频谱分配人员对电磁环境的理解，因此，对电磁环境态势可视化一直是电磁环境认知中的重点和难点。地形可视化、雷达作用范围展现、电磁环境数据的三维可视化等方面是相关研究工作的主要集中方向。目前对电磁态势的研究主要集中在已有平行坐标进行改进，通过加入贝塞尔数据拟合，解决数据遮蔽等问题。在实际使用中，往往需要从不同角度了解电磁态势以及对电磁态势进行分析，由于没有考虑交互，且抛开了传统的三维电磁态势仿真显示，难以真实、直观地展现电磁态势。而对于雷达作用范围的研究主要是将雷达模型假设放在二维或者三维环境中，考虑到其发射功率、环境中的电磁损耗以及不同电磁环境和地理环境对电磁波的影响，计算雷达的有效侦察范围，这是当前对雷达作用范围的研究。对于电磁环境数据的可视化研究大多应用面绘制或者体绘制的方法，通过相应的模型或者方针计算得到不同位置的电磁场数据，并将其映射到地形背景中，然后将其绘制出来。传统应用平行坐标进行多维数据可视化分析时，主要用于效果呈现，较少考虑用户的交互，无法充分体现平行坐标在多维数据可视分析中的作用。综上所述，电磁信号复杂、动态多变，传统交互无疑将耗费更多时间，要想对多维电磁态势进行分析和展现具有一定难度。周倜等人提出了改进平行坐标理论框架下的多维电磁态势展现方法，定量表达了电磁态势数据主体，但较难直观、真实地实现电磁态势的可视化。在现有技术中，二维电磁态势可视化的表现形式主要有等值线和分色云图两种。等值线的绘制方法主要有点阵法、网格法和三角形网格法。分色云图则更强调场强变化趋势。三维电磁态势可视化方法研究还处于不断完善阶段，是目前研究的热点问题。三维态势的构建方法主要是面绘制和体绘制两类。面绘制法一般先在三维空间数据场中构造出二维平面、曲面等几何图元，然后利用计算机图形学技术实现绘制展现。主要绘制思路是先提取目标物体的表面信息，再根据光照、明暗模型调用绘制算法进行阴影和渲染得到最后的显示图像。如此绘制出来的图像不足以反映原始数据场的全貌和细节，只能反映出部分相关图像。体绘制法是一种直接由三维数据场形成二维屏幕图像的技术。体绘制技术主要研究如何表示、维护和绘制体数据集，为洞察数据内部结构和理解物质复杂特性提供机制。体绘制最大的优势是可以探索物体的内部结构，可以描述非定形的物体如生物肌肉等，在这些方面强于面绘制技。国内外的三维电磁态势可视化在地表覆盖、地形地貌、海洋和气象环境等方面的技术相研究成果较多，但大范围电磁态势的仿真和可视化技术仍然相对薄弱。田伟等人针对具体装备，提出了一种基于地理信息系统的用频台站电磁态势仿真和可视化分析方法，该方法可有效分析用频台站电磁态势分布和指导用频台站科学合理选址，但不能够有效地展示整体电磁态势。从目前的研究现状看，电磁态势可视化系统总体框架设计还处于理论探讨层面，离实用化还有一段距离。如何根据实际使用需求设计出相对通用的可视化系统总体框架，解决不同系统之间的互联、互通和互操作就显得尤为重要。由相关领域的研究现状可以看出，电磁态势可视化技术的研究虽然已具备了一定的理论基础，但是这些相关研究尚不能很好地解决仿真实验中电磁态势可视化的通用性、真实性和直观性等问题，需要进一步研究电磁态势可视化技术。

传统的电磁态势可视化方法都是将电磁信息直接映射并绘制到地形背景中，从而实现在二维或者三维空间中的区域展现。由于多种辐射源集中于有限的电磁频段内,造成频谱的严重交叠。不同类型的辐射源可能工作于同一频段,同时某些类型的辐射源工作于多个频段(如宽频带的电子干扰设备),这会引起不同频段内脉冲分布突变性加大。导致脉冲时间分布突变性加剧,使得电磁环境在时域上呈现出多变的趋势。对于以为频谱分配人员提供频谱划分依据为目的的电磁态势分析来说，传统的方式存在如下几点不足：(1)电磁环境往往具有多个特征，在二维或者三维空间中，这些特征很难全部展示出来；(2)传统方法没有办法有效的展示各特征之间的相互关系。

对于以上两个缺点，近几年提出了平行坐标系来展示电磁环境态势的方法，其可以将多个特征之间的联系展现出来，但当数据量较大时，各连线相互遮蔽，无法清晰描述各特征之间的关联。在此基础上，基于贝塞尔曲线的改进平行坐标系展示方法克服了连线不清晰的缺点。但由于该方法只考虑了某个时刻的电磁环境态势的瞬时展现，没有考虑将不同时间，相同特征之间联系展示出来，无法为频谱分配人员提供时间上的考虑依据。

发明内容

本发明针对传统三维空间显示框架难以对电磁态势中多个维度信息进行有效可视化展现的问题及其上述存在的不足之处，为完善基于贝赛尔曲线的改进平行坐标系展示方法中对时间维度展示的不足，使得频谱分配人员可以考虑时间上各特征的相关性，本发明提出了一种灵活直观、效费比高、实验结果处理实时性强、能获得较为全面的数据，更清晰、更精确、更便于理解的展现复杂电磁态势数据的分布特征和关联关系，基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法。

本发明由以下步骤实现。一种电磁环境态势展示方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、基于平行坐标系将电磁环境进行格点化，对每个格点进行编号，对感知得到的辐射源位置信息进行离散化处理，使得辐射源位置落入最近的格点中，并用格点编号表示辐射源位置；

步骤2、电磁环境中用频设备包括雷达和通信设备，根据通用的频段划分，选取高频(HF)、甚高频(UHF)、超高频(VHF)、特高频(EHF)和极高频(SHF)作为频率维的范围，将频率范围限制在3MH_Z-300000MH_Z内，对空间频率维度进行定量映射，以H_Z为单位的频率数值较大，将其转化为对数形式；

步骤3、接收机接收到各辐射源发射信号传达到接收机的接收功率，对接收功率进行归一化处理；

步骤4、利用首尾两个端点为曲线的起点和终点，其余格点控制曲线走向的贝塞尔曲线对特征维之间关系进行描述；

步骤5、在两特征维度之间找到4个控制点，分别连接两特征所在坐标轴的对角线，得到两线段AD和BC；通过起始点做终点所在坐标轴的垂线，交两线段两点，取离终点较近的点为A₁；连接起点和A₁得到其中点A₂；通过A₁做A₁ A₂所在直线的垂线，交通过终点做起始点所在坐标轴的垂线于点B₁，取B₁和中垂线与起始点所在坐标轴的交点的中点，记为B₂；取A₂和B₂的中点，记为O，得到一组控制点(S,A₂,O,B₂,B₁,E)，其中，S和E分别为起始点和终点；

步骤6、对某时刻的电磁环境态势展示进行扩展，并采用贝塞尔曲线对相同特征，不同时间的相互联系进行展示，将能够反映电磁环境的各特征之间的联系以及各特征随时间的变化以图像形式展现出来。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明在传统的平行坐标系展示方法的基础上，基于平行坐标系将电磁环境进行格点化，对每个格点进行编号，对感知得到的辐射源位置信息(x,y)进行离散化处理，使得辐射源位置落入最近的格点中，并用格点编号表示辐射源位置；提取电磁态势要素，将其定量映射到平行坐标中进行多维展现；基于平行坐标系的电磁环境态势展示：在展现某时刻各特征之间的相互联系的基础上，扩展了时间维度上各特征的展示，可以为频谱分配人员提供时间维度上各特征的变化趋势，使得频频分配人员能够更准确的对频谱使用进行规划。较现有的电磁环境态势展示方法，本发明具有了在时间维度上的展示，同时兼具以往各特征之间的展示方法，使得电磁环境态势展示更为全面。

本发明根据通用的频段划分，选取高频(HF)、甚高频(UHF)、超高频(VHF)、特高频(EHF)和极高频(SHF)作为频率维的范围，将频率范围限制3MH_Z-300000MH_Z内，对空间频率维度进行定量映射，以H_Z为单位的频率数值较大，将其转化为对数形式；通过平行坐标与三维场景联动，从不同角度对电磁态势进行可视分析，引入时间维展现电磁态势的动态变化趋势，给出电磁态势的三维展现、分析过程及随时间变化的趋势。实验表明，交互式平行坐标多维电磁态势可视，能有效加快电磁态势感知过程。

本发明在已有平行坐标基础上增加交互操作，提出的贝塞尔曲线绘制能够优化显示总体电磁态势中的重要维度的信息,以更清晰、更精确、更便于理解的方式展现复杂电磁态势数据的分布特征和关联关系，可以在复杂环境下得到电波传播特性，为其态势评估提供电磁环境参考数据，与传统交互方式相比，具有更加方便快速、简单直观的优势，实验结果表明改进后的平行坐标系方法能够快速、有效地展现复杂的多维电磁态势信息,在装备试验和网络化训练中，能够为先期模拟所需的环境提供数据源，真实展现战场电磁态势，为训练导调控制提供帮助，为基地未来复杂电磁环境下组训提供辅助决策工具，减少真实试验的次数，大大缩减试验的成本，帮助基地在组训过程中形成可操作的实施方案。

从电磁态势基本定义和内涵入手，立足于仿真实验中电磁态势可视化亟需解决的通用性、真实性和直观性等问题，利用首尾两个端点为曲线的起点和终点，其余格点控制曲线的走向贝塞尔曲线对特征维之间关系进行描述；深入电磁态势“多层多域”描述构成要素，考虑了相同特征不同时间之间的关联。基于平行坐标系将反映电磁环境的各特征之间的联系以及各特征随时间的变化以图像形式展现出来，在时间维度上进行扩展，使得除了各特征在某一时间点上之间的联系能够清晰展示外，还提供了各特征在时间维度上的变化情况，为频谱分配人员提供更为全面的电磁环境态势信息。

本发明采用贝塞尔曲线对相同特征，不同时间的相互联系进行展示。不仅可以展示整体态势，还可以观察某个时刻各电磁环境特征维度的相互关系，同时也可以单独观察某个特征随时间的变化情况，为频谱分配人员提供较为清晰的电磁态势表征。

附图说明

图1是本发明电磁环境格点化分区示意图。

图2是本发明贝塞尔曲线控制点选取过程的流程图。

图3是本发明电磁环境态势整体展示示意图。

图4是本发明在某时刻电磁环境态势展示示意图。

图5是本发明功率维随时间变化展示示意图。

具体实施方式

参阅图1-图3。根据本发明，步骤1、对空间维度进行定量映射，如附图1所示，将电磁环境进行格点化，并对每个格点进行编号。对感知得到的辐射源位置信息(x,y)进行离散化处理，使得辐射源位置落入最近的格点中，并用格点编号表示辐射源位置。

步骤2、对频率维度进行定量映射，电磁环境中主要的用频设备是雷达和通信设备，其工作频段覆盖3MH_Z-300000MH_Z，根据通用的频段划分方法，雷达和通信设备工作于短波到毫米波五个波段。因此，选取高频(HF)、甚高频(UHF)、超高频(VHF)、特高频 (EHF)和极高频(SHF)作为频率维的范围。

用频设备工作频率以H_Z为单位时数值较大，将其转化为对数形式，公式如下：

f'＝log₁₀f，若将频率范围限制在3MH_Z-300000MH_Z内，对频率进行归一化处理：

f′_min＝log₁₀(3×10⁶)

f′_max＝log₁₀(3×10¹¹)

归一化之后的频率

其中，其中，f′_min为频率f'最小值，f′_max为频率f'最小值。

步骤3、在对能量维进行定量映射中，接收机接收到各辐射源发射信号传达到接收机的接收功率对其接收功率进行归一化处理：

其中，p_min为接收机得到的最小接收功率，p_max为接收机得到的最大接收功率。

步骤4、利用贝塞尔曲线对特征维之间关系进行描述，贝塞尔曲线由一组控制点(p₀,p₁,...,p_n)严格控制，一般情况下，首尾两个端点为曲线的起点和终点，其余格点控制曲线的走向，其表达式为：

其中，t是曲线控制系数，C(t)是贝赛尔曲线，i是控制点下标，p_i为控制点，n是伯恩斯坦多项式阶数，B_n,i(t)是控制点p_i的伯恩斯坦多项式：

图2中：步骤5、在两特征维度之间找到4个控制点，各控制点具体确定步骤如下，

(1)分别连接两特征所在坐标轴的对角线，得到两线段AC和BC；

(2)通过起始点做终点所在坐标轴的垂线，交两线段两点，取离终点较近的点为A₁；

(3)连接起点和A₁得到其中点，记为A₂；

(4)通过A₁做A₁ A₂所在直线的垂线，交通过终点做起始点所在坐标轴的垂线于点B₁；

(5)取B₁和(4)中垂线与起始点所在坐标轴的交点的中点，记为B₂；

(6)取A₂和B₂的中点，记为O；

(7)得到一组控制点(S,A₂,O,B₂,B₁,E)，其中，S和E分别为起始点和终点。

步骤6、对某时刻的电磁环境态势展示进行扩展，考虑时间维度上相同特征的变化趋势，并采用步骤4中的贝塞尔曲线对相同特征，不同时间的相互联系进行展示，其中各控制点的选取同步骤5。

图3为电磁环境态势综合展示图，本发明可以可视化电磁环境的总体态势，将各电磁环境态势特征的联系以及各特征时间上的变化情况综合展示出来，方便频率分配人员更加宏观的了解到电磁环境的整体态势。

参阅图4。图4为某个时刻各特征维度的相互关系。下面以电磁环境空间为200KM*200KM，辐射源个数为16个，其中心频率在1000-1040MHz随机选择，来模拟电磁环境来对本发明做进一步的说明，其中，电磁波在空间中的传播使用自由空间损耗模型进行仿真，自由空间损耗模型如下式：Los(dB)＝32.44+20lgd+20lgf

其中，d为辐射源到接收源的距离，单位为千米，f为载波频率，单位为MH_Z。

可以从图5的频率维在时间维度上的变化情况看出，综合展示可以较为清晰的观察到时间维和各特征维的相互关系，同时，各维度的切片展示也能清晰地展现不同维度之间的关系和相同特征随时间的变化情况。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，由于上文提到模块装配的先后顺序可以随意变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。另外，本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种电磁环境态势展示方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、基于平行坐标系，将电磁环境进行格点化，对每个格点进行编号，对感知得到的辐射源位置信息进行离散化处理，使得辐射源位置落入最近的格点中，并用格点编号表示辐射源位置；

步骤2、电磁环境中用频设备根据通用的频段划分，选取高频(HF)、甚高频(UHF)、超高频(VHF)、特高频(EHF)和极高频(SHF)作为频率维的范围，将频率范围限制在3MH_Z-300000MH_Z内，对空间频率维度进行定量映射，以H_Z为单位的频率数值较大，将其转化为对数形式；

步骤3、接收机接收到各辐射源发射信号传达到接收机的接收功率，对接收功率进行归一化处理；

步骤4、利用首尾两个端点为曲线的起点和终点，其余格点控制曲线走向的贝塞尔曲线对特征维之间关系进行描述；

步骤5、在两特征维度之间找到4个控制点，分别连接两特征所在坐标轴的对角线，得到两线段AD和BC；通过起始点做终点所在坐标轴的垂线，交两线段两点，取离终点较近的点为A₁；连接起点和A₁得到其中点A₂；通过A₁做A₁ A₂所在直线的垂线，交通过终点做起始点所在坐标轴的垂线于点B₁，取B₁和中垂线与起始点所在坐标轴的交点的中点，记为B₂；取A₂和B₂的中点，记为O，得到一组控制点(S,A₂,O,B₂,B₁,E)，其中，S和E分别为起始点和终点；

步骤6、对某时刻的电磁环境态势展示进行扩展，并采用贝塞尔曲线对相同特征，不同时间的相互联系进行展示，将能够反映电磁环境的各特征之间的联系以及各特征随时间的变化以图像形式展现出来。

2.如权利要求1所述基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，其特征在于：电磁环境中主要的用频设备是工作频段覆盖3MH_Z-300000MH_Z的雷达和通信设备，并根据通用的频段划雷达和通信设备工作于短波到毫米波五个波段。

3.如权利要求1所述基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，其特征在于：用频设备工作频率以Hz为单位时数值较大，将其频率f'转化为对数形式的公式：f'＝log₁₀f。

4.如权利要求1所述基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，其特征在于：将频率范围限制在3MH_Z-300000MH_Z内，对频率f'进行归一化处理为

频率f'最小值f′_min＝log₁₀(3×10⁶)

频率f'最小值f′_max＝log₁₀(3×10¹¹)，归一化之后的频率

5.如权利要求1所述基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，其特征在于：在对能量维进行定量映射中，接收机接收到各辐射源发射信号传达到接收机的接收功率对其接收功率进行归一化处理，得到其中，p_min为接收机得到的最小接收功率，p_max为接收机得到的最大接收功率。

6.如权利要求1所述基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，其特征在于：贝塞尔曲线由一组控制点(p₀,p₁,...,p_n)严格控制，首尾两个端点为曲线的起点和终点，其余格点控制曲线的走向的表达式为：

其中，t是曲线控制系数，C(t)是贝赛尔曲线，i是控制点下标，p_i为控制点，n是伯恩斯坦多项式阶数，B_n,i(t)是控制点p_i的伯恩斯坦多项式：

7.如权利要求1所述基于平行坐标系的电磁环境态势展示方法，其特征在于：电磁波在空间中的传播使用自由空间损耗模型进行仿真，自由空间损耗模型如下式：

Los(dB)＝32.44+20lgd+20lgf

其中，d为辐射源到接收源的距离，单位为千米，f为载波频率，单位为MH_Z。