CN110941933A - 基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型及方法，用于对装备试验中构建的模拟电磁环境进行逼真度评估。该逼真度评估模型包括：数据库模块，用于存储开展逼真度评估的各类数据；数据处理模块，具备信号筛选、信号分类、特征数据生成等功能，为相似度计算提供数据输入；相似度计算模块，分层次完成特征相似度、信号相似度、系统相似度的计算工作，包含了进行相似度计算的核心算法；数据存取模块，以总线形式完成前述数据处理模块、相似度计算模块、显示模块与数据库模块之间的数据存取操作；显示模块，提供多种形式的评估结果显示功能。本发明可有效提升装备试验中电磁环境逼真度评估的准确性和针对性。

Description

基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型及方法

技术领域

本发明属于装备试验复杂电磁环境逼真度评估技术领域，尤其涉及一种运用相似理论对模拟电磁环境的逼真度进行评估的模型和方法。

背景技术

复杂电磁环境对信息化装备的性能和效能有着直接影响，检验信息化装备的复杂电磁环境适应性是装备试验的一项重要内容，构建逼真电磁环境是开展复杂电磁环境下装备试验的重要前提。

实际中，因为用于构建电磁环境的实体装备或模拟装备在数量、种类和性能等方面存在局限，使得模拟电磁环境往往难以与目标电磁环境完全一致。因此，评估模拟电磁环境的逼真程度就成为一个需要迫切解决的问题，它对于改进电磁环境构建方案、提高模拟电磁环境的逼真性和针对性、确保装备试验结果的可信性等方面都具有重要意义。

现有的电磁环境逼真度评估方法，主要是通过比较单个模拟装备与模拟对象在静态性能参数等方面的相关性来度量两者之间的逼真度，因此这些方法一般存在以下问题：(1)没能从受体(被试装备)感知的角度来评价模拟电磁环境的逼真度；(2)在评估过程中，没有将各项特征参数和各类电磁信号对逼真度的影响程度区分开来；(3)只考虑了“一对一”对等模拟的情况，没有考虑实际模拟中可能出现的“一对多”、“多对一”等情形，这些问题将对逼真度评估结果的准确性和针对性产生影响。

发明内容

针对现有电磁环境逼真度评估方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型及方法，可有效提升电磁环境逼真度评估的准确性和针对性。

本发明将模拟电磁环境和目标电磁环境刻画为以不同类型电磁信号作为要素组成的相似系统，从受体感知的角度划分和筛选系统间的相似要素，进而运用相似理论，通过分析计算受体在模拟电磁环境和目标电磁环境中所能感知到的电磁信号的相似程度，来评估模拟电磁环境相对于目标电磁环境的逼真度。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型，用于对装备试验中构建的模拟电磁环境进行逼真度评估，包括数据库模块、数据处理模块、相似度计算模块、数据存取模块和显示模块；

数据库模块，为评估模型的数据交互中心，包括模拟/目标环境初始信号特征数据库、模拟/目标环境生成信号特征数据库和评估结果数据库，其中模拟/目标环境初始信号特征数据库分别保存的是构建电磁环境时模拟电磁环境和目标电磁环境的信号特征数据，是数据处理模块的操作对象；模拟/目标环境生成信号特征数据库分别保存的是从受体感知的角度经过筛选、分类、合成后生成的模拟电磁环境和目标电磁环境的信号特征数据，是相似度计算模块的操作对象；评估结果数据库保存各层次相似度的计算结果，为显示模块提供数据源；

数据处理模块，从受体感知的角度，提供信号筛选、信号分类、特征数据生成功能，为相似度计算提供数据输入；

相似度计算模块，根据相似度计算算法分层次完成特征相似度、信号相似度、系统相似度的计算工作，并将各级计算结果存入评估结果数据库；

数据存取模块，以总线形式完成数据处理模块、相似度计算模块、显示模块与数据库模块之间的数据存取操作；

显示模块，用于直观显示各层次相似度的评估结果。

本发明的目的还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据受体对电磁信号的感知能力，对目标电磁环境和模拟电磁环境中的电磁信号进行筛选；

步骤S2：对筛选后的电磁信号进行分类，建立相似元；

步骤S3：提取和生成相似元的相似特征取值；

步骤S4：基于相似度计算算法对信号特征相似度、信号相似度、系统相似度进行分层次计算，并逐层聚合获得模拟电磁环境的逼真度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明所提供的基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型一实施例的模块图。

图2为图1所示实施例的评估结果显示图。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作详细描述。

请参阅图1，为本发明提供的基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型的一个实施例。本实施例中该评估模型包括数据库模块、数据处理模块、相似度计算模块、数据存取模块和显示模块，前述模块可以是单独实现某一特定功能的软件、硬件或其组合，如程序、存储介质等，也可以存储在同一网络实体或者分布式地存储在不同网络实体中，本发明并不想当然的局限在特定的实施方式上。以下分别对各模块做具体介绍：

数据库模块。数据库模块是该逼真度评估模型的数据交互中心，包括模拟/目标环境初始信号特征数据库、模拟/目标环境生成信号特征数据库和评估结果数据库等，其中模拟/目标环境初始信号特征数据库分别保存的是构建电磁环境时模拟电磁环境和目标电磁环境的信号特征数据，是数据处理模块的操作对象；模拟/目标环境生成信号特征数据库分别保存的是从受体(即被试装备)感知的角度，经过筛选、分类、合成后生成的模拟电磁环境和目标电磁环境的信号特征数据，是相似度计算模块的操作对象；评估结果数据库保存各层次相似度的计算结果，为显示模块提供数据源。

数据处理模块。包括信号筛选、信号分类、特征数据生成等子模块，其工作过程如下：从受体感知电磁信号的能力出发，筛选有效辐射源；对辐射源产生的信号进行分类，根据信号类型建立相似元；从模拟/目标环境初始信号特征数据库提取相似特征及取值，从受体感知的角度，依据一定的生成规则，生成可用于相似度计算的信号特征数据，并存入模拟/目标环境生成信号特征数据库。例如，若受体为雷达装备，则对其产生影响的有效电磁信号主要是雷达对抗信号和雷达信号，分别构成雷达对抗信号相似元和雷达信号相似元，雷达对抗信号相似元又可分为有源遮盖性干扰信号相似元和有源欺骗性干扰信号相似元，其中又以有源欺骗性干扰信号相似元为例，其相似特征包括干扰信号频率、假目标个数、脉冲重复频率、干扰信号样式、干扰信号极化方式、干扰频谱宽度等。

相似度计算模块。此模块是该逼真度评估模型的计算中心，主要完成特征相似度、信号相似度、系统相似度的分层次计算工作，并将各级计算结果存入评估结果数据库。以下对各级相似度的计算算法进行说明。

·相似特征的相似度计算

设u_i表示模拟电磁环境A和目标电磁环境B的第i个相似元，t_ij表示相似元u_i中的第j个相似特征，r_ij表示t_ij的特征相似度，相似元u_i由模拟电磁环境A的m(m≥1)个电磁信号和目标电磁环境B的n(n≥1)个电磁信号构成。r_ij的计算方法根据其特征参数取值类型不同，分为精确型特征计算、区间型特征计算和枚举型特征计算。

若相似特征的取值类型为精确型(比如雷达信号的到达功率)，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值分别为a₁,a₂,…a_m，目标电磁环境B中特征t_ij的取值分别为b₁,b₂,…b_n，则特征相似度r_ij的计算公式如下(0≤r_ij≤1)：

若相似特征的取值类型为区间型(比如雷达干扰信号的干扰频谱宽度)，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值分别为a₁[x₁,y₁],a₂[x₂,y₂]···a_m[x_m,y_m]，目标电磁环境B中特征t_ij的取值分别为b₁[x₁′,y₁′],b₂[x₂′,y₂′]···b_n[x_n′,y_n′]，则特征相似度r_ij的计算公式如下(|D|表示D的区间长度，0≤r_ij≤1)：

若相似特征的取值类型为枚举型(比如通信信号的调制方式)，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值为M＝{a₁,a₂,···a_m}，目标电磁环境B中特征t_ij的取值为N＝{b₁,b₂,···b_n}，则特征相似度r_ij的计算公式如下(a_τ∈M，ω_τ为不同电磁信号特征值对应的权重，∑ω_τ＝1)：

●相似元的相似度计算

信号相似度基于特征相似度通过权重聚合法获得，由相似特征的数量相似度和相似特征的相似度两部分组成，前者表示相似特征的数量给予信号相似度的影响，后者表示相似特征的相似度及权重对于信号相似度的贡献程度。

设对于相似元u_i，模拟电磁环境A中的特征数量为k个，目标电磁环境B中的特征数量为l个，其中相似特征的数量为p个，那么相似特征的数量相似度为p/(k+l-p)。考虑每个相似特征对相似元相似度的贡献率不同，其权重系数分别取为d₁,d₂,···d_p，则相似元u_i的相似度q(u_i)可按下式进行计算(0≤q(u_i)≤1，0≤d_j≤1，Σd_j＝1)：

●系统相似度计算

系统相似度基于信号相似度通过权重聚合法获得，由相似信号的数量相似度和相似信号的相似度两部分组成，前者表示相似信号的数量给予系统相似度的影响，后者表示相似信号的相似度及权重对于系统相似度的贡献程度。

设模拟电磁环境A有K个组成要素(电磁信号)，目标电磁环境B有L个组成要素，A与B之间的相似要素为P个，构成P个相似元，那么相似元的数量相似度为P/(K+L-P)。各个相似元的权重系数分别取为β₁,β₂,···β_P，则系统相似度Q_(A,B)的计算公式如下(0≤Q_(A,B)≤1，0≤β_i≤1，Σβ_i＝1)：

数据存取模块。该模块以数据总线的形式运行于所述逼真度评估模型中，其他模块与数据库之间的交互都交由此模块进行处理，目的在于提高系统的开发和运行效率。

显示模块。请参阅图2，该模块直接从评估结果数据库提取数据，以表格、柱状图等形式显示特征、信号、系统等各级相似度的评估结果。可动态点击查看形成本级相似度的下级相关数据，从而为模拟电磁环境构建方案的分析与调整提供直观证据。

在前述实施例的基础上，本发明提供一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估方法，具体的实现步骤如下：

步骤S1：确定被试装备(受体)后，根据受体对电磁信号的感知能力，对目标电磁环境和模拟电磁环境中的电磁信号进行筛选，其筛选条件主要包括：信号强度达到受体接收灵敏度、工作时间和工作频段交叠、极化方式非正交等；

步骤S2：对筛选后的有效电磁信号进行分类，例如，依据受体的不同，可划分为雷达信号、雷达干扰信号、通信信号、通信干扰信号、光电信号、光电干扰信号、敌我识别信号、敌我识别干扰信号等，并将目标电磁环境和模拟电磁环境建模为由相关电磁信号组成的相似系统，基于电磁信号类型建立相似元；

步骤S3：提取和生成每个相似元的相似特征取值。当某类电磁信号来自于多个辐射源时，生成相似特征取值要计算叠加效应，例如电磁信号到达功率的复合叠加；

步骤S4：基于相似度计算算法对信号特征相似度、信号相似度、系统相似度进行分层次计算，并逐层聚合获得模拟电磁环境的逼真度：

步骤S401：基于上述公式(1)～(3)，计算每个相似元所对应的各个相似特征的相似度；

步骤S402：基于上述公式(4)，计算每个相似元的相似度。每个相似特征的权重采用层次分析法(AHP)确定，AHP判断矩阵主要依据信号特征的重要性来构建，例如对于雷达信号，到达功率、信号频率等特征的重要性要高于其它信号特征；

步骤S403：基于上述公式(5)，计算模拟电磁环境和目标电磁环境之间的相似度(即逼真度)。每个相似元的权重采用层次分析法(AHP)确定，AHP判断矩阵主要依据相似元(电磁信号)对受体产生影响的程度来构建，例如，对于受体为通信装备，通信干扰信号相似元的影响程度应大于其它相似元。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型，用于对装备试验中构建的模拟电磁环境进行逼真度评估，其特征该评估模型包括数据库模块、数据处理模块、相似度计算模块、数据存取模块和显示模块；

数据库模块，为评估模型的数据交互中心，包括模拟/目标环境初始信号特征数据库、模拟/目标环境生成信号特征数据库和评估结果数据库，其中模拟/目标环境初始信号特征数据库分别保存的是构建电磁环境时模拟电磁环境和目标电磁环境的信号特征数据，是数据处理模块的操作对象；模拟/目标环境生成信号特征数据库分别保存的是从受体感知的角度经过筛选、分类、合成后生成的模拟电磁环境和目标电磁环境的信号特征数据，是相似度计算模块的操作对象；评估结果数据库保存各层次相似度的计算结果，为显示模块提供数据源；

数据处理模块，从受体感知的角度，提供信号筛选、信号分类、特征数据生成功能，为相似度计算提供数据输入；

相似度计算模块，根据相似度计算算法分层次完成特征相似度、信号相似度、系统相似度的计算工作，并将各级计算结果存入评估结果数据库；

数据存取模块，以总线形式完成数据处理模块、相似度计算模块、显示模块与数据库模块之间的数据存取操作；

显示模块，用于直观显示各层次相似度的评估结果。

2.根据权利要求1所述的基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型，其特征在于相似度计算算法从特征、信号、系统三个层次进行相似度计算，并逐层聚合获得模拟电磁环境的逼真度；

特征相似度的计算方法为：

设u_i表示模拟电磁环境A和目标电磁环境B的第i个相似元，t_ij表示相似元u_i中的第j个相似特征，r_ij表示t_ij的特征相似度，相似元u_i由模拟电磁环境A的m个电磁信号和目标电磁环境B的n个电磁信号构成；r_ij的计算方法根据其特征参数取值类型不同，分为精确型特征计算、区间型特征计算和枚举型特征计算；

若相似特征的取值类型为精确型，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值分别为a₁,a₂,…a_m，目标电磁环境B中特征t_ij的取值分别为b₁,b₂,…b_n，则特征相似度r_ij的计算公式为：

若相似特征的取值类型为区间型，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值分别为a₁[x₁,y₁],a₂[x₂,y₂]…a_m[x_m,y_m]，目标电磁环境B中特征t_ij的取值分别为b₁[x₁′,y₁′],b₂[x₂′,y₂′]…b_n[x_n′,y_n′]，则特征相似度r_ij的计算公式为：

若相似特征的取值类型为枚举型，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值为M＝{a₁,a₂,…a_m}，目标电磁环境B中特征t_ij的取值为N＝{b₁,b₂,…b_n}，则特征相似度r_ij的计算公式为：

公式(3)中a_τ∈M，ω_τ为不同电磁信号特征值对应的权重，Σω_τ＝1；

信号相似度的计算方法为：

设对于相似元u_i，模拟电磁环境A中的特征数量为k个，目标电磁环境B中的特征数量为l个，其中相似特征的数量为p个，那么相似特征的数量相似度为p/(k+l-p)；考虑每个相似特征对相似元相似度的贡献率不同，其权重系数分别取为d₁,d₂,…d_p，则相似元u_i的相似度q(u_i)可按下式进行计算：

系统相似度的计算方法为：

设模拟电磁环境A有K个组成要素，目标电磁环境B有L个组成要素，A与B之间的相似要素为P个，构成P个相似元，那么相似元的数量相似度为P/(K+L-P)；各个相似元的权重系数分别取为β₁,β₂,…β_P，则系统相似度Q_(A,B)的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估模型，其特征在于显示模块的显示形式为但不限于表格、柱状图中的一种。

4.一种基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：根据受体对电磁信号的感知能力，对目标电磁环境和模拟电磁环境中的电磁信号进行筛选；

步骤S2：对筛选后的电磁信号进行分类，建立相似元；

步骤S3：提取和生成相似元的相似特征取值；

步骤S4：基于相似度计算算法对信号特征相似度、信号相似度、系统相似度进行分层次计算，并逐层聚合获得模拟电磁环境的逼真度。

5.根据权利要求4所述的基于相似理论的复杂电磁环境逼真度评估方法，其特征在于步骤S4包括如下子步骤：

步骤S401：计算特征相似度，其方法为：

设u_i表示模拟电磁环境A和目标电磁环境B的第i个相似元，t_ij表示相似元u_i中的第j个相似特征，r_ij表示t_ij的特征相似度，相似元u_i由模拟电磁环境A的m个电磁信号和目标电磁环境B的n个电磁信号构成；r_ij的计算方法根据其特征参数取值类型不同，分为精确型特征计算、区间型特征计算和枚举型特征计算；

若相似特征的取值类型为精确型，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值分别为a₁,a₂,…a_m，目标电磁环境B中特征t_ij的取值分别为b₁,b₂,…b_n，则特征相似度r_ij的计算公式为：

若相似特征的取值类型为区间型，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值分别为a₁[x₁,y₁],a₂[x₂,y₂]…a_m[x_m,y_m]，目标电磁环境B中特征t_ij的取值分别为b₁[x₁′,y₁′],b₂[x₂′,y₂′]…b_n[x_n′,y_n′]，则特征相似度r_ij的计算公式为：

若相似特征的取值类型为枚举型，设模拟电磁环境A中特征t_ij的取值为M＝{a₁,a₂,…a_m}，目标电磁环境B中特征t_ij的取值为N＝{b₁,b₂,…b_n}，则特征相似度r_ij的计算公式为：

公式(3)中a_τ∈M，ω_τ为不同电磁信号特征值对应的权重，∑ω_τ＝1；

步骤S402：计算信号相似度，其方法为：

设对于相似元u_i，模拟电磁环境A中的特征数量为k个，目标电磁环境B中的特征数量为l个，其中相似特征的数量为p个，那么相似特征的数量相似度为p/(k+l-p)；考虑每个相似特征对相似元相似度的贡献率不同，其权重系数分别取为d₁,d₂,…d_p，则相似元u_i的相似度q(u_i)可按下式进行计算：

步骤S403：计算系统相似度，其方法为：

设模拟电磁环境A有K个组成要素，目标电磁环境B有L个组成要素，A与B之间的相似要素为P个，构成P个相似元，那么相似元的数量相似度为P/(K+L-P)；各个相似元的权重系数分别取为β₁,β₂,…β_P，则系统相似度Q_(A,B)的计算公式为：

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