CN113225145A - 一种无线电信号多维时变特征可视化方法 - Google Patents

一种无线电信号多维时变特征可视化方法 Download PDF

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CN113225145A CN202110497968.XA CN202110497968A CN113225145A CN 113225145 A CN113225145 A CN 113225145A CN 202110497968 A CN202110497968 A CN 202110497968A CN 113225145 A CN113225145 A CN 113225145A
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Abstract

本发明公开一种无线电信号多维时变特征可视化方法，具体为获取无线电信号数据；对获取的无线电信号分类；计算每类无线电信号平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比；将时间段进行划分为时间片，并计算每个时间片平均信号强度、平均载噪比；绘制无线电信号数据频率‑时间摘要图并进行视觉编码；绘制无线电信号数据信号流图。将无线电信号多维度特征随时间变化情况可视化，以无线电信号河流图将无线电信号特征呈现，用户可以获得所需无线电信号的所有特征。将完整无线电信号图分为若干个视觉编码单元，以“摩斯编码”信号摘要可视化视觉编码设计让用户在短时间内对无线电信号出现和消失情况整体了解，为工作人员提供更多分析依据。

Description

一种无线电信号多维时变特征可视化方法
技术领域
本发明属于信息可视化领域，特别是涉及一种无线电信号多维时变特征可视化方法。
背景技术
无线电技术的出现，使信息传输摒弃了时空约束，无线电波作为信息传输重要载体，频率大约为10KHz～30,000,000KHz,是一种有限的资源。为了让有限的无线电频谱得到最大程度利用，减少无线电信号间干扰，保证信息传输准确，需要通过加强对无线电信号的监测与管理，来保障各项通信任务。
无线电信号监测是管理无线电信号的前提。生活中各种无线电信号监测设备，通过对一定频段内无线电频谱监测，为频谱数据多方面分析提供数据来源。传统无线电频谱数据分析用幅频图、时频图、余晖图等可视化手段来将监测到的频谱数据展示出来，再由专业人员对展示出来的频谱数据进行分析，从而达到找出需要的频谱数据的目的。传统无线电频谱数据分析方法需要分析人员专业素质强，但普通用户专业知识掌握程度较低，不容易从频谱分析图中找寻出需要的频谱数据，且长时间的人工分析，工作效率也会大打折扣，难以及时检测到异常信号，信号之间复杂关联的分析程度将随之变弱。
对监测到的无线电频谱数据进行信号处理，将无线电频谱数据转换为无线电信号数据，每一个无线电信号都有中心频率、带宽、信噪比、信号强度、时间戳等特征，这些特征，使得无线电信号更加直观地展现出来。无线电信号数据提高了无线电频谱数据的可读性，普通用户也可以直观地了解到感兴趣的信号信息。无线电信号数据相对于无线电频谱数据是一种很好的补充，但是在实际应用中也存在许多问题：无线电信号数据是根据时间提取，不同时刻无线电信号的信噪比、中心频率等特征不同，由于监测误差、存在噪声等原因，传统的可视化手段很难体现出无线电信号多维度时变特征，因此亟需一种对无线电信号多维度时变特征可视化的方法。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种无线电信号多维时变特征可视化方法，解决无线电信号特殊、异常时及时发现、快速捕捉的问题，及将无线电信号多维度时频特征可视化方便用户观察、分析无线电信号的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取无线电信号数据
无线电信号数据为时间段[Tstart,Tend]及频率段[Fstart,Fend]内检测到的所有b个无线电信号，每个无线电信号数据记录都对应一个无线电信号，每个无线电信号包含的特征有中心频率、带宽、载噪比、信号强度、信号状态、载波序号和时间戳，时间戳为在该时间点无线电信号被检测到，其中第i个无线电信号Si的中心频率为
Figure BDA0003055209870000021
带宽为
Figure BDA0003055209870000022
载噪比为
Figure BDA0003055209870000023
信号强度为
Figure BDA0003055209870000024
信号状态为
Figure BDA0003055209870000025
时间戳为
Figure BDA0003055209870000026
和载波序号为
Figure BDA0003055209870000027
1≤i≤b；
步骤S2：对步骤S1的无线电信号分类
将无线电信号载波序列相同的划分为一类，步骤S1的无线电信号被划分为K类，每类含有的无线电信号的总个数为N，则第k类含有的无线电信号集合为{Sm，…，Sm+N}，并计算每类无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比；其中0≤N≤b，0＜k≤K；
步骤S3：绘制无线电信号数据的频率-时间摘要图
步骤S3.1：将时间段[Tstart,Tend]划分为时间长度相等的n段，即n个时间片；
步骤S3.2：计算每个时间片内信号无线电信号的平均信号强度以及平均载噪比
标记第j个时间段为tj，每类无线电信号按照时间戳划分到相应的时间片中，每类得到一个时间序列
Figure BDA0003055209870000028
其中tkj表示一个信号点的集合{Sp，…，Sp+q}，集合内信号个数为q，该集合内的所有信号点的时间戳在tj时间片内；其中，1≤j≤n，0≤q≤b；
步骤S3.3：绘制频率-时间摘要图
步骤S3.3.1：以频率为横坐标，频率区间为[Fstart,Fend]，以时间为纵坐标且自上而下递增，时间区间为[Tstart,Tend]，绘制频率-时间摘要图坐标系；
步骤S3.3.2：对第k类无线电信号，根据该类无线电信号的平均中心频率确定横坐标系位置，根据该类无线电信号的平均信号带宽绘制该类无线电信号在横坐标的宽度；
步骤S3.3.3：然后以第k类无线电信号每个时间片tj的起始时间绘制上边缘线，终止时间绘制下边缘线，与步骤S3.3.2绘制的形状结合得到矩形区域；
步骤S3.3.4：矩形区域通过开关控制显示该时间片内平均信号强度或平均载噪比，平均信号强度采用蓝色系，每个平均信号强度对应着一个唯一的颜色，平均信号强度由强到弱表现为蓝色系由深到浅；平均载噪比采用绿色系，每个平均载噪比采用绿色系，平均载噪比由强到弱表现为绿色系由深到浅；
步骤S3.3.5：重复步骤S3.3.2至步骤S3.3.4，依次绘制余下的时间片及所有分类无线电信号；
步骤S3.4：对频率-时间摘要图进行视觉编码
步骤S3.4.1：以划分的时间片为编码单元，根据无线电信号在编码单元出现和消失情况绘制图形；
步骤S3.4.2：根据时间片内无线电信号瞬时中断情况，在步骤S3.4.1中绘制的图形上进行第二次编码；
步骤S3.4.3：根据时间片内无线电信号特征异常情况在第二次编码的基础上进行第三次编码；
步骤S4：绘制无线电信号数据信号流图
步骤S4.1：以频率为横坐标，频率区间为[Fstart,Fend]；以时间为纵坐标且自上而下递增，时间区间为[Tstart,Tend]，绘制无线电信号数据信号流图坐标系；
步骤S4.2：将时间区间[Tstart,Tend]划分为时长相等的m个时间片，每类无线电信号被划分为m个矩形区域，然后将每类无线电信号中的无线电信号按时间戳划分到相应的时间片上；标记第g个时间段为tg，按时间戳将每类无线电信号划分到相应的时间片中，每类得到一个时间序列
Figure BDA0003055209870000031
其中tkg表示一个信号点的集合{Su，…，Su+v}，集合内信号个数为v该集合内的所有信号点的时间戳在tg时间片内，并计算每个时间片内无线电信号的平均信号强度、平均载噪比；其中，1≤g≤m，0≤v≤b；
步骤S4.3：取第一类无线电信号的第一个时间片的无线电信号，该时间片无线电信号的平均中心频率确定其在横坐标上的位置，该时间片无线电信号的平均信号带宽绘制信号流的左边界和右边界，左边界到右边界的距离是其信号带宽的值；在矩形区域纵轴中心处绘制一条直线，将矩形区域均分为左右两部分，矩形区域纵轴中心处竖线代表时间片无线电信号的载波状态，颜色若为灰色，表示该时间片无线电信号为存在状态，颜色若为白色，代表该时间片无线电信号为消失状态；左边界到中间竖线的区域代表该时间片无线电信号的平均信号强度，平均信号强度采用蓝色系，每个信号强度对应着一个唯一的颜色，平均信号强度由强到弱表现为蓝色系由深到浅；右边界到中间竖线的区域代表该时间片无线电信号的平均载噪比，平均载噪比采用绿色系，平均载噪比由强到弱表现为绿色系由深到浅，重复上述步骤依次绘制余下的时间片；同理绘制所有分类无线电信号；
颜色的深浅和特征数值大小的唯一对应通过颜色RGB模式的数值和特征数值的对应来实现；
步骤S4.4：在步骤S4.3绘制的信号流图右侧绘制步骤S2中每类无线电信号特征信息表格，包含载波序列，及载波序列对应的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比，当在绘制的表格中选中中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比中某个值时，该时间片无线电信号特征信息表格获取该时间片无线电信号的载波序列，并将该载波序列数值传递给信号流图的显示控制模块，实现信号流图中对应信号的高亮显示。
进一步的，所述步骤S2中分类后每类无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比，具体计算方式为：
Figure BDA0003055209870000041
Figure BDA0003055209870000042
Figure BDA0003055209870000043
Figure BDA0003055209870000044
进一步的，所述步骤S3具体为：先对时间段[Tstart,Tend]以等时长进行多次划分时间片个数，每划分一次时间片，重复步骤S3.2至步骤S3.4绘制频率-时间摘要图，当划分的时间片个数为绘制出的频率-时间摘要图从模糊到清晰时，确定清晰显示时的划分时间片为nmax，然后将时间区间中信号出现和消失的时间依次为t1、t2、t3、…、tr进行等比例缩减，得到t1′、t2′、t3′、…、tr′，若t1′+t2′+t3′+…+tr′≤nmax，以t1′+t2′+t3′+…+tr′为最终的时间片个数；若等比例缩减得到t1′、t2′、t3′、…、tr′中出现ts′为1，其中，1≤s≤r；但t1′+t2′+t3′+…+tr′＞nmax时进行“化零处理”，即将ts′替换0，接着继续等比例缩减，当出现t1′+t2′+t3′+…+tr′≤nmax时，t1′+t2′+t3′+…+tr′+1为最终时间片的划分个数。
进一步的，所述步骤S3.2中每个时间片tj内无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比的具体计算为：
Figure BDA0003055209870000051
Figure BDA0003055209870000052
Figure BDA0003055209870000053
Figure BDA0003055209870000054
进一步的，所述步骤S3.4.1具体为：
在该时间片时长内无线电信号无状态变化且始终保持出现状态，视觉编码为实心矩形；
在该时间片时长内无线电信号无状态变化且始终保持消失状态，视觉编码为空白矩形；
在该时间片时长内无线电信号有且仅有一次从出现到消失的状态变化，视觉编码为上尖下宽的半个实心椭圆；
在该时间片时长内无线电信号有且仅有一次从消失到出现的状态变化，编码为上宽下尖的半个实心椭圆；
在该时间片时长内无线电信号存在两次以上的状态变化，编码为实心圆；
所述步骤S3.4.2具体为：
在该时间片时长内无线电信号不存在瞬时中断，在步骤S3.4.1编码图形上不加改动；
在该时间片时长内无线电信号存在瞬时中断，在步骤S3.4.1编码上图形上覆盖一条白色横线；
所述步骤S3.4.3具体为：
在该时间片内，中心频率异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一条红色竖线；
在该时间片内，带宽异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一条红色横线；
在该时间片内，信号强度异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一个红色正三角形；
在该时间片内，载噪比异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一个红色倒三角形。
进一步的，所述中心频率异常为该时间片中的某个无线电信号的中心频率数值不在[mFreqkj-0.25MHz，mFreqkj+0.25MHz]范围内；
所述带宽异常为该时间片中的某个无线电信号的带宽不在[0.2mBandkj，1.2mBandkj]范围内；
所述信号强度异常为该时间片中的某个无线电信号的信号强度不在[-43.07dBm，-26.50dBm]范围内；
所述载噪比异常为该时间片中某个无线电信号的载噪比不在[4.41dBHz，20.10dBHz]范围内。
进一步的，所述瞬时中断为无线电信号连续消失的时间小于划分的时间片时长，是由环境或者干扰因素导致信号监测不连续，而信号本身没有消失。
进一步的，所述步骤S4.3中每个时间片内无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度及平均载噪比计算方式为：
Figure BDA0003055209870000061
Figure BDA0003055209870000062
Figure BDA0003055209870000071
Figure BDA0003055209870000072
本发明的有益效果是：本发明提供一种无线电信号多维时变特征可视化方法，对无线电信号中心频率、带宽、载噪比、信号强度、信号状态等多个维度随时间变化情况进行了有效的可视化，以无线电信号河流图的方式将无线电信号特征呈现，用户可以获得所需无线电信号的所有特征。同时将完整无线电信号图分为若干个视觉编码单元，并以“摩斯编码”信号摘要可视化视觉编码设计让用户在短时间内对无线电信号出现和消失情况进行整体了解，为工作人员提供更多分析依据；同时也能对一些特殊情况进行快速捕捉和精准定位，为无线电工作人员监控和管理提供了强有力的手段，减轻工作任务，节约了工作时间，提高了工作效率。同时系统中无线电信号河流图与摘要图对应显示，可以精准定位所需信号信息在信号流图中的位置，获取到对应无线电信号详细信息，提高了用户对无线电信号多维时变特征的感知能力和辨识能力，为分析处理无线电信号数据打下坚实基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种无线电信号多维时变特征可视化方法流程图；
图2是目标时间区间无线电信号数据的时间-信号数量摘要图；
图3是目标频率区间无线电信号数据的时间-频率摘要图；
图4是可视化频率-时间摘要图部分示意图；
图5是无线电信号数据信号流图；
图6是频率-时间摘要图和信号流图联动效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明实施例提供的一种无线电信号多维时变特征可视化方法流程图，主要包括以下步骤：
步骤S1：获取无线电信号数据
无线电信号数据为2020年9月21日11:00:27到2020年9月21日12:28:14，共5267秒内频率为1290MHz到1326MHz的所有信号点，一共626535个无线电信号数据，无线电信号数据的每个数据记录都对应一个无线电信号，每个无线电信号包含的特征有中心频率(Freq)、带宽(Band)、载噪比(Snr)、信号强度(Dbm)、信号状态(State)、载波序号(Id)和时间戳(Time)，表示该无线电信号在时间戳所表示的时间点被检测到，其中第i个无线电信号Si(1≤i≤626535)的中心频率为
Figure BDA0003055209870000081
带宽为
Figure BDA0003055209870000082
载噪比为
Figure BDA0003055209870000083
信号强度为
Figure BDA0003055209870000084
信号状态为
Figure BDA0003055209870000085
时间戳为
Figure BDA0003055209870000086
和载波序号为
Figure BDA0003055209870000087
步骤S2：选取目标时间区间与目标频率区间
绘制步骤S1所有无线电信号数据的时间-信号数量摘要图，横坐标为时间，纵坐标为信号数量；选取目标时间区间[Tstart,Tend]的无线电信号数据的时间-信号数量摘要图如图2所示，目标时间区间起始时间Tstart为2020年9月21日11:00:14，截止时间Tend为2020年9月21日11:08:29。
绘制步骤S1所有无线电信号数据的时间-频率摘要图，横坐标为频率，纵坐标为时间，选取目标频率区间[Fstart,Fend]，目标频率区间的起始频率为1290.73MHZ,截止频率为1291.68MHZ，目标频率区间[Fstart,Fend]的无线电信号数据的时间-频率摘要图如图3所示。
在选取的目标时间区间[Tstart,Tend]和频率区间[Fstart,Fend]中，共有7425个无线电信号。
步骤S3：对步骤S2中选取的无线电信号分类
将无线电信号载波序列相同的划分为一类，选取的无线电信号被划分为15类，每类含有的无线电信号的总个数为N(0≤N≤7425)，则第k(0＜k≤15)类含有的无线电信号集合为{Sm，…，Sm+N}，计算分类后每类无线电信号的平均中心频率(mFreq)、平均带宽(mBand)、平均信号强度(mDbm)以及平均载噪比(mSnr)，具体为：
Figure BDA0003055209870000091
Figure BDA0003055209870000092
Figure BDA0003055209870000093
Figure BDA0003055209870000094
步骤S4：绘制步骤S2中选取无线电信号数据的频率-时间摘要图。
步骤S4.1：对目标时间区间[Tstart,Tend]划分时间片
首先将时间区间[Tstart,Tend]划分为时间长度相等n段，即n个时间片。
步骤S4.2：计算时间片内信号无线电信号的平均信号强度(mDbm)以及平均载噪比(mSnr)。
标记第j个时间段为tj(1≤j≤n)，对于步骤S3每类的无线电信号按照时间戳划分到相应的时间片中，每类得到一个时间序列
Figure BDA0003055209870000095
Figure BDA0003055209870000096
其中tkj表示一个信号点的集合{Sp，…，Sp+q}，集合内信号个数为q(0≤q≤7425)，该集合内的所有信号点的时间戳在tj时间片内。
计算每个时间片tj((1≤j≤n)内无线电信号的平均信号强度(mDbm)以及平均载噪比(mSnr)，具体为
Figure BDA0003055209870000097
Figure BDA0003055209870000098
步骤S4.3：绘制频率-时间摘要图
以频率为横坐标，频率区间为选取的[Fstart,Fend]，以时间为纵坐标且自上而下递增，时间区间为选取的[Tstart,Tend]，首先取第一类无线电信号，其平均中心频率确定该类无线电信号在横坐标上的位置，其平均信号带宽绘制该类无线电信号摘要图的左边界和右边界，由于信号带宽可能较大，可以乘以一个小于1的系数，左边界到平均中心频率的距离是其平均带宽的二分之一，右边界到中心频率的距离也是其平均带宽的二分之一，左边界和右边界是平行于中心频率直线的直线；根据每类信号的平均中心频率和平均带宽确定该类信号在横坐标位置及形状；然后根据每类信号每个时间片内平均信号强度或者平均信噪比的值填充矩形区域，首先取第一类无线电信号的第一个时间区间，确定纵坐标范围，在时间区间确定的矩形区域中根据需求可通过开关控制显示时间片内平均信号强度还是平均载噪比，平均信号强度采用蓝色系，每个平均信号强度对应着一个唯一的颜色，平均信号强度由强到弱表现为蓝色系由深到浅；平均载噪比采用绿色系，每个平均载噪比采用绿色系，平均载噪比由强到弱表现为绿色系由深到浅，重复上述步骤依次绘制余下的时间片。同理绘制所有类型无线电信号。
步骤S4.4：对频率-时间摘要图进行视觉编码
以划分的时间片为编码单元对无线电信号进行视觉编码，具体包括以下步骤：
步骤S4.4.1：根据无线电信号出现和消失情况进行初步视觉编码，如表1所示为初步视觉编码方案；
表1
Figure BDA0003055209870000101
其中，短联为无线电信号连续出现的时间小于一个时间片时长；长联为无线电信号连续出现的时间大于等于一个时间片时长；短中断为无线电信号连续消失的时间小于一个时间片时长，长中断为无线电信号连续消失的时间大于等于一个时间片时长；
具体编码方案如下：
1)视觉编码样式的实心矩形，表示在该时间片时长内，无线电信号一直保持出现状态；判断方法为时间片时长内无线电信号无状态变化且始终保持出现状态。
2)视觉编码样式的空白矩形，表示在该时间片时长内，无线电信号一直保持消失状态；判断方法为时间片时长内无线电信号无状态变化且始终保持消失状态。
3)视觉编码样式上尖下宽的半个实心椭圆，表示在该时间片时长内，无线电信号存在长联结束；判断方法为时间片时长内无线电信号有且仅有一次从出现到消失的状态变化。
4)视觉编码样式上宽下尖的半个实心椭圆，表示在该时间片时长内，无线电信号存在长联开始；判断方法为时间片时长内无线电信号有且仅有一次从消失到出现的状态变化。
5)视觉编码样式的实心圆，表示在该时间片时长内，无线电信号存在短联；判断方法为时间片时长内无线电信号存在两次以上的状态变化。
步骤S4.4.2：根据无线电信号在每个时间片中的中断情况，在初步编码基础上进一步设计视觉编码，视觉编码方案如表2所示；
表2
Figure BDA0003055209870000111
首先对瞬时中断进行定义：
瞬时中断：无线电信号连续消失的时间小于划分的时间片时长时为瞬时中断，瞬时中断是由于环境或者干扰等因素导致信号监测不连续，而信号本身没有消失。
具体编码方案为：
1)视觉编码样式在初步编码样式上不加改动，表示在该时间片时长内无线电信号不存在瞬时中断。
2)视觉编码样式在初步编码样式上覆盖一条白色横线，表示在该时间片时长内无线电信号存在瞬时中断。
步骤S4.4.3：根据时间片中无线电信号出现的异常，在第二步编码基础上进一步进行视觉编码，编码方案如表3所示
表3
Figure BDA0003055209870000121
编码方案具体如下：
1)视觉编码样式在第二次编码绘制的图形上覆盖一条红色竖线，表示在该时间片内，中心频率出现了异常。
其中，中心频率出现异常为：时间片中的某个信号中心频率数值不在[mFreqkj-0.25MHz，mFreqkj+0.25MHz]范围内时，表示此信号中心频率出现了异常。在实际应用中用户可以根据数据特点和预期的效果进行频率范围自定义。
2)视觉编码样式在第二次编码绘制的图形上覆盖一条红色横线，表示在该时间片内，带宽出现了异常。
其中，带宽出现异常为：时间片中的某个信号的带宽数值不在[0.2mBandkj，1.2mBandkj]范围内时，表示此信号被带宽异常。在实际应用中，用户可以根据数据特点和预期的效果进行带宽范围自定义。
3)视觉编码样式在第二次编码绘制的图形上覆盖一个红色正三角形，表示在该时间片内，信号强度出现了异常情况。
其中，信号强度异常为：时间片中的某个信号的信号强度数值不在[-43.07dBm，-26.50dBm]范围内时，视为信号强度异常。在实际应用中用户可以根据数据特点和预期的效果进行信号强度范围的设置。
4)视觉编码样式在第二步编码的样式上覆盖一个红色倒三角形，表示在该时间片内，载噪比出现了异常情况
其中，载噪比异常为：时间片中某个信号的载噪比数值[4.41dBHz，20.10dBHz]范围内时视为异常，在实际应用中用户可以根据数据特点和预期的效果进行载噪比范围的设置。
具体为：取第一类无线电信号，首先根据信号出现和消失情况对时间片对应的编码单元进行图形绘制；再对时间片瞬时中断情况判断，如时间片内存在瞬时中断，在第一次绘制的图形上覆盖一条白色横线；接着对时间片内无线电信号异常情况判断，以信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度和平均载噪比等特征数值的进行异常检测，若出现无线电信号特征异常，在第二次编码的基础上覆盖一个红色的标识。
步骤S4.5：重复步骤S4.1对时间片进行多次划分，针对不同划分的不同时间片重复步骤S4.2、步骤S4.3及S4.4绘制频率-时间摘要图，当划分的时间片绘制出的频率-时间摘要图从模糊到清晰时，确定清晰显示时的划分时间片为nmax，然后将时间区间中信号出现和消失的时间t1、t2、t3、…、tr进行等比例缩减，得到t1′、t2′、t3′、…、tr′，当t1′+t2′+t3′+…+tr′≤nmax，以t1′+t2′+t3′+…+tr′为最终的时间片个数；若等比例缩减得到t1′、t2′、t3′、…、tr′中出现ts′(1≤s≤r)为1，但t1′+t2′+t3′+…+tr′＞nmax时进行“化零处理”，具体为将ts′替换0，接着继续等比例缩减，当出现t1′+t2′+t3′+…+tr′≤nmax时，t1′+t2′+t3′+…+tr′+1为最终时间片的划分个数；确定最终时间片划分个数n后，重复步骤S4.2、步骤S4.3及步骤S4.4得到最终的频率-时间摘要图，等比例缩减时遇到小数时采用四舍五入处理。
时间片划分时，时间片个数过少，无线电信号的细节情况不能通过编码单元呈现出来；受设备分辨率限制，时间片划分过多，人眼会难以识别。本实施例中的时间片划分算法将时间片划分位置进行处理，使每个信号出现时长或消失时长尽可能的在同一时间片内，这时既没有丢失无线电信号的细节情况，也达到了人眼能够很好的识别出视觉编码的具体样式水平，还对视觉编码进行了优化，确保了在进行初步编码的绘制时会有尽量多的“矩形”和“圆形”编码单元，最大程度上实现类“摩斯编码”风格的视觉编码样式。
将目标时间区间[11:00:14,11:08:29]划分为14个时间片，每个时间片的时长为35.4秒。重复步骤S4.2、步骤S4.3及步骤S4.4得到的可视化频率-时间摘要图部分示意图如图4所示。
步骤S5：绘制无线电信号数据信号流图。
步骤S5.1：以频率为横坐标，频率区间为步骤S2选取的目标频率范围[Fstart,Fend]；以时间为纵坐标且自上而下递增，时间区间为步骤S2选取的时间区间[Tstart,Tend]，则每类无线电信号被绘制成一条信号流。
然后将步骤S2时间区间[Tstart,Tend]划分为495个时间片，以1秒为时间片长度，每类无线电信号被划分为495个矩形区域，然后将每类无线电信号中的无线电信号按时间戳划分到相应的时间片上。标记第g个时间段为tg(1≤g≤495)，按时间戳将每类无线电信号划分到相应的时间片中，每类得到一个时间序列
Figure BDA0003055209870000141
其中tkg表示一个信号点的集合{Su，…，Su+v}，集合内信号个数为v(0≤v≤7425)该集合内的所有信号点的时间戳在tg时间片内。
计算每个时间片中无线电信号的平均中心频率(mFreq)、平均带宽(mBand)平均信号强度(mDbm)、以及平均载噪比(mSnr)，计算方式如下：
Figure BDA0003055209870000151
Figure BDA0003055209870000152
Figure BDA0003055209870000153
Figure BDA0003055209870000154
取第一类无线电信号的第一个时间片的无线电信号，该时间片无线电信号的平均中心频率确定该无线电信号在横坐标上位置，该时间片无线电信号的平均信号带宽绘制信号流的左边界和右边界，左边界到右边界的距离是其信号带宽的值，由于平均信号带宽可能较大，可以乘以一个小于1的系数，左边界到中心频率直线的距离是其平均信号带宽的二分之一，右边界到中心频率直线的距离也是其平均信号带宽的二分之一，左边界和右边界是平行于中心频率直线的直线；在矩形区域纵轴中心处绘制一条直线，将矩形区域均分为左右两部分，矩形区域纵轴中心处竖线代表时间片无线电信号的载波状态，颜色若为灰色，表示该时间片无线电信号为存在状态，颜色若为白色，代表该时间片无线电信号为消失状态；左边界到中间竖线的区域代表该时间片无线电信号的平均信号强度，平均信号强度采用蓝色系，每个信号强度对应着一个唯一的颜色，平均信号强度由强到弱表现为蓝色系由深到浅；右边界到中间竖线的区域代表该时间片无线电信号的平均载噪比，平均载噪比采用绿色系，平均载噪比由强到弱表现为绿色系由深到浅，重复上述步骤依次绘制余下的时间片。同理绘制所有分类无线电信号。
颜色的深浅和特征数值大小的唯一对应通过颜色RGB模式的数值和特征数值的对应来实现。绘制完成的无线电信号流图如图5所示。
步骤S5.2：在信号流图的右侧绘制步骤S3中每类无线电信号特征信息表格，包含载波序列，及载波序列对应的平均中心频率(mFreq)、平均带宽(mBand)、平均信号强度(mDbm)以及平均载噪比(mSnr)，当在绘制的表格中选中中心频率(mFreq)、平均带宽(mBand)、平均信号强度(mDbm)以及平均载噪比(mSnr)中某个值时，无线电信号特征信息表格获取该无线电信号的载波序列，并将该载波序列数值传递给信号流图的显示控制模块，实现信号流图中对应信号的高亮显示。
步骤S4中绘制的频率-时间摘要图为无线电信号的简要特征，通过视觉编码设计突出了信号的异常情况和特殊情况，步骤S5绘制的信号流图为无线电信号多个维度随时间变化的具体特征。当选中步骤S4绘制的频率-时间摘要图某个时间片时，频率-时间摘要图获取该时间片区间和时间片的平均中心频率，并传递给步骤S5绘制的信号流图，在信号流图中对应信号将会突出显示。即在频率-时间摘要图中发现信号的异常情况时，通过频率-时间摘要图和信号流图的联动显示来确定频率-时间摘要图中的无线电信号在信号流图中的详细位置，以获取信号的详细情况，如图6所示为频率-时间摘要图与信号流图间联动效果示意图。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取无线电信号数据
无线电信号数据为时间段[Tstart,Tend]及频率段[Fstart,Fend]内检测到的所有b个无线电信号，每个无线电信号数据记录都对应一个无线电信号，每个无线电信号包含的特征有中心频率、带宽、载噪比、信号强度、信号状态、载波序号和时间戳，时间戳为在该时间点无线电信号被检测到，其中第i个无线电信号Si的中心频率为
Figure FDA0003055209860000011
带宽为
Figure FDA0003055209860000012
载噪比为
Figure FDA0003055209860000013
信号强度为
Figure FDA0003055209860000014
信号状态为
Figure FDA0003055209860000015
时间戳为
Figure FDA0003055209860000016
和载波序号为
Figure FDA0003055209860000017
步骤S2：对步骤S1的无线电信号分类
将无线电信号载波序列相同的划分为一类，步骤S1的无线电信号被划分为K类，每类含有的无线电信号的总个数为N，则第k类含有的无线电信号集合为{Sm，…，Sm+N}，并计算每类无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比；其中0≤N≤b，0＜k≤K；
步骤S3：绘制无线电信号数据的频率-时间摘要图
步骤S3.1：将时间段[Tstart,Tend]划分为时间长度相等的n段，即n个时间片；
步骤S3.2：计算每个时间片内信号无线电信号的平均信号强度以及平均载噪比
标记第j个时间段为tj，每类无线电信号按照时间戳划分到相应的时间片中，每类得到一个时间序列
Figure FDA0003055209860000018
其中tkj表示一个信号点的集合{Sp，…，Sp+q}，集合内信号个数为q，该集合内的所有信号点的时间戳在tj时间片内；其中，1≤j≤n，0≤q≤b；
步骤S3.3：绘制频率-时间摘要图
步骤S3.3.1：以频率为横坐标，频率区间为[Fstart,Fend]，以时间为纵坐标且自上而下递增，时间区间为[Tstart,Tend]，绘制频率-时间摘要图坐标系；
步骤S3.3.2：对第k类无线电信号，根据该类无线电信号的平均中心频率确定横坐标系位置，根据该类无线电信号的平均信号带宽绘制该类无线电信号在横坐标的宽度；
步骤S3.3.3：然后以第k类无线电信号每个时间片tj的起始时间绘制上边缘线，终止时间绘制下边缘线，与步骤S3.3.2绘制的形状结合得到矩形区域；
步骤S3.3.4：矩形区域通过开关控制显示该时间片内平均信号强度或平均载噪比，平均信号强度采用蓝色系，每个平均信号强度对应着一个唯一的颜色，平均信号强度由强到弱表现为蓝色系由深到浅；平均载噪比采用绿色系，每个平均载噪比采用绿色系，平均载噪比由强到弱表现为绿色系由深到浅；
步骤S3.3.5：重复步骤S3.3.2至步骤S3.3.4，依次绘制余下的时间片及所有分类无线电信号；
步骤S3.4：对频率-时间摘要图进行视觉编码
步骤S3.4.1：以划分的时间片为编码单元，根据无线电信号在编码单元出现和消失情况绘制图形；
步骤S3.4.2：根据时间片内无线电信号瞬时中断情况，在步骤S3.4.1中绘制的图形上进行第二次编码；
步骤S3.4.3：根据时间片内无线电信号特征异常情况在第二次编码的基础上进行第三次编码；
步骤S4：绘制无线电信号数据信号流图
步骤S4.1：以频率为横坐标，频率区间为[Fstart,Fend]；以时间为纵坐标且自上而下递增，时间区间为[Tstart,Tend]，绘制无线电信号数据信号流图坐标系；
步骤S4.2：将时间区间[Tstart,Tend]划分为时长相等的m个时间片，每类无线电信号被划分为m个矩形区域，然后将每类无线电信号中的无线电信号按时间戳划分到相应的时间片上；标记第g个时间段为tg，按时间戳将每类无线电信号划分到相应的时间片中，每类得到一个时间序列
Figure FDA0003055209860000021
其中tkg表示一个信号点的集合{Su，…，Su+v}，集合内信号个数为v该集合内的所有信号点的时间戳在tg时间片内，并计算每个时间片内无线电信号的平均信号强度、平均载噪比；其中，1≤g≤m，0≤v≤b；
步骤S4.3：取第一类无线电信号的第一个时间片的无线电信号，该时间片无线电信号的平均中心频率确定其在横坐标上的位置，该时间片无线电信号的平均信号带宽绘制信号流的左边界和右边界，左边界到右边界的距离是其信号带宽的值；在矩形区域纵轴中心处绘制一条直线，将矩形区域均分为左右两部分，矩形区域纵轴中心处竖线代表时间片无线电信号的载波状态，颜色若为灰色，表示该时间片无线电信号为存在状态，颜色若为白色，代表该时间片无线电信号为消失状态；左边界到中间竖线的区域代表该时间片无线电信号的平均信号强度，平均信号强度采用蓝色系，每个信号强度对应着一个唯一的颜色，平均信号强度由强到弱表现为蓝色系由深到浅；右边界到中间竖线的区域代表该时间片无线电信号的平均载噪比，平均载噪比采用绿色系，平均载噪比由强到弱表现为绿色系由深到浅，重复上述步骤依次绘制余下的时间片；同理绘制所有分类无线电信号；
颜色的深浅和特征数值大小的唯一对应通过颜色RGB模式的数值和特征数值的对应来实现；
步骤S4.4：在步骤S4.3绘制的信号流图右侧绘制步骤S2中每类无线电信号特征信息表格，包含载波序列，及载波序列对应的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比，当在绘制的表格中选中中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比中某个值时，该时间片无线电信号特征信息表格获取该时间片无线电信号的载波序列，并将该载波序列数值传递给信号流图的显示控制模块，实现信号流图中对应信号的高亮显示。
2.根据权利要求1所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述步骤S2中分类后每类无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比，具体计算方式为：
Figure FDA0003055209860000031
Figure FDA0003055209860000032
Figure FDA0003055209860000033
Figure FDA0003055209860000034
3.根据权利要求1所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：先对时间段[Tstart,Tend]以等时长进行多次划分时间片个数，每划分一次时间片，重复步骤S3.2至步骤S3.4绘制频率-时间摘要图，当划分的时间片个数为绘制出的频率-时间摘要图从模糊到清晰时，确定清晰显示时的划分时间片为nmax，然后将时间区间中信号出现和消失的时间依次为t1、t2、t3、…、tr进行等比例缩减，得到t1′、t2′、t3′、…、tr′，若t1′+t2′+t3′+…+tr′≤nmax，以t1′+t2′+t3′+…+tr′为最终的时间片个数；若等比例缩减得到t1′、t2′、t3′、…、tr′中出现ts′为1，其中，1≤s≤r；但t1′+t2′+t3′+…+tr′＞nmax时进行“化零处理”，即将ts′替换0，接着继续等比例缩减，当出现t1′+t2′+t3′+…+tr′≤nmax时，t1′+t2′+t3′+…+tr′+1为最终时间片的划分个数。
4.根据权利要求1所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述步骤S3.2中每个时间片tj内无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度以及平均载噪比的具体计算为：
Figure FDA0003055209860000041
Figure FDA0003055209860000042
Figure FDA0003055209860000043
Figure FDA0003055209860000044
5.根据权利要求1所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述步骤S3.4.1具体为：
在该时间片时长内无线电信号无状态变化且始终保持出现状态，视觉编码为实心矩形；
在该时间片时长内无线电信号无状态变化且始终保持消失状态，视觉编码为空白矩形；
在该时间片时长内无线电信号有且仅有一次从出现到消失的状态变化，视觉编码为上尖下宽的半个实心椭圆；
在该时间片时长内无线电信号有且仅有一次从消失到出现的状态变化，编码为上宽下尖的半个实心椭圆；
在该时间片时长内无线电信号存在两次以上的状态变化，编码为实心圆；
所述步骤S3.4.2具体为：
在该时间片时长内无线电信号不存在瞬时中断，在步骤S3.4.1编码图形上不加改动；
在该时间片时长内无线电信号存在瞬时中断，在步骤S3.4.1编码上图形上覆盖一条白色横线；
所述步骤S3.4.3具体为：
在该时间片内，中心频率异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一条红色竖线；
在该时间片内，带宽异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一条红色横线；
在该时间片内，信号强度异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一个红色正三角形；
在该时间片内，载噪比异常时，在步骤S3.4.2编码的基础上覆盖一个红色倒三角形。
6.根据权利要求5所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述中心频率异常为该时间片中的某个无线电信号的中心频率数值不在[mFreqkj-0.25MHz，mFreqkj+0.25MHz]范围内；
所述带宽异常为该时间片中的某个无线电信号的带宽不在[0.2mBandkj，1.2mBandkj]范围内；
所述信号强度异常为该时间片中的某个无线电信号的信号强度不在[-43.07dBm，-26.50dBm]范围内；
所述载噪比异常为该时间片中某个无线电信号的载噪比不在[4.41dBHz，20.10dBHz]范围内。
7.根据权利要求5所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述瞬时中断为无线电信号连续消失的时间小于划分的时间片时长，是由环境或者干扰因素导致信号监测不连续，而信号本身没有消失。
8.根据权利要求1所述的一种无线电信号多维时变特征可视化方法，其特征在于，所述步骤S4.3中每个时间片内无线电信号的平均中心频率、平均带宽、平均信号强度及平均载噪比计算方式为：
Figure FDA0003055209860000061
Figure FDA0003055209860000062
Figure FDA0003055209860000063
Figure FDA0003055209860000064
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