電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用研究

彭 程，楊 馨，王 哲，趙志遠(yuǎn)

（1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430000；2.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710000；3.國(guó)防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引言

電磁頻譜監(jiān)測(cè)的目的是獲取周圍環(huán)境中的電磁頻譜數(shù)據(jù)，從而為電磁頻譜管理提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，由于電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身不包含信息，需要對(duì)電磁頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備所獲取的電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，才能獲得對(duì)管理決策有用的信息，這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理運(yùn)用，而電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用一直是電磁頻譜管理領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何通過(guò)對(duì)電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收存儲(chǔ)、調(diào)用顯示、融合分析，并將數(shù)據(jù)處理的成果更好地服務(wù)指揮決策以及頻管業(yè)務(wù)，成為頻譜管理一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1.1 基于不同時(shí)間頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形式

用數(shù)值形式存儲(chǔ)電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最為客觀準(zhǔn)確，也便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析處理，電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值存儲(chǔ)形式，實(shí)際上包含三個(gè)信息的一一對(duì)應(yīng)的數(shù)組，其結(jié)果數(shù)據(jù)表現(xiàn)為在某一特定時(shí)刻T和某一特定頻率F下的功率或場(chǎng)強(qiáng)，具體如表1所示。

這種存儲(chǔ)形式對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)隨時(shí)間變化情況能夠全面掌握，數(shù)據(jù)的精細(xì)度和采樣點(diǎn)的選取密切相關(guān)，能夠反映動(dòng)態(tài)頻譜特性，便于進(jìn)行專業(yè)的電磁頻譜數(shù)據(jù)分析。

表1 頻率-時(shí)間頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（單位：dBm）

1.2 基于某一時(shí)段的頻譜監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形式

基于某一時(shí)刻的電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)省去了時(shí)間項(xiàng)，因?yàn)槊繒r(shí)每刻的變化難以直觀呈現(xiàn)，轉(zhuǎn)而通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)某一時(shí)間段監(jiān)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)或電平值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成與頻率一一對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，或者形成頻譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如表2所示。

這種存儲(chǔ)形式非常適合于頻譜管理工作，能夠迅速給出頻段占用度、頻道占用度、門(mén)限電平、噪聲平均值、信號(hào)峰值等等各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)轭l譜管理業(yè)務(wù)提供直觀有效的參考。

表2 某一時(shí)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.3 無(wú)線電測(cè)向數(shù)據(jù)

無(wú)線電測(cè)向數(shù)據(jù)是將空間中信號(hào)電平值對(duì)應(yīng)不同的來(lái)波方位角存儲(chǔ)下來(lái)，實(shí)際上是一個(gè)信號(hào)電平或者場(chǎng)強(qiáng)值和方位角一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)形式。對(duì)于時(shí)差定位則需要存儲(chǔ)來(lái)波時(shí)間及相位信息。

這種存儲(chǔ)形式主要用于在羅盤(pán)或電子地圖上標(biāo)繪來(lái)波方向的示向線，或與其他測(cè)向數(shù)據(jù)融合后對(duì)輻射源進(jìn)行定位。

2 電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示

電磁信號(hào)的頻譜顯示是獲取信號(hào)頻譜及相關(guān)參數(shù)的一種技術(shù)手段，其目的是為頻譜管理技術(shù)人員分析頻率、帶寬、功率提供依據(jù)。早期有很多采用模擬技術(shù)體制的頻譜儀，模擬顯示可以做到實(shí)時(shí)顯示，對(duì)信號(hào)的波形、頻譜和信號(hào)的技術(shù)參數(shù)不能存儲(chǔ)，但可以進(jìn)行照相記錄；數(shù)字顯示方式可對(duì)獲取的電磁頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。目前幾乎所有的頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備都采用數(shù)字顯示技術(shù)，因而本文只討論數(shù)字顯示技術(shù)。比較典型數(shù)字頻譜顯示方式有以下兩種。

2.1 瞬時(shí)譜顯示

瞬時(shí)譜顯示就是指幅度—頻率二維顯示。是將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)FFT得到數(shù)字化頻譜直接顯示出來(lái)。由于人們感興趣的是頻譜幅度，所以一般用信號(hào)的功率譜顯示。瞬時(shí)譜顯示不斷調(diào)用每一時(shí)刻的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，信號(hào)是隨著時(shí)間變化的，每一幀的采樣數(shù)據(jù)都不同，因此，幀頻譜顯示時(shí)，存在隨機(jī)“抖動(dòng)”現(xiàn)象，獲取的是實(shí)時(shí)譜或準(zhǔn)實(shí)時(shí)結(jié)果，還可以隨著時(shí)間變化生成瀑布圖。

這種顯示方式需要調(diào)用時(shí)間-頻譜數(shù)據(jù)，能夠觀測(cè)“實(shí)時(shí)頻譜”，給出動(dòng)態(tài)變化特征，能夠生成頻譜瀑布圖，如果掃頻時(shí)間夠快，能夠抓住瞬態(tài)信號(hào)或脈沖信號(hào)。

2.2 平均譜顯示

平均譜顯示是將多幀瞬時(shí)譜進(jìn)行平均運(yùn)算后，再顯示出來(lái)。因?yàn)槠骄V是對(duì)信號(hào)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的采樣得到的，更逼近于信號(hào)的實(shí)際頻譜，并且顯示的頻譜比較穩(wěn)定，所以，一般用平均譜來(lái)觀察信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。平均譜比較穩(wěn)定，所以單個(gè)信號(hào)非常清晰，便于對(duì)帶寬等結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如圖2所示。

對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)，如跳頻信號(hào)，由于出現(xiàn)的時(shí)間較短，不容易測(cè)量信號(hào)的參數(shù)，很多頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都支持最大信號(hào)保持功能，就是將一段時(shí)間接收到信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)的最大值，保存并顯示出來(lái)。除此之外還有最小信號(hào)保持，平均信號(hào)保持等等。信號(hào)顯示時(shí)除了可以設(shè)置各類測(cè)量參數(shù)外，還可以根據(jù)設(shè)置門(mén)限，有選擇性地顯示信號(hào)（見(jiàn)圖3）。

圖1 瞬時(shí)譜顯示的頻譜

圖2 平均譜顯示的頻譜

圖3 最大/最小信號(hào)保持顯示的頻譜

3 電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 頻譜占用度分析

選取某一頻段，設(shè)置統(tǒng)計(jì)門(mén)限值，當(dāng)信號(hào)電平或場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)某一門(mén)限值時(shí)，則認(rèn)為該頻譜被占用，這就是基于門(mén)限電平/場(chǎng)強(qiáng)的頻譜占用度統(tǒng)計(jì)，相對(duì)頻帶而言就是頻帶占用度，相對(duì)頻道而言就是頻道占用度。如圖4所示，該圖是電磁頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置門(mén)限電平對(duì)頻譜占用度進(jìn)行分析。

圖4 基于門(mén)限的頻譜占用度統(tǒng)計(jì)

3.2 輻射源定位

對(duì)多個(gè)頻譜監(jiān)測(cè)站或某個(gè)頻譜監(jiān)測(cè)站在多個(gè)地點(diǎn)的無(wú)線電信號(hào)測(cè)向數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，通過(guò)交匯法、時(shí)差法等定位算法，獲取目標(biāo)的具體位置，這種方式往往需要將測(cè)向站地理坐標(biāo)、所測(cè)的方位角以及地圖數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，才能獲得目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。如圖5所示。

圖5 交匯定位示意

3.3 典型頻譜信號(hào)的識(shí)別

時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)可以通過(guò)傅里葉變換進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)頻域特征并不明顯，可以把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)變換轉(zhuǎn)化為時(shí)域形式，通過(guò)時(shí)域特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別。電磁信號(hào)時(shí)域形式主要是由時(shí)間和場(chǎng)強(qiáng)或者電平所一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)形式，對(duì)時(shí)域信號(hào)的描述有這幾種典型參數(shù)：幅度、角頻率、相位、采樣速率、脈沖周期等等，例如部分雷達(dá)信號(hào)或者通信信號(hào)，通過(guò)時(shí)域分析能夠很快得知雷達(dá)信號(hào)的脈沖周期或者通信信號(hào)的調(diào)制方式，從而進(jìn)一步分析輻射源的類型（見(jiàn)圖6）。

4 頻譜數(shù)據(jù)運(yùn)用要把握的幾個(gè)問(wèn)題

4.1 根據(jù)對(duì)象用途提供數(shù)據(jù)

不同的用戶，需要的電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不同。對(duì)決策者而言，要綜合分析來(lái)自各機(jī)構(gòu)、各要素的信息，因此最關(guān)注對(duì)結(jié)果有影響的信息，而對(duì)頻譜數(shù)據(jù)的完整性則要求不高，因此針對(duì)這類對(duì)象所提供的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須簡(jiǎn)明、扼要并且具有指導(dǎo)意義；給用頻單位提供頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)充分考慮用頻單位實(shí)際業(yè)務(wù)情況，例如提供給該單位主要使用頻段的頻譜數(shù)據(jù)，給出什么時(shí)間、地點(diǎn)頻段可用以及用頻注意事項(xiàng)等等；給技術(shù)部門(mén)提供數(shù)據(jù)，則要求數(shù)據(jù)盡可能的完整精確，便于進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算。

4.2 根據(jù)數(shù)據(jù)大小選擇傳輸方式

應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同地理位置和周邊環(huán)境，針對(duì)不同的用戶對(duì)象，根據(jù)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小，選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方式。通過(guò)普通電臺(tái)，一般傳輸話音，攜帶信息較少，適合傳遞簡(jiǎn)明扼要信息，而有線、光纖、衛(wèi)星、微波、這些帶寬數(shù)據(jù)流量都不一樣，根據(jù)所需傳遞的信息大小，恰當(dāng)?shù)厥褂谩?/p>

圖6 電磁信號(hào)頻域/時(shí)域分析

4.3 根據(jù)實(shí)際情況把握運(yùn)用時(shí)機(jī)

任何頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，都具有時(shí)效性。要提高頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用的時(shí)效性，一是要及時(shí)準(zhǔn)確地運(yùn)用數(shù)據(jù)，特別是對(duì)于瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)，戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝，如果不能將頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用，很可能就會(huì)錯(cuò)過(guò)行動(dòng)的最佳時(shí)機(jī)；二是要有重點(diǎn)地使用數(shù)據(jù)，海量的頻譜數(shù)據(jù)，有些數(shù)據(jù)對(duì)最終結(jié)果影響大，有些數(shù)據(jù)對(duì)最終結(jié)果影響小，對(duì)于起決定作用的重要數(shù)據(jù)，就應(yīng)當(dāng)作為決策關(guān)注的重點(diǎn)，而有些數(shù)據(jù)起次要作用，就應(yīng)當(dāng)減少使用，或者降低優(yōu)先級(jí)使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論研究總結(jié)了電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要形式，并給出了相對(duì)應(yīng)的幾種電磁頻譜數(shù)據(jù)顯示方式，分析了不同顯示方式的優(yōu)劣及適用范圍，而后給出了三種典型頻譜數(shù)據(jù)的分析方法，最后總結(jié)了電磁頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用時(shí)需要把握的幾個(gè)問(wèn)題。本文系統(tǒng)梳理了電磁頻譜數(shù)據(jù)運(yùn)用的要點(diǎn)，為電磁頻譜監(jiān)測(cè)更好地服務(wù)電磁頻譜管理工作提供了理論參考。