復(fù)雜電磁環(huán)境下電磁頻譜可視化研究

戴大鵬，李仙茂，林 桐

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

0 引 言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)這條無(wú)形的戰(zhàn)線中，如何系統(tǒng)而直觀地描述電磁頻譜一直是電磁頻譜監(jiān)測(cè)的難題，同時(shí)也是指揮員正確把握電磁態(tài)勢(shì)、進(jìn)行準(zhǔn)確指揮的瓶頸。隨著現(xiàn)代電磁頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，大量的新技術(shù)運(yùn)用到了電磁頻譜可視化當(dāng)中，頻譜可視化技術(shù)對(duì)于指揮員合理地分配利用戰(zhàn)場(chǎng)頻譜資源，總攬復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境下的電磁態(tài)勢(shì)有著重要的作用。可視化技術(shù)作為一種最直觀且容易理解的表現(xiàn)形式，其發(fā)展將給指揮員帶來(lái)思維方式和認(rèn)知方式的根本性變化。

1 電磁頻譜數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及處理

1.1 電磁頻譜數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)

電磁頻譜可視化的基礎(chǔ)是電磁頻譜監(jiān)測(cè)。電磁頻譜監(jiān)測(cè)包括對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的控制和對(duì)所獲得數(shù)據(jù)的分析處理。頻譜監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于建立系統(tǒng)的頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)。頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)由監(jiān)測(cè)控制中心、陸基固定監(jiān)測(cè)站、移動(dòng)式監(jiān)測(cè)站及便攜式小型監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。監(jiān)測(cè)控制中心負(fù)責(zé)管理下級(jí)監(jiān)測(cè)設(shè)備及整體的電磁態(tài)勢(shì)顯示，是頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯聚點(diǎn)。陸基固定監(jiān)測(cè)站及移動(dòng)監(jiān)測(cè)站是頻譜監(jiān)測(cè)控制中心的支撐點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)采集有效的頻譜數(shù)據(jù)，生成進(jìn)行敵我識(shí)別和對(duì)抗措施的基本資料，并上報(bào)控制中心。電磁頻譜監(jiān)測(cè)的最終目的在于收集戰(zhàn)場(chǎng)頻譜數(shù)據(jù)，加強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管控能力，提高我方電磁設(shè)備的作戰(zhàn)使用效能。

1.2 電磁頻譜數(shù)據(jù)處理

為了便于可視化處理，首先要利用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)建立可視化信息數(shù)據(jù)庫(kù)。其主要包括兩大方面：一是電磁用頻設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)；二是海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。在建立數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中，必須使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。將監(jiān)測(cè)收集到的數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行歸一化處理，打包成適合可視化接口的數(shù)據(jù)包。以雷達(dá)系統(tǒng)可視化數(shù)據(jù)庫(kù)為例，將雷達(dá)信號(hào)可視化的主要性能參數(shù)記錄為一個(gè)總體信息柵格，每個(gè)下屬分柵格中含有若干數(shù)據(jù)項(xiàng)，包括雷達(dá)信號(hào)的工作頻率、出現(xiàn)方位、信號(hào)強(qiáng)度等。針對(duì)其他電子系統(tǒng)如導(dǎo)航、通信、電子對(duì)抗等，以同樣的方式將感興趣的數(shù)據(jù)都記錄下來(lái)，這樣就形成了電子設(shè)備頻譜信息數(shù)據(jù)庫(kù)。而海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)依賴于各個(gè)相關(guān)部門提供信息的匯總。關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)更新。相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后為后續(xù)的可視化模塊提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可視化模塊生成對(duì)應(yīng)的可視化結(jié)果及空間電磁頻譜態(tài)勢(shì)，綜上所述即為電磁頻譜可視化數(shù)據(jù)處理的基本流程。其流程圖如圖1所示[1]。

2 頻譜可視化應(yīng)遵循的原則及基本要求

2.1 電磁頻譜可視化描述遵循的原則

電磁頻譜監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)是為電子對(duì)抗指揮員的決策提供支撐。而電磁頻譜可視化為電子對(duì)抗指揮員提供了更加直觀的操作觀察平臺(tái)。相應(yīng)的，電磁頻譜可視化必須遵循以下幾點(diǎn)原則：

（1）必須以戰(zhàn)場(chǎng)指揮官的需求為前提。通過(guò)對(duì)敵方電磁用頻設(shè)備載頻、方位、強(qiáng)度等主要工作參數(shù)的截獲，進(jìn)一步分析得出其頻譜特征、工作參數(shù)、以至于該裝備的具體型號(hào)。經(jīng)過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)融合分析，還可以判斷搭載該設(shè)備的平臺(tái)信息及平臺(tái)出現(xiàn)的方向位置，以可視化的手段呈現(xiàn)給編隊(duì)指揮官，其對(duì)于編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的前期預(yù)警和準(zhǔn)確掌握電磁態(tài)勢(shì)做出正確的決策有著重要的意義。

圖1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程圖

（2）頻譜可視化表現(xiàn)的數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確翔實(shí)，力求客觀翔實(shí)地表現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜態(tài)勢(shì)。電磁波在空間的穿梭是不可見(jiàn)的，而頻譜可視化的關(guān)鍵就在于依靠監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理，通過(guò)可視化手段正確而真實(shí)地反應(yīng)數(shù)據(jù)的主要信息。同時(shí)還需要將各種環(huán)境因素考慮進(jìn)去，使最終結(jié)果最大限度地反應(yīng)客觀實(shí)際。

（3）可視化描述的方式要簡(jiǎn)潔直觀?？梢暬哪康木褪且屩笓]人員快速獲取其需要的信息，并且可視化結(jié)果更新的速度也要及時(shí)，能夠?yàn)楦骷?jí)指揮人員所用[2]。

2.2 電磁頻譜可視化描述的基本要求

頻譜可視化的研究不僅要著眼于大環(huán)境的整體電磁態(tài)勢(shì)，在執(zhí)行特定的作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)又要對(duì)小范圍的電磁態(tài)勢(shì)進(jìn)行精確的描繪。另一方面，由于海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境極為復(fù)雜，單純只利用一種方式來(lái)進(jìn)行顯示是難以達(dá)到指揮員要求的，所以要充分利用多種方法進(jìn)行交互顯示。在頻譜監(jiān)測(cè)過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)可能是多樣的，但其中可能夾雜著雜波、噪聲等我們不感興趣的數(shù)據(jù)，在可視化過(guò)程中還需要有一定的分析辨別能力，能夠自動(dòng)分析敏感數(shù)據(jù)，有一定的輔助決策功能。

3 電磁頻譜可視化方法及原理介紹

3.1 電磁頻譜可視化主要方法介紹

現(xiàn)階段主流的電磁頻譜顯示方法主要是基于OpenGL、Visual C＋＋、VTK及 Matlab等軟件對(duì)電磁頻譜進(jìn)行二維或者三維的顯示。其各有優(yōu)勢(shì)，所以戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜的態(tài)勢(shì)及分布情況既可以用這幾種方法來(lái)展示，又可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互，更好地為指揮員的決策提供支撐。

根據(jù)上文，依據(jù)已經(jīng)系統(tǒng)化的頻譜數(shù)據(jù)可以對(duì)頻譜信息進(jìn)行可視化處理。本文主要介紹3種可視化方法：頻譜圖、瀑布圖及三維空間頻譜顯示。頻譜圖顯示的是一連串時(shí)域信號(hào)的頻率點(diǎn)，將這些點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），計(jì)算結(jié)束后將所得結(jié)果儲(chǔ)存到儲(chǔ)存器中，系統(tǒng)以此作為視頻圖形陣列的數(shù)據(jù)源，將分析結(jié)果以圖形的方法顯示在屏幕上，并根據(jù)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘刷新頻譜，給予指揮員直觀的顯示。而根據(jù)電磁頻譜的信號(hào)體制不同，其相應(yīng)的頻譜顯示亦存在不同。

瀑布圖顯示是在一定的門限下，隨著時(shí)鐘的推進(jìn)，以瀑布圖上圖形變化的方式顯示數(shù)據(jù)分布的一種形式。針對(duì)瀑布圖的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)所設(shè)定的接收門限，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)和圖形區(qū)域像素一致的N維數(shù)組，在隨時(shí)鐘步進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，將數(shù)組中數(shù)據(jù)向下推進(jìn)，新的數(shù)據(jù)填充空出的區(qū)域，過(guò)程中計(jì)算機(jī)讀取數(shù)組中數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型選擇不同的顏色畫(huà)筆，在指定的位置繪制，就完成了瀑布圖的顯示。瀑布圖的優(yōu)點(diǎn)在于其保持原有顯示的圖形不變，新出現(xiàn)的圖形根據(jù)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新調(diào)整，既可以呈現(xiàn)給指揮員直觀形象的瀑布圖圖形，又可防止屏幕快速閃爍。同時(shí)瀑布圖具有記憶性，通過(guò)對(duì)瀑布圖的觀察就可判別信號(hào)是否連續(xù)，或是否具有周期性，可以明顯觀察出信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。并且如果某一信號(hào)雖被監(jiān)測(cè)到，但出現(xiàn)時(shí)間較短，通過(guò)瀑布圖就可簡(jiǎn)單地將其分辨出來(lái)[3]。

三維頻譜顯示是數(shù)值仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最新成果的結(jié)合。麥克斯韋方程是所有電磁理論的基礎(chǔ)，空間電波的傳導(dǎo)都可使用麥克斯韋方程來(lái)表示，但無(wú)法通過(guò)直接對(duì)麥克斯韋方程求解來(lái)精確地表現(xiàn)空間電磁頻譜的傳播情況。時(shí)域有限差分法是現(xiàn)階段最主要的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，所得結(jié)果為某時(shí)刻整個(gè)所求區(qū)域空間網(wǎng)格點(diǎn)上的場(chǎng)量。將這些場(chǎng)量作為入口函數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，就可以形成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的一個(gè)定量的三維描述。三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化繪制主要有兩種方法，即面繪制法和直接體繪制方法。體繪制算法就是將這些離散的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)切面上各網(wǎng)格點(diǎn)電磁場(chǎng)量的值，按一定規(guī)則設(shè)置相應(yīng)的顏色和透明度，從而在切面上生成形象直觀的電磁場(chǎng)量分布圖像。而面繪制法是先由3D數(shù)據(jù)場(chǎng)構(gòu)造表示場(chǎng)強(qiáng)分布的曲線、曲面等，這些幾何元素包含了空間的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，然后實(shí)現(xiàn)可視化的輸出[4]。

3.2 電磁頻譜可視化的實(shí)現(xiàn)

下面介紹一種利用Visual C＋＋實(shí)現(xiàn)的頻譜二維顯示技術(shù)，根據(jù)上文所介紹的幾種方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種電磁頻譜可視化軟件，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬仿真，取得了一定的效果。

在想定的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，假設(shè)我方艦艇平臺(tái)搭載1部頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備的監(jiān)測(cè)頻段為100MHz到1GHz之間，在此監(jiān)測(cè)設(shè)備上可以看到我艦艇平臺(tái)周圍一定范圍內(nèi)在監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)電磁頻譜頻率的分布情況?？梢暬Y(jié)果如圖2所示。

圖2 100MHz～1GHz可視化頻譜全景圖

由圖2可見(jiàn)，該想定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，100MHz到1GHz全景頻段之間監(jiān)測(cè)到了7個(gè)電磁頻譜信號(hào)，圖2上部為瀑布圖，下方為對(duì)應(yīng)的頻譜圖，橫坐標(biāo)表示監(jiān)測(cè)的頻率區(qū)間。圖中t表示瀑布圖的記憶時(shí)間，在圖中瀑布圖的記憶時(shí)間區(qū)間為T到（T＋t），一般t取4～5s。

在該全景圖上可以選擇一個(gè)感興趣的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的可視化監(jiān)測(cè)，雙擊全景圖下方某一頻段，可以觀測(cè)到該頻段的局部放大圖，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，頻率565MHz上有一明顯的信號(hào)，以該信號(hào)為例，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行中頻分析，可得效果圖如圖4所示，在中頻分析的過(guò)程中，就可以得出該裝備的工作方式及裝備類型。

該種頻譜可視化手段利用了瀑布圖和頻譜圖交互，這樣可以更加直觀地顯示該頻譜隨時(shí)鐘步進(jìn)的信息，同時(shí)裝備的工作類型也可以在瀑布圖上有所

圖3 某一頻段放大視圖

圖4 某型裝備中頻分析二維頻譜圖

體現(xiàn)，如定頻裝備在瀑布圖上顯示為隨時(shí)鐘步進(jìn)的連貫直線，而跳頻裝備在瀑布圖上顯示為在裝備跳頻范圍內(nèi)離散的點(diǎn)，充分體現(xiàn)了瀑布圖具有記憶能力的優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)效果圖如圖5所示。

圖5 電磁頻譜瀑布圖與頻譜圖交互顯示局部放大

同時(shí)中頻分析后還能得到信號(hào)的方位信息，可以設(shè)計(jì)1個(gè)360°可視化方向盤來(lái)直觀地顯示目標(biāo)信號(hào)的方位信息。如圖6所示，該信號(hào)出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)39.23°的位置附近。

圖6 頻譜監(jiān)測(cè)方向示意圖

在得到上述的頻譜信息后，可以利用Visual C＋＋及VTK軟件進(jìn)一步對(duì)頻譜進(jìn)行三維態(tài)勢(shì)的繪制，以明確某一區(qū)域頻譜資源的強(qiáng)弱及戰(zhàn)區(qū)的頻譜態(tài)勢(shì)?？臻g某點(diǎn)的電磁態(tài)勢(shì)值即該點(diǎn)電磁頻譜分布的場(chǎng)強(qiáng)大小不同時(shí)，在相應(yīng)軟件模塊中的映射顏色亦不同[5-6]。而電磁態(tài)勢(shì)體數(shù)據(jù)的獲取可以由多部接收機(jī)完成，其實(shí)質(zhì)即為空間整體態(tài)勢(shì)的切塊。針對(duì)電磁態(tài)勢(shì)的數(shù)據(jù)獲取算法及過(guò)程比較復(fù)雜，這里僅對(duì)其三維可視化進(jìn)行探討。

結(jié)合Visual C＋＋及VTK圖形顯示軟件，開(kāi)發(fā)了一個(gè)電磁態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)可視化模型，利用切片法就可以直觀地顯示某一指揮員感興趣的空間區(qū)域電磁頻譜分布狀況，為指揮員的決策提供支撐。相應(yīng)的三維態(tài)勢(shì)如圖7所示[7]。

圖7 某區(qū)域電磁頻譜分布三維態(tài)勢(shì)切片展示

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜可視化的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了實(shí)現(xiàn)電磁頻譜可視化要注意的各項(xiàng)問(wèn)題，結(jié)合相應(yīng)的軟件將戰(zhàn)場(chǎng)頻譜可視化從概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)建立了一套系統(tǒng)的頻譜可視化流程，通過(guò)頻譜監(jiān)測(cè)的手段獲取可視化所需數(shù)據(jù)，借助信息融合及計(jì)算機(jī)智能處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工，從而得到一定范圍內(nèi)電磁頻譜可視化結(jié)果。電磁頻譜的可視化可以為戰(zhàn)場(chǎng)指揮人員及參謀人員提供直觀詳實(shí)的電磁頻譜信息，提高指揮人員把握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、高效利用頻譜資源的能力，加強(qiáng)作戰(zhàn)系統(tǒng)的可視性及實(shí)用性。

[1]IIU.An Improved Model of Rain Attenuation Prediction Along Earth space Path[R].New York：International Telecommunication Union，2003.

[2]胡曉峰，司光亞，吳琳，等.戰(zhàn)爭(zhēng)模擬原理與系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防大學(xué)出版社，2009.

[3]王華，夏璇.盤／軸系統(tǒng)瀑布圖的仿真[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25（5）：33－35.

[4]賈連興，汪霖，韓世剛.戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)三維仿真系統(tǒng)研究[A].系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[C].三亞，2010：17－22.

[5]王曉東，郭雷，董銀文，趙峰.真三維顯示技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].火力指揮與控制，2006，31（4）：77－80.

[6]周橋，徐青，陳景偉，李建勝，藍(lán)朝楨.電磁環(huán)境建模與三維可視化[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，25（2）：112－115.

[7]艾婷，趙帥.基于VTK實(shí)現(xiàn)二維醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（4）：375－378.