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，武漢430033）

0 引 言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)這條無形的戰(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)測的難題，同時也是指揮員正確把握電磁態(tài)勢、進行準確指揮的瓶頸。隨著現(xiàn)代電磁頻譜監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，大量的新技術(shù)運用到了電磁頻譜可視化當中，頻譜可視化技術(shù)對于指揮員合理地分配利用戰(zhàn)場頻譜資源，總攬復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下的電磁態(tài)勢有著重要的作用。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)展將給指揮員帶來思維方式和認知方式的根本性變化。

1 電磁頻譜數(shù)據(jù)的監(jiān)測及處理

1.1 電磁頻譜數(shù)據(jù)的監(jiān)測

電磁頻譜可視化的基礎(chǔ)是電磁頻譜監(jiān)測。電磁頻譜監(jiān)測包括對監(jiān)測設(shè)備的控制和對所獲得數(shù)據(jù)的分析處理。頻譜監(jiān)測的重點在于建立系統(tǒng)的頻譜監(jiān)測網(wǎng)。頻譜監(jiān)測網(wǎng)由監(jiān)測控制中心、陸基固定監(jiān)測站、移動式監(jiān)測站及便攜式小型監(jiān)測設(shè)備組成。監(jiān)測控制中心負責管理下級監(jiān)測設(shè)備及整體的電磁態(tài)勢顯示，是頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚點。陸基固定監(jiān)測站及移動監(jiān)測站是頻譜監(jiān)測控制中心的支撐點，主要負責采集有效的頻譜數(shù)據(jù)，生成進行敵我識別和對抗措施的基本資料，并上報控制中心。電磁頻譜監(jiān)測的最終目的在于收集戰(zhàn)場頻譜數(shù)據(jù)，加強戰(zhàn)場頻譜管控能力，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)測到的數(shù)據(jù)建立可視化信息數(shù)據(jù)庫。其主要包括兩大方面：一是電磁用頻設(shè)備數(shù)據(jù)庫；二是海戰(zhàn)場自然環(huán)境數(shù)據(jù)庫。在建立數(shù)據(jù)庫的過程中，必須使用標準統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。將監(jiān)測收集到的數(shù)據(jù)匯總后進行歸一化處理，打包成適合可視化接口的數(shù)據(jù)包。以雷達系統(tǒng)可視化數(shù)據(jù)庫為例，將雷達信號可視化的主要性能參數(shù)記錄為一個總體信息柵格，每個下屬分柵格中含有若干數(shù)據(jù)項，包括雷達信號的工作頻率、出現(xiàn)方位、信號強度等。針對其他電子系統(tǒng)如導航、通信、電子對抗等，以同樣的方式將感興趣的數(shù)據(jù)都記錄下來，這樣就形成了電子設(shè)備頻譜信息數(shù)據(jù)庫。而海戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫依賴于各個相關(guān)部門提供信息的匯總。關(guān)鍵在于實時更新。相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后為后續(xù)的可視化模塊提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可視化模塊生成對應(yīng)的可視化結(jié)果及空間電磁頻譜態(tài)勢，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)測的主要任務(wù)是為電子對抗指揮員的決策提供支撐。而電磁頻譜可視化為電子對抗指揮員提供了更加直觀的操作觀察平臺。相應(yīng)的，電磁頻譜可視化必須遵循以下幾點原則：

（1）必須以戰(zhàn)場指揮官的需求為前提。通過對敵方電磁用頻設(shè)備載頻、方位、強度等主要工作參數(shù)的截獲，進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。經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)融合分析，還可以判斷搭載該設(shè)備的平臺信息及平臺出現(xiàn)的方向位置，以可視化的手段呈現(xiàn)給編隊指揮官，其對于編隊執(zhí)行任務(wù)的前期預(yù)警和準確掌握電磁態(tài)勢做出正確的決策有著重要的意義。

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程圖

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

（3）可視化描述的方式要簡潔直觀?？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，能夠為各級指揮人員所用[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，在執(zhí)行特定的作戰(zhàn)任務(wù)時又要對小范圍的電磁態(tài)勢進行精確的描繪。另一方面，由于海戰(zhàn)場電磁環(huán)境極為復(fù)雜，單純只利用一種方式來進行顯示是難以達到指揮員要求的，所以要充分利用多種方法進行交互顯示。在頻譜監(jiān)測過程中獲得的數(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)，在可視化過程中還需要有一定的分析辨別能力，能夠自動分析敏感數(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等軟件對電磁頻譜進行二維或者三維的顯示。其各有優(yōu)勢，所以戰(zhàn)場電磁頻譜的態(tài)勢及分布情況既可以用這幾種方法來展示，又可以進行動態(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)可以對頻譜信息進行可視化處理。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域信號的頻率點，將這些點進行快速傅里葉變換（FFT），計算結(jié)束后將所得結(jié)果儲存到儲存器中，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)計算機時鐘刷新頻譜，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，隨著時鐘的推進，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。針對瀑布圖的設(shè)計，首先根據(jù)所設(shè)定的接收門限，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個和圖形區(qū)域像素一致的N維數(shù)組，在隨時鐘步進的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，將數(shù)組中數(shù)據(jù)向下推進，新的數(shù)據(jù)填充空出的區(qū)域，過程中計算機讀取數(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。同時瀑布圖具有記憶性，通過對瀑布圖的觀察就可判別信號是否連續(xù)，或是否具有周期性，可以明顯觀察出信號隨時間變化的規(guī)律。并且如果某一信號雖被監(jiān)測到，但出現(xiàn)時間較短，通過瀑布圖就可簡單地將其分辨出來[3]。

三維頻譜顯示是數(shù)值仿真技術(shù)與計算機圖形學最新成果的結(jié)合。麥克斯韋方程是所有電磁理論的基礎(chǔ)，空間電波的傳導都可使用麥克斯韋方程來表示，但無法通過直接對麥克斯韋方程求解來精確地表現(xiàn)空間電磁頻譜的傳播情況。時域有限差分法是現(xiàn)階段最主要的電磁場數(shù)值計算方法，所得結(jié)果為某時刻整個所求區(qū)域空間網(wǎng)格點上的場量。將這些場量作為入口函數(shù)，通過計算機模擬，就可以形成對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的一個定量的三維描述。三維數(shù)據(jù)場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)格點電磁場量的值，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量分布圖像。而面繪制法是先由3D數(shù)據(jù)場構(gòu)造表示場強分布的曲線、曲面等，這些幾何元素包含了空間的場強數(shù)據(jù)，然后實現(xiàn)可視化的輸出[4]。

3.2 電磁頻譜可視化的實現(xiàn)

下面介紹一種利用Visual C＋＋實現(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)計開發(fā)了一種電磁頻譜可視化軟件，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)進行了模擬仿真，取得了一定的效果。

在想定的海戰(zhàn)場環(huán)境下，假設(shè)我方艦艇平臺搭載1部頻譜監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備的監(jiān)測頻段為100MHz到1GHz之間，在此監(jiān)測設(shè)備上可以看到我艦艇平臺周圍一定范圍內(nèi)在監(jiān)測頻段內(nèi)電磁頻譜頻率的分布情況。可視化結(jié)果如圖2所示。

圖2 100MHz～1GHz可視化頻譜全景圖

由圖2可見，該想定的戰(zhàn)場環(huán)境下，100MHz到1GHz全景頻段之間監(jiān)測到了7個電磁頻譜信號，圖2上部為瀑布圖，下方為對應(yīng)的頻譜圖，橫坐標表示監(jiān)測的頻率區(qū)間。圖中t表示瀑布圖的記憶時間，在圖中瀑布圖的記憶時間區(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感興趣的數(shù)據(jù)對其進行進一步的可視化監(jiān)測，雙擊全景圖下方某一頻段，可以觀測到該頻段的局部放大圖，如圖3所示。

由圖3可見，頻率565MHz上有一明顯的信號，以該信號為例，進一步對其進行中頻分析，可得效果圖如圖4所示，在中頻分析的過程中，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鐘步進的信息，同時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鐘步進的連貫直線，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，充分體現(xiàn)了瀑布圖具有記憶能力的優(yōu)勢，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

同時中頻分析后還能得到信號的方位信息，可以設(shè)計1個360°可視化方向盤來直觀地顯示目標信號的方位信息。如圖6所示，該信號出現(xiàn)在監(jiān)測平臺39.23°的位置附近。

圖6 頻譜監(jiān)測方向示意圖

在得到上述的頻譜信息后，可以利用Visual C＋＋及VTK軟件進一步對頻譜進行三維態(tài)勢的繪制，以明確某一區(qū)域頻譜資源的強弱及戰(zhàn)區(qū)的頻譜態(tài)勢。空間某點的電磁態(tài)勢值即該點電磁頻譜分布的場強大小不同時，在相應(yīng)軟件模塊中的映射顏色亦不同[5-6]。而電磁態(tài)勢體數(shù)據(jù)的獲取可以由多部接收機完成，其實質(zhì)即為空間整體態(tài)勢的切塊。針對電磁態(tài)勢的數(shù)據(jù)獲取算法及過程比較復(fù)雜，這里僅對其三維可視化進行探討。

結(jié)合Visual C＋＋及VTK圖形顯示軟件，開發(fā)了一個電磁態(tài)勢監(jiān)測可視化模型，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)勢如圖7所示[7]。

圖7 某區(qū)域電磁頻譜分布三維態(tài)勢切片展示

4 結(jié)束語

本文研究了戰(zhàn)場電磁頻譜可視化的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了實現(xiàn)電磁頻譜可視化要注意的各項問題，結(jié)合相應(yīng)的軟件將戰(zhàn)場頻譜可視化從概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。同時建立了一套系統(tǒng)的頻譜可視化流程，通過頻譜監(jiān)測的手段獲取可視化所需數(shù)據(jù)，借助信息融合及計算機智能處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進行進一步加工，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)場指揮人員及參謀人員提供直觀詳實的電磁頻譜信息，提高指揮人員把握戰(zhàn)場態(tài)勢、高效利用頻譜資源的能力，加強作戰(zhàn)系統(tǒng)的可視性及實用性。

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