基于DTW 的頻譜異常信號(hào)檢測方法

李培林 鄒本振

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都610000）

1 概述

頻譜異常信號(hào)檢測對(duì)干擾源查找、頻率沖突分析等有重要作用，是頻譜管理人員重點(diǎn)關(guān)注的信號(hào)類型。頻譜異常信號(hào)包括新頻率發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)、頻率（或頻段）非法占用異常信號(hào)、能量超標(biāo)異常信號(hào)等，本課題主要研究能量超標(biāo)異常信號(hào)。因電磁頻譜特征提取困難等原因，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)能量超標(biāo)信號(hào)檢測準(zhǔn)確性較低[1]。本文考慮異常信號(hào)樣本少、樣式多等特點(diǎn)，通過對(duì)歷史記錄的正常信號(hào)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計(jì)分析，采用統(tǒng)計(jì)門限技術(shù)在頻段掃描數(shù)據(jù)中檢測異常信號(hào)頻點(diǎn)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常頻點(diǎn)信號(hào)，引導(dǎo)頻譜監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行單頻點(diǎn)測量，針對(duì)采集的單頻點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，借鑒語音識(shí)別中的孤立詞語音識(shí)別處理方法，采用DTW 算法對(duì)能量超標(biāo)異常信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別。

2 DTW 算法

頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)是頻率-能量二維數(shù)據(jù)，它的能量值是根據(jù)頻率順序出現(xiàn)排列的，但是在工程實(shí)際中，其頻率-能量值存在一定的偏移。DTW 算法一種度量具有不同長度和不同步的序列之間相似度的有效方法，廣泛應(yīng)用于序列的相似搜索和匹配領(lǐng)域[2]，其原理是將兩個(gè)序列按照最小距離準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)齊，得到兩個(gè)序列之間的距離[3]。判決方法是認(rèn)為與被測序列距離最小的序列就是該序列的識(shí)別結(jié)果。本文采用DTW 算法對(duì)頻譜異常信號(hào)進(jìn)行檢測，頻點(diǎn)信號(hào)匹配示意圖如圖1 所示。可以看到信號(hào)1 和信號(hào)2 在整體形狀很相似，單在頻率軸上不對(duì)齊，如果采用傳統(tǒng)的比較距離的方法來計(jì)算相似性，A 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)算點(diǎn)為點(diǎn)，計(jì)算得到的距離值將較大，實(shí)際上，A 點(diǎn)的應(yīng)該對(duì)應(yīng)B 點(diǎn)計(jì)算才正確，DTW 可以通過找到兩個(gè)波形的對(duì)齊點(diǎn)并計(jì)算兩個(gè)波形的距離。

3 頻譜異常信號(hào)檢測技術(shù)

頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、頻段范圍寬，存在無效、偶發(fā)信號(hào)的特點(diǎn)，采用頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)門限算法，通過對(duì)大量正常的頻段掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定異常信號(hào)概率，計(jì)算頻段掃描數(shù)據(jù)各頻點(diǎn)的門限，當(dāng)實(shí)測頻段掃描信號(hào)值超過門限，觸發(fā)頻譜監(jiān)測設(shè)備轉(zhuǎn)入異常信號(hào)頻點(diǎn)掃描模式，將采集的異常信號(hào)頻點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)與異常信號(hào)庫中的信號(hào)樣本進(jìn)行模板匹配，完成異常信號(hào)的分類和累積。最后通過試驗(yàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

模板匹配：模板匹配包括模板建立和模板匹配，模板建立是進(jìn)行模板匹配的基礎(chǔ)，也是異常信號(hào)檢測和判別的關(guān)鍵。通過DTW算法將異常信號(hào)與信號(hào)庫中信號(hào)進(jìn)行匹配，判斷是否是庫中信號(hào)，若非庫中信號(hào)則保存，若是庫中信號(hào)則處理結(jié)束。經(jīng)過長時(shí)間的積累，形成豐富的異常信號(hào)模板庫，為干擾源的快速查找提供支撐。

圖1 信號(hào)匹配

（1）模板建立。

在理想情況下，異常信號(hào)樣本庫中同一類型異常信號(hào)其波形應(yīng)一致，但受環(huán)境偶發(fā)信號(hào)、設(shè)備熱噪聲等影響，往往存在一定差異性。因此，在建立模板時(shí)需對(duì)偶發(fā)信號(hào)等其它干擾信號(hào)進(jìn)行濾除或抑制。設(shè)異常信號(hào)樣本庫中異常信號(hào)A 的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)M 次，完成一次掃描采集的頻點(diǎn)數(shù)為k 點(diǎn)，將M 次采集的數(shù)據(jù)歸一化為一次掃描數(shù)據(jù)作為模板，需在每個(gè)頻點(diǎn)上對(duì)能量值進(jìn)行加權(quán)歸一。最簡單的方法是求均值，但無法對(duì)偶發(fā)信號(hào)進(jìn)行有效壓制，影響后續(xù)模板匹配相似系數(shù)的計(jì)算。本文提出一種方法，設(shè)在M 次采集中，偶發(fā)信號(hào)只占較小的比例，相應(yīng)讓偶發(fā)信號(hào)的權(quán)重較小，反之權(quán)重較大。在任一頻段上將能量最大值和最小值之間分n 段，落在第i 段的掃描能量個(gè)數(shù)為Ni個(gè)，第i 段中每一能量值的權(quán)重值為Vi，如n 為1即均值權(quán)重：

圖2 實(shí)測異常信號(hào)

圖3 模板庫信號(hào)1

圖4 模板庫信號(hào)2

圖5 模板庫信號(hào)3

4 仿真結(jié)果及分析

本次仿真驗(yàn)證采用超短波頻譜監(jiān)測設(shè)備（型號(hào)：中星世通CS-805F）采集的頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，該型設(shè)備具有頻段掃描模式和頻點(diǎn)掃描兩種模式，頻段掃描模式下完成單次掃描采集的頻點(diǎn)數(shù)量為8001 點(diǎn)，頻點(diǎn)掃描模式下，完成連續(xù)波單次掃描采集的頻點(diǎn)數(shù)量為1024 點(diǎn)，完成捷變頻數(shù)據(jù)單次采集的頻點(diǎn)數(shù)量為800 點(diǎn)。本試驗(yàn)中采集的頻段掃描數(shù)據(jù)為800-1000MHz 數(shù)據(jù)，分別以異常信號(hào)率為1%、10%、20%，在無異常信號(hào)環(huán)境下采集掃描100 次，異常信號(hào)率越高，得到的門限越低，異常信號(hào)值越多。采用統(tǒng)計(jì)門限為1%值對(duì)頻段掃描中的異常信號(hào)進(jìn)行檢測，在中心頻點(diǎn)為925MHz采集的疑似異常信號(hào)如圖2 所示。模板庫中異常信號(hào)的三種類型分別如圖3、圖4、圖5 所示。其中“Ave-value”為均值樣本，“Wed-value”為加權(quán)統(tǒng)計(jì)值樣本，其中加權(quán)分段值為9。采用DTW算法分別對(duì)均值模板和加權(quán)統(tǒng)計(jì)形成的模板進(jìn)行匹配計(jì)算，結(jié)果如表1 所示。綜合考慮信號(hào)點(diǎn)長度、信號(hào)樣式等特點(diǎn)，將識(shí)別門限值（相關(guān)系數(shù)）設(shè)置為3800，相似系數(shù)小于門限值時(shí)識(shí)別為模板庫中信號(hào)，信號(hào)匹配結(jié)論如表2 所示。從表2 可知：（1）異常信號(hào)全部識(shí)別正確;（2）)測試信號(hào)4 為新類型異常信號(hào)。

表1 模板匹配相關(guān)系數(shù)

表2 信號(hào)匹配結(jié)論

結(jié)束語

本文針對(duì)頻譜異常信號(hào)檢測難的問題，先對(duì)頻段掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，快速提取異常頻點(diǎn)信號(hào)，再采用DTW 算法將頻點(diǎn)信號(hào)與加權(quán)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生的模板信號(hào)進(jìn)行匹配計(jì)算，完成異常信號(hào)的識(shí)別；最后，采用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，表明基于DTW 算法的頻譜異常信號(hào)檢測具有較高的識(shí)別正確率。