電磁頻譜監測數據運用研究

彭 程，楊 馨，王 哲，趙志遠

（1.海軍工程大學，湖北 武漢 430000；2.中國西安衛星測控中心，陜西 西安 710000；3.國防科技大學 信息通信學院，湖北 武漢 430000）

0 引言

電磁頻譜監測的目的是獲取周圍環境中的電磁頻譜數據，從而為電磁頻譜管理提供科學依據和數據支撐，由于電磁頻譜監測數據本身不包含信息，需要對電磁頻譜監測設備所獲取的電磁頻譜監測數據做進一步分析，才能獲得對管理決策有用的信息，這就需要對數據進行有效的處理運用，而電磁頻譜監測數據運用一直是電磁頻譜管理領域研究的重點和難點，如何通過對電磁頻譜監測數據的接收存儲、調用顯示、融合分析，并將數據處理的成果更好地服務指揮決策以及頻管業務，成為頻譜管理一個亟待解決的問題。

1 電磁頻譜監測數據存儲

1.1 基于不同時間頻譜監測數據形式

用數值形式存儲電磁頻譜監測數據最為客觀準確，也便于后續對數據進一步的分析處理，電磁頻譜監測數據的數值存儲形式，實際上包含三個信息的一一對應的數組，其結果數據表現為在某一特定時刻T和某一特定頻率F下的功率或場強，具體如表1所示。

這種存儲形式對各個頻點隨時間變化情況能夠全面掌握，數據的精細度和采樣點的選取密切相關，能夠反映動態頻譜特性，便于進行專業的電磁頻譜數據分析。

表1 頻率-時間頻譜監測數據（單位：dBm）

1.2 基于某一時段的頻譜監測統計數據形式

基于某一時刻的電磁頻譜監測數據省去了時間項，因為每時每刻的變化難以直觀呈現，轉而通過系統自動對某一時間段監測場強或電平值進行統計，生成與頻率一一對應的統計數據存儲下來，或者形成頻譜數據統計報表，如表2所示。

這種存儲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、門限電平、噪聲平均值、信號峰值等等各類統計數據，能夠為頻譜管理業務提供直觀有效的參考。

表2 某一時段的監測數據統計

1.3 無線電測向數據

無線電測向數據是將空間中信號電平值對應不同的來波方位角存儲下來，實際上是一個信號電平或者場強值和方位角一個一一對應的數據形式。對于時差定位則需要存儲來波時間及相位信息。

這種存儲形式主要用于在羅盤或電子地圖上標繪來波方向的示向線，或與其他測向數據融合后對輻射源進行定位。

2 電磁頻譜監測數據顯示

電磁信號的頻譜顯示是獲取信號頻譜及相關參數的一種技術手段，其目的是為頻譜管理技術人員分析頻率、帶寬、功率提供依據。早期有很多采用模擬技術體制的頻譜儀，模擬顯示可以做到實時顯示，對信號的波形、頻譜和信號的技術參數不能存儲，但可以進行照相記錄；數字顯示方式可對獲取的電磁頻譜數據進行存儲和調用。目前幾乎所有的頻譜監測設備都采用數字顯示技術，因而本文只討論數字顯示技術。比較典型數字頻譜顯示方式有以下兩種。

2.1 瞬時譜顯示

瞬時譜顯示就是指幅度—頻率二維顯示。是將采集的數據經FFT得到數字化頻譜直接顯示出來。由于人們感興趣的是頻譜幅度，所以一般用信號的功率譜顯示。瞬時譜顯示不斷調用每一時刻的頻譜監測數據，信號是隨著時間變化的，每一幀的采樣數據都不同，因此，幀頻譜顯示時，存在隨機“抖動”現象，獲取的是實時譜或準實時結果，還可以隨著時間變化生成瀑布圖。

這種顯示方式需要調用時間-頻譜數據，能夠觀測“實時頻譜”，給出動態變化特征，能夠生成頻譜瀑布圖，如果掃頻時間夠快，能夠抓住瞬態信號或脈沖信號。

2.2 平均譜顯示

平均譜顯示是將多幀瞬時譜進行平均運算后，再顯示出來。因為平均譜是對信號進行較長時間的采樣得到的，更逼近于信號的實際頻譜，并且顯示的頻譜比較穩定，所以，一般用平均譜來觀察信號的頻譜結構。平均譜比較穩定，所以單個信號非常清晰，便于對帶寬等結構進行統計分析。如圖2所示。

對于瞬態信號，如跳頻信號，由于出現的時間較短，不容易測量信號的參數，很多頻譜監測系統都支持最大信號保持功能，就是將一段時間接收到信號頻譜數據的最大值，保存并顯示出來。除此之外還有最小信號保持，平均信號保持等等。信號顯示時除了可以設置各類測量參數外，還可以根據設置門限，有選擇性地顯示信號（見圖3）。

圖1 瞬時譜顯示的頻譜

圖2 平均譜顯示的頻譜

圖3 最大/最小信號保持顯示的頻譜

3 電磁頻譜監測數據分析

3.1 頻譜占用度分析

選取某一頻段，設置統計門限值，當信號電平或場強超過某一門限值時，則認為該頻譜被占用，這就是基于門限電平/場強的頻譜占用度統計，相對頻帶而言就是頻帶占用度，相對頻道而言就是頻道占用度。如圖4所示，該圖是電磁頻譜監測系統通過設置門限電平對頻譜占用度進行分析。

圖4 基于門限的頻譜占用度統計

3.2 輻射源定位

對多個頻譜監測站或某個頻譜監測站在多個地點的無線電信號測向數據進行融合分析，通過交匯法、時差法等定位算法，獲取目標的具體位置，這種方式往往需要將測向站地理坐標、所測的方位角以及地圖數據結合起來，才能獲得目標的準確定位。如圖5所示。

圖5 交匯定位示意

3.3 典型頻譜信號的識別

時域信號和頻域信號可以通過傅里葉變換進行相互轉換，部分監測數據頻域特征并不明顯，可以把監測數據通過變換轉化為時域形式，通過時域特征來進行識別。電磁信號時域形式主要是由時間和場強或者電平所一一對應的數據形式，對時域信號的描述有這幾種典型參數：幅度、角頻率、相位、采樣速率、脈沖周期等等，例如部分雷達信號或者通信信號，通過時域分析能夠很快得知雷達信號的脈沖周期或者通信信號的調制方式，從而進一步分析輻射源的類型（見圖6）。

4 頻譜數據運用要把握的幾個問題

4.1 根據對象用途提供數據

不同的用戶，需要的電磁頻譜監測數據不同。對決策者而言，要綜合分析來自各機構、各要素的信息，因此最關注對結果有影響的信息，而對頻譜數據的完整性則要求不高，因此針對這類對象所提供的頻譜監測數據必須簡明、扼要并且具有指導意義；給用頻單位提供頻譜監測數據，應充分考慮用頻單位實際業務情況，例如提供給該單位主要使用頻段的頻譜數據，給出什么時間、地點頻段可用以及用頻注意事項等等；給技術部門提供數據，則要求數據盡可能的完整精確，便于進行準確的分析計算。

4.2 根據數據大小選擇傳輸方式

應當根據不同地理位置和周邊環境，針對不同的用戶對象，根據所需要傳輸的數據大小，選擇合適的數據傳輸方式。通過普通電臺，一般傳輸話音，攜帶信息較少，適合傳遞簡明扼要信息，而有線、光纖、衛星、微波、這些帶寬數據流量都不一樣，根據所需傳遞的信息大小，恰當地使用。

圖6 電磁信號頻域/時域分析

4.3 根據實際情況把握運用時機

任何頻譜監測數據，都具有時效性。要提高頻譜監測數據運用的時效性，一是要及時準確地運用數據，特別是對于瞬息萬變的戰場，戰機稍縱即逝，如果不能將頻譜監測數據進行有效利用，很可能就會錯過行動的最佳時機；二是要有重點地使用數據，海量的頻譜數據，有些數據對最終結果影響大，有些數據對最終結果影響小，對于起決定作用的重要數據，就應當作為決策關注的重點，而有些數據起次要作用，就應當減少使用，或者降低優先級使用。

5 結語

本文通過理論研究總結了電磁頻譜監測數據存儲主要形式，并給出了相對應的幾種電磁頻譜數據顯示方式，分析了不同顯示方式的優劣及適用范圍，而后給出了三種典型頻譜數據的分析方法，最后總結了電磁頻譜監測數據運用時需要把握的幾個問題。本文系統梳理了電磁頻譜數據運用的要點，為電磁頻譜監測更好地服務電磁頻譜管理工作提供了理論參考。