基于DTW 的頻譜異常信號檢測方法

李培林 鄒本振

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都610000）

1 概述

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

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]，其原理是將兩個序列按照最小距離準(zhǔn)則進行對齊，得到兩個序列之間的距離[3]。判決方法是認為與被測序列距離最小的序列就是該序列的識別結(jié)果。本文采用DTW 算法對頻譜異常信號進行檢測，頻點信號匹配示意圖如圖1 所示。可以看到信號1 和信號2 在整體形狀很相似，單在頻率軸上不對齊，如果采用傳統(tǒng)的比較距離的方法來計算相似性，A 點對應(yīng)的計算點為點，計算得到的距離值將較大，實際上，A 點的應(yīng)該對應(yīng)B 點計算才正確，DTW 可以通過找到兩個波形的對齊點并計算兩個波形的距離。

3 頻譜異常信號檢測技術(shù)

頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、頻段范圍寬，存在無效、偶發(fā)信號的特點，采用頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計門限算法，通過對大量正常的頻段掃描數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，設(shè)定異常信號概率，計算頻段掃描數(shù)據(jù)各頻點的門限，當(dāng)實測頻段掃描信號值超過門限，觸發(fā)頻譜監(jiān)測設(shè)備轉(zhuǎn)入異常信號頻點掃描模式，將采集的異常信號頻點掃描數(shù)據(jù)與異常信號庫中的信號樣本進行模板匹配，完成異常信號的分類和累積。最后通過試驗場采集的數(shù)據(jù)進行驗證。

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

圖1 信號匹配

（1）模板建立。

在理想情況下，異常信號樣本庫中同一類型異常信號其波形應(yīng)一致，但受環(huán)境偶發(fā)信號、設(shè)備熱噪聲等影響，往往存在一定差異性。因此，在建立模板時需對偶發(fā)信號等其它干擾信號進行濾除或抑制。設(shè)異常信號樣本庫中異常信號A 的頻點數(shù)據(jù)M 次，完成一次掃描采集的頻點數(shù)為k 點，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，需在每個頻點上對能量值進行加權(quán)歸一。最簡單的方法是求均值，但無法對偶發(fā)信號進行有效壓制，影響后續(xù)模板匹配相似系數(shù)的計算。本文提出一種方法，設(shè)在M 次采集中，偶發(fā)信號只占較小的比例，相應(yīng)讓偶發(fā)信號的權(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 段的掃描能量個數(shù)為Ni個，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 實測異常信號

圖3 模板庫信號1

圖4 模板庫信號2

圖5 模板庫信號3

4 仿真結(jié)果及分析

本次仿真驗證采用超短波頻譜監(jiān)測設(shè)備（型號：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掃描兩種模式，頻段掃描模式下完成單次掃描采集的頻點數(shù)量為8001 點，頻點掃描模式下，完成連續(xù)波單次掃描采集的頻點數(shù)量為1024 點，完成捷變頻數(shù)據(jù)單次采集的頻點數(shù)量為800 點。本試驗中采集的頻段掃描數(shù)據(jù)為800-1000MHz 數(shù)據(jù)，分別以異常信號率為1%、10%、20%，在無異常信號環(huán)境下采集掃描100 次，異常信號率越高，得到的門限越低，異常信號值越多。采用統(tǒng)計門限為1%值對頻段掃描中的異常信號進行檢測，在中心頻點為925MHz采集的疑似異常信號如圖2 所示。模板庫中異常信號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)計值樣本，其中加權(quán)分段值為9。采用DTW算法分別對均值模板和加權(quán)統(tǒng)計形成的模板進行匹配計算，結(jié)果如表1 所示。綜合考慮信號點長度、信號樣式等特點，將識別門限值（相關(guān)系數(shù)）設(shè)置為3800，相似系數(shù)小于門限值時識別為模板庫中信號，信號匹配結(jié)論如表2 所示。從表2 可知：（1）異常信號全部識別正確;（2）)測試信號4 為新類型異常信號。

表1 模板匹配相關(guān)系數(shù)

表2 信號匹配結(jié)論

結(jié)束語

本文針對頻譜異常信號檢測難的問題，先對頻段掃描數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，快速提取異常頻點信號，再采用DTW 算法將頻點信號與加權(quán)統(tǒng)計產(chǎn)生的模板信號進行匹配計算，完成異常信號的識別；最后，采用實測數(shù)據(jù)進行仿真試驗，表明基于DTW 算法的頻譜異常信號檢測具有較高的識別正確率。