李高升，胡昆明，2，蔡 震，劉培國(guó)

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073;2.空軍裝備研究院通信導(dǎo)航與指揮自動(dòng)化研究所，北京 100843)

0 引言

隨著信息化建設(shè)在社會(huì)各領(lǐng)域的快速推進(jìn)，先進(jìn)的電子設(shè)備和一體化平臺(tái)帶來(lái)了信息化水平的迅速提升。在此過(guò)程中，電磁環(huán)境日漸復(fù)雜，成為影響系統(tǒng)綜合性能發(fā)揮的重要因素。

近年來(lái)，多家單位開(kāi)展了電磁環(huán)境相關(guān)研究，探討了電磁環(huán)境的構(gòu)成要素［2］，研究了電磁環(huán)境表征方法［3］，分析了復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)于通信、導(dǎo)航和雷達(dá)探測(cè)等的影響［4，5］，研究了電磁環(huán)境建模與仿真方法［6］。

對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試測(cè)量是掌握環(huán)境特征的可靠手段。這里探討對(duì)電磁環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用方法，以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納電磁環(huán)境中的電磁信號(hào)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了分析及預(yù)測(cè)軟件，對(duì)于把握環(huán)境現(xiàn)狀并預(yù)測(cè)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而指導(dǎo)電子系統(tǒng)運(yùn)用，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 電磁環(huán)境分析及預(yù)測(cè)

基于測(cè)量數(shù)據(jù)的電磁環(huán)境建模、分析和預(yù)測(cè)工作，主要通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的總結(jié)和歸納，建立數(shù)學(xué)模型，提煉電磁環(huán)境演變特點(diǎn)。對(duì)于特定區(qū)域的電磁環(huán)境，可預(yù)測(cè)其電磁信號(hào)頻率分量及強(qiáng)度分布變化情況。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行充分和有效的利用，從多批次、多種類(lèi)的電磁環(huán)境測(cè)量獲得的大量數(shù)據(jù)中挖掘隱含在數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，為電磁環(huán)境預(yù)測(cè)提供支撐。

對(duì)于特定對(duì)象，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)將模型中的系數(shù)歸納出來(lái)，從而得到這一對(duì)象的具體描述。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)典數(shù)學(xué)模型描述的電磁參數(shù)規(guī)律，可依托本系統(tǒng)建立新模型，即基于測(cè)量數(shù)據(jù)綜合出描述其規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

為確保環(huán)境預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，要求測(cè)量過(guò)程具有良好的重復(fù)性和可比性。因此，在測(cè)量規(guī)范中，需明確指出所用儀器信息(名稱(chēng)、型號(hào)和序號(hào)等)、天線、探頭、電纜及接插件，以及系統(tǒng)連接方式和布局、測(cè)試參數(shù)設(shè)置等，每次測(cè)量均需按照規(guī)范執(zhí)行。

對(duì)于配套的數(shù)據(jù)庫(kù)，要求其具備開(kāi)放性接口，能夠?qū)崟r(shí)提供所需的原始數(shù)據(jù)，并方便地存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果及生成的模型。

環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)［7］所應(yīng)用的算法包括數(shù)理統(tǒng)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2類(lèi)。前者主要涉及擬合和插值的各種方法，后者主要運(yùn)用了后向傳播(Back Propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Generalized Regression Neural Network，GRNN)。

2 工作流程

對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行信息綜合及預(yù)測(cè)，主要工作包括:通過(guò)對(duì)特定區(qū)域多次測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)歸納該區(qū)域電磁環(huán)境信號(hào)頻譜分布情況，研究頻譜占用情況，并針對(duì)典型信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)其將來(lái)的強(qiáng)度等，算法流程如圖1所示。

圖1 電磁環(huán)境模型綜合算法流程

程序根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，調(diào)用算法計(jì)算并繪制曲線。橫軸是時(shí)間，按自然年份從左到右遞增。

在此基礎(chǔ)上可以繪制三維圖，x軸為時(shí)間，y軸為頻率，z軸為信號(hào)幅度，這樣可以直觀地觀察各頻率分量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)并加以對(duì)比。

算法實(shí)現(xiàn)的基本步驟如下:

①對(duì)特定的某一區(qū)域，讀取對(duì)其電磁環(huán)境歷次測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，將第i次的數(shù)據(jù)作為2個(gè)數(shù)組:頻率 fi［j］和幅度 Ai［j］。

② 遍歷數(shù)組Ai［j］，對(duì)其中每一個(gè)幅度大于某一設(shè)定門(mén)限T的元素，讀取并記錄為新數(shù)組Bi［m］，并據(jù)此得到對(duì)應(yīng)的新數(shù)組fi［m］。

③ 對(duì)所有的Bi［m］取并集，得到新數(shù)組C［n］，并據(jù)此得到對(duì)應(yīng)的新數(shù)組f［n］。其中，對(duì)具有相同自變量的多個(gè)數(shù)據(jù)，僅保留幅度最大的那組，繪制C［n］～f［n］曲線。

④ 根據(jù)用戶(hù)指定，對(duì)數(shù)組f［n］中的任意元素，查找原始數(shù)據(jù)Ai［j］中所有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，形成新數(shù)組D［p］。

⑤ 以D［p］為基礎(chǔ)，調(diào)用算法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及預(yù)測(cè)，并據(jù)此繪制預(yù)測(cè)曲線。

電磁環(huán)境信息綜合軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 電磁環(huán)境信息綜合流程

3 編程設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)于讀取到的測(cè)量數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以下工作:

①進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。根據(jù)軟件接口文件規(guī)定，把從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量的基本單位。

②進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇。從讀取到的數(shù)據(jù)中，選擇本次任務(wù)需要的字段。

③進(jìn)行數(shù)據(jù)平均。遍歷讀取到的數(shù)據(jù)，如果有日期處于同一個(gè)月的2組或多組數(shù)據(jù)，將其取平均值，作為一組數(shù)據(jù)，用于后續(xù)計(jì)算。

3.2 變量與函數(shù)

Windows應(yīng)用程序的所有類(lèi)都在model_syn的命名空間下。其中環(huán)境綜合所對(duì)應(yīng)的類(lèi)為FormEnviSynthesis:Form。這個(gè)類(lèi)需從主框架里面讀取的變量為:

public string PlatFormName;∥臨時(shí)變量，平臺(tái)名稱(chēng)

public string EquipName(RegionName);∥臨時(shí)變量，關(guān)鍵區(qū)域名稱(chēng)

其在主框架里的讀取語(yǔ)句為:

model_syn.FormEnviSynthesis frm=new

FormEnviSynthesis();

frm.RegionName=treeViewProjectmanagement.SelectedNode.Text;

frm.PlatformName=CurrentPfName;

這個(gè)類(lèi)需從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此需要添加 database_dll的引用，并在程序中實(shí)例化Database:Database data=new Database();

環(huán)境綜合從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程為:

運(yùn)行函數(shù) GetTestTime(RegionName，Constant.關(guān)鍵區(qū)域 testItem.場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量.ToString()，PlatformName)讀取測(cè)量時(shí)間time;根據(jù)測(cè)量時(shí)間運(yùn)行函數(shù) GetTransData((string)testTime);再?gòu)?data.transDataOutput［j］.frequency ［l］和 data.transDataOutput［j］.magnitude［l］讀取頻率以及所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)大小。

數(shù)據(jù)讀取及預(yù)處理模塊主要由2個(gè)函數(shù)組成:public void Getdata()，完成讀取所有測(cè)量時(shí)間里的所有頻率，并選擇出超過(guò)門(mén)限值的頻率及場(chǎng)強(qiáng)的功能，將所有超過(guò)門(mén)限值的頻率和場(chǎng)強(qiáng)存儲(chǔ)在List＜ArrayList＞型變量 Beyond_fre(存頻率)、Beyond_mag(存場(chǎng)強(qiáng));public void data_convert()，首先將超過(guò)門(mén)限值的所有頻率和場(chǎng)強(qiáng)合并，然后濾除相同的頻率值，接下來(lái)按從小到大的順序排序，將合并后的頻率和場(chǎng)強(qiáng)存儲(chǔ)為ArrayList型的變量fre(頻率)和mag(場(chǎng)強(qiáng))。

圖形可視化模塊主要由2個(gè)函數(shù)構(gòu)成:public void PlotSpectrum(string_RegionName)，主要完成超過(guò)門(mén)限值的頻譜圖再現(xiàn)功能，其中變量_RegionName為關(guān)鍵區(qū)域名稱(chēng);public void PlotFreSyn(string_RegionName)，完成某一個(gè)超過(guò)門(mén)限值的環(huán)境信號(hào)變化圖的繪制。

軟件界面中給出了2幅圖，關(guān)鍵區(qū)域電磁環(huán)境模型綜合結(jié)果如圖3和圖4所示。

軟件界面中以下拉菜單的形式顯示了讀取到的所有高于設(shè)定門(mén)限的電磁信號(hào)。默認(rèn)的顯示格式為以GHz為單位的頻率數(shù)值。在這里選擇不同的頻率數(shù)值，點(diǎn)擊“確定”，界面下方的曲線將刷新，顯示該頻點(diǎn)信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線。如果選中的頻率分量?jī)H有一組測(cè)量結(jié)果，由于數(shù)據(jù)少，不足以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，將繪制出一條直線。

圖3 數(shù)據(jù)中所有強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定門(mén)限的頻率值及其強(qiáng)度

圖4 某特定頻率信號(hào)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)實(shí)測(cè)及預(yù)測(cè)值

3.3 軟件容錯(cuò)與易用性設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理、算法設(shè)計(jì)與實(shí)施等環(huán)節(jié)，注意到了精度、容錯(cuò)性和效率等指標(biāo)的折中。從用戶(hù)的角度考慮，精簡(jiǎn)了軟件操作步驟，盡可能地減少了用戶(hù)干預(yù)，降低了對(duì)用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求。在實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)，兼顧了方便易用的原則。

如果數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在符合條件的測(cè)量數(shù)據(jù)，無(wú)法執(zhí)行后續(xù)任務(wù)時(shí)，將彈出提示對(duì)話(huà)框。

如果讀取到的數(shù)據(jù)較少，將彈出對(duì)話(huà)框，提示數(shù)據(jù)較少，可能導(dǎo)致誤差較大。用戶(hù)可選擇增加測(cè)量數(shù)據(jù)后再執(zhí)行此操作。如果選擇繼續(xù)執(zhí)行，程序可調(diào)用算法，正常給出預(yù)測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)多次測(cè)量獲得的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)規(guī)律綜合。綜合出的模型可以用于電磁環(huán)境和電磁兼容分析評(píng)估，可以用于電磁環(huán)境模擬與生成，以支撐電磁敏感度測(cè)試和復(fù)雜電磁環(huán)境下的訓(xùn)練，可以用于預(yù)測(cè)電磁環(huán)境的發(fā)展變化，對(duì)于電子信息設(shè)備的使用提供指導(dǎo)。 ■

［1］余 輝，石景嵐，劉 榮.戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境對(duì)C3I系統(tǒng)性能影響分析［J］.無(wú)線電工程，2010，40(12):38－41.

［2］劉尚合，武占成，張希軍.電磁環(huán)境效應(yīng)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.國(guó)防科技，2008，29(1):1 －6.

［3］代合鵬，蘇東林.電磁環(huán)境復(fù)雜度定量分析方法研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25(3):25 －27.

［4］賈 青，高 翔，蘭漢華.艦船通信系統(tǒng)電磁環(huán)境分析［J］.艦船電子工程，2009，29(9):178 －181.

［5］劉 義，王國(guó)玉，馮德軍.基于裝備作戰(zhàn)效能的復(fù)雜電磁環(huán)境下訓(xùn)練效果評(píng)估［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(17):5375－5378.

［6］閔 濤，楊建華，李 盾，等.虛擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)研究［J］.指揮控制與仿真，2007，29(2):83 －88.

［7］王玉峰，鄒積巖，廖敏夫.基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)預(yù)測(cè)與分析變電站中電磁環(huán)境［J］.高壓電器，2009，45(10):77－79.

［8］唐保東.對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下訓(xùn)練的認(rèn)識(shí)與思考［J］.國(guó)防大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，18(9):37－38.