基于測量數據的電磁環境分析軟件開發

李高升，胡昆明，2，蔡 震，劉培國

(1.國防科技大學電子科學與工程學院，湖南長沙 410073;2.空軍裝備研究院通信導航與指揮自動化研究所，北京 100843)

0 引言

隨著信息化建設在社會各領域的快速推進，先進的電子設備和一體化平臺帶來了信息化水平的迅速提升。在此過程中，電磁環境日漸復雜，成為影響系統綜合性能發揮的重要因素。

近年來，多家單位開展了電磁環境相關研究，探討了電磁環境的構成要素［2］，研究了電磁環境表征方法［3］，分析了復雜電磁環境對于通信、導航和雷達探測等的影響［4，5］，研究了電磁環境建模與仿真方法［6］。

對電磁環境進行測試測量是掌握環境特征的可靠手段。這里探討對電磁環境測量數據的綜合應用方法，以測量數據為基礎，歸納電磁環境中的電磁信號變化規律。在此基礎上，設計并開發了分析及預測軟件，對于把握環境現狀并預測將來的發展趨勢，進而指導電子系統運用，具有重要應用價值。

1 電磁環境分析及預測

基于測量數據的電磁環境建模、分析和預測工作，主要通過對測量數據的總結和歸納，建立數學模型，提煉電磁環境演變特點。對于特定區域的電磁環境，可預測其電磁信號頻率分量及強度分布變化情況。對測量數據進行充分和有效的利用，從多批次、多種類的電磁環境測量獲得的大量數據中挖掘隱含在數據背后的規律，為電磁環境預測提供支撐。

對于特定對象，可以根據測量數據將模型中的系數歸納出來，從而得到這一對象的具體描述。對于沒有經典數學模型描述的電磁參數規律，可依托本系統建立新模型，即基于測量數據綜合出描述其規律的數學模型。

為確保環境預測的準確性和可靠性，要求測量過程具有良好的重復性和可比性。因此，在測量規范中，需明確指出所用儀器信息(名稱、型號和序號等)、天線、探頭、電纜及接插件，以及系統連接方式和布局、測試參數設置等，每次測量均需按照規范執行。

對于配套的數據庫，要求其具備開放性接口，能夠實時提供所需的原始數據，并方便地存儲計算結果及生成的模型。

環境參數預測［7］所應用的算法包括數理統計和神經網絡2類。前者主要涉及擬合和插值的各種方法，后者主要運用了后向傳播(Back Propagation，BP)神經網絡和廣義回歸神經網絡(Generalized Regression Neural Network，GRNN)。

2 工作流程

對電磁環境進行信息綜合及預測，主要工作包括:通過對特定區域多次測量獲得的數據進行分析，總結歸納該區域電磁環境信號頻譜分布情況，研究頻譜占用情況，并針對典型信號進行計算，預測其將來的強度等，算法流程如圖1所示。

圖1 電磁環境模型綜合算法流程

程序根據測量數據，調用算法計算并繪制曲線。橫軸是時間，按自然年份從左到右遞增。

在此基礎上可以繪制三維圖，x軸為時間，y軸為頻率，z軸為信號幅度，這樣可以直觀地觀察各頻率分量隨時間的變化趨勢并加以對比。

算法實現的基本步驟如下:

①對特定的某一區域，讀取對其電磁環境歷次測量獲得的數據，將第i次的數據作為2個數組:頻率 fi［j］和幅度 Ai［j］。

② 遍歷數組Ai［j］，對其中每一個幅度大于某一設定門限T的元素，讀取并記錄為新數組Bi［m］，并據此得到對應的新數組fi［m］。

③ 對所有的Bi［m］取并集，得到新數組C［n］，并據此得到對應的新數組f［n］。其中，對具有相同自變量的多個數據，僅保留幅度最大的那組，繪制C［n］～f［n］曲線。

④ 根據用戶指定，對數組f［n］中的任意元素，查找原始數據Ai［j］中所有對應數據，形成新數組D［p］。

⑤ 以D［p］為基礎，調用算法對其進行數據分析及預測，并據此繪制預測曲線。

電磁環境信息綜合軟件實現流程如圖2所示。

圖2 電磁環境信息綜合流程

3 編程設計與軟件實現

3.1 測量數據預處理

對于讀取到的測量數據，首先進行預處理，主要包括以下工作:

①進行單位轉換。根據軟件接口文件規定，把從數據庫讀取到的數據轉換為相應的物理量的基本單位。

②進行數據選擇。從讀取到的數據中，選擇本次任務需要的字段。

③進行數據平均。遍歷讀取到的數據，如果有日期處于同一個月的2組或多組數據，將其取平均值，作為一組數據，用于后續計算。

3.2 變量與函數

Windows應用程序的所有類都在model_syn的命名空間下。其中環境綜合所對應的類為FormEnviSynthesis:Form。這個類需從主框架里面讀取的變量為:

public string PlatFormName;∥臨時變量，平臺名稱

public string EquipName(RegionName);∥臨時變量，關鍵區域名稱

其在主框架里的讀取語句為:

model_syn.FormEnviSynthesis frm=new

FormEnviSynthesis();

frm.RegionName=treeViewProjectmanagement.SelectedNode.Text;

frm.PlatformName=CurrentPfName;

這個類需從數據庫中讀取和存儲數據，因此需要添加 database_dll的引用，并在程序中實例化Database:Database data=new Database();

環境綜合從數據庫讀取數據的過程為:

運行函數 GetTestTime(RegionName，Constant.關鍵區域 testItem.場強測量.ToString()，PlatformName)讀取測量時間time;根據測量時間運行函數 GetTransData((string)testTime);再從 data.transDataOutput［j］.frequency ［l］和 data.transDataOutput［j］.magnitude［l］讀取頻率以及所對應的場強大小。

數據讀取及預處理模塊主要由2個函數組成:public void Getdata()，完成讀取所有測量時間里的所有頻率，并選擇出超過門限值的頻率及場強的功能，將所有超過門限值的頻率和場強存儲在List＜ArrayList＞型變量 Beyond_fre(存頻率)、Beyond_mag(存場強);public void data_convert()，首先將超過門限值的所有頻率和場強合并，然后濾除相同的頻率值，接下來按從小到大的順序排序，將合并后的頻率和場強存儲為ArrayList型的變量fre(頻率)和mag(場強)。

圖形可視化模塊主要由2個函數構成:public void PlotSpectrum(string_RegionName)，主要完成超過門限值的頻譜圖再現功能，其中變量_RegionName為關鍵區域名稱;public void PlotFreSyn(string_RegionName)，完成某一個超過門限值的環境信號變化圖的繪制。

軟件界面中給出了2幅圖，關鍵區域電磁環境模型綜合結果如圖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定門限的電磁信號。默認的顯示格式為以GHz為單位的頻率數值。在這里選擇不同的頻率數值，點擊“確定”，界面下方的曲線將刷新，顯示該頻點信號隨時間的變化曲線。如果選中的頻率分量僅有一組測量結果，由于數據少，不足以實現預測，將繪制出一條直線。

圖3 數據中所有強度超過設定門限的頻率值及其強度

圖4 某特定頻率信號隨時間的變化趨勢實測及預測值

3.3 軟件容錯與易用性設計

軟件開發過程中，在數據結構設計、數據預處理和后處理、算法設計與實施等環節，注意到了精度、容錯性和效率等指標的折中。從用戶的角度考慮，精簡了軟件操作步驟，盡可能地減少了用戶干預，降低了對用戶的專業知識要求。在實現基本功能的同時，兼顧了方便易用的原則。

如果數據庫中不存在符合條件的測量數據，無法執行后續任務時，將彈出提示對話框。

如果讀取到的數據較少，將彈出對話框，提示數據較少，可能導致誤差較大。用戶可選擇增加測量數據后再執行此操作。如果選擇繼續執行，程序可調用算法，正常給出預測結果。

4 結束語

針對多次測量獲得的電磁環境數據，以數據挖掘技術為基礎實現規律綜合。綜合出的模型可以用于電磁環境和電磁兼容分析評估，可以用于電磁環境模擬與生成，以支撐電磁敏感度測試和復雜電磁環境下的訓練，可以用于預測電磁環境的發展變化，對于電子信息設備的使用提供指導。 ■

［1］余 輝，石景嵐，劉 榮.戰場電磁環境對C3I系統性能影響分析［J］.無線電工程，2010，40(12):38－41.

［2］劉尚合，武占成，張希軍.電磁環境效應及其發展趨勢［J］.國防科技，2008，29(1):1 －6.

［3］代合鵬，蘇東林.電磁環境復雜度定量分析方法研究［J］.微波學報，2009，25(3):25 －27.

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

［5］劉 義，王國玉，馮德軍.基于裝備作戰效能的復雜電磁環境下訓練效果評估［J］.系統仿真學報，2009，21(17):5375－5378.

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

［7］王玉峰，鄒積巖，廖敏夫.基于數據挖掘技術預測與分析變電站中電磁環境［J］.高壓電器，2009，45(10):77－79.

［8］唐保東.對復雜電磁環境下訓練的認識與思考［J］.國防大學學報，2007，18(9):37－38.