复杂电磁环境下电磁频谱可视化研究

戴大鹏，李仙茂，林 桐

（海军工程大学，武汉430033）

0 引 言

在现代电子战这条无形的战线中，如何系统而直观地描述电磁频谱一直是电磁频谱监测的难题，同时也是指挥员正确把握电磁态势、进行准确指挥的瓶颈。随着现代电磁频谱监测技术的发展，大量的新技术运用到了电磁频谱可视化当中，频谱可视化技术对于指挥员合理地分配利用战场频谱资源，总揽复杂战场电磁环境下的电磁态势有着重要的作用。可视化技术作为一种最直观且容易理解的表现形式，其发展将给指挥员带来思维方式和认知方式的根本性变化。

1 电磁频谱数据的监测及处理

1.1 电磁频谱数据的监测

电磁频谱可视化的基础是电磁频谱监测。电磁频谱监测包括对监测设备的控制和对所获得数据的分析处理。频谱监测的重点在于建立系统的频谱监测网。频谱监测网由监测控制中心、陆基固定监测站、移动式监测站及便携式小型监测设备组成。监测控制中心负责管理下级监测设备及整体的电磁态势显示，是频谱监测数据的汇聚点。陆基固定监测站及移动监测站是频谱监测控制中心的支撑点，主要负责采集有效的频谱数据，生成进行敌我识别和对抗措施的基本资料，并上报控制中心。电磁频谱监测的最终目的在于收集战场频谱数据，加强战场频谱管控能力，提高我方电磁设备的作战使用效能。

1.2 电磁频谱数据处理

为了便于可视化处理，首先要利用监测到的数据建立可视化信息数据库。其主要包括两大方面：一是电磁用频设备数据库；二是海战场自然环境数据库。在建立数据库的过程中，必须使用标准统一的数据格式。将监测收集到的数据汇总后进行归一化处理，打包成适合可视化接口的数据包。以雷达系统可视化数据库为例，将雷达信号可视化的主要性能参数记录为一个总体信息栅格，每个下属分栅格中含有若干数据项，包括雷达信号的工作频率、出现方位、信号强度等。针对其他电子系统如导航、通信、电子对抗等，以同样的方式将感兴趣的数据都记录下来，这样就形成了电子设备频谱信息数据库。而海战场环境数据库依赖于各个相关部门提供信息的汇总。关键在于实时更新。相应的数据库数据经过计算机处理后为后续的可视化模块提供了相应的数据，可视化模块生成对应的可视化结果及空间电磁频谱态势，综上所述即为电磁频谱可视化数据处理的基本流程。其流程图如图1所示[1]。

2 频谱可视化应遵循的原则及基本要求

2.1 电磁频谱可视化描述遵循的原则

电磁频谱监测的主要任务是为电子对抗指挥员的决策提供支撑。而电磁频谱可视化为电子对抗指挥员提供了更加直观的操作观察平台。相应的，电磁频谱可视化必须遵循以下几点原则：

（1）必须以战场指挥官的需求为前提。通过对敌方电磁用频设备载频、方位、强度等主要工作参数的截获，进一步分析得出其频谱特征、工作参数、以至于该装备的具体型号。经过后台数据融合分析，还可以判断搭载该设备的平台信息及平台出现的方向位置，以可视化的手段呈现给编队指挥官，其对于编队执行任务的前期预警和准确掌握电磁态势做出正确的决策有着重要的意义。

图1 监测数据处理流程图

（2）频谱可视化表现的数据必须准确翔实，力求客观翔实地表现战场电磁频谱态势。电磁波在空间的穿梭是不可见的，而频谱可视化的关键就在于依靠监测所获得的数据，经过分析处理，通过可视化手段正确而真实地反应数据的主要信息。同时还需要将各种环境因素考虑进去，使最终结果最大限度地反应客观实际。

（3）可视化描述的方式要简洁直观。可视化的目的就是要让指挥人员快速获取其需要的信息，并且可视化结果更新的速度也要及时，能够为各级指挥人员所用[2]。

2.2 电磁频谱可视化描述的基本要求

频谱可视化的研究不仅要着眼于大环境的整体电磁态势，在执行特定的作战任务时又要对小范围的电磁态势进行精确的描绘。另一方面，由于海战场电磁环境极为复杂，单纯只利用一种方式来进行显示是难以达到指挥员要求的，所以要充分利用多种方法进行交互显示。在频谱监测过程中获得的数据可能是多样的，但其中可能夹杂着杂波、噪声等我们不感兴趣的数据，在可视化过程中还需要有一定的分析辨别能力，能够自动分析敏感数据，有一定的辅助决策功能。

3 电磁频谱可视化方法及原理介绍

3.1 电磁频谱可视化主要方法介绍

现阶段主流的电磁频谱显示方法主要是基于OpenGL、Visual C＋＋、VTK及 Matlab等软件对电磁频谱进行二维或者三维的显示。其各有优势，所以战场电磁频谱的态势及分布情况既可以用这几种方法来展示，又可以进行动态交互，更好地为指挥员的决策提供支撑。

根据上文，依据已经系统化的频谱数据可以对频谱信息进行可视化处理。本文主要介绍3种可视化方法：频谱图、瀑布图及三维空间频谱显示。频谱图显示的是一连串时域信号的频率点，将这些点进行快速傅里叶变换（FFT），计算结束后将所得结果储存到储存器中，系统以此作为视频图形阵列的数据源，将分析结果以图形的方法显示在屏幕上，并根据计算机时钟刷新频谱，给予指挥员直观的显示。而根据电磁频谱的信号体制不同，其相应的频谱显示亦存在不同。

瀑布图显示是在一定的门限下，随着时钟的推进，以瀑布图上图形变化的方式显示数据分布的一种形式。针对瀑布图的设计，首先根据所设定的接收门限，将监测到的数据转化为一个和图形区域像素一致的N维数组，在随时钟步进的数据转换中，将数组中数据向下推进，新的数据填充空出的区域，过程中计算机读取数组中数据，并根据不同的数据类型选择不同的颜色画笔，在指定的位置绘制，就完成了瀑布图的显示。瀑布图的优点在于其保持原有显示的图形不变，新出现的图形根据新的数据进行刷新调整，既可以呈现给指挥员直观形象的瀑布图图形，又可防止屏幕快速闪烁。同时瀑布图具有记忆性，通过对瀑布图的观察就可判别信号是否连续，或是否具有周期性，可以明显观察出信号随时间变化的规律。并且如果某一信号虽被监测到，但出现时间较短，通过瀑布图就可简单地将其分辨出来[3]。

三维频谱显示是数值仿真技术与计算机图形学最新成果的结合。麦克斯韦方程是所有电磁理论的基础，空间电波的传导都可使用麦克斯韦方程来表示，但无法通过直接对麦克斯韦方程求解来精确地表现空间电磁频谱的传播情况。时域有限差分法是现阶段最主要的电磁场数值计算方法，所得结果为某时刻整个所求区域空间网格点上的场量。将这些场量作为入口函数，通过计算机模拟，就可以形成对战场电磁环境的一个定量的三维描述。三维数据场的可视化绘制主要有两种方法，即面绘制法和直接体绘制方法。体绘制算法就是将这些离散的三维数据，根据切面上各网格点电磁场量的值，按一定规则设置相应的颜色和透明度，从而在切面上生成形象直观的电磁场量分布图像。而面绘制法是先由3D数据场构造表示场强分布的曲线、曲面等，这些几何元素包含了空间的场强数据，然后实现可视化的输出[4]。

3.2 电磁频谱可视化的实现

下面介绍一种利用Visual C＋＋实现的频谱二维显示技术，根据上文所介绍的几种方法，设计开发了一种电磁频谱可视化软件，并根据实际数据进行了模拟仿真，取得了一定的效果。

在想定的海战场环境下，假设我方舰艇平台搭载1部频谱监测设备，该设备的监测频段为100MHz到1GHz之间，在此监测设备上可以看到我舰艇平台周围一定范围内在监测频段内电磁频谱频率的分布情况。可视化结果如图2所示。

图2 100MHz～1GHz可视化频谱全景图

由图2可见，该想定的战场环境下，100MHz到1GHz全景频段之间监测到了7个电磁频谱信号，图2上部为瀑布图，下方为对应的频谱图，横坐标表示监测的频率区间。图中t表示瀑布图的记忆时间，在图中瀑布图的记忆时间区间为T到（T＋t），一般t取4～5s。

在该全景图上可以选择一个感兴趣的数据对其进行进一步的可视化监测，双击全景图下方某一频段，可以观测到该频段的局部放大图，如图3所示。

由图3可见，频率565MHz上有一明显的信号，以该信号为例，进一步对其进行中频分析，可得效果图如图4所示，在中频分析的过程中，就可以得出该装备的工作方式及装备类型。

该种频谱可视化手段利用了瀑布图和频谱图交互，这样可以更加直观地显示该频谱随时钟步进的信息，同时装备的工作类型也可以在瀑布图上有所

图3 某一频段放大视图

图4 某型装备中频分析二维频谱图

体现，如定频装备在瀑布图上显示为随时钟步进的连贯直线，而跳频装备在瀑布图上显示为在装备跳频范围内离散的点，充分体现了瀑布图具有记忆能力的优势，相应效果图如图5所示。

图5 电磁频谱瀑布图与频谱图交互显示局部放大

同时中频分析后还能得到信号的方位信息，可以设计1个360°可视化方向盘来直观地显示目标信号的方位信息。如图6所示，该信号出现在监测平台39.23°的位置附近。

图6 频谱监测方向示意图

在得到上述的频谱信息后，可以利用Visual C＋＋及VTK软件进一步对频谱进行三维态势的绘制，以明确某一区域频谱资源的强弱及战区的频谱态势。空间某点的电磁态势值即该点电磁频谱分布的场强大小不同时，在相应软件模块中的映射颜色亦不同[5-6]。而电磁态势体数据的获取可以由多部接收机完成，其实质即为空间整体态势的切块。针对电磁态势的数据获取算法及过程比较复杂，这里仅对其三维可视化进行探讨。

结合Visual C＋＋及VTK图形显示软件，开发了一个电磁态势监测可视化模型，利用切片法就可以直观地显示某一指挥员感兴趣的空间区域电磁频谱分布状况，为指挥员的决策提供支撑。相应的三维态势如图7所示[7]。

图7 某区域电磁频谱分布三维态势切片展示

4 结束语

本文研究了战场电磁频谱可视化的关键技术，介绍了实现电磁频谱可视化要注意的各项问题，结合相应的软件将战场频谱可视化从概念转化为现实。同时建立了一套系统的频谱可视化流程，通过频谱监测的手段获取可视化所需数据，借助信息融合及计算机智能处理技术对数据进行进一步加工，从而得到一定范围内电磁频谱可视化结果。电磁频谱的可视化可以为战场指挥人员及参谋人员提供直观详实的电磁频谱信息，提高指挥人员把握战场态势、高效利用频谱资源的能力，加强作战系统的可视性及实用性。

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[5]王晓东，郭雷，董银文，赵峰.真三维显示技术在战场可视化系统中的应用[J].火力指挥与控制，2006，31（4）：77－80.

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[7]艾婷，赵帅.基于VTK实现二维医学图像的三维可视化系统[J].长春工业大学学报，2008，29（4）：375－378.