电磁频谱监测数据运用研究

彭 程，杨 馨，王 哲，赵志远

（1.海军工程大学，湖北 武汉 430000；2.中国西安卫星测控中心，陕西 西安 710000；3.国防科技大学 信息通信学院，湖北 武汉 430000）

0 引言

电磁频谱监测的目的是获取周围环境中的电磁频谱数据，从而为电磁频谱管理提供科学依据和数据支撑，由于电磁频谱监测数据本身不包含信息，需要对电磁频谱监测设备所获取的电磁频谱监测数据做进一步分析，才能获得对管理决策有用的信息，这就需要对数据进行有效的处理运用，而电磁频谱监测数据运用一直是电磁频谱管理领域研究的重点和难点，如何通过对电磁频谱监测数据的接收存储、调用显示、融合分析，并将数据处理的成果更好地服务指挥决策以及频管业务，成为频谱管理一个亟待解决的问题。

1 电磁频谱监测数据存储

1.1 基于不同时间频谱监测数据形式

用数值形式存储电磁频谱监测数据最为客观准确，也便于后续对数据进一步的分析处理，电磁频谱监测数据的数值存储形式，实际上包含三个信息的一一对应的数组，其结果数据表现为在某一特定时刻T和某一特定频率F下的功率或场强，具体如表1所示。

这种存储形式对各个频点随时间变化情况能够全面掌握，数据的精细度和采样点的选取密切相关，能够反映动态频谱特性，便于进行专业的电磁频谱数据分析。

表1 频率-时间频谱监测数据（单位：dBm）

1.2 基于某一时段的频谱监测统计数据形式

基于某一时刻的电磁频谱监测数据省去了时间项，因为每时每刻的变化难以直观呈现，转而通过系统自动对某一时间段监测场强或电平值进行统计，生成与频率一一对应的统计数据存储下来，或者形成频谱数据统计报表，如表2所示。

这种存储形式非常适合于频谱管理工作，能够迅速给出频段占用度、频道占用度、门限电平、噪声平均值、信号峰值等等各类统计数据，能够为频谱管理业务提供直观有效的参考。

表2 某一时段的监测数据统计

1.3 无线电测向数据

无线电测向数据是将空间中信号电平值对应不同的来波方位角存储下来，实际上是一个信号电平或者场强值和方位角一个一一对应的数据形式。对于时差定位则需要存储来波时间及相位信息。

这种存储形式主要用于在罗盘或电子地图上标绘来波方向的示向线，或与其他测向数据融合后对辐射源进行定位。

2 电磁频谱监测数据显示

电磁信号的频谱显示是获取信号频谱及相关参数的一种技术手段，其目的是为频谱管理技术人员分析频率、带宽、功率提供依据。早期有很多采用模拟技术体制的频谱仪，模拟显示可以做到实时显示，对信号的波形、频谱和信号的技术参数不能存储，但可以进行照相记录；数字显示方式可对获取的电磁频谱数据进行存储和调用。目前几乎所有的频谱监测设备都采用数字显示技术，因而本文只讨论数字显示技术。比较典型数字频谱显示方式有以下两种。

2.1 瞬时谱显示

瞬时谱显示就是指幅度—频率二维显示。是将采集的数据经FFT得到数字化频谱直接显示出来。由于人们感兴趣的是频谱幅度，所以一般用信号的功率谱显示。瞬时谱显示不断调用每一时刻的频谱监测数据，信号是随着时间变化的，每一帧的采样数据都不同，因此，帧频谱显示时，存在随机“抖动”现象，获取的是实时谱或准实时结果，还可以随着时间变化生成瀑布图。

这种显示方式需要调用时间-频谱数据，能够观测“实时频谱”，给出动态变化特征，能够生成频谱瀑布图，如果扫频时间够快，能够抓住瞬态信号或脉冲信号。

2.2 平均谱显示

平均谱显示是将多帧瞬时谱进行平均运算后，再显示出来。因为平均谱是对信号进行较长时间的采样得到的，更逼近于信号的实际频谱，并且显示的频谱比较稳定，所以，一般用平均谱来观察信号的频谱结构。平均谱比较稳定，所以单个信号非常清晰，便于对带宽等结构进行统计分析。如图2所示。

对于瞬态信号，如跳频信号，由于出现的时间较短，不容易测量信号的参数，很多频谱监测系统都支持最大信号保持功能，就是将一段时间接收到信号频谱数据的最大值，保存并显示出来。除此之外还有最小信号保持，平均信号保持等等。信号显示时除了可以设置各类测量参数外，还可以根据设置门限，有选择性地显示信号（见图3）。

图1 瞬时谱显示的频谱

图2 平均谱显示的频谱

图3 最大/最小信号保持显示的频谱

3 电磁频谱监测数据分析

3.1 频谱占用度分析

选取某一频段，设置统计门限值，当信号电平或场强超过某一门限值时，则认为该频谱被占用，这就是基于门限电平/场强的频谱占用度统计，相对频带而言就是频带占用度，相对频道而言就是频道占用度。如图4所示，该图是电磁频谱监测系统通过设置门限电平对频谱占用度进行分析。

图4 基于门限的频谱占用度统计

3.2 辐射源定位

对多个频谱监测站或某个频谱监测站在多个地点的无线电信号测向数据进行融合分析，通过交汇法、时差法等定位算法，获取目标的具体位置，这种方式往往需要将测向站地理坐标、所测的方位角以及地图数据结合起来，才能获得目标的准确定位。如图5所示。

图5 交汇定位示意

3.3 典型频谱信号的识别

时域信号和频域信号可以通过傅里叶变换进行相互转换，部分监测数据频域特征并不明显，可以把监测数据通过变换转化为时域形式，通过时域特征来进行识别。电磁信号时域形式主要是由时间和场强或者电平所一一对应的数据形式，对时域信号的描述有这几种典型参数：幅度、角频率、相位、采样速率、脉冲周期等等，例如部分雷达信号或者通信信号，通过时域分析能够很快得知雷达信号的脉冲周期或者通信信号的调制方式，从而进一步分析辐射源的类型（见图6）。

4 频谱数据运用要把握的几个问题

4.1 根据对象用途提供数据

不同的用户，需要的电磁频谱监测数据不同。对决策者而言，要综合分析来自各机构、各要素的信息，因此最关注对结果有影响的信息，而对频谱数据的完整性则要求不高，因此针对这类对象所提供的频谱监测数据必须简明、扼要并且具有指导意义；给用频单位提供频谱监测数据，应充分考虑用频单位实际业务情况，例如提供给该单位主要使用频段的频谱数据，给出什么时间、地点频段可用以及用频注意事项等等；给技术部门提供数据，则要求数据尽可能的完整精确，便于进行准确的分析计算。

4.2 根据数据大小选择传输方式

应当根据不同地理位置和周边环境，针对不同的用户对象，根据所需要传输的数据大小，选择合适的数据传输方式。通过普通电台，一般传输话音，携带信息较少，适合传递简明扼要信息，而有线、光纤、卫星、微波、这些带宽数据流量都不一样，根据所需传递的信息大小，恰当地使用。

图6 电磁信号频域/时域分析

4.3 根据实际情况把握运用时机

任何频谱监测数据，都具有时效性。要提高频谱监测数据运用的时效性，一是要及时准确地运用数据，特别是对于瞬息万变的战场，战机稍纵即逝，如果不能将频谱监测数据进行有效利用，很可能就会错过行动的最佳时机；二是要有重点地使用数据，海量的频谱数据，有些数据对最终结果影响大，有些数据对最终结果影响小，对于起决定作用的重要数据，就应当作为决策关注的重点，而有些数据起次要作用，就应当减少使用，或者降低优先级使用。

5 结语

本文通过理论研究总结了电磁频谱监测数据存储主要形式，并给出了相对应的几种电磁频谱数据显示方式，分析了不同显示方式的优劣及适用范围，而后给出了三种典型频谱数据的分析方法，最后总结了电磁频谱监测数据运用时需要把握的几个问题。本文系统梳理了电磁频谱数据运用的要点，为电磁频谱监测更好地服务电磁频谱管理工作提供了理论参考。