无线电信号电磁态势感知可视分析方法研究

It is well-known that the radio spectrum monitoring data is the main sources which help radio managers understand the complicated radio environment. However, there are several common problems in the field of radio spectrum monitoring data analysis, such as the low level of information fusion, the burden of cognition, the shortage of intelligent decision. Besides, it is obvious that existing methods of exploiting data are limited to traditional jamming signal detection and spectrum occupancy statistics, which introduce difficulties for radio managers in deeply understanding the complicated relation between signals and comprehensively sensing electromagnetic situation. The project proposal focuses on exploring the fundamental theory and key technologies of visual analytics on electromagnetic situation of radio signal. It first introduces an information fusion method to solve the problem of low level on information fusion of spectrum monitoring data. It then develops a visual analytics framework in which multiple coordinated visual views are provided to help people explore electromagnetic situation with respect to awareness, comprehension and prediction phrases. At last, it presents an incremental interactive model and an interactive guidance method to improve interactive efficiency during situation awareness. Furthermore, the project proposal presents a beneficial way to explore new theory of electromagnetic situation awareness, and provides novel ideas for radio monitoring data analysis. It also promotes independent innovation of domestic radio monitoring product, and guides radio management to the direction of refinement and intelligence.

无线电频谱监测数据是无线电管理人员了解监控区域内复杂电磁环境的主要信息来源，但目前频谱监测数据分析普遍存在信息融合程度低、认知负担重、智能决策支持匮乏等问题，数据利用仍局限于传统的干扰信号检测和频谱占用度测量，难以深入理解信号间复杂关系和全面感知电磁态势。本项目以无线电信号电磁态势可视分析的基础理论和关键技术研究作为主攻方向，提出基于无线电信号元数据和基于子空间可视聚类的信息融合方法，解决频谱监测数据信息融合程度低的问题；提出面向无线电信号电磁态势感知全流程的可视分析框架，从态势察觉、理解和预测三个步骤，设计互相协作的多种可视化视图，帮助人们探索电磁态势；提出渐进式交互模型和基于信息熵的交互引导方法，提高态势感知过程中的交互效率。本项目的研究将为电磁态势感知探索新理论，为无线电监测数据分析提供新思路，也将促进我国无线电监测相关产品的自主创新，并助力无线电管理向精细化与智能化发展。

信号分选是无线电监测和管理中的一个关键步骤，它的目标是准确地识别出监测频段内存在的通信信号，是进行后续信号特征时变模式分析和电磁态势评估的基础。本项目提出了一种新的聚类算法来进行无线电信号数据的信号分选。算法采用了分而治之的思想，先对由中心频率和带宽构成的数据空间进行网格划分，找到信号特征向量分布密集的区域和稀疏的区域，然后考虑信号特征向量的出现时间、信号强度和信噪比这三个特征，对密集和稀疏两类区域分别采取不同的聚类分析策略。.电磁环境态势是通过对监测频段内存在的无线电通信信号的合法性、稳定性和干扰性等相关信息进行综合分析和评估，形成的对频段内电磁环境的安全状况的一种综合描述。本课题基于无线电信号数据和信号分选结果提出了一种电磁环境态势评估模型。该模型首先充分考虑了从领域知识和专家经验中得出的电磁环境内存在的授权信号、非授权信号、噪声等多种电磁环境影响因素，设计一个态势评估指标体系；然后，利用无线电信号数据和信号分选的结果中提供的数据信息设计了指标体系的量化计算方法，最后基于模糊逻辑方法将指标体系的量化计算结果转化为多等级的定性的态势描述。我们设计的态势评估模型实现了对一个时段和频段内的电磁环境的总体态势的量化定性的评价，它可以减少无线电分析和管理人员在日常工作中的认知负担，简化工作人员的操作流程，并有利于进行直观的态势可视化以及进行交互式地态势分析。.为了帮助用户快速地感知到监测频段内的整体态势情况和信号分布，高效的理解态势、探索异常态势的原因，本课题设计并实现了一个面向电磁环境态势感知的可视分析原型系统。该系统包含监测和探索两个可视分析模块。在监测模块中，态势图和河流模式的信号时间频率图，帮助用户快速感知监测频段内的整体电磁态势和信号分布。其中河流模式的信号时间频率图采用河流隐喻在时间轴方向上对每个信号的四个基本特征进行编码，展示频段内信号的时频分布和信号多维特征的时变模式。在探索模块中，散点图模式的信号时间频率图和频谱图协同分析信号数据和频谱数据，其中散点模式的信号时间频率图提供了三种散点图编码样式和丰富的交互操作，帮助分析人员多角度地观察、理解高风险态势，交互式地探索异常信号的原因。本课题基于真实数据的信号分选实验和案例研究验证了本系统的有效性。