一种用于构建电磁地图的方法和系统技术方案

本发明专利技术提出一种用于构建电磁地图的方法和系统。包括：在目标区域内经栅格划分的各个数据点上随机部署第一数量的感知节点，所述感知节点用于采集电磁数据；从采集有所述电磁数据的各个感知节点中随机选取第二数量的聚类样点进行聚类，以获取第三数量的聚类中心，所述聚类中心用于构建所述第三数量的小面积电磁地图；通过对已知数据点执行时间

【技术实现步骤摘要】
一种用于构建电磁地图的方法和系统


[0001]本专利技术属于电磁地图构建领域，尤其涉及一种用于构建电磁地图的方法和系统。

技术介绍

[0002]电磁地图是一种涵盖无线电、雷达、卫星等多种电磁信号辐射源在内的，可以反映复杂地理环境中电磁信号的空域、时域和频域信息，进而为电磁频谱资源管理和电磁态势掌控提供有力支撑的图形或图像。
[0003]目前，针对电磁地图的研究主要集中于无线电环境地图。在构建无线电环境地图之前，首先要获得目标区域内的无线电信号信息。但是，限于先验信息的不足，基于小型无人平台所得到的电磁信号信息会有以下几方面的问题：（1）分布式电磁信号感知节点的初始部署并不能保证感知节点有效覆盖整个目标区域，也就是说，利用感知节点获得的信号数据往往不完备；（2）从严格意义上讲，节点所能感知到的仅有节点所处位置的接收信号数据，其他信号数据均是根据电波传播方程推测出来的。感知数据在目标区域环境情况未知时，误差较大。
[0004]目前，实现电磁地图的构建多采用反距离加权插值法和克里金插值法；最近邻法也被应用于电磁地图的构建；此外，局部多项式法也可应用于电磁地图的构建。利用插值实现地图构建的方法统称直接法。另外，基于传播模型的无线电环境地图构建方法也可实现电磁地图的构建，此类方法统称间接法。
[0005]举例地（如图1a所示，图1a为根据本专利技术比较例的克里金插值法的流程图），克里金插值法具体包括：根据采样数据计算出对应的滞后距和变差值；将滞后距以及对应的变差值代入选定的克里金理论模型进行拟合；模型系数确定；利用未采样点和已采样点位置之间的变差值和已知的数据实现对未采样点数据的预测重建。
[0006]举例地（如图1b所示，图1b为根据本专利技术比较例的反距离加权插值法的流程图），反距离加权插值法具体包括：计算待估点和所有样本点的距离；利用距离计算相应的权重值；通过对相应权重和样本数据值的乘积求和即可完成待估点数值的预测。
[0007]举例地（如图1c所示，图1c为根据本专利技术比较例的传播模型法的流程图），传播模型法具体包括：根据先验知识（包括目标区域的信道特点等）选定相应的传播模型；确定各种传播损失；得到完整的传播模型；将待估点代入方程实现数值的预测重建。
[0008]其他插值法如改进谢别德插值法、最近邻法以及局部多项式法，均可以完成空缺数据的预测重建。由于这些方法仅适用于有限的特定场景，故这里不再赘述。
[0009]现有的利用节点获得数据的方案中部分认为在节点感知半径内的数据都可以准确感知到，但实际上，除了节点所处位置外，其他数据都是估计得到的。以无线电信号为例，其他位置上的数据均是通过传播方程估计出来的，在缺乏先验信息的情况下，所得到的数据误差会很大，因此可信的数据只有节点对应位置的数据。
[0010]此外，克里金插值法的计算复杂度比较高，对异常值较为敏感，精度受其影响较大；反距离加权插值法的计算复杂度很低，简单高效，但是其预测结果受孤立点的影响较
大，且所得数值边缘平滑度较差；改进谢别德插值法可有效缓解牛眼现象，但是相关参数的设置并不容易；最近邻法一般适用于预测间隔均匀的数据，但是最后得到的结果存在变化不均匀的问题；而局部多项式法适用于存在短程变化的数据预测，但是其作用效果对邻域距离较为敏感。至于基于传播模型的方法，由于其应用需要掌握诸如目标区域内信号传播环境的特点在内的先验信息，一旦信息不够充分或存在问题，其作用效果会变得很差。

技术实现思路

[0011]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种用于构建电磁地图的技术方案，已解决上述技术问题。
[0012]本专利技术的技术方案基于无线化、智能化和小型化等技术的发展，利用小型无人平台搭载感知设备组成分布式电磁信号感知网络实现对目标区域的信号感知，从而取代传统的路测方法，避免了路测方法带来的非实时和高成本，同时该技术方案的适用前景更加广阔。
[0013]为实现电磁信号接收强度地图的重构（以下简称电磁地图），本专利技术提出的技术方案以具有参考信号接收功率参数的无线通信网络为研究对象，其主要框架为：根据实际情况对目标区域进行栅格划分，得到每个栅格的地理位置，并在目标区域内随机部署一定数目的分布式感知节点对电磁信号进行数据采样，然后从采样的数据中选定一定数量的样本点进行聚类得到聚类中心，构建出以各个聚类中心为圆心、以选定的分布式节点感知半径为重构半径的一个个小面积电磁地图；之后再对数据进行二维傅里叶变换，将数据从时间
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空间域映射至频率
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波数域进行处理，最终将数据逆映射回原始存在域。将原始采样数据、小面积地图数据和域映射所得电磁数据进行融合得到目标区域最终的整体电磁地图数据，最后利用等强度线绘制得到相应的电磁地图。
[0014]本专利技术第一方面公开了一种用于构建电磁地图的方法；所述方法包括：步骤S1、在目标区域内经栅格划分的各个数据点上随机部署第一数量的感知节点，所述感知节点用于采集电磁数据；步骤S2、从采集有所述电磁数据的各个感知节点中随机选取第二数量的聚类样点进行聚类，以获取第三数量的聚类中心，所述聚类中心用于构建所述第三数量的小面积电磁地图；步骤S3、通过对已知数据点执行时间
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空间域与频率
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波数域的映射，来确定所述目标区域内未知数据点的电磁数据预测值；其中：所述已知数据点包括：所述小面积电磁地图覆盖的数据点；未被所述小面积电磁地图覆盖的感知节点；所述未知数据点为所述目标区域内除所述已知数据点以外的其他数据点；步骤S4、整合所述已知数据点的电磁数据值和所述未知数据点的电磁数据预测值，来构建所述目标区域的完整电磁地图；其中，所述第一数量大于所述第二数量，所述第二数量大于所述第三数量。
[0015]根据本专利技术第一方面的方法，在所述步骤S2中，构建所述小面积电磁地图具体包括：步骤S21、获取所述第一数量与所述目标区域内的所有数据点的数量之间的比值；步骤S22、基于所述比值确定所述小面积电磁地图的重构半径：
步骤S23、以所述聚类中心为圆心，以所述重构半径为半径，构建所述小面积电磁地图。
[0016]根据本专利技术第一方面的方法，在所述步骤S22中：当所述比值大于等于5%时，选择所有感知节点的半径值中的最小感知半径作为所述重构半径；当所述比值小于5%时，选择所有感知节点的半径值中的最大感知半径作为所述重构半径。
[0017]根据本专利技术第一方面的方法，所述步骤S3具体包括：步骤S31、对所述已知数据点进行预处理，所述预处理包括数据扩边处理和数据填零处理；其中：所述数据扩边处理包括，将所述已知数据点的数据存储在U*U的数组中，对所述U*U的数组进行扩边处理以得到(U+V)*(U+V)的数组，其中U、V均为正整数；所述数据填零处理包括，将所述(U+V)*(U+V)的数组中不包含电磁数据的数据点的值设为零；步骤S32、利用经预处理所得的数据计算径向功率谱，所述径向功率谱用于确定截止波数；步骤S33、对所述经预处理所得的数据执行时间...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于构建电磁地图的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1、在目标区域内经栅格划分的各个数据点上随机部署第一数量的感知节点，所述感知节点用于采集电磁数据；步骤S2、从采集有所述电磁数据的各个感知节点中随机选取第二数量的聚类样点进行聚类，以获取第三数量的聚类中心，所述聚类中心用于构建所述第三数量的小面积电磁地图；步骤S3、通过对已知数据点执行时间
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空间域与频率
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波数域的映射，来确定所述目标区域内未知数据点的电磁数据预测值；其中：所述已知数据点包括：所述小面积电磁地图覆盖的数据点；未被所述小面积电磁地图覆盖的感知节点；所述未知数据点为所述目标区域内除所述已知数据点以外的其他数据点；步骤S4、整合所述已知数据点的电磁数据值和所述未知数据点的电磁数据预测值，来构建所述目标区域的完整电磁地图；其中，所述第一数量大于所述第二数量，所述第二数量大于所述第三数量。2.根据权利要求1所述的一种用于构建电磁地图的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，构建所述小面积电磁地图具体包括：步骤S21、获取所述第一数量与所述目标区域内的所有数据点的数量之间的比值；步骤S22、基于所述比值确定所述小面积电磁地图的重构半径：步骤S23、以所述聚类中心为圆心，以所述重构半径为半径，构建所述小面积电磁地图。3.根据权利要求2所述的一种用于构建电磁地图的方法，其特征在于，在所述步骤S22中：当所述比值大于等于5%时，选择所有感知节点的半径值中的最小感知半径作为所述重构半径；当所述比值小于5%时，选择所有感知节点的半径值中的最大感知半径作为所述重构半径。4.根据权利要求1所述的一种用于构建电磁地图的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：步骤S31、对所述已知数据点进行预处理，所述预处理包括数据扩边处理和数据填零处理；其中：所述数据扩边处理包括，将所述已知数据点的数据存储在U*U的数组中，对所述U*U的数组进行扩边处理以得到(U+V)*(U+V)的数组，其中U、V均为正整数；所述数据填零处理包括，将所述(U+V)*(U+V)的数组中不包含电磁数据的数据点的值设为零；步骤S32、利用经预处理所得的数据计算径向功率谱，所述径向功率谱用于确定截止波数；步骤S33、对所述经预处理所得的数据执行时间
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空间域与频率
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波数域的映射，以确定所述电磁数据预测值；具体包括：通过傅里叶变换实现从时间
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空间域到频率
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波数域的映射；
利用圆形滤波器对经所述傅里叶变换的数据进行滤波处理；通过傅里叶逆变换对经所述滤波处理的数据实现从频率
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波数域到时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红军，林栋明，丁希成，杜逸潇，陈晶，孟祥豪，李媛丽，安永旺，段永胜，张坤峰，王昊，王军，程千顷，陈璐，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：