近年來，電磁態(tài)勢可視化技術(shù)得到了深入研究，結(jié)合態(tài)勢感知理論的應(yīng)用，形成了一些較為成熟的電磁態(tài)勢分析理論模型和裝備系統(tǒng)。

1、基于JDL模型的電磁態(tài)勢生成模型

JDL模型由美國國防部提出的，該模型將態(tài)勢評估看作數(shù)據(jù)融合的一個(gè)層次，將戰(zhàn)場中被觀測的實(shí)體分布與活動情況和戰(zhàn)場環(huán)境、知識庫關(guān)聯(lián)起來，其最終目的是形成便于理解的包括態(tài)勢分析和估計(jì)的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。目前，很多電磁態(tài)勢生成模型都是依據(jù)該模型衍生而成的，包括了電磁態(tài)勢要素獲取域、態(tài)勢理解域和態(tài)勢展現(xiàn)域，通過對電磁環(huán)境的監(jiān)測、感知和分析，結(jié)合電磁態(tài)勢可視化技術(shù)將當(dāng)前物理空間的電磁環(huán)境進(jìn)行清晰的展示與預(yù)測。

基于JDL的電磁態(tài)勢生成模型

2、聯(lián)合頻譜管理規(guī)劃工具（CJSMPT）

聯(lián)合頻譜管理規(guī)劃工具（CJSMPT）是由美國陸軍通信電子研發(fā)設(shè)計(jì)中心（CERDEC）從2005年開始為美國陸軍開發(fā)的。CJSMPT是美國“全球電磁頻譜信息系統(tǒng)（GEMSIS）”計(jì)劃的一部分。CJSMPT架構(gòu)如圖所示，由頻譜管理模塊、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治瞿K、可視化組件、頻譜知識庫4個(gè)主要的組成。CJSMPT通過電磁態(tài)勢可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場的電磁環(huán)境的準(zhǔn)確判斷，從而可以根據(jù)頻譜管理者的請求為軍隊(duì)提供頻譜分配方案，通過對電磁態(tài)勢的分析解決頻譜沖突問題。隨著作戰(zhàn)的推進(jìn)，CJSMPT可以不斷對頻譜資源的利用率進(jìn)行優(yōu)化。

CJSMPT組成架構(gòu)

3、AREPS軟件系統(tǒng)

Advanced Refractive Effects Prediction System（AREPS）軟件系統(tǒng)由美軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心大氣傳播部開發(fā)，用于美軍電磁系統(tǒng)性能評估戰(zhàn)術(shù)決策支持，包括雷達(dá)探測性能、電子監(jiān)視測量、短波（HF）到毫米波（EHF）通信、電子攻擊等。AREPS包含了多種電波傳播模型，其中在2MHz到57GHz頻率范圍內(nèi)采用高級傳播模型（APM），而在短波天波通信則采用一整套的短波模型，其中有全三維電離層光線跟蹤模型、短波場強(qiáng)模型、短波噪聲模型、參數(shù)化電離層模型（PIM）和國際參考電離層模型。AREPS采用距離、方位或者高度相關(guān)的二維曲線圖方式表現(xiàn)預(yù)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了電磁態(tài)勢可視化展示。

AREPS對雷達(dá)探測覆蓋率的估計(jì)結(jié)果

現(xiàn)有的電磁態(tài)勢可視化技術(shù)包括了電磁輻射評估技術(shù)和電磁信息可視化展示技術(shù)。電磁輻射評估技術(shù)通過電磁輻射評估模型或射線追蹤法實(shí)現(xiàn)對輻射源的場強(qiáng)分布的估算。電磁信息可視化展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對物理空間進(jìn)行二維、三維或多維建模，結(jié)合地理信息對電磁態(tài)勢實(shí)現(xiàn)了可視化展示。

1、 電磁輻射評估技術(shù)

（1）基于電磁輻射評估模型的場強(qiáng)分布估計(jì)

最經(jīng)典的室外電磁輻射評估模型是Okumura模型。20世紀(jì)60年代，奧村（Okumura）等人在東京市區(qū)、郊區(qū)和開闊區(qū)三類區(qū)域?qū)︻l率范圍在150~1500MHz的信號進(jìn)行了大量的測試。實(shí)驗(yàn)測量了多種基站天線高度，多種移動臺天線高度，以及在各種各樣不規(guī)則地形和環(huán)境地物條件下測量信號的強(qiáng)度。利用測量數(shù)據(jù)生成一系列曲線圖表，統(tǒng)計(jì)給出準(zhǔn)平坦地形的中值場強(qiáng)或基本傳輸損耗中值，并以此為基礎(chǔ)給出其他傳播環(huán)境（丘陵、孤立山岳、傾斜地形和水路混合路徑四類）下的場強(qiáng)修正值以及各種較正因子。其它室外電磁輻射評估模型還包括Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、Egli模型等。

Longley-Rice 模型也稱為不規(guī)則地形模型(Irregular Terrain Model，ITM)。ITM模型是為了解決在大范圍不規(guī)則地形上高效準(zhǔn)確地預(yù)測電波傳播衰減而提出的。通過結(jié)合電磁理論和統(tǒng)計(jì)分析的方法，根據(jù)不同的介電常數(shù)和電導(dǎo)率把地形分成了平均地面、較差的地面、較好的地面、淡水和海水五類；根據(jù)不同的氣候和地理位置把大氣折射率分成了赤道附近、大陸亞熱帶、海洋亞熱帶、沙漠、內(nèi)陸、大島、小島七類。其優(yōu)點(diǎn)在于利用統(tǒng)計(jì)分析的方法對電磁波預(yù)測的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸納計(jì)算，氣象、地面等較難獲取的重要參數(shù)可以通過該方法方便地表示出來，以預(yù)測用頻設(shè)備的電波傳播情況。ITM在預(yù)測電波傳播衰減時(shí)考慮了大氣折射、衍射、對流層折射以及地形等因素，并且根據(jù)對地形高程數(shù)據(jù)掌握情況和計(jì)算速度的要求，提供了點(diǎn)到點(diǎn)和區(qū)域兩種電波傳播預(yù)測模式。ITM適用的頻段范圍是20MHz~20GHz，輻射源的天線高度在0.5~3000m，電波傳播距離在2000km內(nèi)。

利用ITM得到的電磁環(huán)境合成渲染圖

Terrain Integrated Rough Earth Model(TIREM)模型是由美國電磁兼容分析中心開發(fā)的，根據(jù)發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的地面起伏來計(jì)算傳播損耗，適合20MHz到20GHz頻率范圍內(nèi)無線電衰減預(yù)測。TIREM可根據(jù)數(shù)字地圖所給出的地形輪廓來估計(jì)發(fā)射天線與接收天線之間的真實(shí)地形，并自適應(yīng)地計(jì)算傳輸損耗的中值。TIREM和ITM模型的主要區(qū)別在于對視距區(qū)域損耗的計(jì)算，ITM模型采用雙射線的多徑計(jì)算超出自由傳播范圍的視距區(qū)域損耗，而TIREM模型采用平滑地面的衍射損耗和反射區(qū)域損耗中較小的一個(gè)，作為視距損耗。由于TIREM預(yù)測結(jié)果精度相對較高，性能較好，目前TIREM被廣泛應(yīng)用在美軍電磁衰減預(yù)測系統(tǒng)中。

近年來，電磁態(tài)勢分析系統(tǒng)常常將多種電磁輻射評估模型結(jié)合使用，同時(shí)運(yùn)用數(shù)字地球、態(tài)勢仿真技術(shù)，完成了電磁場強(qiáng)度的計(jì)算并實(shí)現(xiàn)電磁態(tài)勢的展示。基于電磁態(tài)勢評估模型的態(tài)勢分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備干擾程度的評估以及電磁頻譜配置方案的優(yōu)化。一種典型的態(tài)勢分析系統(tǒng)將輻射源信號劃分為雷達(dá)信號、雷達(dá)干擾信號、通信信號、通信信號干擾、民用輻射源信號五類，并建立了對應(yīng)的電磁輻射評估模型。下圖為該系統(tǒng)所采用的信號傳播模型庫。復(fù)雜電磁環(huán)境下，不同的信號傳播環(huán)境和信號頻段的電磁態(tài)勢需要采用不同的信號傳播模型進(jìn)行評估預(yù)測。該系統(tǒng)采用了Egli、Longley Rice等多種信號傳播模型對VLF、LF、MF、HF等頻段的信號場強(qiáng)分布情況進(jìn)行評估，正確選擇評估模型后可以快速準(zhǔn)確計(jì)算室外環(huán)境下對應(yīng)信號的信號強(qiáng)度、功率密度、傳輸損耗等電磁信號的統(tǒng)計(jì)特征，實(shí)現(xiàn)了電磁態(tài)勢的分析預(yù)測。

不同頻段的信號傳播模型

室內(nèi)電磁輻射評估模型包括One-slope模型、Keenan-Motley模型、COST231-Multi-Wall模型。One-Slope模型是第一個(gè)描述室內(nèi)信號傳播的衰落損耗模型，模型表達(dá)式簡單，運(yùn)營商在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)普遍使用該模型，但是此模型只包含信號傳播過程中自由空間的損耗，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)阻隔等情況時(shí)，該模型的預(yù)測精度將大大降低，因而該模型不適用復(fù)雜室內(nèi)電磁環(huán)境的分析。

A.J.Motley等提出Keenan-Motley模型。該模型基于理論和實(shí)測數(shù)據(jù)，將無線信號在穿透不同阻礙物時(shí)產(chǎn)生的透射衰減考慮在內(nèi)，預(yù)測精準(zhǔn)度較One-Slope模型有了顯著的提升。

COST231-Multi-Wall模型的提出實(shí)現(xiàn)了輻射源場強(qiáng)分布在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的精確預(yù)測。COST231-Multi-Wall 模型是在統(tǒng)計(jì)無線信號的穿透能力的基礎(chǔ)上得出經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，此模型進(jìn)一步考慮了隨著無線信號穿透的阻礙物數(shù)量的增加，信號單次透射衰減值會減小這一問題。模型包含了隨著墻壁數(shù)量增加的線性損失分量以及復(fù)雜的樓層損失分量，以描述輻射源信號在室內(nèi)環(huán)境下傳播過程中的能量損失。

其它室內(nèi)電磁輻射評估模型還包括ITU-RP.1238模型、Partitioned模型、Average walls模型等。

COST231-Multi-Wall 模型中的樓層損失函數(shù)

（2）基于射線追蹤法的場強(qiáng)分布計(jì)算

統(tǒng)計(jì)性的信道模型雖然可以用于電磁態(tài)勢的估計(jì)，但是無法對當(dāng)前電磁環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。目前，電磁輻射評估應(yīng)用最為廣泛的且能夠?qū)椛湓磮鰪?qiáng)進(jìn)行精確計(jì)算的是以射線追蹤法為主的電磁場計(jì)算方法。

射線追蹤法的提出滿足了室內(nèi)或半徑大約為100m~1km的微蜂窩小區(qū)通信對場強(qiáng)精確預(yù)報(bào)的需求。電波的頻率較高或者波長較短時(shí)，在一個(gè)波長的長度范圍內(nèi)，傳輸環(huán)境中的地形、建筑物等介質(zhì)的參量將會保持一致，幾乎不會發(fā)生變化。高頻電波的傳播具有“局部”特性。在射線直射、反射和繞射處的電場強(qiáng)度計(jì)算無需考慮整個(gè)初始表面的場分布，只需要通過這個(gè)表面范圍內(nèi)某段有限部分的場分布來求解。在電波頻率較高時(shí)，可以使用電磁理論、幾何光學(xué)等原理來分析電波傳播情況，求取電波具體的路徑，這就是射線跟蹤法的原理。

利用射線追蹤法可以對輻射源的場強(qiáng)分布做出較為精確的計(jì)算。算法首先確定一個(gè)發(fā)射源的位置，對發(fā)射源進(jìn)行剖分，將其福射能量用大量的離散射線束傳播來表示。根據(jù)地形信息找出發(fā)射源到每個(gè)接收位置光線的所有傳播路徑。然后根據(jù)菲涅爾等式、幾何繞射理論等原理來確定反射和繞射損耗，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個(gè)接收點(diǎn)的場強(qiáng)。將同一接收點(diǎn)處到達(dá)的所有路徑的場強(qiáng)做相干疊加，得到每一個(gè)接收點(diǎn)處總的接收場強(qiáng)。射線追蹤法分為正向算法和反向算法，其中正向算法是從輻射源開始追蹤射線，并記錄所有到達(dá)接收機(jī)的射線的過程。

射線追蹤法正向算法流程圖

2、電磁信息可視化展示技術(shù)

（1）基于GIS的電磁信息可視化技術(shù)

GIS系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)）是多學(xué)科集成的空間型信息系統(tǒng)，其本身的綜合特性與強(qiáng)大的功能，決定了它具有廣泛的用途。由于電磁輻射源具有不同的地理位置，各輻射源之間距離也是影響其輻射狀況的因素，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)可以很好的解決與輻射源相關(guān)的空間位置問題。

基于GIS的電磁地圖繪制技術(shù)可以很方便的對多種輻射源的身份屬性進(jìn)行記錄，包括廣播電視系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)、高壓電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、工科醫(yī)用高頻設(shè)備等輻射源的位置及其它基本信息。同時(shí)系統(tǒng)還可以對輻射源進(jìn)行查詢、更新、添加、維護(hù)等。該系統(tǒng)可以對輻射源的信息進(jìn)行更新，方便使用人員對電磁環(huán)境進(jìn)行查詢和管控。

美國電信科學(xué)研究院(ITS)開發(fā)的通信系統(tǒng)規(guī)劃工具(Communication Systems Planning Tool, CSPT)，是一個(gè)基于GIS的電波傳播計(jì)算工具，它集成了ITM、Tirem等多種電波傳播模型，并且可以生成三維地形。由于集成了多種電波傳播模型，適合寬頻電波傳播預(yù)測。

CSPT界面展示圖

（2）三維數(shù)據(jù)場的電磁信息可視化技術(shù)

對于三維數(shù)據(jù)場主要有兩種繪制方法：面繪制和直接體繪制方法。面繪制方法需要根據(jù)三維數(shù)據(jù)場構(gòu)造出幾何圖元，然后再進(jìn)入圖形硬件管線渲染繪制。等值面提取技術(shù)是最常用的面繪制方法之一，它可以將原始數(shù)據(jù)場中某個(gè)屬性值抽取特定大小范圍的輪廓，進(jìn)而構(gòu)造三角形網(wǎng)格?？梢姷戎得嫣崛〖夹g(shù)只能將原始數(shù)據(jù)場的部分屬性進(jìn)行了映射表現(xiàn)，不能反映整個(gè)原始數(shù)據(jù)場的全貌和細(xì)節(jié)，但是由于繪制等值面網(wǎng)格有圖形硬件的支持，而且還能很清晰地反映原始數(shù)據(jù)場的表面輪廓信息，所以目前仍被廣泛采用，并有大量文獻(xiàn)對它進(jìn)行深入研究。直接體繪制方法也叫體繪制方法，它則不用構(gòu)造中間的幾何圖元，而是直接由三維數(shù)據(jù)場，根據(jù)數(shù)據(jù)映射關(guān)系生成二維圖像。該方法能反映三維電磁數(shù)據(jù)場的整體信息，繪制圖像質(zhì)量高，但是計(jì)算量很大，而且目前沒有被圖形硬件直接支持，繪制效率不高。

典型的三維電磁信息可視化系統(tǒng)由電磁環(huán)境數(shù)據(jù)模型生成模塊和交互繪制模塊兩個(gè)部分組成，在預(yù)處理階段，主要是對輸入的電磁設(shè)備參數(shù)，采用電波傳播模型，利用硬件加速算法計(jì)算電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，并構(gòu)建出混合八叉樹結(jié)構(gòu)的體數(shù)據(jù)分塊和體數(shù)據(jù)分塊分辨率組織形式；利用硬件加速的多層等值面提取技術(shù)構(gòu)造電磁環(huán)境的多層等值面模型，并采用多分辨率簡化算法構(gòu)建模型的多分辨率數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在實(shí)時(shí)繪制階段，根據(jù)用戶需求動態(tài)繪制多分辨率的電磁環(huán)境多層等值面模型或者動態(tài)調(diào)度分塊體數(shù)據(jù)直接體繪制電磁環(huán)境。

三維電磁環(huán)境可視化系統(tǒng)總體方案

（3）多維電磁信息可視化技術(shù)

2012年，Zhou Ti等提出基于平行坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系的多維電磁信息可視化技術(shù)。該方法引入了平行坐標(biāo)和極坐標(biāo)兩種多維坐標(biāo)系，坐標(biāo)系中對電磁場的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了表示并直觀地給出了各個(gè)參數(shù)對應(yīng)的域值。與傳統(tǒng)方法相比，這種多維電磁信息可視化的方法的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)無需顯示在三維空間框架中，而是利用電磁環(huán)境特征的維映射策略，將空間域轉(zhuǎn)化為多個(gè)與坐標(biāo)系匹配的維度，實(shí)現(xiàn)了多維電磁態(tài)勢的直觀表示和快速搜索。其中，平行坐標(biāo)法用于表示電磁環(huán)境的總體情況，極坐標(biāo)法用于實(shí)現(xiàn)給定電磁環(huán)境信息的檢索。

a平行坐標(biāo)對電磁環(huán)境的可視化記錄  b某時(shí)間點(diǎn)單一區(qū)域的電磁環(huán)境可視化記錄

c五維極坐標(biāo)系的可視化搜索結(jié)果

基于平行坐標(biāo)和極坐標(biāo)的多維電磁信息可視化技術(shù)

電磁態(tài)勢可視化技術(shù)通過對輻射源電磁場分布的繪制，直觀展示了物理空間的電磁場分布狀況，對無線通信設(shè)備的管理、非法輻射源的查找定位以及頻譜的有效分配提供有效支撐。

電磁態(tài)勢可視化技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)無線通信、基站和無線電臺的管理。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無線設(shè)備走進(jìn)了人們的日常生活。電子遙控門、嬰兒監(jiān)視器、無繩電話、手機(jī)、無線路由器、無線耳機(jī)已經(jīng)十分普及，手機(jī)發(fā)射基站和業(yè)余無線電臺的數(shù)量與日俱增，醫(yī)院中，無線心電監(jiān)測儀等醫(yī)療器械也會以無線通信的形式傳輸信息。越來越多樣的無線通信設(shè)備與無線電臺使得物理空間的電磁環(huán)境變得十分復(fù)雜，電磁態(tài)勢可視化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對多樣的無線通信設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，對手機(jī)基站和無線基站的身份信息做到快速查找識別。

電磁態(tài)勢可視化技術(shù)可以有效為重大活動提供保障。隨著科技的進(jìn)步，各種竊聽手段也變得五花八門，多樣的無線攝錄設(shè)備日益小型化，紐扣式竊聽器，微型無線攝像頭，微型無線麥克風(fēng)等設(shè)備給重大活動的安全保障工作提出了更高的要求。利用電磁態(tài)勢可視化技術(shù)對指定區(qū)域內(nèi)電磁態(tài)勢進(jìn)行分析，可以做到對未知設(shè)備發(fā)射出的信號做到有效監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對未知無線通信設(shè)備的管控與突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事件的處置。

電磁態(tài)勢可視化技術(shù)可以有效對頻譜占用度進(jìn)行分析評估，進(jìn)而利用“頻譜空穴”，提高頻譜利用率。各式各樣的無線設(shè)備的大量涌現(xiàn)，各行各業(yè)對無線電頻率的需求越來越多，使得無線頻譜資源變得愈加緊張。進(jìn)行長期頻譜占用測量活動，掌握頻譜使用規(guī)律，利用電磁態(tài)勢可視化技術(shù)精準(zhǔn)地構(gòu)建頻譜態(tài)勢并記錄主要用戶的使用習(xí)慣可以大大增強(qiáng)決策者對電磁信號分布的直觀感知能力，使其迅速了解當(dāng)前區(qū)域的電磁信號分布情況，便于無線通信設(shè)備的管理部署。

本文從理論、裝備和技術(shù)三個(gè)方面簡要介紹了電磁態(tài)勢可視化技術(shù)，并說明了電磁態(tài)勢可視化技術(shù)的意義，希望為相關(guān)研究人員提供一定的參考。

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