本發(fā)明屬于電磁態(tài)勢感知，尤其涉及一種基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全的電磁信號分布重構(gòu)的系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

1、電磁態(tài)勢感知在無線電頻譜監(jiān)管、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、情報偵察和電子對抗等領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用，一定區(qū)域內(nèi)的電磁信號分布為精準(zhǔn)高效了解區(qū)域電磁態(tài)勢、支持后續(xù)輻射源定位等工作提供了必要的前提和基礎(chǔ)。但是隨著電子戰(zhàn)技術(shù)飛速發(fā)展和電磁環(huán)境的日益復(fù)雜化，對無線通信網(wǎng)絡(luò)的電磁信號分布感知技術(shù)的需求迫在眉睫，復(fù)雜電磁環(huán)境和地理環(huán)境導(dǎo)致對所得殘缺電磁數(shù)據(jù)的處理要求更高，給無線通信網(wǎng)絡(luò)的電磁信號分布重構(gòu)帶來了更新的難題和更高的挑戰(zhàn)。

2、在軍用領(lǐng)域，戰(zhàn)場空間從陸、海、空三維拓展了太空、電磁和網(wǎng)絡(luò)空間三維，而電磁資源和電磁活動構(gòu)成的電磁空間成為了信息化戰(zhàn)爭下的新型戰(zhàn)場空間，現(xiàn)代戰(zhàn)場雙方對電子信息系統(tǒng)的依賴程度越來越高，電磁信號分布對戰(zhàn)場態(tài)勢的貢獻(xiàn)度越來越大，已成為新時代戰(zhàn)場的嶄新要素。無線通信網(wǎng)絡(luò)的電磁信號分布服務(wù)于現(xiàn)代電子戰(zhàn)，極大地有助于指揮員掌握戰(zhàn)場電磁狀態(tài)，判明電磁環(huán)境現(xiàn)狀，進(jìn)一步判斷敵方作戰(zhàn)企圖，為分析確定重點作戰(zhàn)目標(biāo)、合理部署兵力及信息火力等方面提供依據(jù)。然而傳統(tǒng)的電磁信號分布感知技術(shù)十分依賴于原始數(shù)據(jù)和計算能力，在復(fù)雜且態(tài)勢快速變化的戰(zhàn)場上難以高效獲取精準(zhǔn)的電磁信號分布，給電子戰(zhàn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

3、在民用領(lǐng)域，隨著5g、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術(shù)和新應(yīng)用的成熟，數(shù)量眾多的各類用頻設(shè)備、裝備投入使用，使得電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，而傳統(tǒng)電磁信號分布感知技術(shù)十分依賴于原始數(shù)據(jù)和計算能力，在復(fù)雜且態(tài)勢快速變化的戰(zhàn)場上難以高效獲取精準(zhǔn)的電磁信號分布，給頻譜管理、無線電監(jiān)管、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等領(lǐng)域帶來了不小的挑戰(zhàn)。

4、因此，如何精確地重構(gòu)電磁信號分布是本發(fā)明要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全的電磁信號分布重構(gòu)的系統(tǒng)與方法，不僅能夠精確地實現(xiàn)電磁信號分布的重構(gòu)，還可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場頻譜管理和電子戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域、無線電監(jiān)管和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等民用領(lǐng)域，具有重要的軍事意義和社會應(yīng)用價值。

2、本發(fā)明第一方面提出一種基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全的電磁信號分布重構(gòu)的方法。所述方法包括：

3、步驟s1、將目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，依托分布式感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過目標(biāo)區(qū)域中隨機(jī)部署的感知節(jié)點進(jìn)行電磁數(shù)據(jù)采集；

4、步驟s2、利用感知節(jié)點采集到的電磁數(shù)據(jù)，基于隨機(jī)森林模型填充處理未采集點的電磁數(shù)據(jù)；

5、步驟s3、將目標(biāo)區(qū)域中所有網(wǎng)格的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，以得到重構(gòu)后的電磁信號分布。

6、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，在所述步驟s1中：分布式感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為由若干基于無人智能平臺的小功率對抗節(jié)點分布在不同地點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；整合小功率對抗節(jié)點采集的數(shù)據(jù)和自身的定位數(shù)據(jù)，并將整合數(shù)據(jù)回傳到數(shù)據(jù)中心，從而對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行協(xié)同感知。

7、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，在所述步驟s1中，在目標(biāo)區(qū)域中隨機(jī)布置所述感知節(jié)點以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；其中：利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件仿真生成目標(biāo)區(qū)域的電磁信號分布，從所有數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一定量的數(shù)據(jù)作為實際條件下感知節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)在仿真后進(jìn)行誤差計算時作為真實電磁數(shù)據(jù)，與填充后的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差估計。

8、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，在所述步驟s2中，利用感知節(jié)點采集到的電磁數(shù)據(jù)，基于隨機(jī)森林模型填充處理未采集點的電磁數(shù)據(jù)；具體包括：

9、步驟s21、對原始數(shù)據(jù)集a的電場強(qiáng)度值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到處理后的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集d；

10、步驟s22、設(shè)置隨機(jī)森林模型的參數(shù)；

11、步驟s23、將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集d輸入隨機(jī)森林模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到與電磁環(huán)境場景相符的隨機(jī)森林模型；

12、步驟s24、使用訓(xùn)練好的隨機(jī)森林模型對測試數(shù)據(jù)集c進(jìn)行電場強(qiáng)度值的預(yù)測，得到填充后的未采集點的電磁數(shù)據(jù)。

13、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，在所述步驟s2中：

14、所述隨機(jī)森林模型采用分類與回歸樹cart，其劃分點和特征選擇優(yōu)劣的指標(biāo)選擇為基尼指數(shù)，基尼指數(shù)計算公式如下：

15、

16、其中，將當(dāng)前某數(shù)據(jù)集x的樣本分為y類，第y類樣本所占的比例為py(y＝1,2,...,y)；

17、所述隨機(jī)森林模型使用的cart數(shù)量由袋外數(shù)據(jù)均方根誤差進(jìn)行評價，隨機(jī)森林模型的cart數(shù)量為k，則評價值rmseoob-k的計算方式為：

18、

19、其中，o為袋外數(shù)據(jù)樣本的個數(shù)，ei為袋外數(shù)據(jù)樣本的電場強(qiáng)度真實值，為袋外數(shù)據(jù)樣本輸入已有隨機(jī)森林模型得到的電場強(qiáng)度預(yù)測值。

20、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，通過數(shù)據(jù)補(bǔ)全實現(xiàn)電磁信號分布的重構(gòu)之后，所述方法還包括：選取熱力圖相似性對比、均方根誤差rmse、決定系數(shù)r2對重構(gòu)后的電磁信號分布進(jìn)行性能評估。

21、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，熱力圖相似性比對是指：通過評估熱力圖的質(zhì)量來分析電磁信號分布重構(gòu)的準(zhǔn)確性，若與實際電磁信號分布的吻和程度超過參考值且能分辨出輻射源的大致位置，則表明所用算法性能達(dá)標(biāo)。

22、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，均方根誤差rmse是指：衡量預(yù)測數(shù)據(jù)偏離真實數(shù)據(jù)的程度，定義為預(yù)測的電磁數(shù)據(jù)和真實的電磁數(shù)據(jù)差值平方和與數(shù)據(jù)總量的比值開平方的值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

23、

24、其中，n表示電磁數(shù)據(jù)總量，表示第n個電磁數(shù)據(jù)場強(qiáng)的預(yù)測值，en表示第n個電磁數(shù)據(jù)場強(qiáng)的真實值。

25、根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，決定系數(shù)r2是指：反映因變量的全部變異通過回歸關(guān)系被自變量解釋的比例，r2越接近1，表明重構(gòu)后的電磁信號分布與真實分布相關(guān)性越大，說明所用算法效果越好，計算公式如下：

26、

27、其中，表示所有電場強(qiáng)度真實值的均值。

28、本發(fā)明第二方面提出一種基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全的電磁信號分布重構(gòu)的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括：

29、第一處理單元，被配置為：將目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，依托分布式感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過目標(biāo)區(qū)域中隨機(jī)部署的感知節(jié)點進(jìn)行電磁數(shù)據(jù)采集；

30、第二處理單元，被配置為：利用感知節(jié)點采集到的電磁數(shù)據(jù)，基于隨機(jī)森林模型填充處理未采集點的電磁數(shù)據(jù)；

31、第三處理單元，被配置為：將目標(biāo)區(qū)域中所有網(wǎng)格的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，以得到重構(gòu)后的電磁信號分布。

32、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，分布式感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為由若干基于無人智能平臺的小功率對抗節(jié)點分布在不同地點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；所述第一處理單元具體被配置為：整合小功率對抗節(jié)點采集的數(shù)據(jù)和自身的定位數(shù)據(jù)，并將整合數(shù)據(jù)回傳到數(shù)據(jù)中心，從而對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行協(xié)同感知。

33、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，所述第一處理單元具體被配置為：在目標(biāo)區(qū)域中隨機(jī)布置所述感知節(jié)點以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；其中：利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件仿真生成目標(biāo)區(qū)域的電磁信號分布，從所有數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一定量的數(shù)據(jù)作為實際條件下感知節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)在仿真后進(jìn)行誤差計算時作為真實電磁數(shù)據(jù)，與填充后的電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差估計。

34、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，所述第二處理單元具體被配置為：利用感知節(jié)點采集到的電磁數(shù)據(jù)，基于隨機(jī)森林模型填充處理未采集點的電磁數(shù)據(jù)；具體包括：對原始數(shù)據(jù)集a的電場強(qiáng)度值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到處理后的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集d；設(shè)置隨機(jī)森林模型的參數(shù)；將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集d輸入隨機(jī)森林模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到與電磁環(huán)境場景相符的隨機(jī)森林模型；使用訓(xùn)練好的隨機(jī)森林模型對測試數(shù)據(jù)集c進(jìn)行電場強(qiáng)度值的預(yù)測，得到填充后的未采集點的電磁數(shù)據(jù)。

35、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，所述隨機(jī)森林模型采用分類與回歸樹cart，其劃分點和特征選擇優(yōu)劣的指標(biāo)選擇為基尼指數(shù)，基尼指數(shù)計算公式如下：

36、

37、其中，將當(dāng)前某數(shù)據(jù)集x的樣本分為y類，第y類樣本所占的比例為py(y＝1,2,...,y)；

38、所述隨機(jī)森林模型使用的cart數(shù)量由袋外數(shù)據(jù)均方根誤差進(jìn)行評價，隨機(jī)森林模型的cart數(shù)量為k，則評價值rmseoob-k的計算方式為：

39、

40、其中，o為袋外數(shù)據(jù)樣本的個數(shù)，ei為袋外數(shù)據(jù)樣本的電場強(qiáng)度真實值，為袋外數(shù)據(jù)樣本輸入已有隨機(jī)森林模型得到的電場強(qiáng)度預(yù)測值。

41、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)補(bǔ)全實現(xiàn)電磁信號分布的重構(gòu)之后，所述系統(tǒng)還包括第四處理單元，被配置為：選取熱力圖相似性對比、均方根誤差rmse、決定系數(shù)r2對重構(gòu)后的電磁信號分布進(jìn)行性能評估。

42、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，熱力圖相似性比對是指：通過評估熱力圖的質(zhì)量來分析電磁信號分布重構(gòu)的準(zhǔn)確性，若與實際電磁信號分布的吻和程度超過參考值且能分辨出輻射源的大致位置，則表明所用算法性能達(dá)標(biāo)。

43、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，均方根誤差rmse是指：衡量預(yù)測數(shù)據(jù)偏離真實數(shù)據(jù)的程度，定義為預(yù)測的電磁數(shù)據(jù)和真實的電磁數(shù)據(jù)差值平方和與數(shù)據(jù)總量的比值開平方的值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

44、

45、其中，n表示電磁數(shù)據(jù)總量，表示第n個電磁數(shù)據(jù)場強(qiáng)的預(yù)測值，en表示第n個電磁數(shù)據(jù)場強(qiáng)的真實值。

46、根據(jù)本發(fā)明第二方面的系統(tǒng)，決定系數(shù)r2是指：反映因變量的全部變異通過回歸關(guān)系被自變量解釋的比例，r2越接近1，表明重構(gòu)后的電磁信號分布與真實分布相關(guān)性越大，說明所用算法效果越好，計算公式如下：

47、

48、其中，表示所有電場強(qiáng)度真實值的均值。

49、本發(fā)明第三方面公開了一種電子設(shè)備。電子設(shè)備包括存儲器和處理器，存儲器存儲有計算機(jī)程序，處理器執(zhí)行計算機(jī)程序時，實現(xiàn)本公開一種基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全的電磁信號分布重構(gòu)的方法中的步驟。

50、本發(fā)明第四方面公開了一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)。計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機(jī)程序，計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)本公開一種基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全的電磁信號分布重構(gòu)的方法中的步驟。

51、綜上，本發(fā)明的技術(shù)方案基于數(shù)據(jù)補(bǔ)全實現(xiàn)電磁信號分布的重構(gòu)，不僅能夠精確得到無線通信網(wǎng)絡(luò)的電磁信號分布，還可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場頻譜管理和電子戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域、無線電監(jiān)管和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等民用領(lǐng)域，具有重要的軍事意義和社會應(yīng)用價值。