作者：卢思学 王文
引言
2017年，美国国防部长阿什顿·卡特签署首部《电子战战略》文件，标志着美国正式确立电磁频谱成为继陆、海、空、天、赛博空间之后的第六独立作战域。近年来，美国为实现对电磁频谱的有效管控，对电磁态势分析的理论和技术进行了深入探索并加强了相关装备的研发，出台了一系列政策并建立了相应的指挥中心。2012年，美国战略司令部建立联合电磁频谱控制中心（JEMSCC），旨在实现战场电磁频谱的全面集成管理和对战场电磁态势的全面掌控。
实现电磁态势的准确分析和全面展示离不开电磁态势可视化技术的支持，电磁态势可视化技术是对当前电磁环境进行分析及评估后，采用二维、三维或多维的可视化方法将各种电磁信号的类型、属性和分布等情况的分析结果用统计图表、频谱图、瀑布图、电磁地图等形式表现出来的电磁态势分析技术。当前的电磁态势可视化技术包括了电磁辐射评估技术和电磁信息可视化展示技术，该技术使电磁态势的展示更加直观，在复杂电磁环境下为决策者的判断提供理论依据。
现有理论模型及装备系统
近年来，电磁态势可视化技术得到了深入研究，结合态势感知理论的应用，形成了一些较为成熟的电磁态势分析理论模型和装备系统。
1、基于JDL模型的电磁态势生成模型
JDL模型由美国国防部提出的，该模型将态势评估看作数据融合的一个层次，将战场中被观测的实体分布与活动情况和战场环境、知识库关联起来，其最终目的是形成便于理解的包括态势分析和估计的战场态势图。目前，很多电磁态势生成模型都是依据该模型衍生而成的，包括了电磁态势要素获取域、态势理解域和态势展现域，通过对电磁环境的监测、感知和分析，结合电磁态势可视化技术将当前物理空间的电磁环境进行清晰的展示与预测。
基于JDL的电磁态势生成模型
2、联合频谱管理规划工具（CJSMPT）
联合频谱管理规划工具（CJSMPT）是由美国陆军通信电子研发设计中心（CERDEC）从2005年开始为美国陆军开发的。CJSMPT是美国“全球电磁频谱信息系统（GEMSIS）”计划的一部分。CJSMPT架构如图所示，由频谱管理模块、网络拓扑分析模块、可视化组件、频谱知识库4个主要的组成。CJSMPT通过电磁态势可视化技术实现对战场的电磁环境的准确判断，从而可以根据频谱管理者的请求为军队提供频谱分配方案，通过对电磁态势的分析解决频谱冲突问题。随着作战的推进，CJSMPT可以不断对频谱资源的利用率进行优化。
CJSMPT组成架构
3、AREPS软件系统
Advanced Refractive Effects Prediction System（AREPS）软件系统由美军空间和海战系统中心大气传播部开发，用于美军电磁系统性能评估战术决策支持，包括雷达探测性能、电子监视测量、短波（HF）到毫米波（EHF）通信、电子攻击等。AREPS包含了多种电波传播模型，其中在2MHz到57GHz频率范围内采用高级传播模型（APM），而在短波天波通信则采用一整套的短波模型，其中有全三维电离层光线跟踪模型、短波场强模型、短波噪声模型、参数化电离层模型（PIM）和国际参考电离层模型。AREPS采用距离、方位或者高度相关的二维曲线图方式表现预测结果，实现了电磁态势可视化展示。
AREPS对雷达探测覆盖率的估计结果
电磁态势可视化技术的实现
现有的电磁态势可视化技术包括了电磁辐射评估技术和电磁信息可视化展示技术。电磁辐射评估技术通过电磁辐射评估模型或射线追踪法实现对辐射源的场强分布的估算。电磁信息可视化展示技术实现了对物理空间进行二维、三维或多维建模，结合地理信息对电磁态势实现了可视化展示。
1、 电磁辐射评估技术
（1）基于电磁辐射评估模型的场强分布估计
最经典的室外电磁辐射评估模型是Okumura模型。20世纪60年代，奥村（Okumura）等人在东京市区、郊区和开阔区三类区域对频率范围在150~1500MHz的信号进行了大量的测试。实验测量了多种基站天线高度，多种移动台天线高度，以及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号的强度。利用测量数据生成一系列曲线图表，统计给出准平坦地形的中值场强或基本传输损耗中值，并以此为基础给出其他传播环境（丘陵、孤立山岳、倾斜地形和水路混合路径四类）下的场强修正值以及各种较正因子。其它室外电磁辐射评估模型还包括Okumura-Hata模型、COST231-Hata模型、Egli模型等。
Longley-Rice 模型也称为不规则地形模型(Irregular Terrain Model，ITM)。ITM模型是为了解决在大范围不规则地形上高效准确地预测电波传播衰减而提出的。通过结合电磁理论和统计分析的方法，根据不同的介电常数和电导率把地形分成了平均地面、较差的地面、较好的地面、淡水和海水五类；根据不同的气候和地理位置把大气折射率分成了赤道附近、大陆亚热带、海洋亚热带、沙漠、内陆、大岛、小岛七类。其优点在于利用统计分析的方法对电磁波预测的相关参数进行归纳计算，气象、地面等较难获取的重要参数可以通过该方法方便地表示出来，以预测用频设备的电波传播情况。ITM在预测电波传播衰减时考虑了大气折射、衍射、对流层折射以及地形等因素，并且根据对地形高程数据掌握情况和计算速度的要求，提供了点到点和区域两种电波传播预测模式。ITM适用的频段范围是20MHz~20GHz，辐射源的天线高度在0.5~3000m，电波传播距离在2000km内。
利用ITM得到的电磁环境合成渲染图
Terrain Integrated Rough Earth Model(TIREM)模型是由美国电磁兼容分析中心开发的，根据发射机到接收机的地面起伏来计算传播损耗，适合20MHz到20GHz频率范围内无线电衰减预测。TIREM可根据数字地图所给出的地形轮廓来估计发射天线与接收天线之间的真实地形，并自适应地计算传输损耗的中值。TIREM和ITM模型的主要区别在于对视距区域损耗的计算，ITM模型采用双射线的多径计算超出自由传播范围的视距区域损耗，而TIREM模型采用平滑地面的衍射损耗和反射区域损耗中较小的一个，作为视距损耗。由于TIREM预测结果精度相对较高，性能较好，目前TIREM被广泛应用在美军电磁衰减预测系统中。
近年来，电磁态势分析系统常常将多种电磁辐射评估模型结合使用，同时运用数字地球、态势仿真技术，完成了电磁场强度的计算并实现电磁态势的展示。基于电磁态势评估模型的态势分析系统可以实现设备干扰程度的评估以及电磁频谱配置方案的优化。一种典型的态势分析系统将辐射源信号划分为雷达信号、雷达干扰信号、通信信号、通信信号干扰、民用辐射源信号五类，并建立了对应的电磁辐射评估模型。下图为该系统所采用的信号传播模型库。复杂电磁环境下，不同的信号传播环境和信号频段的电磁态势需要采用不同的信号传播模型进行评估预测。该系统采用了Egli、Longley Rice等多种信号传播模型对VLF、LF、MF、HF等频段的信号场强分布情况进行评估，正确选择评估模型后可以快速准确计算室外环境下对应信号的信号强度、功率密度、传输损耗等电磁信号的统计特征，实现了电磁态势的分析预测。
不同频段的信号传播模型
室内电磁辐射评估模型包括One-slope模型、Keenan-Motley模型、COST231-Multi-Wall模型。One-Slope模型是第一个描述室内信号传播的衰落损耗模型，模型表达式简单，运营商在进行网络规划时普遍使用该模型，但是此模型只包含信号传播过程中自由空间的损耗，当室内环境出现阻隔等情况时，该模型的预测精度将大大降低，因而该模型不适用复杂室内电磁环境的分析。
A.J.Motley等提出Keenan-Motley模型。该模型基于理论和实测数据，将无线信号在穿透不同阻碍物时产生的透射衰减考虑在内，预测精准度较One-Slope模型有了显著的提升。
COST231-Multi-Wall模型的提出实现了辐射源场强分布在复杂室内环境下的精确预测。COST231-Multi-Wall 模型是在统计无线信号的穿透能力的基础上得出经验统计模型，此模型进一步考虑了随着无线信号穿透的阻碍物数量的增加，信号单次透射衰减值会减小这一问题。模型包含了随着墙壁数量增加的线性损失分量以及复杂的楼层损失分量，以描述辐射源信号在室内环境下传播过程中的能量损失。
其它室内电磁辐射评估模型还包括ITU-RP.1238模型、Partitioned模型、Average walls模型等。
COST231-Multi-Wall 模型中的楼层损失函数
（2）基于射线追踪法的场强分布计算
统计性的信道模型虽然可以用于电磁态势的估计，但是无法对当前电磁环境进行准确计算。目前，电磁辐射评估应用最为广泛的且能够对辐射源场强进行精确计算的是以射线追踪法为主的电磁场计算方法。
射线追踪法的提出满足了室内或半径大约为100m~1km的微蜂窝小区通信对场强精确预报的需求。电波的频率较高或者波长较短时，在一个波长的长度范围内，传输环境中的地形、建筑物等介质的参量将会保持一致，几乎不会发生变化。高频电波的传播具有“局部”特性。在射线直射、反射和绕射处的电场强度计算无需考虑整个初始表面的场分布，只需要通过这个表面范围内某段有限部分的场分布来求解。在电波频率较高时，可以使用电磁理论、几何光学等原理来分析电波传播情况，求取电波具体的路径，这就是射线跟踪法的原理。
利用射线追踪法可以对辐射源的场强分布做出较为精确的计算。算法首先确定一个发射源的位置，对发射源进行剖分，将其福射能量用大量的离散射线束传播来表示。根据地形信息找出发射源到每个接收位置光线的所有传播路径。然后根据菲涅尔等式、几何绕射理论等原理来确定反射和绕射损耗，这样相应得到每条路径到每个接收点的场强。将同一接收点处到达的所有路径的场强做相干叠加，得到每一个接收点处总的接收场强。射线追踪法分为正向算法和反向算法，其中正向算法是从辐射源开始追踪射线，并记录所有到达接收机的射线的过程。
射线追踪法正向算法流程图
2、电磁信息可视化展示技术
（1）基于GIS的电磁信息可视化技术
GIS系统（地理信息系统）是多学科集成的空间型信息系统，其本身的综合特性与强大的功能，决定了它具有广泛的用途。由于电磁辐射源具有不同的地理位置，各辐射源之间距离也是影响其辐射状况的因素，应用地理信息系统可以很好的解决与辐射源相关的空间位置问题。
基于GIS的电磁地图绘制技术可以很方便的对多种辐射源的身份属性进行记录，包括广播电视系统、移动通信系统、高压电力系统、交通运输系统、工科医用高频设备等辐射源的位置及其它基本信息。同时系统还可以对辐射源进行查询、更新、添加、维护等。该系统可以对辐射源的信息进行更新，方便使用人员对电磁环境进行查询和管控。
美国电信科学研究院(ITS)开发的通信系统规划工具(Communication Systems Planning Tool, CSPT)，是一个基于GIS的电波传播计算工具，它集成了ITM、Tirem等多种电波传播模型，并且可以生成三维地形。由于集成了多种电波传播模型，适合宽频电波传播预测。
CSPT界面展示图
（2）三维数据场的电磁信息可视化技术
对于三维数据场主要有两种绘制方法：面绘制和直接体绘制方法。面绘制方法需要根据三维数据场构造出几何图元，然后再进入图形硬件管线渲染绘制。等值面提取技术是最常用的面绘制方法之一，它可以将原始数据场中某个属性值抽取特定大小范围的轮廓，进而构造三角形网格。可见等值面提取技术只能将原始数据场的部分属性进行了映射表现，不能反映整个原始数据场的全貌和细节，但是由于绘制等值面网格有图形硬件的支持，而且还能很清晰地反映原始数据场的表面轮廓信息，所以目前仍被广泛采用，并有大量文献对它进行深入研究。直接体绘制方法也叫体绘制方法，它则不用构造中间的几何图元，而是直接由三维数据场，根据数据映射关系生成二维图像。该方法能反映三维电磁数据场的整体信息，绘制图像质量高，但是计算量很大，而且目前没有被图形硬件直接支持，绘制效率不高。
典型的三维电磁信息可视化系统由电磁环境数据模型生成模块和交互绘制模块两个部分组成，在预处理阶段，主要是对输入的电磁设备参数，采用电波传播模型，利用硬件加速算法计算电磁环境体数据，并构建出混合八叉树结构的体数据分块和体数据分块分辨率组织形式；利用硬件加速的多层等值面提取技术构造电磁环境的多层等值面模型，并采用多分辨率简化算法构建模型的多分辨率数据结构。在实时绘制阶段，根据用户需求动态绘制多分辨率的电磁环境多层等值面模型或者动态调度分块体数据直接体绘制电磁环境。
三维电磁环境可视化系统总体方案
（3）多维电磁信息可视化技术
2012年，Zhou Ti等提出基于平行坐标系和极坐标系的多维电磁信息可视化技术。该方法引入了平行坐标和极坐标两种多维坐标系，坐标系中对电磁场的多个关键参数进行了表示并直观地给出了各个参数对应的域值。与传统方法相比，这种多维电磁信息可视化的方法的优点在于数据无需显示在三维空间框架中，而是利用电磁环境特征的维映射策略，将空间域转化为多个与坐标系匹配的维度，实现了多维电磁态势的直观表示和快速搜索。其中，平行坐标法用于表示电磁环境的总体情况，极坐标法用于实现给定电磁环境信息的检索。
a平行坐标对电磁环境的可视化记录 b某时间点单一区域的电磁环境可视化记录
c五维极坐标系的可视化搜索结果
基于平行坐标和极坐标的多维电磁信息可视化技术
电磁态势可视化技术的意义
电磁态势可视化技术通过对辐射源电磁场分布的绘制，直观展示了物理空间的电磁场分布状况，对无线通信设备的管理、非法辐射源的查找定位以及频谱的有效分配提供有效支撑。
电磁态势可视化技术可以有效实现无线通信、基站和无线电台的管理。随着电子信息技术的不断发展，无线设备走进了人们的日常生活。电子遥控门、婴儿监视器、无绳电话、手机、无线路由器、无线耳机已经十分普及，手机发射基站和业余无线电台的数量与日俱增，医院中，无线心电监测仪等医疗器械也会以无线通信的形式传输信息。越来越多样的无线通信设备与无线电台使得物理空间的电磁环境变得十分复杂，电磁态势可视化技术可以实现对多样的无线通信设备进行统一管理，对手机基站和无线基站的身份信息做到快速查找识别。
电磁态势可视化技术可以有效为重大活动提供保障。随着科技的进步，各种窃听手段也变得五花八门，多样的无线摄录设备日益小型化，纽扣式窃听器，微型无线摄像头，微型无线麦克风等设备给重大活动的安全保障工作提出了更高的要求。利用电磁态势可视化技术对指定区域内电磁态势进行分析，可以做到对未知设备发射出的信号做到有效监测，实现对未知无线通信设备的管控与突发风险事件的处置。
电磁态势可视化技术可以有效对频谱占用度进行分析评估，进而利用“频谱空穴”，提高频谱利用率。各式各样的无线设备的大量涌现，各行各业对无线电频率的需求越来越多，使得无线频谱资源变得愈加紧张。进行长期频谱占用测量活动，掌握频谱使用规律，利用电磁态势可视化技术精准地构建频谱态势并记录主要用户的使用习惯可以大大增强决策者对电磁信号分布的直观感知能力，使其迅速了解当前区域的电磁信号分布情况，便于无线通信设备的管理部署。
总结
本文从理论、装备和技术三个方面简要介绍了电磁态势可视化技术，并说明了电磁态势可视化技术的意义，希望为相关研究人员提供一定的参考。
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