电磁环境监测空域自适应采样方法、装置及计算机设备

本发明属于电磁环境监测，具体涉及一种电磁环境监测空域自适应采样方法、装置及计算机设备。

背景技术：

1、随着无线电技术的快速发展与应用，城市内人口变得越来越密集，各种频率的电气设备被广泛应用于生产及生活的各个领域。电磁信号作为无线电通信的传输媒介，是信息技术发展的根本，同时也是诱发电磁安全问题的根源所在。如果得不到有效的监管与规划，就会危害电磁安全，降低人民生活质量，影响社会稳定，威胁国家安全。因此对重点区域内电磁环境进行实时监测，掌握电磁环境的动态变化情况，以实现对指定区域内的恶意或非法的电磁信号进行预警是十分必要的。

2、传统地面监测平台受地面路障及无线电波多径效应的影响，存在监测效率低、监测区域范围有限和监测信号干扰大等缺陷。而采用高稳态空中平台如无人机等进行电磁环境监测，则具有监测节点移动速度更快、监测范围更广以及更适合大尺度空间电磁环境监测等优点。由于电磁环境监测的精度与无人机在时间域和空间域上的采样点数量有关，通常采样点越多，电磁环境监测精度就越高，因此无人机的空间位置分布与采样策略就极为重要。传统的且基于无人机的电磁环境数据采样方式大多是在均匀或随机的网格中直接确定位置，即主要考虑的是监测区域的全局覆盖能力，缺乏对电磁环境局部捷变性的关注。

3、通常，电磁辐射场在全局上会满足一定稀疏性，但是在局部上也有捷变性，而传统的固定式、均匀式或随机式的电磁环境监测空域采样方案难以同时兼顾全局特性和局部特性，导致存在有限采样资源与海量电磁数据实时获取需求的矛盾问题。因此针对在无人机采样过程中辐射场数据在时间域和空间域上的稀疏性变化特征，如何提供一种能够兼顾全局特性和局部特性的电磁环境监测空域自适应采样方案，是本领域技术人员亟需研究的课题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电磁环境监测空域自适应采样方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，用以解决现有电磁环境监测空域采样方案难以同时兼顾全局特性和局部特性，导致存在有限采样资源与海量电磁数据实时获取需求的矛盾问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供了一种电磁环境监测空域自适应采样方法，包括：

4、收集位于目标监测区域中的所有已采样点的坐标位置；

5、根据所述所有已采样点的坐标位置，采用voronoi图法估计所述所有已采样点在所述目标监测区域的空间分布情况，得到在所述所有已采样点中的各个已采样点的voronoi空间单元；

6、在所述目标监测区域中生成均匀随机分布的海量测试样本点；

7、针对所述各个已采样点，根据对应的voronoi空间单元与所述海量测试样本点的位置关系，统计得到位于对应的voronoi空间单元内的测试样本点的总数量，并将该总数量作为对应的全局评价指标值；

8、针对所述各个已采样点，从所述所有已采样点中选取对应的多个邻域采样点，然后拟合一个覆盖对应点以及所述多个邻域采样点的超平面来估计得到对应的梯度，最后根据对应点与在所述多个邻域采样点中的各个邻域采样点之间的梯度响应与对应点局部的线性响应之间的差值来估计得到对应点附近的非线性程度，并将该非线性程度作为对应的且在空间域的局部特性评价指标值；

9、针对所述各个已采样点，根据最近采集的电磁环境监测数据获取在对应点处的辐射场在最近一段时间内的辐射变化特性e(t)，然后利用稀疏基函数对所述辐射变化特性e(t)进行稀疏表示，得到对应的稀疏表达式，最后计算得到在对应的稀疏表达式中展开系数的l0范数，并将该l0范数作为对应的且在时间域的局部特性评价指标值，其中，t表示时间；

10、针对所述各个已采样点，根据对应的全局评价指标值g、在空间域的局部特性评价指标值l1和在时间域的局部特性评价指标值l2，按照如下公式计算得到对应的综合评价指标值h：

11、h＝h1×g+h2×(l1+l2)

12、式中，h1和h2分别表示预设的权重系数，并有h1+h2＝1；

13、按照综合评价指标值从高至低顺序，从所述所有已采样点中选出至少一个已采样点；

14、针对在所述至少一个已采样点中的各个已采样点，在对应点附近增加一个新采样点，以便控制基于飞行器的电磁环境监测设备移动到所述新采样点采集新的电磁环境监测数据。

15、基于上述
技术实现要素：
，提供了一种能够兼顾全局特性和局部特性的电磁环境监测空域采样新方案，即在电磁环境监测空域采样过程中，先收集位于目标监测区域中的所有已采样点的坐标位置，然后针对各个已采样点，分别得到对应的全局评价指标值、在空间域的局部特性评价指标值和在时间域的局部特性评价指标值，并计算得到对应的综合评价指标值，再然后按照综合评价指标值从高至低顺序，从所述所有已采样点中选出至少一个已采样点，最后针对在所述至少一个已采样点中的各个已采样点，在对应点附近增加一个新采样点，以便控制基于飞行器的电磁环境监测设备移动到所述新采样点采集新的电磁环境监测数据，如此可在采样点位置的选择上实现对辐射场数据时空域上稀疏性变化的自适应，即实现在全局特性与局部特性之间的平衡，使得在有限的采样点下既不会遗漏需要重点关注区域的信息，又可确保在全局范围上不存在监测盲区，进而在实际测试中可以通过诸如无人机等飞行器的快速移动而不断获取在新位置上的采样数据，便于实际应用和推广。

16、在一个可能的设计中，针对所述各个已采样点，从所述所有已采样点中选取对应的多个邻域采样点，包括：

17、针对在所述所有已采样点中的某个已采样点，从所述所有已采样点中选取对应的所有邻域采样点组合，其中，在所述所有邻域采样点组合中的各个邻域采样点组合包括有与所述某个已采样点相邻的多个邻域采样点；

18、针对所述各个邻域采样点组合，按照如下公式计算得到对应的聚合函数值s：

19、

20、式中，r表示正轴比，c表示粘聚力函数值，a表示附着力函数值，q表示在邻域采样点组合中的邻域采样点的总数，pm表示所述某个已采样点的坐标位置，q表示正整数，pq表示在邻域采样点组合中的第q个邻域采样点的坐标位置，||||表示求各分量的平方和的开根号的函数，i和j分别表示正整数且取值范围为[1,q-1]，pqi表示在邻域采样点组合中的且相对于所述第q个邻域采样点而言的第i个其它采样点的坐标位置，pqj表示在邻域采样点组合中的且相对于所述第q个邻域采样点而言的第j个其它采样点的坐标位置，min()表示求最小值函数；

21、将具有最高聚合函数值的邻域采样点组合作为所述某个已采样点的且最终选取的多个邻域采样点。

22、在一个可能的设计中，针对所述各个已采样点，根据对应点与在所述多个邻域采样点中的各个邻域采样点之间的梯度响应与对应点局部的线性响应之间的差值来估计得到对应点附近的非线性程度，并将该非线性程度作为对应的且在空间域的局部特性评价指标值，包括：

23、针对在所述所有已采样点中的某个已采样点，按照如下公式计算得到对应的且在空间域的局部特性评价指标值l1：

24、

25、式中，q表示在所述某个已采样点的多个邻域采样点中的邻域采样点的总数，q表示正整数，pmq表示在所述某个已采样点的多个邻域采样点中的第q个邻域采样点的坐标位置，u(pmq)表示与pmq对应的函数响应值，pm表示所述某个已采样点的坐标位置，u(pm)表示在所述某个已采样点处的电场强度幅值，gm表示所述某个已采样点的梯度。

26、在一个可能的设计中，针对所述各个已采样点，利用稀疏基函数对所述辐射变化特性e(t)进行稀疏表示，得到对应的稀疏表达式，包括：

27、针对在所述所有已采样点中的某个已采样点，利用一组稀疏基离散傅里叶变换矩阵fn对所述辐射变化特性e(t)进行稀疏表示，得到对应的如下稀疏表达式：

28、

29、式中，e∈rn，n表示大于等于3的正整数，rn表示n维实数域，fn＝{f1,f2,…,fn,…,fn}∈cn×n，cn×n表示n×n维复数域，n表示正整数，fn表示在所述稀疏基离散傅里叶变换矩阵fn中的第n个元素，xn表示与所述第n个元素对应的展开系数，x表示展开系数集合。

30、在一个可能的设计中，针对所述各个已采样点，计算得到在对应的稀疏表达式中展开系数的l0范数，并将该l0范数作为对应的且在时间域的局部特性评价指标值，包括：

31、针对在所述所有已采样点中的某个已采样点，采用基于l0范数的能量滤波得到软阈值的方式计算得到在对应的稀疏表达式中展开系数的l0范数，并将该l0范数作为对应的且在时间域的局部特性评价指标值。

32、在一个可能的设计中，按照综合评价指标值从高至低顺序，从所述所有已采样点中选出至少一个已采样点，包括：

33、根据采样精度需求或者根据采样点数量预设上限值和所述所有已采样点的总数，确定当前采样点需求量w，其中，w表示正整数；

34、按照综合评价指标值从高至低顺序，从所述所有已采样点中选出w个已采样点。

35、在一个可能的设计中，在针对在所述至少一个已采样点中的各个已采样点，在对应点附近增加一个新采样点之后，所述方法还包括：

36、判断所述所有已采样点的总数与所述新采样点的总数之和是否已满足采样精度需求或者达到采样点数量预设上限值；

37、若是，则停止采样点迭代更新，否则在所述电磁环境监测设备移动到各个所述新采样点并完成数据采集后，返回执行用于收集所有已采样点的坐标位置的步骤，以便再进行一次采样点迭代更新。

38、第二方面，提供了一种电磁环境监测空域自适应采样装置，包括有坐标位置收集模块、空间单元估计模块、样本点生成模块、全局指标获取模块、第一局部指标获取模块、第二局部指标获取模块、综合指标计算模块、采样点选取模块和新采样点增加模块；

39、所述坐标位置收集模块，用于收集位于目标监测区域中的所有已采样点的坐标位置；

40、所述空间单元估计模块，通信连接所述坐标位置收集模块，用于根据所述所有已采样点的坐标位置，采用voronoi图法估计所述所有已采样点在所述目标监测区域的空间分布情况，得到在所述所有已采样点中的各个已采样点的voronoi空间单元；

41、所述样本点生成模块，用于在所述目标监测区域中生成均匀随机分布的海量测试样本点；

42、所述全局指标获取模块，分别通信连接所述空间单元估计模块和所述样本点生成模块，用于针对所述各个已采样点，根据对应的voronoi空间单元与所述海量测试样本点的位置关系，统计得到位于对应的voronoi空间单元内的测试样本点的总数量，并将该总数量作为对应的全局评价指标值；

43、所述第一局部指标获取模块，通信连接所述坐标位置收集模块，用于针对所述各个已采样点，从所述所有已采样点中选取对应的多个邻域采样点，然后拟合一个覆盖对应点以及所述多个邻域采样点的超平面来估计得到对应的梯度，最后根据对应点与在所述多个邻域采样点中的各个邻域采样点之间的梯度响应与对应点局部的线性响应之间的差值来估计得到对应点附近的非线性程度，并将该非线性程度作为对应的且在空间域的局部特性评价指标值；

44、所述第二局部指标获取模块，通信连接所述坐标位置收集模块，用于针对所述各个已采样点，根据最近采集的电磁环境监测数据获取在对应点处的辐射场在最近一段时间内的辐射变化特性e(t)，然后利用稀疏基函数对所述辐射变化特性e(t)进行稀疏表示，得到对应的稀疏表达式，最后计算得到在对应的稀疏表达式中展开系数的l0范数，并将该l0范数作为对应的且在时间域的局部特性评价指标值，其中，t表示时间；

45、所述综合指标计算模块，分别通信连接所述全局指标获取模块、所述第一局部指标获取模块和所述第二局部指标获取模块，用于针对所述各个已采样点，根据对应的全局评价指标值g、在空间域的局部特性评价指标值l1和在时间域的局部特性评价指标值l2，按照如下公式计算得到对应的综合评价指标值h：

46、h＝h1×g+h2×(l1+l2)

47、式中，h1和h2分别表示预设的权重系数，并有h1+h2＝1；

48、所述采样点选取模块，通信连接所述综合指标计算模块，用于按照综合评价指标值从高至低顺序，从所述所有已采样点中选出至少一个已采样点；

49、所述新采样点增加模块，通信连接所述采样点选取模块，用于针对在所述至少一个已采样点中的各个已采样点，在对应点附近增加一个新采样点，以便控制基于飞行器的电磁环境监测设备移动到所述新采样点采集新的电磁环境监测数据。

50、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的电磁环境监测空域自适应采样方法。

51、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的电磁环境监测空域自适应采样方法。

52、第五方面，本发明提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的电磁环境监测空域自适应采样方法。

53、上述方案的有益效果：

54、(1)本发明创造性提供了一种能够兼顾全局特性和局部特性的电磁环境监测空域采样新方案，即在电磁环境监测空域采样过程中，先收集位于目标监测区域中的所有已采样点的坐标位置，然后针对各个已采样点，分别得到对应的全局评价指标值、在空间域的局部特性评价指标值和在时间域的局部特性评价指标值，并计算得到对应的综合评价指标值，再然后按照综合评价指标值从高至低顺序，从所述所有已采样点中选出至少一个已采样点，最后针对在所述至少一个已采样点中的各个已采样点，在对应点附近增加一个新采样点，以便控制基于飞行器的电磁环境监测设备移动到所述新采样点采集新的电磁环境监测数据，如此可在采样点位置的选择上实现对辐射场数据时空域上稀疏性变化的自适应，即实现在全局特性与局部特性之间的平衡，使得在有限的采样点下既不会遗漏需要重点关注区域的信息，又可确保在全局范围上不存在监测盲区，进而在实际测试中可以通过诸如无人机等飞行器的快速移动而不断获取在新位置上的采样数据；

55、(2)由于空域采样点的位置不是预先固定的，而是通过构建兼顾时空域上稀疏性和捷变性的综合评价指数，边采样边评估，形成动态自适应采样的过程，因此可在信号变化平缓的地方减少采样点，而在信号发生捷变的地方增加采样点，提高采样效率和精度，便于实际应用和推广。