CN105468922B - 一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁环境分析技术领域，本发明公开了一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其具体包括：步骤一、根据各种信号的特征参数，构建信号特征数据库，信号特征数据库采用半自动化学习方式、可不断完善扩充；步骤二、采集现场电磁环境信号，将信号进行处理后得到信号的频率、带宽、功率和持续时间四个基本参数，将基本参数输入到信号特征数据库中进行匹配，得到信号的调制样式以及类型；步骤三、结合应用场景信息、用户定制需求以及步骤三的信号查询匹配结果，利用信号威胁度评估模型，进行信号在特定应用场景下的威胁度判定。通过构建特征数据库，从而自动分析出信号的调制样式以及类型，再自动得到信号的威胁度判定。

Description

一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法

技术领域

本发明涉及电磁环境监测技术领域，具体涉及一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，可实现自动化的电磁环境信号威胁评估与分析。

背景技术

电磁环境信号分析通常是通过对非配合无线电磁信号进行搜索、检测、截获、测量来获取信号的特征参数进行分析与识别，获取的特征参数通常包括电磁信号频率、电磁信号带宽、信号形式(连续波或电磁脉冲)、调制特性等，并为无线电信号的监管和反制提供依据。

对于涉密活动场所或重要人物住所通常都需要定期进行无线窃听、窃视信号等威胁信号的检查，一些涉密会议还需要对手机等特定常规无线通信信号进行管制。目前国内在此类应用场景中进行无线电磁信号分析的手段主要是借助于频谱分析仪来对环境中电磁信号的有无及信号的频率、带宽等少量参数进行测量，并据此及使用者的专业背景知识和经验对信号种类进行识别及威胁性评估。这种方法中测量仪器仅提供频谱信息，信号分析与评估的主要工作由操作人员人工处理，对从业人员的专业技能要求非常高。且在复杂电磁环境中，靠人力进行信号分析识别与评估效率低下，可靠性差。市面上虽有些软件方法可以提供信号参数的自动测量分析，免去了靠人力从频谱分析仪中读取识别信号参数测量结果的低效繁琐工作，但功能仍然不完善:一些方法提供的信号检测参数较多，但如信号调制样式等参数的计算工作量大，对计算资源的需求高，实时性差，且仅仅提供相关参数信息，识别信号类型(如手机3G(第三代移动通信)、wifi(无线保真)信号等类型)的工作仍需要人工基于信号参数进行判别；另一些方法，如北京交通大学2009年周华生的硕士学位论文《复杂电磁环境信号自动监测和识别***的开发》中提出的信号分析方法，虽时效性高，但仅能提供少量简单参数，难以有效支撑后续信号类型分析及威胁评估。在后一类方法中，若利用先验知识构建信号数据库，即可通过少量简单参数在数据库中查询出对应电磁信号的完备参数，但如何构建出记录丰富全面，且可不断进行知识积累扩充的信号特征数据库，仍是一个未决问题。在信号威胁评估方面，目前还没有既结合密级场景信息又顾及用户实际操作中灵活的定制需求而进行电磁信号威胁性量化度量的有效方法。

发明内容

针对现有技术中的现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法存在的上述技术问题，本发明公开了一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、根据各种信号的特征参数，构建信号特征数据库；步骤二、采集现场电磁环境信号，将采集到的信号进行处理后得到信号的频率、带宽、功率和持续时间四个基本参数，将基本参数输入到信号特征数据库中进行匹配，得到信号的调制样式以及类型；步骤三、结合应用场景信息、用户定制需求以及步骤三的信号查询匹配结果，利用信号威胁度评估模型，进行信号在特定应用场景下的威胁度判定。

更进一步地，上述信号特征数据库采用半自动化学习方式、不断完善扩充。

更进一步地，上述信号特征数据库的构建具体包括以下的步骤：在信号特征数据库中，制定两类信号特征数据表，一类是专家预定义表，另一类是用户自定义表；专家预定义表是信号分析专家，依据先验知识经验制定的信号记录表，是进行信号分析与威胁评估的主要依据；用户自定义表的数据内容由用户定义，在用户实际操作中遇到的未能在专家预定义表中匹配到的信号，由用户选择是否依据其工作经验，对信号的描述特征进行定义并添加到用户自定义表中；用户自定义表中的信号特征数据记录定期由专家进行鉴别认证，并扩充到专家预定义表中，从而实现信号特征数据库的迭代更新和升级。

更进一步地，当四个基本参数和信号特征数据库中的记录完全匹配时，直接读取数据库中记录的威胁评分，乘以场景系数得到信号的最终威胁度量化评分。

更进一步地，上述信号威胁度评估模型中威胁度量化评估公式具体为：T＝α*(βF+γA+δB+εM)；其中T为电磁信号的威胁度量化评分，α为信号出现的场景威胁评估系数，β为频率威胁度评估权重，γ为信号强度评估权重，δ为信号带宽威胁评估权重，ε为调制样式威胁评估权重；α为[0-1]之间的值，β+γ+δ+ε＝1；F为信号所处频段威胁评估系数，A为信号强度威胁评估系数，B为信号带宽威胁评估系数，M为信号调制样式威胁评估系数，F、A、B、M分别取[0-100]之间的值。

更进一步地，当信号类型被列入到黑名单中时，为了得到较高的威胁评估分值，各项系数均直接按照与黑名单匹配处理。

更进一步地，当四个基本参数和数据库记录仅部分匹配时，在仅按照频率匹配查询得到的候选记录中若有隶属于威胁信号特征数据表或黑名单记录的则频率威胁评估系数F取值按照与黑名单匹配处理，若无则按照信号频率实际所处的威胁频段或空白频段对F进行取值，其次检查信号带宽与候选记录中是否有匹配项，若无，则与常规信号不同，B按照与常规信号不同进行取值处理，若有，则按照匹配项中有无属于威胁信号特征数据表或黑名单记录的情况对B赋值，M取值的方法同B，A按信号强度超过阈值的实际情况进行取值，将各项系数和权重值带入信号威胁度量化评估公式计算获得信号威胁度量化值T。

更进一步地，上述方法还包括根据信号威胁度量化值T对信号威胁性做出判定结论，T>90分为高度威胁，90>T>80为中度威胁，80>T>50为轻度威胁，50>T为一般性信号。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：

1)采用FPGA(可编程逻辑门阵列)完成信号截获和粗测来引导主机完成计算量小的信号参数的精测，并通过查询信号特征数据库获取信号类型及调制样式等难以测量或测量计算时间开销大的信号参数，显著降低了***计算复杂度，提高了信号分析的实时性。

2)提出的信号特征数据库构建方法可构建出可以不断完善的、持续学习扩充的信号特征数据库，解决了常规信号特征数据库数据记录难以灵活迭代更新的缺陷。

3)提出了结合场景信息及用户定制需求的信号威胁性度量化评估模型，可以得到较为合理的信号威胁度量化评估数据，从而实现灵活的、自动化的电磁环境信号威胁评估与分析。

附图说明

图1为本发明现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提出的基于电磁信号特征数据库的密级、重要人物活动场所现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法的原理框图如图1所示。

首先经天线和数据采集板对环境电磁信号进行数据采集(这里“采集”是指对环境中电磁信号进行AD采样，获取可供信号分析的原始数据，“截获”是指采集的原始数据中包含某一未知待测信号的AD采样数据，并且通过针对该数据进行后续的信号检测分析，发现该信号)。采集到的信号量化数据转交数据处理板中的FPGA(现场可编程逻辑门阵列)程序进行处理，检测信号的有无，以及粗测信号的频率、带宽、功率、持续时间(是否是连续波)四个参数，并生成信号频谱信息，同时还要依据信号粗测结果，滤波获取截获信号频率附近粗测带宽宽度范围内的信号采样数据，比如：使用信号粗测结果中的“频率”信息进行下变频处理，将信号变到零频附近，使用信号粗测结果中的“带宽”信息设定滤波器的宽度。截获信号就是在信号检测中发现的信号，粗测过程给出了该信号“带宽”、“频率”等描述参数的粗测结果。将粗测检测到的信号之外的信号尽可能过滤掉，排除其他信号对该信号精测结果的干扰。随后将频谱信息、粗测信号参数及信号原始数据三部分(信号原始数据就是采样后的原始数据经过变频、滤波处理后的数据。原始采样数据先经过FPGA数字处理板粗测、变频、滤波，再上报PC主机进行精测处理)数据上报主机。频谱数据将由主机用于频谱显示，截获信号的粗测参数及采样数据将被主机用于截获信号参数的精确测量，获取更为精准的信号频率、带宽、功率、持续时间四个基本参数。以粗测参数为引导，对采样数据(即为信号原始数据，粗测处理-变频、滤波后的原始采样数据)通过更大点数的FFT频谱分析，对粗测参数进行修正，进而获取精确参数测量结果，这些都是信号检测中的常规方法，此不属于本发明的改进点，在此不详细进行描述。

之后，依据信号精测参数进入到电磁信号特征数据库中进行信号的查询匹配，获取信号调制样式及类型等难以直接快速计算获取的参数信息。最后，结合应用场景信息(密级)及用户定制分析需求(信号黑白名单设定)及信号查询匹配结果，利用本发明提出的信号威胁度评估模型，实现信号在特定应用场景下的威胁度判定。本发明的技术方案有三个关键内容，其一为信号特征数据库的构建及迭代更新，其二为信号威胁度量化评估模型，其三为结合信号特征数据库及信号威胁度量化评估模型进行电磁信号威胁度评估的具体方法。

信号特征数据库的构建首先要选择描述信号特征的特征参数，在本发明的信号特征数据库的构建方案中，我们选择从频率、带宽、功率、调制样式、连续波标识(是否是连续波)、信号类型、威胁性、量化威胁评分(0-100分)八个维度描述一条信号特征记录。在信号特征数据库中，我们制定了两类信号特征数据表，一类是专家预定义表，另一类是用户自定义表。专家预定义表是信号分析专家，依据先验知识经验制定的信号记录表，是进行信号分析与威胁评估的主要依据。用户自定义表的数据内容由用户定义，在用户实际操作中遇到的未能在专家预定义表中匹配到的信号，由用户选择是否依据其工作经验，对信号的描述特征进行定义并添加到用户自定义表中，用户自定义表中的信号特征数据记录可定期由专家进行鉴别认证，并扩充到专家预定义表中，实现信号特征数据库的迭代更新和升级。

专家预定义表包含两张信号特征数据表，常规信号特征数据表和威胁信号特征数据表。常规信号特征数据表的信号特征数据记录是依据《中华人名共和国无线电频率划分规定》所定义的信号类型、频率、带宽等内容进行构建，包含了国内绝大部分合法、常规无线电应用的信号特征数据，如手机信号、电台信号、wifi(无线保真)信号等，此类常规信号威胁特性需结合信号出现场景信息、信号类型的黑白名单的设定进行威胁性判定。威胁信号特征数据表的信号特征数据记录是由专家依据已发现的、世面现存的窃听、窃视等非法、确定为威胁性的电磁信号用频特征定义的信号特征数据。

本发明中建立电磁信号威胁度量化评估模型如下：

T＝α*(βF+γA+δB+εM)

其中T为电磁信号的威胁度量化评分，α为信号出现的场景威胁评估系数，β为频率威胁度评估权重，γ为信号强度评估权重，δ为信号带宽威胁评估权重，ε为调制样式威胁评估权重。α在场景密级为一般、秘密、机密情况下分别取[0-1]之间的值，且取值关系为一般<秘密<机密，例如分别取值为0.1、0.7、1，β、γ、δ及ε分别取[0-1]之间的值，且取值关系为β+γ+δ+ε＝1，例如取值可分别为0.4、0.1、0.3和0.2。F为信号所处频段威胁评估系数，在低威胁频段、高威胁频段、空白频段、黑名单频段分别取[0-100]之间的值，且取值关系为低威胁频段<高威胁频段<空白频段<黑名单频段，例如取值可分别为10、60、80、100。A为信号强度威胁评估系数，在未超过信号强度阈值、超过阈值A₁dB、A₂dB、A₃dB(A₁<A₂<A₃)时分别取[0-100]之间的值，且取值关系为未超过信号强度阈值<超过阈值A₁dB<超过阈值A₂dB<超过阈值A₃dB，例如取值可分别为1、10、50、100。B为信号带宽威胁评估系数，B的取值在信号带宽与常规信号一致、信号带宽与常规信号不同且与黑名单信号带宽不匹配、信号带宽与黑名单匹配三种情况下分别取[0-100]之间的值，且取值关系为信号带宽与常规信号一致<信号带宽与常规信号不同且与黑名单信号带宽不匹配<信号带宽与黑名单匹配，例如取值可分别为10、80、100。M为信号调制样式威胁评估系数，M的取值在信号调制样式与常规信号一致、与常规信号不一致但不匹配黑名单、信号调制样式与黑名单信号匹配三种情况下分别取[0-100]之间的值，且取值关系为信号调制样式与常规信号一致<信号调制样式与常规信号不一致但不匹配黑名单<信号调制样式与黑名单信号匹配，例如取值可分别为10、80、100。

结合信号特征数据库及信号威胁度量化评估模型进行电磁信号威胁度评估具体应用方案中包含如下步骤：1)根据工作场景(一般、秘密、机密)选用对应的α系数值，并根据具体场景中用户需要特别管制的常规信号种类(如手机、无线保真信号等)设定具体的黑白名单；2)根据精测的信号频率、带宽、持续时间、功率四项基本参数，首先查询信号特征数据库中的用户自定义信号特征数据表，查找四项基本参数完全匹配的数据记录，若找到则进入步骤6)，否则继续步骤3)；3)查询专家预定义表，按照四项基本参数查询完全匹配条目，若找到则进入步骤6)否则继续步骤4)；4)查询专家预定义表，仅按照频率项进行匹配查询，若查到若干候选条目则转入步骤7)，若否则继续步骤5)；5)未找到任何匹配项，量化评估模型中F根据信号频率所处的频段的高低威胁频段或空白频段属性进行取值，A按照信号检测功率超过阈值的具体情况进行取值，B和M则均按照与常规信号不同但均不匹配黑名单处理，带入信号威胁度量化评估公式计算获得信号威胁度量化值T，同时可由用户决定是否对该信号定义信号类型、调制样式参数，并将定义后的信号添加到用户自定义表中，转入步骤8)；6)此步骤处理信号基本参数和数据库中记录完全匹配的情况，从数据库中的匹配条目中读取信号的信号类型和调制样式信息，将待处理信号的信号参数补充完整，若是和自定义表条目完全匹配，则直接读取数据库中记录的威胁评分，乘以场景系数得到信号的最终威胁度量化评分，若和威胁信号特征数据表或该信号类型被列入到黑名单中，则频率、带宽、调制样式威胁度评估系数F、B、M均按照与黑名单匹配处理，A的取值则按照信号功率超过阈值的实际情况进行取值，将各项系数和权重值带入信号威胁度量化评估公式计算获得信号威胁度量化值T，转入步骤8)；7)本步骤处理信号各项参数和数据库记录仅部分匹配的情况，在仅按照频率匹配查询得到的候选记录中若有隶属于威胁信号特征数据表或黑名单记录的则频率威胁评估系数F取值按照与黑名单匹配处理，若无则按照信号频率实际所处的威胁频段(威胁频段是根据特定场景中，依据威胁信号在频段上分布的先验统计分析结果划分的，威胁信号出现概率较大的频段为高威胁频段，国家无线电管理委员会划分的常规军、民用频段为低威胁频段)或空白频段(国家无线电管理委员会尚未划分较少使用的频段)对F进行取值(低威胁频段<高威胁频段<空白频段<黑名单频段分别取[0-100]之间的值)。本发明只限定取值规则和范围，具体取值需结合具体场景环境调优。其次检查信号带宽与候选记录中是否有匹配项，若无，则与常规信号不同，B按照与常规信号不同进行取值处理，若有，则按照匹配项中有无属于威胁信号特征数据表或黑名单记录的情况对B赋值，M取值的方法同B，A按信号强度超过阈值的实际情况进行取值，将各项系数和权重值带入信号威胁度量化评估公式计算获得信号威胁度量化值T，转入步骤8)；8)根据信号威胁度量化值T对信号威胁性做出判定结论，T>90分为高度威胁，90>T>80为中度威胁，80>T>50为轻度威胁，50>T为一般性信号。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、根据各种信号的特征参数，构建信号特征数据库；步骤二、采集现场电磁环境信号，将采集到的信号进行处理后得到信号的频率、带宽、功率和持续时间四个基本参数，将基本参数输入到信号特征数据库中进行匹配，得到信号的调制样式以及类型；步骤三、结合应用场景信息、用户定制需求以及步骤三的信号查询匹配结果，利用信号威胁度评估模型，进行信号在特定应用场景下的威胁度判定；

所述信号威胁度评估模型中威胁度量化评估公式具体为：T＝α*(βF+γA+δB+εM)；其中T为电磁信号的威胁度量化评分，α为信号出现的场景威胁评估系数，β为频率威胁度评估权重，γ为信号强度评估权重，δ为信号带宽威胁评估权重，ε为调制样式威胁评估权重；α为[0-1]之间的值，β+γ+δ+ε＝1；F为信号所处频段威胁评估系数，A为信号强度威胁评估系数，B为信号带宽威胁评估系数，M为信号调制样式威胁评估系数，F、A、B、M分别取[0-100]之间的值；

其中当四个基本参数和数据库记录仅部分匹配时，在仅按照频率匹配查询得到的候选记录中若有隶属于威胁信号特征数据表或黑名单记录的则频率威胁评估系数F取值按照与黑名单匹配处理，若无则按照信号频率实际所处的威胁频段或空白频段对F进行取值，其次检查信号带宽与候选记录中是否有匹配项，若无，则与常规信号不同，B按照与常规信号不同进行取值处理，若有，则按照匹配项中有无属于威胁信号特征数据表或黑名单记录的情况对B赋值，M取值的方法同B，A按信号强度超过阈值的实际情况进行取值，将各项系数和权重值带入信号威胁度量化评估公式计算获得信号威胁度量化值T。

2.如权利要求1所述的现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其特征在于所述信号特征数据库采用半自动化学习方式、不断完善扩充。

3.如权利要求2所述的现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其特征在于所述的信号特征数据库的构建具体包括以下的步骤：在信号特征数据库中，制定两类信号特征数据表，一类是专家预定义表，另一类是用户自定义表；专家预定义表是信号分析专家，依据先验知识经验制定的信号记录表，是进行信号分析与威胁评估的主要依据；用户自定义表的数据内容由用户定义，在用户实际操作中遇到的未能在专家预定义表中匹配到的信号，由用户选择是否依据其工作经验，对信号的描述特征进行定义并添加到用户自定义表中；用户自定义表中的信号特征数据记录定期由专家进行鉴别认证，并扩充到专家预定义表中，从而实现信号特征数据库的迭代更新和升级。

4.如权利要求1所述的现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其特征在于当四个基本参数和信号特征数据库中的记录完全匹配时，直接读取数据库中记录的威胁评分，乘以场景系数得到信号的最终威胁度量化评分。

5.如权利要求1所述的现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其特征在于当信号类型被列入到黑名单中时，各项系数均直接按照与黑名单匹配处理。

6.如权利要求1所述的现场电磁环境信号实时分析与威胁评估方法，其特征在于所述方法还包括根据信号威胁度量化值T对信号威胁性做出判定结论，T>90分为高度威胁，90>T>80为中度威胁，80>T>50为轻度威胁，50>T为一般性信号。