本發(fā)明涉及電磁信號數(shù)據(jù)仿真領(lǐng)域，具體涉及一種用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代通信及相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用中，電磁信號的準確模擬對于訓(xùn)練高性能的人工智能模型至關(guān)重要。然而，在實際環(huán)境中，由于物理條件限制、隱私保護需求或是安全考慮等因素，往往難以獲得足夠量的實際電磁信號數(shù)據(jù)，這極大地限制了深度學(xué)習(xí)算法如深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效訓(xùn)練。

2、目前，主要存在兩種電磁信號仿真手段：計算機仿真與射頻仿真。

3、計算機仿真：這種仿真方法依賴于信號的數(shù)學(xué)模型，并通過軟件編程來模擬信號的產(chǎn)生。其優(yōu)點在于靈活性高、成本低廉且便于快速迭代。但是，這種方法高度依賴于數(shù)學(xué)模型的準確性，對于復(fù)雜的系統(tǒng)和信道環(huán)境，建立精確的數(shù)學(xué)模型非常具有挑戰(zhàn)性。此外，由于缺乏對物理層特性的精確模擬，計算機仿真生成的數(shù)據(jù)可能與實際情況存在較大偏差，進而影響到基于此類數(shù)據(jù)訓(xùn)練出的模型性能。

4、射頻仿真：相比于計算機仿真，射頻仿真更接近實際信號的物理特性。它利用射頻技術(shù)在物理層面上模擬信號，能夠更好地復(fù)現(xiàn)真實世界的信號環(huán)境。不過，這種方法通常需要復(fù)雜的硬件設(shè)施，例如信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，并且對于不同場景模擬情況，要求了極高的設(shè)備配置和環(huán)境控制，從而增加了成本并且限制了大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)集的構(gòu)建。

5、可見，盡管上述兩種方法各有優(yōu)勢，但它們都存在一定的局限性：計算機仿真雖然成本低，但在復(fù)雜系統(tǒng)中的精確度不足；射頻仿真雖然更接近真實情況，但其實現(xiàn)成本高昂且難以實現(xiàn)大規(guī)模的場景覆蓋。

6、鑒于此，現(xiàn)有技術(shù)在獲取足夠多樣的高質(zhì)量電磁信號數(shù)據(jù)方面仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)，這直接制約了人工智能模型在電磁信號識別與處理任務(wù)上的表現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于背景技術(shù)的現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有電磁信號仿真方法存在的強依賴環(huán)境和信號采集設(shè)備、精確建模難度大的問題，因此提出了一種用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法；本發(fā)明基于有限真實信號數(shù)據(jù)與典型環(huán)境信號波形，可仿真生成大量高泛化性的仿真時頻圖。

2、本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案來實現(xiàn)目的：

3、一種用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，所述方法包括如下步驟：

4、s1、獲取目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集和電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集；

5、s2、在目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集中，對全部目標信號時頻圖的目標信號塊進行標注并存儲標注信息；

6、s3、從目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集和電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集中，各自隨機挑選出一個時頻圖數(shù)據(jù)，分別記為已標注的目標信號時頻圖a和電磁環(huán)境時頻圖b；

7、s4、依據(jù)目標信號時頻圖a及其標注信息，提取出目標信號時頻圖a的目標信號塊第一強度矩陣，并對目標信號塊第一強度矩陣進行多種參數(shù)隨機變化；

8、s5、多種參數(shù)隨機變化完成后，得到目標信號時頻圖a的目標信號塊第二強度矩陣；將目標信號塊第二強度矩陣覆蓋至電磁環(huán)境時頻圖b中對應(yīng)位置，被覆蓋后的電磁環(huán)境時頻圖b即為仿真生成的新的目標信號時頻圖；

9、s6、持續(xù)進行步驟s3至步驟s5的隨機挑選、多種參數(shù)隨機變化和覆蓋過程，直至仿真生成的新的目標信號時頻圖的數(shù)量滿足模型訓(xùn)練需求，從而完成時頻圖仿真過程。

10、具體的，步驟s1中，目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集的獲取方式為：采集多個目標信號時域波形，通過短時傅里葉變換對應(yīng)轉(zhuǎn)換為多個目標信號時頻圖，從而構(gòu)成目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集；目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集中，目標信號時頻圖的維度為[n,m]，其中n為譜幀數(shù)，m為幀長。

11、具體的，步驟s1中，電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集的獲取方式為：采集沒有目標信號的多個典型電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，通過短時傅里葉變換對應(yīng)轉(zhuǎn)換為多個電磁環(huán)境時頻圖，從而構(gòu)成電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集；電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集中，電磁環(huán)境時頻圖的維度與目標信號時頻圖的維度相同，均為[n,m]。

12、具體的，步驟s2中，使用矩形框標注目標信號時頻圖中的目標信號塊，將矩形框的左上角坐標和右下角坐標作為標注信息并進行存儲；目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集標注完成后，每個目標信號時頻圖的標注信息記為：[(x1min,y1min,x1max,y1max),(x2min,y2min,x2max,y2max),...]。

13、進一步的，步驟s4中，將多個目標信號塊第一強度矩陣分別記為[m1,m2,m3,...]后，均進行六種參數(shù)的隨機變化，分別為：電磁環(huán)境時頻圖頻率變化、目標信號塊帶寬變化、目標信號塊持續(xù)時間變化、目標信號塊間隙隨機變化、目標信號塊信噪比隨機變化和目標信號塊強度的突發(fā)干涉加強與減弱模擬變化。

14、進一步的，步驟s5中，在將目標信號塊第二強度矩陣覆蓋至電磁環(huán)境時頻圖b中對應(yīng)位置時，當覆蓋位置處對應(yīng)的目標信號塊的強度比對應(yīng)的電磁環(huán)境信號強度低時，該覆蓋位置處的強度值即設(shè)定為原本的電磁環(huán)境信號強度，進而實現(xiàn)在電磁環(huán)境時頻圖b中更新目標信號塊第二強度矩陣。

15、綜上所述，由于采用了本技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果如下：

16、本發(fā)明通過利用有限的真實信號數(shù)據(jù)和典型環(huán)境信號波形，能夠在不大幅增加數(shù)據(jù)采集成本的前提下生成大量高泛化性的仿真時頻圖，從而顯著降低對昂貴信號采集設(shè)備和特定環(huán)境條件的依賴。

17、本發(fā)明的方法通過對真實信號時頻圖的多維參數(shù)進行擴展仿真，并結(jié)合典型環(huán)境信號波形的時頻圖進行隨機合成，避免了傳統(tǒng)仿真方法中復(fù)雜而耗時的精確建模步驟，大大降低了建模難度。

18、由于采用了多維參數(shù)擴展仿真與隨機合成的方式，本發(fā)明能夠生成更為豐富多樣的仿真時頻圖，這些時頻圖不僅能夠覆蓋多種實際應(yīng)用場景，而且能夠更好地模擬真實世界環(huán)境中的復(fù)雜環(huán)境變化，提高了仿真數(shù)據(jù)的真實性。

19、使用本發(fā)明生成的高泛化性仿真時頻圖訓(xùn)練深度模型，可以有效提升模型在未見數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)能力，使其在面對不同環(huán)境下的電磁信號時具有更好的適應(yīng)性和準確性。

20、相比于傳統(tǒng)的電磁信號仿真方法，本發(fā)明能夠在較低的成本下快速生成大量高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，顯著提升了數(shù)據(jù)準備階段的工作效率，縮短了從數(shù)據(jù)采集到模型部署的時間周期。

技術(shù)特征：

1.一種用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于，步驟s1中，目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集的獲取方式為：采集多個目標信號時域波形，通過短時傅里葉變換對應(yīng)轉(zhuǎn)換為多個目標信號時頻圖，從而構(gòu)成目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集；目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集中，目標信號時頻圖的維度為[n,m]，其中n為譜幀數(shù)，m為幀長。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于，步驟s1中，電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集的獲取方式為：采集沒有目標信號的多個典型電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，通過短時傅里葉變換對應(yīng)轉(zhuǎn)換為多個電磁環(huán)境時頻圖，從而構(gòu)成電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集；電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集中，電磁環(huán)境時頻圖的維度與目標信號時頻圖的維度相同，均為[n,m]。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：步驟s2中，使用矩形框標注目標信號時頻圖中的目標信號塊，將矩形框的左上角坐標和右下角坐標作為標注信息并進行存儲；目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集標注完成后，每個目標信號時頻圖的標注信息記為：[(x1min,y1min,x1max,y1max),(x2min,y2min,x2max,y2max),...]。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：步驟s4中，將多個目標信號塊第一強度矩陣分別記為[m1,m2,m3,...]后，均進行六種參數(shù)的隨機變化，分別為：電磁環(huán)境時頻圖頻率變化、目標信號塊帶寬變化、目標信號塊持續(xù)時間變化、目標信號塊間隙隨機變化、目標信號塊信噪比隨機變化和目標信號塊強度的突發(fā)干涉加強與減弱模擬變化。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：六種參數(shù)的隨機變化依次進行，對于電磁環(huán)境時頻圖頻率變化，預(yù)設(shè)一個頻率范圍[f1,f2]，依據(jù)目標信號時頻圖a中標注的各個目標信號塊，隨機在電磁環(huán)境時頻圖b中選擇一個該范圍內(nèi)的頻率值f作為中心頻率，然后在目標信號時頻圖a中，將對應(yīng)的一個目標信號塊平移至以頻率值f為中心的對應(yīng)位置，以同樣方式選擇其余目標信號塊的中心頻率并進行平移；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：對于目標信號塊持續(xù)時間變化，預(yù)設(shè)一個時間范圍[t1,t2]，目標信號塊隨機從該范圍中選擇一個值t，通過矩陣剪切或矩陣尺寸變換的方式，將對應(yīng)的一個目標信號塊的持續(xù)時間變換為值t，以同樣方式對其余目標信號塊的持續(xù)時間進行處理；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：對于目標信號塊信噪比隨機變化，預(yù)設(shè)一個信噪比范圍[d1,d2]，隨機從該范圍中選擇一個值d，通過矩陣的加減運算，將對應(yīng)的一個目標信號塊的信噪比變換為值d，并且單個中間強度矩陣如下式：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：對于目標信號塊強度的突發(fā)干涉加強與減弱模擬變化，為目標信號時頻圖a中標注的各個目標信號塊都疊加一個均值為0，標準差為σ的高斯白噪聲，由此得到單個目標信號塊第二強度矩陣如下式：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，其特征在于：步驟s5中，在將目標信號塊第二強度矩陣覆蓋至電磁環(huán)境時頻圖b中對應(yīng)位置時，當覆蓋位置處對應(yīng)的目標信號塊的強度比對應(yīng)的電磁環(huán)境信號強度低時，該覆蓋位置處的強度值即設(shè)定為原本的電磁環(huán)境信號強度，進而實現(xiàn)在電磁環(huán)境時頻圖b中更新目標信號塊第二強度矩陣，即滿足如下約束式：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種用于電磁信號智能檢測模型訓(xùn)練的時頻圖仿真方法，涉及電磁信號數(shù)據(jù)仿真領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有電磁信號仿真方法存在的強依賴環(huán)境和信號采集設(shè)備、精確建模難度大的問題；方法包括：獲取目標信號時頻圖數(shù)據(jù)集和電磁環(huán)境時頻圖數(shù)據(jù)集，對目標信號塊進行標注并存儲；隨機挑選出相應(yīng)時頻圖數(shù)據(jù)，記為已標注的目標信號時頻圖A和電磁環(huán)境時頻圖B，提取目標信號塊第一強度矩陣，進行多種參數(shù)隨機變化，得到目標信號塊第二強度矩陣，將其覆蓋至電磁環(huán)境時頻圖B中對應(yīng)位置，被覆蓋后的電磁環(huán)境時頻圖B即為仿真生成的新的目標信號時頻圖；本發(fā)明基于有限真實信號數(shù)據(jù)與典型環(huán)境信號波形，可仿真生成大量高泛化性的仿真時頻圖。

技術(shù)研發(fā)人員：郭明偉,呂樂群,繆赟晨,袁雙,李強斌,張蕾昱,黃書偉,譚世川,何華坤,闕爽凡
受保護的技術(shù)使用者：中國電子科技集團公司第二十九研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/4