一种用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法与流程

本发明涉及电磁信号数据仿真领域，具体涉及一种用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法。

背景技术：

1、在现代通信及相关系统的开发与应用中，电磁信号的准确模拟对于训练高性能的人工智能模型至关重要。然而，在实际环境中，由于物理条件限制、隐私保护需求或是安全考虑等因素，往往难以获得足够量的实际电磁信号数据，这极大地限制了深度学习算法如深度卷积神经网络的有效训练。

2、目前，主要存在两种电磁信号仿真手段：计算机仿真与射频仿真。

3、计算机仿真：这种仿真方法依赖于信号的数学模型，并通过软件编程来模拟信号的产生。其优点在于灵活性高、成本低廉且便于快速迭代。但是，这种方法高度依赖于数学模型的准确性，对于复杂的系统和信道环境，建立精确的数学模型非常具有挑战性。此外，由于缺乏对物理层特性的精确模拟，计算机仿真生成的数据可能与实际情况存在较大偏差，进而影响到基于此类数据训练出的模型性能。

4、射频仿真：相比于计算机仿真，射频仿真更接近实际信号的物理特性。它利用射频技术在物理层面上模拟信号，能够更好地复现真实世界的信号环境。不过，这种方法通常需要复杂的硬件设施，例如信号发生器、频谱分析仪等，并且对于不同场景模拟情况，要求了极高的设备配置和环境控制，从而增加了成本并且限制了大规模仿真数据集的构建。

5、可见，尽管上述两种方法各有优势，但它们都存在一定的局限性：计算机仿真虽然成本低，但在复杂系统中的精确度不足；射频仿真虽然更接近真实情况，但其实现成本高昂且难以实现大规模的场景覆盖。

6、鉴于此，现有技术在获取足够多样的高质量电磁信号数据方面仍面临严峻挑战，这直接制约了人工智能模型在电磁信号识别与处理任务上的表现。

技术实现思路

1、基于背景技术的现状，本发明的目的在于解决现有电磁信号仿真方法存在的强依赖环境和信号采集设备、精确建模难度大的问题，因此提出了一种用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法；本发明基于有限真实信号数据与典型环境信号波形，可仿真生成大量高泛化性的仿真时频图。

2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：

3、一种用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，所述方法包括如下步骤：

4、s1、获取目标信号时频图数据集和电磁环境时频图数据集；

5、s2、在目标信号时频图数据集中，对全部目标信号时频图的目标信号块进行标注并存储标注信息；

6、s3、从目标信号时频图数据集和电磁环境时频图数据集中，各自随机挑选出一个时频图数据，分别记为已标注的目标信号时频图a和电磁环境时频图b；

7、s4、依据目标信号时频图a及其标注信息，提取出目标信号时频图a的目标信号块第一强度矩阵，并对目标信号块第一强度矩阵进行多种参数随机变化；

8、s5、多种参数随机变化完成后，得到目标信号时频图a的目标信号块第二强度矩阵；将目标信号块第二强度矩阵覆盖至电磁环境时频图b中对应位置，被覆盖后的电磁环境时频图b即为仿真生成的新的目标信号时频图；

9、s6、持续进行步骤s3至步骤s5的随机挑选、多种参数随机变化和覆盖过程，直至仿真生成的新的目标信号时频图的数量满足模型训练需求，从而完成时频图仿真过程。

10、具体的，步骤s1中，目标信号时频图数据集的获取方式为：采集多个目标信号时域波形，通过短时傅里叶变换对应转换为多个目标信号时频图，从而构成目标信号时频图数据集；目标信号时频图数据集中，目标信号时频图的维度为[n,m]，其中n为谱帧数，m为帧长。

11、具体的，步骤s1中，电磁环境时频图数据集的获取方式为：采集没有目标信号的多个典型电磁环境数据，通过短时傅里叶变换对应转换为多个电磁环境时频图，从而构成电磁环境时频图数据集；电磁环境时频图数据集中，电磁环境时频图的维度与目标信号时频图的维度相同，均为[n,m]。

12、具体的，步骤s2中，使用矩形框标注目标信号时频图中的目标信号块，将矩形框的左上角坐标和右下角坐标作为标注信息并进行存储；目标信号时频图数据集标注完成后，每个目标信号时频图的标注信息记为：[(x1min,y1min,x1max,y1max),(x2min,y2min,x2max,y2max),...]。

13、进一步的，步骤s4中，将多个目标信号块第一强度矩阵分别记为[m1,m2,m3,...]后，均进行六种参数的随机变化，分别为：电磁环境时频图频率变化、目标信号块带宽变化、目标信号块持续时间变化、目标信号块间隙随机变化、目标信号块信噪比随机变化和目标信号块强度的突发干涉加强与减弱模拟变化。

14、进一步的，步骤s5中，在将目标信号块第二强度矩阵覆盖至电磁环境时频图b中对应位置时，当覆盖位置处对应的目标信号块的强度比对应的电磁环境信号强度低时，该覆盖位置处的强度值即设定为原本的电磁环境信号强度，进而实现在电磁环境时频图b中更新目标信号块第二强度矩阵。

15、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

16、本发明通过利用有限的真实信号数据和典型环境信号波形，能够在不大幅增加数据采集成本的前提下生成大量高泛化性的仿真时频图，从而显著降低对昂贵信号采集设备和特定环境条件的依赖。

17、本发明的方法通过对真实信号时频图的多维参数进行扩展仿真，并结合典型环境信号波形的时频图进行随机合成，避免了传统仿真方法中复杂而耗时的精确建模步骤，大大降低了建模难度。

18、由于采用了多维参数扩展仿真与随机合成的方式，本发明能够生成更为丰富多样的仿真时频图，这些时频图不仅能够覆盖多种实际应用场景，而且能够更好地模拟真实世界环境中的复杂环境变化，提高了仿真数据的真实性。

19、使用本发明生成的高泛化性仿真时频图训练深度模型，可以有效提升模型在未见数据上的表现能力，使其在面对不同环境下的电磁信号时具有更好的适应性和准确性。

20、相比于传统的电磁信号仿真方法，本发明能够在较低的成本下快速生成大量高质量的训练数据，显著提升了数据准备阶段的工作效率，缩短了从数据采集到模型部署的时间周期。

技术特征：

1.一种用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于，步骤s1中，目标信号时频图数据集的获取方式为：采集多个目标信号时域波形，通过短时傅里叶变换对应转换为多个目标信号时频图，从而构成目标信号时频图数据集；目标信号时频图数据集中，目标信号时频图的维度为[n,m]，其中n为谱帧数，m为帧长。

3.根据权利要求2所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于，步骤s1中，电磁环境时频图数据集的获取方式为：采集没有目标信号的多个典型电磁环境数据，通过短时傅里叶变换对应转换为多个电磁环境时频图，从而构成电磁环境时频图数据集；电磁环境时频图数据集中，电磁环境时频图的维度与目标信号时频图的维度相同，均为[n,m]。

4.根据权利要求1所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：步骤s2中，使用矩形框标注目标信号时频图中的目标信号块，将矩形框的左上角坐标和右下角坐标作为标注信息并进行存储；目标信号时频图数据集标注完成后，每个目标信号时频图的标注信息记为：[(x1min,y1min,x1max,y1max),(x2min,y2min,x2max,y2max),...]。

5.根据权利要求1所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：步骤s4中，将多个目标信号块第一强度矩阵分别记为[m1,m2,m3,...]后，均进行六种参数的随机变化，分别为：电磁环境时频图频率变化、目标信号块带宽变化、目标信号块持续时间变化、目标信号块间隙随机变化、目标信号块信噪比随机变化和目标信号块强度的突发干涉加强与减弱模拟变化。

6.根据权利要求5所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：六种参数的随机变化依次进行，对于电磁环境时频图频率变化，预设一个频率范围[f1,f2]，依据目标信号时频图a中标注的各个目标信号块，随机在电磁环境时频图b中选择一个该范围内的频率值f作为中心频率，然后在目标信号时频图a中，将对应的一个目标信号块平移至以频率值f为中心的对应位置，以同样方式选择其余目标信号块的中心频率并进行平移；

7.根据权利要求6所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：对于目标信号块持续时间变化，预设一个时间范围[t1,t2]，目标信号块随机从该范围中选择一个值t，通过矩阵剪切或矩阵尺寸变换的方式，将对应的一个目标信号块的持续时间变换为值t，以同样方式对其余目标信号块的持续时间进行处理；

8.根据权利要求7所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：对于目标信号块信噪比随机变化，预设一个信噪比范围[d1,d2]，随机从该范围中选择一个值d，通过矩阵的加减运算，将对应的一个目标信号块的信噪比变换为值d，并且单个中间强度矩阵如下式：

9.根据权利要求8所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：对于目标信号块强度的突发干涉加强与减弱模拟变化，为目标信号时频图a中标注的各个目标信号块都叠加一个均值为0，标准差为σ的高斯白噪声，由此得到单个目标信号块第二强度矩阵如下式：

10.根据权利要求9所述的用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，其特征在于：步骤s5中，在将目标信号块第二强度矩阵覆盖至电磁环境时频图b中对应位置时，当覆盖位置处对应的目标信号块的强度比对应的电磁环境信号强度低时，该覆盖位置处的强度值即设定为原本的电磁环境信号强度，进而实现在电磁环境时频图b中更新目标信号块第二强度矩阵，即满足如下约束式：

技术总结本发明提供一种用于电磁信号智能检测模型训练的时频图仿真方法，涉及电磁信号数据仿真领域，解决了现有电磁信号仿真方法存在的强依赖环境和信号采集设备、精确建模难度大的问题；方法包括：获取目标信号时频图数据集和电磁环境时频图数据集，对目标信号块进行标注并存储；随机挑选出相应时频图数据，记为已标注的目标信号时频图A和电磁环境时频图B，提取目标信号块第一强度矩阵，进行多种参数随机变化，得到目标信号块第二强度矩阵，将其覆盖至电磁环境时频图B中对应位置，被覆盖后的电磁环境时频图B即为仿真生成的新的目标信号时频图；本发明基于有限真实信号数据与典型环境信号波形，可仿真生成大量高泛化性的仿真时频图。技术研发人员：郭明伟,吕乐群,缪赟晨,袁双,李强斌,张蕾昱,黄书伟,谭世川,何华坤,阙爽凡受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4