一种基于B/S架构的实时频谱监控系统及方法

技术领域

本申请涉及频谱监控技术领域，尤其涉及一种基于B/S架构的实时频谱监控系统及方法。

背景技术

在卫星通信系统中，对通信卫星转发器频谱的实时监视一直是卫星通信网的热点技术之一。由于目前缺乏针对通信卫星转发器频谱实时监控的硬件系统,技术人员设计了一套可以针对通信卫星转发器频谱实时监控的新型系统,该系统硬件包括中央管理服务器、多个采集处理服务器以及多个客户端，但是，在系统设计过程中除了考虑系统硬件层面的技术，还需要考虑软件层间的技术。由于该新型实时监控系统主要涉及的是终端与服务器之间进行数据交互的场景，因此，在软件层面主要考虑的是多种客户端如何与中央管理服务器和多个采集处理服务器进行数据交互，以及中央管理服务器和多个采集处理服务器所支持的服务平台和交互架构等。

目前，常见的终端与服务器之间进行数据交互所支持的架构为C/S架构，具体的，通过C/S架构进行数据交互时，终端与服务器均需要安装专用的应用程序，通过专用的应用程序来实现终端与服务器之间的数据交互，进而导致与其它应用系统难以互联互通，对于操作系统有较大局限性，不能够适应多种应用场景，且开发、维护成本较高等。因此，如何在该新型实时频谱监控系统的硬件基础上，设计出一套便于与其他系统互联互通以及适用性高软件系统成为亟待解决的问题。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中实时频谱监控系统的兼容性以及适用性较差。本申请提供了一种基于B/S架构的实时频谱监控系统及方法，本申请实施例所提供的方案中，多个客户端通过B/S架构与中央管理服务器和多个采集处理服务器进行数据交互，由于B/S架构能够使用浏览器与多个系统互联互通，减小了对操作系统有较大局限性，不能够适应多种应用场景，且开发、维护成本较高等，进而提高了实时频谱监控系统的兼容性以及适用性。

第一方面，本申请实施例提供一种基于B/S架构的实时频谱监控系统，该系统包括：中央管理服务器、多个采集处理服务器以及多个客户端；其中，所述多个客户端通过B/S架构与所述中央管理服务器和所述多个采集处理服务器进行数据交互。

可选地，所述中央管理服务器通过第一通信模型与所述多个客户端之间进行数据交互，其中，所述第一通信模型包括第一web服务、第一业务应用服务和第一WebSocket服务；

所述第一web服务，用于通过HTTP请求/响应方式与所述多个客户端之间进行数据交互；

所述第一业务应用服务，用于处理所述HTTP请求。

所述第一WebSocket服务，用于根据用户请求通过WebSocket协议将至少一个采集通道对应的历史频谱信息推送到所述客户端。

可选地，每个所述采集处理服务器通过第二通信模型与所述多个客户端之间进行数据交互，其中，所述第二通信模型包括第二web服务、消息中间件ZeroMQ、第二WebSocket服务以及第二业务应用服务；

所述第二业务应用服务，用于通过多通道实时采集待监控系统中的中频或射频信息，并对所述中频或射频信息进行实时分析处理得到实时频谱信息；

所述消息中间件ZeroMQ，用于获取所述多个采集处理服务器中所述实时频谱信息；

所述第二WebSocket服务，用于将所述消息中间件ZeroMQ中的所述实时频谱信息推送到所述客户端；

所述第二web服务，用于通过HTTP请求/响应方式与所述多个客户端之间进行数据交互。

可选地，从系统逻辑层面划分，所述系统包括：数据采集层、存储管理层、业务逻辑层以及综合呈现层；其中，

所述数据采集层，用于通过多通道实时采集待监控系统中的中频或射频信息，并将所述中频或射频信息发送给所述存储管理层；

所述存储管理层，用于对所述中频或射频信息进行存储，数据库以及数据库管理；

所述业务逻辑层，用于预设的载波检测方法对所述中频或射频信息进行分析得到实时频谱信息，以及进行频谱监控得到频谱监控信息；

所述综合呈现层，用于根据所述实时频谱信以及所述频谱监控信息进行频谱监控显示，以及在浏览器上呈现动态频谱图形。

可选地，所述业务逻辑层，具体用于：

对采集的所述待监控系统中的中频或射频信息进行功率谱估计；

将估计的功率谱进行离散二进小波变换得到变换后的功率谱信息；

根据信号带宽将所述变换后的功率谱信息划分为多尺度信号以及确定小波变换阶数，其中，所述多尺度信号包括宽带信号、中等信号、窄带信号以及极窄信号；

根据不同阶数小波变换的模极大结果进行多尺度信号检测，根据检测结果估计信号参数；

根据所述信号参数进行频谱监控得到频谱监控信息，根据所述频谱监控信息进行异常频谱监测。

可选地，所述业务逻辑层，具体用于：

根据所述小波变换阶数依次按照宽带信号、中等信号、窄带信号以及极窄信号顺序进行多尺度信号检测。

可选地，从频谱监控系统软件层面划分，所述系统包括：数据层、业务层以及显示交互层；其中，

所述数据层，包括采集传输服务、频谱分析服务、ZeroMQ服务、数据存储服务、InfluxDB服务以及MySQL服务；

所述业务层，包括频谱监控服务、Web服务以及外部互联服务；

所述显示交互层，包括浏览器，所述浏览器与所述频谱监控服务之间通过WebSocket协议进行数据交互，与所述Web服务之间通过HTTP协议进行数据交互，以及与所述外部互联服务之间通过REST协议进行数据交互。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于B/S架构的实时频谱监控方法，应用于如第一方面所述的系统，该系统包括：

接收用户输入的第一请求，通过B/S架构将所述第一请求以第一HTTP请求方式发送给中央管理服务器发，并接收所述中央管理服务器基于web服务发送的第一HTTP响应，或接收所述中央管理服务器基于WebSocket服务推送的至少一个采集通道对应的历史频谱信息；

接收所述采集处理服务器基于WebSocket服务推送的多个采集通道所述采集的实时频谱信息，或接收用户输入的第二请求，通过B/S架构将所述第二请求以第二HTTP请求方式发送给采集处理服务器，并接收所述采集处理服务器基于web服务发送的第二HTTP响应，其中，WebSocket服务所推送所述实时频谱信息是通过消息中间件ZeroMQ得到的。

可选地，还包括：通过浏览器对所述中央管理服务器基于WebSocket服务推送的至少一个采集通道对应的历史频谱信息进行回放，或通过所述浏览器对所述采集处理服务器基于WebSocket服务推送的多个采集通道所述采集的实时频谱信息进行显示。

可选地，所述第一HTTP响应和所述第二HTTP响应包括：监控警告或异常数据。所述方法，还包括：通过所述浏览器对警告或异常数据进行显示。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的方案具有如下有益效果：

1、在本申请实施例所提供的方案中，多个客户端通过B/S架构与中央管理服务器和多个采集处理服务器进行数据交互，由于B/S架构能够使用浏览器与多个系统互联互通，减小了对操作系统有较大局限性，不能够适应多种应用场景，且开发、维护成本较高等，进而提高了实时频谱监控系统的兼容性以及适用性。

2、在本申请实施例所提供的方案中，中央管理服务器和采集处理服务器与客户端之间通过HPPT协议实现系统参数配置、监视计划配置，通过Web Socket协议完成频谱数据的推送，并最终在浏览器上呈现动态频谱图形，即支持在浏览器上完成多路频谱信息实时绘制和回放显示，并能够满足用户的各种交互，提高系统性能可靠信以及满足实时频谱监视系统在实时性方面的需求。

3、在本申请实施例所提供的方案中，业务逻辑层基于多尺度小波模极大融合的载波检测算法对宽窄信号载波分布无规律的信号进行有效的载波检测，自动发现载波异常起伏，自动完成巡检结果报告，避免传统能量检测、匹配滤波、循环平稳特性检测等技术对宽带和窄带信号无法兼顾的问题，提高载波检测的效率，进而完成自动频谱异常发现。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种基于B/S架构的实时频谱监控系统的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种基于B/S架构的实时频谱监控系统的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种利用不同阶数小波变换的模极大结果进行多尺度信号检测的流程示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种基于B/S架构实时频谱监控系统的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种基于B/S架构实时频谱监控系统的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种多通道数据处理模式示意图；

图7为本申请实施例所提供的一种频谱监视系统中数据交换示意图；

图8为本申请实施例所提供的一种基于B/S架构的实时频谱监控方法的流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，本申请实施例提供了一种基于B/S架构的实时频谱监控系统，该系统包括：中央管理服务器1、多个采集处理服务器2以及多个客户端3；其中，所述多个客户端3通过B/S架构对所述中央管理服务器1和所述多个采集处理服务器2的数据进行调度和管理。

进一步，参见图1，在一种可能实现的方式中，所述中央管理服务器1根据第一通信模型与所述多个客户端3之间通过所述B/S架构进行数据交互，其中，所述第一通信模型包括第一web服务、第一业务应用服务和第一WebSocket服务；所述第一web服务，用于通过HTTP请求/响应方式与所述多个客户端之间进行数据交互；所述第一业务应用服务，用于处理所述HTTP请求。所述第一WebSocket服务，用于根据用户请求通过WebSocket协议将至少一个采集通道对应的历史频谱信息推送到所述客户端。

进一步，参见图1，在一种可能实现的方式中，每个所述采集处理服务器2根据第二通信模型与所述多个客户端3之间通过所述B/S架构进行数据交互，其中，所述第二通信模型包括第二web服务、消息中间件ZeroMQ、第二WebSocket服务以及第二业务应用服务；所述第二业务应用服务，用于通过多通道实时采集待监控系统中的中频或射频信息，并对所述中频或射频信息进行实时分析处理得到实时频谱信息；所述消息中间件ZeroMQ，用于获取所述多个采集处理服务器中所述实时频谱信息；所述第二WebSocket服务，用于将所述消息中间件ZeroMQ中的所述实时频谱信息推送到所述客户端；所述第二web服务，用于通过HTTP请求/响应方式与所述多个客户端之间进行数据交互。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，中央管理服务器1、多个采集处理服务器2以及多个客户端3之间通过局域以太网互联，多个客户端3提供了人机交互界面，用户通过人机交互界面向客户端3输入数据监控请求，客户端3通过浏览器将用户输入的数据监控请求发送给中央管理服务器1或多个采集处理服务器2，中央管理服务器1或多个采集处理服务器2通过浏览器显示各个通道的频谱信息，来自采集处理服务器2以及中央管理服务器1的信息通过客户端浏览器以图形、文本等形式展示给用户。应理解，在本申请实施例所提供的方案中，客户端的数量任意，客户端既可以是PC上的浏览器，也可以是移动设备上的浏览器，在此不做限定。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，为了实现用户通过客户端3浏览各个通道的频谱信息，在所述采集处理服务器2采用包括第二web服务、消息中间件ZeroMQ、第二WebSocket服务以及第二业务应用服务的第二通信模型与多个客户端3之间进行数据交互。具体的。采集处理服务器2只的第二业务应用服务负责完成原始数据接收、FFT信号处理、载波参数提取、干扰信号识别、告警分析、调制方式识别等与频谱数据计算处理相关的功能，并在处理之后，将处理结果数据通过基于中间件ZeroMQ封装的消息平台向外发布；第二WebSocket服务能够接收中间件ZeroMQ发布的信息，利用动态的数据绑定技术，使得数据能够按需推送到客户端，第二Web服务负责响应处理一般的HTTP请求，如修改通道配置参数等。

中央管理服务器1中第一通信模型与采集处理服务器2中的第二通信模型相近，各个服务的功能也近似，主要区别在于采集处理服务器2以WebSocket服务推送为主，中央管理服务器1以Web服务响应处理一般的HTTP请求为主。

进一步，参见图2，在一种可能实现的方式中，从系统逻辑层面上划分，所述系统包括：数据采集层21、存储管理层22、业务逻辑层23以及综合呈现层24；其中，

所述数据采集层21，用于通过多通道实时采集待监控系统中的中频或射频信息，并将所述中频或射频信息发送给所述存储管理层22；

所述存储管理层22，用于对所述中频或射频信息进行存储，数据库以及数据库管理；

所述业务逻辑层23，用于预设的载波检测方法对所述中频或射频信息进行分析得到实时频谱信息，以及进行频谱监控得到频谱监控信息；

所述综合呈现层24，用于根据所述实时频谱信以及所述频谱监控信息进行频谱监控显示，以及在浏览器上呈现动态频谱图形。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，数据采集层21包括采集传输软件，通过采集传输软件以及高速ADC和高性能FPGA实现实时信号采集；存储管理层22利用时序、关系数据库InfluxDB以及存储管理数据MySQL；业务逻辑层23包括频谱分析软件、服务端的频谱监控软件，基于高性能服务器和GPU进行信号处理与分析；综合呈现层24包括前台显示的频谱监控软件，主要以BS的形式为用户提供数据展示和操控界面。

针对实时频谱监控系统宽窄信号载波分布无规律的特点，为了解决传统能量检测、匹配滤波、循环平稳特性检测等技术对宽带和窄带信号无法兼顾的问题，提高载波检测的效率。在本申请实施例所提供的方案中，业务逻辑层23采用基于多尺度小波模极大融合的载波检测方法进行频谱异常自动监测。

在一种可能的实现的方式中，所述业务逻辑层23，具体用于：对采集的所述待监控系统中的中频或射频信息进行功率谱估计；将估计的功率谱进行离散二进小波变换得到变换后的功率谱信息；根据信号带宽将所述变换后的功率谱信息划分为多尺度信号以及确定小波变换阶数，其中，所述多尺度信号包括宽带信号、中等信号、窄带信号以及极窄信号；根据不同阶数小波变换的模极大结果进行多尺度信号检测，根据检测结果估计信号参数；根据所述信号参数进行频谱监控得到频谱监控信息，根据所述频谱监控信息进行异常频谱监测。

在一种可能的实现的方式中，所述业务逻辑层23，具体用于：根据所述小波变换阶数依次按照宽带信号、中等信号、窄带信号以及极窄信号顺序进行多尺度信号检测。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，业务逻辑层23采用基于多尺度小波模极大融合的载波检测方法进行频谱异常自动监测过程如下所述：

(1)功率谱估计

根据采样频率fs，频率分辨率要求Δf等指标估计信号功率谱Sr(f)。

(2)功率谱离散二进小波变换

对Sr(f)进行离散二进小波变换，采用二次样条函数近似高斯函数的一阶微分作为小波母函数，对Sr(f)进行离散二进小波变换。

(3)划分信号带宽，确定相应小波变换阶数

由于不同信号的带宽跨度范围事先未知，为保证不发生漏检应当对Δf～fs2的带宽范围进行全覆盖划分。可按数量级对信号带宽划分，不同带宽信号使用对应的小波变换阶数及小波滤波器长度。

(4)利用不同阶数小波变换的模极大结果进行多尺度信号检测

宽带信号往往存在剧烈的带内起伏，这种起伏在小尺度下易被误判为窄带信号，因此首先从大信号开始进行信号检测，一旦判定为大信号将不再对该频谱范围进行小尺度下的信号检测，从而避免出现宽带信号的带内起伏被误判为窄带信号的现象。算法实现过程如图3所示。

(5)根据检测结果，估计信号参数

完成信号检测以后，可以根据检测结果估计信号载频f

在本申请实施例所提供的方案中，业务逻辑层基于多尺度小波模极大融合的载波检测算法对宽窄信号载波分布无规律的信号进行有效的载波检测，自动发现载波异常起伏，自动完成巡检结果报告，避免传统能量检测、匹配滤波、循环平稳特性检测等技术对宽带和窄带信号无法兼顾的问题，提高载波检测的效率，进而完成自动频谱异常发现。

进一步，参见图4，在一种可能实现的方式中，从频谱监控系统软件层面划分，所述系统包括：数据层41、业务层42以及显示交互层43；其中，

所述数据层41，包括采集传输服务、频谱分析服务、ZeroMQ服务、数据存储服务、InfluxDB服务以及MySQL服务；

所述业务层42，包括频谱监控服务、Web服务以及外部互联服务；

所述显示交互层43，包括浏览器，所述浏览器与所述频谱监控服务之间通过WebSocket协议进行数据交互，与所述Web服务之间通过HTTP协议进行数据交互，以及与所述外部互联服务之间通过REST协议进行数据交互。

具体的。参见图5，为本申请实施例提供的一种频谱监控系统的结构示意图，在图5中，中央管理服务器1中设置有频谱监控软件、外部互联软件、MySQL软件，其中，中央管理服务器1中的频谱监控软件用于实现系统参数管理、警告参数管理、监视计划管理以及设备状态监视；采集处理服务器2中设置有频谱监控软件、数据库存储软件、频谱分析软件以及采集传输软件，其中，频谱监控软件用于实现实时频谱显示以及频谱数据回放，数据库存储软件用于实现频谱数据存储以及状态数据存储，频谱分析软件用于实现原始数据采集、频域信号处理、时域信号处理、带宽FFT、警告分析以及高精度FFT。客户端3包括浏览器和频谱监控软件，其中，客户端3中的频谱监控软件包括渲染模块和数据处理模块，渲染模块用于实现图像绘制、网页绘制、状态管理以及图像、网页以及状态的数据管理，数据处理模块用于实现数据存储以及数据处理。

在本申请实施例所提供的方案中，中央管理服务器和采集处理服务器与客户端之间通过HPPT协议实现系统参数配置、监视计划配置，通过Web Socket协议完成频谱数据的推送，并最终在浏览器上呈现动态频谱图形，即支持在浏览器上完成多路频谱信息实时绘制和回放显示，并能够满足用户的各种交互，提高系统性能可靠信以及满足实时频谱监视系统在实时性方面的需求。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，系统服务的运行开发平台为Ubuntu7.10操作系统，客户端使用谷歌Chrome 70以上版本的浏览器，支持Windows 10操作系统。开发包括采集传输服务、频谱分析服务、数据存储服务、频谱监控服务和外部互联服务，五类服务软件。频谱分析服务和数据存储服务部署在采集处理服务器，运行时为每个通道分配一个实例并配属不同的运行参数，负责对一个通道的频谱数据进行处理和存储。采集传输服务为可以为多个通道提供服务，每台采集服务器上只运行一个实例。采集传输服务为分布式服务，同时部署在采集服务器和中心处理服务器，完成多通道频谱数据的处理，包括数据分发、显示控制、通道参数管理等业务逻辑处理。外部互联服务部署在中央管理服务器1，完成与外部系统的数据交互。具体的，参见图6为本申请实施例提供的一种多通道数据处理模式示意图。

频谱分析服务以PCIE接口访问方式从采集传输服务读取模数转换后的原始数据。分析完成的结果数据将由频谱分析服务发布于ZeroMQ中间件的实时数据交换总线，数据存储、频谱监控和外部互联服务通过订阅相关信息获得所需数据，频谱监控服务在获取频谱数据后，利用WebSocket服务的动态数据绑定技术，向Web浏览器实时推送频谱数据进行显示。外部互联软件服务以RESTful Web服务的形式与上级软件进行数据交换。具体的，如图7所示，为本申请实施例提供的一种频谱监视系统中数据交换示意图。

在浏览器上完成多路频谱信息实时绘制和回放显示，并能够满足用户的各种交互，包括：对频谱图形的操作(曲线放大缩小、改变横纵坐标范围、隐藏/显示/重绘最值曲线、标记Mark点等)、设置视图窗口个数、通道和变频器参数设定、告警参数管理、监视计划制定和查看、回放历史数据及数据统计报表等功能等。通过构建浏览器端实时显示框架，采用Vue.js构建显示框架，借助VUE框架的渲染/更新组件树技术，和基于HTML5协议的WebWorker和Web Socket技术，设计多线程处理方式，实现了高响应的数据更新，达到在60MHz带宽、1KHz的分辨率下，图形刷新率达到每秒10次以上。使用Web Storage实现状态数据存储。

本申请实施例所提供的方案中，多个客户端通过B/S架构与中央管理服务器和多个采集处理服务器进行数据交互，由于B/S架构能够使用浏览器与多个系统互联互通，减小了对操作系统有较大局限性，不能够适应多种应用场景，且开发、维护成本较高等，进而提高了实时频谱监控系统的兼容性以及适用性。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于B/S架构的实时频谱监控方法做进一步详细的说明，应用于图1所示的系统，参见图8，该方法具体实现方式可以包括以下步骤：

步骤801，接收用户输入的第一请求，通过B/S架构将所述第一请求以第一HTTP请求方式发送给中央管理服务器发，并接收所述中央管理服务器基于web服务发送的第一HTTP响应，或接收所述中央管理服务器基于WebSocket服务推送的至少一个采集通道对应的历史频谱信息。

步骤802，接收所述采集处理服务器基于WebSocket服务推送的多个采集通道所述采集的实时频谱信息，或接收用户输入的第二请求，通过B/S架构将所述第二请求以第二HTTP请求方式发送给采集处理服务器，并接收所述采集处理服务器基于web服务发送的第二HTTP响应，其中，WebSocket服务所推送所述实时频谱信息是通过消息中间件ZeroMQ得到的。

可选地，还包括：通过浏览器对所述中央管理服务器基于WebSocket服务推送的至少一个采集通道对应的历史频谱信息进行回放，或通过所述浏览器对所述采集处理服务器基于WebSocket服务推送的多个采集通道所述采集的实时频谱信息进行显示。

可选地，所述第一HTTP响应和所述第二HTTP响应包括：监控警告或异常数据。

所述方法，还包括：通过所述浏览器对警告或异常数据进行显示。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，上述图8所述的方法在上述图1所述的系统中已介绍，在此不做赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。