基于修正的M距離輻射源識別方法及計算機仿真

 摘要：提出了一種基于修正的M距離輻射源識別的新方法。該方法對各特征參數(shù)作加權(quán)值處理，得到一種新的相似性度量標準，大大提高了識別的準確性。通過計算機仿真，驗證了該方法的合理性與有效性。

現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益密集、復雜，如何快速、準確地對輻射源進行識別已成為電磁斗爭領(lǐng)域的一項緊迫任務(wù)。一般來說，無源探測系統(tǒng)通過對輻射源輻射信號的處理，得到反映輻射源特征的特征量，由這些特征量根據(jù)一定的算法完成對輻射源的識別。這里提到的識別主要是指對輻射源的類型作出判斷，若能預(yù)先知道輻射源與載體之間的搭配關(guān)系，則可進一步實現(xiàn)對輻射源載體的識別[1]。目前，對輻射源識別方法的研究很多，包括人工識別方法、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理識別方法、智能化識別方法等[3[4]。人工識別方法是運用人的知識、經(jīng)驗，進行分析和推理，作出判斷，不能適應(yīng)復雜的電磁環(huán)境。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理識別是利用計算機技術(shù)、數(shù)字技術(shù)進行識別(如數(shù)據(jù)庫查詢識別、統(tǒng)計模式識別等)。這類識別方法在待識別雷達信號數(shù)據(jù)不全或新出現(xiàn)信號時，識別結(jié)果難盡人意。智能化識別方法一般比較復雜，難以實現(xiàn)。本文從統(tǒng)計學理論出發(fā)，提出了一種基于修正的M距離的輻射源識別法，對輻射源識別問題進行了一些有意義的研究。

1 問題描述

對于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫或知識庫，輻射源個體識別過程就是將偵察所得信號與輻射源數(shù)據(jù)庫中的已知信號相比較，根據(jù)某一判決規(guī)則，使按該規(guī)則對被識別對象進行識別所造成的錯誤識別率最小或引起的損失最小，從而確定該信號的類屬。簡單地說就是一個分類問題[2]。其判斷的依據(jù)主要是看兩信號的相似性程度，這涉及到相似性度量標準的問題。為了有效地實現(xiàn)分類識別，需對原始偵察數(shù)據(jù)進行處理，得到最能反映分類本質(zhì)的特征。一般把原始數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間叫測量空間，把分類識別賴以進行的空間叫做特征空間。如果用一組特征參數(shù)描述輻射源信號，由這組特征參數(shù)所構(gòu)成的向量即為特征空間中的一個點，此時，點間的距離函數(shù)可以作為相似性度量的一個標準。這樣，在實際過程中可以依據(jù)距離的大小作為模式分類的依據(jù)。現(xiàn)在的問題就歸結(jié)為選擇什么樣的距離作為相識性度量的標準，從而實現(xiàn)識別、分類。

在輻射源識別中，常采用M距離作為相似性度量的標準。M距離又稱為馬氏距離，這里的M代表英文Maharanobis。在數(shù)理統(tǒng)計中，稱常數(shù)

r為a到b的M距離。其中a、b為m維列向量。下面以雷達為例，討論輻射源泉識別中M距離的應(yīng)用。

對于雷達這樣的多特征對象，采用多元正態(tài)分布的概率模型，其概率密度函數(shù)定義為：

式（2）中，xk=[xk1,xk2,…，xkm]T,xki,i=1,2,…,m是表征第k類雷達信號的一組特征參數(shù)，它們對信號的識別起關(guān)鍵作用。例如xk1取載頻f,xk2取重頻間隔PRI，xk3取脈寬PW，xk4取天線掃描周期Ta等。這里，uk=[uk1,uk2,…,ukm]T為xk的m維均值向量，∑為xk的mxm維協(xié)方差矩陣，即∑=E{（xk-uk）(xk-uk)T}。由M距離的定義知道，對于特征空間的兩點xk和uk來說，M（xk,uk）表示空間上任意一點到某一考慮該特征分布中心的距離，具體表示為：

    為特征矢量xk的每一個分量的方差，對于具體的偵察設(shè)備來說即為參數(shù)容差值。

事實上，M距離相對其他距離如歐氏距離而言具有以下優(yōu)點：首先，M距離是歐幾里德空間中非均勻分布的歸一化距離，不用考慮各特征參數(shù)的量綱；其次，M距離是根據(jù)整個空間上的特征分布情況來作為判別依據(jù)的，排除了模式樣本之間的相關(guān)性影響；同時，給出的結(jié)果是一個數(shù)值，判斷標準簡單易行，也為更高一級的分析提供了較可靠的依據(jù)。但是，M距離的定義中并沒有考慮每一個特征參數(shù)在識別過程中所起作用即權(quán)重的大小。從式(4)可以看出，各特征參數(shù)在識別中是作等權(quán)值處理的，不符合實際情況。因此，采用修正的M距離作為相似性度量標準。定義新的距離函數(shù)如下：

其中W為權(quán)系數(shù)矩陣，表示如下：

且滿足則（4）式可表示為：

這樣，得到了一個新的相似性度量標準。

2 權(quán)系數(shù)的設(shè)置

一般來說，對輻射源目標特征參數(shù)之間重要性沒有任何先驗信息，采用等加權(quán)處理方法，如式(4)所示。它是修正的M距離的一個特例。如果是具有一定先驗信息的情況，此時權(quán)值可根據(jù)先驗信息確定。但在實際工，作中，先驗信息很難得到，此時可以采用如下的熵值分

析法確定權(quán)系數(shù)。

2．1 熵的定義[2]

熵在信息論中是一個非常重要的概念，它是不確定性的一種度量。設(shè)集合X中各事件出現(xiàn)的概率用n維概率矢量p=(p1,p2,…,pn)表示，且滿足則熵定義為：

因此，熵H可以看作是n維概率矢量戶p=(p1,p2,…，Pn)的函數(shù)，稱為熵函數(shù)。

熵函數(shù)H(p)具有以下重要性質(zhì)：

(1)對稱性：概率矢量p=(P1,P2，…，Pn)各分量p1,p2,，…，Pn的次序任意改變時，熵函數(shù)H(P)的值不變，即熵值只與集合X總體上的統(tǒng)計特征有關(guān)。

(2)非負性：熵函數(shù)是一個非負量，即： H(Pl,P2，…，Pn)≥0 (9)

(3)確定性：集合X中只要有一個必然事件，其熵值必為零。

(4)極值性：集合X中各事件以等概率出現(xiàn)時，其熵值為最大，即有：

H(p1,p2,…,pn)≤H（1/n,1/n,…,1/n）=1nn    (10)

由熵函數(shù)的定義可知，熵值越小，不同類別的分離程度越大。從概率論的角度來看，某一特征的熵值越小則包含的確定性信息越多；反映在分類識別中就是它對識別結(jié)果的影響較大，這也意味著設(shè)置該特征參數(shù)所對應(yīng)的權(quán)值要大一些，以保證識別的精度和準確性。

2.2 熵值分析法設(shè)置權(quán)重

對于有k類模式的雷達輻射源識別問題，已提取的特片參數(shù)共有m個，如式（2）所示。對每一個特征參數(shù)Fj;j=1,2,…，m，將其對應(yīng)的分布區(qū)間分為相等的N段，記為rk(j),k=1,2,…,N.注意，這里的分布區(qū)間是指k類模式的最大可能的參數(shù)分布區(qū)間。滿足Fj∈rk(j)的樣本屬于i類的概率為pki(j):

pki(j)=[Nki(j)]/[Nk(j)]    (11)

式（11）中，Nk(j)為有Fj∈rk(j)的樣本數(shù)，Nki(j)為Nk(j)中屬于第i類的樣本數(shù)，于是有：

又設(shè)pk(j)為一個樣本有Fj∈rk(j)的概率，則有：

pk(j)=[Nk(j)]/N0    (13)

式（12）中N0為總的樣本數(shù)，即：

從而定義特片F(xiàn)j的熵值為：

根據(jù)熵函數(shù)的性質(zhì)，熵值H(Fi)越小，各類模式在特征Fi上的類間分離性越大，則特征巧對分類的貢獻越大，即在識別過程中的權(quán)重越大。如果有Fiεrk(j)的所有樣本都屬于同一類，則有H(Fi)=0。在這種情況下，用這一特征巧就可以實現(xiàn)分類識別。在得到各個特征參數(shù)的H(Fi)后，就可以定義相應(yīng)的歸一化權(quán)值如下：

需要注意的是，由于識別過程實際上是將偵察所得信號與輻射源數(shù)據(jù)庫中的已知信號相比較，因而可以采用輻射源數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為熵值分析法的樣本。這實際上是充分利用已有的知識數(shù)據(jù)庫中的分類信息確定各特征參數(shù)在識別中的權(quán)值，以期得到較好的識別效果。

獲得權(quán)系數(shù)后，就可根據(jù)相似性度量的大小判斷一個特征向量應(yīng)屬于哪一類。若已知待識別信號為。，顯然滿足M'(s,ui)最小的類ωi與樣本有著最大的相似度。即：

M'(s，9ui)=min(M'(s，uj))→sεωi    (18)

其中i，j=1，2，…，K，K為類的總數(shù)，ωi表示第i類。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

在該實驗中以雷達知識數(shù)據(jù)庫中11類雷達輻射源的識別問題作為研究對象。所采用的描述雷達類型的特征參數(shù)為：載頻、重頻間隔、脈寬和天線掃描周期。分段數(shù)N=100，經(jīng)計算得到的各個參數(shù)在識別中的權(quán)重如表1所示。

表1 各參數(shù)在識別中的權(quán)重

下面考慮對某個已知類型的雷達的一批偵察數(shù)據(jù)進行處理，計算對該目標的識別率，得到的識別率與信噪比的關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，為得到較高的識別率，要求信噪比達到5dB左右。進一步的研究表明該方法對未知的新類型雷達目標具有較好的判斷能力；同時，分段數(shù)N的大小及由此決定的分段區(qū)間對權(quán)值的確定有一定的影響。當N足夠大時，權(quán)系數(shù)的變化趨向穩(wěn)定，最終得到的極限值就可以作為確定權(quán)系數(shù)的依據(jù)。

本方法在實際應(yīng)用中還要注意特征參數(shù)的選取和識別權(quán)系數(shù)的確定，特別是對先驗信息的利用，以期得到更佳的識別效果。