基于聯(lián)合隸屬度的雷達(dá)輻射源識(shí)別

劉忠義，張華睿，劉平，張西托

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042）

基于聯(lián)合隸屬度的雷達(dá)輻射源識(shí)別

劉忠義，張華睿，劉平，張西托

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042）

雷達(dá)輻射源識(shí)別是電子戰(zhàn)支援系統(tǒng)（Electronic Support Measures，ESM）的重要功能之一，然而隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和軍事對抗的加劇，雷達(dá)的工作參數(shù)復(fù)雜多變而且反偵察能力不斷提高，使得現(xiàn)有的識(shí)別方法已不能滿足戰(zhàn)術(shù)需求。根據(jù)實(shí)際軍事需求，建立了相應(yīng)的識(shí)別模型，并通過引入先驗(yàn)知識(shí)和細(xì)化后的分類準(zhǔn)則，提出了一種新的基于聯(lián)合隸屬度的識(shí)別方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有良好的適用性和識(shí)別準(zhǔn)確率。

雷達(dá)，識(shí)別，模糊

0 引言

雷達(dá)輻射源識(shí)別是電子戰(zhàn)支援系統(tǒng)的重要功能，是雷達(dá)偵察與威脅告警的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其識(shí)別的準(zhǔn)確性直接影響著指揮員的決策［1］。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)體制和信號(hào)樣式越來越多樣化，各種新的雷達(dá)不斷投入使用，導(dǎo)致電磁信號(hào)環(huán)境日趨復(fù)雜，雷達(dá)輻射源識(shí)別面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。因此，研究雷達(dá)信號(hào)識(shí)別技術(shù)，提高復(fù)雜電磁環(huán)境下ESM系統(tǒng)的雷達(dá)輻射源識(shí)別能力，具有重要軍事價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義［2］。

目前，在各種ESM系統(tǒng)中，雷達(dá)信號(hào)參數(shù)匹配識(shí)別應(yīng)用比較普遍。雷達(dá)信號(hào)參數(shù)匹配識(shí)別技術(shù)是建立在雷達(dá)信號(hào)模板數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定合理的匹配容差和識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)的，其識(shí)別能力取決于數(shù)據(jù)模板的質(zhì)量和數(shù)量。隨著雷達(dá)反偵察技術(shù)的發(fā)展和新體制雷達(dá)的不斷出現(xiàn)，雷達(dá)信號(hào)參數(shù)匹配識(shí)別暴露的問題越來越多，主要表現(xiàn)在：

（1）雷達(dá)信號(hào)情報(bào)不完善。世界各國對雷達(dá)信號(hào)參數(shù)高度保密，及時(shí)掌握較為全面和及時(shí)的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)情報(bào)面臨較大困難，導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)庫得不到及時(shí)更新，給雷達(dá)輻射源的準(zhǔn)確識(shí)別帶來了一定的難度。

（2）多功能雷達(dá)不斷應(yīng)用。對于多功能雷達(dá)，一部雷達(dá)可能有多種工作體制和工作方式，如美國的AN/APS-145預(yù)警雷達(dá)，具有空中動(dòng)目標(biāo)檢測、脈沖壓縮、跳頻、無源定位等多種工作體制；AN/APY-3是擁有多工作方式的側(cè)視雷達(dá)，其工作方式有大面積監(jiān)視、動(dòng)目標(biāo)指示、目標(biāo)分類、扇區(qū)搜索、攻擊制導(dǎo)等。因此，單憑雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，很難實(shí)現(xiàn)雷達(dá)輻射源的準(zhǔn)確識(shí)別。

（3）雷達(dá)信號(hào)參數(shù)復(fù)雜多變。參數(shù)可編程雷達(dá)的出現(xiàn)，使得雷達(dá)信號(hào)的參數(shù)不再是一組固定值，如美國AN/AWG-9火控雷達(dá)，其脈沖寬度有0.4 μs、1.3 μs、2.0 μs、2.7 μs、50 μs等多種選擇，許多雷達(dá)信號(hào)參數(shù)非常接近，不同雷達(dá)的參數(shù)混疊現(xiàn)象嚴(yán)重，這樣，在一定容差范圍內(nèi)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)匹配是比較困難的。

（4）雷達(dá)反偵察能力提高。為了提高雷達(dá)反偵察能力，各國軍隊(duì)在使用雷達(dá)時(shí)，雷達(dá)參數(shù)一般都有平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)之分，平時(shí)使用公開的參數(shù)，戰(zhàn)時(shí)使用保密的參數(shù)，使得戰(zhàn)時(shí)雷達(dá)信號(hào)識(shí)別數(shù)據(jù)庫的可信度有可能急劇下降，甚至不可用。

為提高ESM系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下對雷達(dá)輻射源的識(shí)別能力，必須尋求雷達(dá)輻射源識(shí)別的新方法［3-4］。

由于雷達(dá)偵察所獲取的信息往往具有模糊性、多變性和虛假性，而模糊處理技術(shù)適用于處理不確定性問題，因此，引入該技術(shù)將對雷達(dá)偵察信息的綜合處理和智能識(shí)別產(chǎn)生積極作用。1965年L.A. Zadeh提出了模糊集的概念，定義不確定性是因無知、偶然性、隨機(jī)性、不精確導(dǎo)致無法進(jìn)行充分測量而引起的，同時(shí)其給出了表示不確定性的方法。對于一個(gè)特定的模糊集來說，隸屬函數(shù)基本上體現(xiàn)了其所有的模糊性，結(jié)合雷達(dá)輻射源識(shí)別應(yīng)用背景，如果能夠給出雷達(dá)參數(shù)集中每個(gè)參數(shù)與雷達(dá)輻射源類型的關(guān)系，通過聯(lián)合隸屬度計(jì)算即可對雷達(dá)輻射源給出一個(gè)分類結(jié)果。

現(xiàn)有的一些文獻(xiàn)依據(jù)這種思路給出了不少雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別方法，雖然取得了較好的分類效果，但是仍然存在一些問題［5-7］。本文針對現(xiàn)有方法的缺陷，提出了一種新的基于聯(lián)合隸屬度函數(shù)的雷達(dá)識(shí)別方法。

1 識(shí)別模型

根據(jù)雷達(dá)偵察的戰(zhàn)術(shù)目的，將雷達(dá)類型分為對空警戒、對海搜索、對海導(dǎo)航和火控雷達(dá)4類可以滿足對雷達(dá)輻射源類型識(shí)別的戰(zhàn)術(shù)要求。設(shè)代表被分類識(shí)別的雷達(dá)輻射源類型集合。

其中：U1為對空警戒雷達(dá)；U2為對海搜索雷達(dá)；U3為對海導(dǎo)航雷達(dá)；U4火控雷達(dá)。

每一種雷達(dá)類型主要用4個(gè)參數(shù)來描述：信號(hào)載頻（RF）、重復(fù)頻率（PRI）、脈沖寬度（PW）、天線轉(zhuǎn)速（ASP），即對應(yīng)每一種雷達(dá)類型都伴隨一個(gè)特征向量。

其中：ui1為雷達(dá)信號(hào)載頻；ui2為雷達(dá)信號(hào)重復(fù)頻率；ui3為雷達(dá)信號(hào)脈沖寬度；ui4為雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速。

設(shè)X為雷達(dá)偵察機(jī)獲得的來自某類雷達(dá)的觀測樣本：

由于雷達(dá)信號(hào)在發(fā)射、傳輸和偵收過程中受到種種隨機(jī)因素的影響，X是個(gè)隨機(jī)矢量，呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)特性。

2 識(shí)別過程

聯(lián)合隸屬度函數(shù)模糊識(shí)別技術(shù)方法本身并不復(fù)雜，關(guān)鍵是要確定恰當(dāng)?shù)哪：`屬函數(shù)，聯(lián)合隸屬度函數(shù)模糊識(shí)別過程主要步驟如下：

2.1 特征提取

特征提取是實(shí)現(xiàn)識(shí)別的基礎(chǔ)工作，主要是在雷達(dá)參數(shù)中選擇能夠測量且與雷達(dá)類型有一定相關(guān)度的特征參數(shù)，在實(shí)際的信號(hào)識(shí)別中，天線轉(zhuǎn)速一般不能實(shí)時(shí)測得，所以一般使用前三個(gè)參數(shù)。

2.2 建立模糊隸屬函數(shù)

經(jīng)典的描述某一觀測特征參數(shù)xk，k=1，2，3屬于雷達(dá)輻射源模式的模糊隸屬函數(shù)為：

式中，σk為雷達(dá)偵察機(jī)為某一已知雷達(dá)輻射源第k種雷達(dá)信號(hào)特征參數(shù)設(shè)定的容差；Uik為已知的第i種雷達(dá)輻射源特征向量的第k個(gè)特征參數(shù)的標(biāo)稱值。

在雷達(dá)電子戰(zhàn)領(lǐng)域，描述輻射源的各特征參數(shù)批次獨(dú)立、統(tǒng)計(jì)無關(guān)，它們的概率分布一般都服從正態(tài)規(guī)律，為此，采用高斯型隸屬度函數(shù)描述雷達(dá)類型相對于3種參加識(shí)別的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)隸屬度，將更加適用。

例如，載頻隸屬度為：

其中，f為雷達(dá)輻射源的觀測值，fmin，fmax分別為某種雷達(dá)工作頻率的低端和高端。

在利用聯(lián)合隸屬度函數(shù)進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)分類識(shí)別時(shí)，每個(gè)參數(shù)隸屬度的相對重要性有所不同，這反映了雷達(dá)類型對各雷達(dá)參數(shù)相關(guān)性的內(nèi)在規(guī)律。各雷達(dá)參數(shù)隸屬度的相對重要性可以通過加權(quán)系數(shù)來表達(dá)?；谀：`屬度函數(shù)定義，傳統(tǒng)方法給出用于雷達(dá)種類判決的數(shù)學(xué)模型為：

式中，Wk為描述第i種雷達(dá)輻射源的第k種特征參數(shù)重要性的加權(quán)系數(shù)，它們遵從歸一化原則：

上述方法忽略了兩個(gè)重要的信息，一是各種雷達(dá)類型出現(xiàn)的頻率。根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)或者統(tǒng)計(jì)樣本集合，每種雷達(dá)在實(shí)際中出現(xiàn)的頻率或者在樣本集合中的次數(shù)是已知的，這個(gè)信息應(yīng)該被引入類型判決，并能帶來積極的分類效果。二是對于不同的雷達(dá)類型，相同特征參數(shù)在判決識(shí)別中的重要性是不同的。傳統(tǒng)方法未加區(qū)分，這樣所得的分類結(jié)果其理論依據(jù)必然不夠充分。

按照本文方法，首先應(yīng)該收集各種雷達(dá)類型出現(xiàn)的頻率。設(shè)共有N部雷達(dá)作為統(tǒng)計(jì)樣本集合，用Y表示，則有：

在正態(tài)分布方差σ一定的情況下，則對空警戒雷達(dá)對雷達(dá)信號(hào)參數(shù)載頻的總的分布密度為：

上式反映了對空警戒雷達(dá)對于雷達(dá)載頻參數(shù)總的分布密度，當(dāng)對某一雷達(dá)輻射源的觀測值f一定時(shí)，帶入上式，得到對空警戒雷達(dá)在該頻率點(diǎn)出現(xiàn)的頻率，或者說相對該頻率的隸屬度。同理，對空警戒雷達(dá)對于雷達(dá)信號(hào)參數(shù)重復(fù)頻率、脈沖寬度的總的分布密度分別為：

如圖1～圖3所示，在給定樣本庫下，雷達(dá)信號(hào)參數(shù)載頻、重復(fù)頻率、脈沖寬度的相對于4種雷達(dá)輻射源類型的隸屬度分布。

圖1 載頻相對于4種雷達(dá)輻射源類型的隸屬度分布

圖2 重頻相對于4種雷達(dá)輻射源類型的隸屬度分布

2.3 建立判決準(zhǔn)則

圖3 脈寬相對于4種雷達(dá)輻射源類型的隸屬度分布

其中，kij，i=1，2，3，4，j=1，2，3即為細(xì)化后的加權(quán)系數(shù)。相對于傳統(tǒng)方法的3個(gè)加權(quán)系數(shù)，本文所給出的12個(gè)加權(quán)系數(shù)，能夠針對不同的雷達(dá)類型，分別給出特征參數(shù)在判決識(shí)別中的重要性，所建立的聯(lián)合隸屬度函數(shù)必然也將更加符合實(shí)際的分類結(jié)果。

最后，采用模糊識(shí)別的最大隸屬度準(zhǔn)則，就可快速判斷該觀測樣本對應(yīng)的雷達(dá)輻射源類型。即：

式中T'即為最終識(shí)別的雷達(dá)輻射源類型。

圖4為按照本文方法進(jìn)行的模擬仿真，其中分為樣本庫測試和庫外測試兩種類型。通過仿真輸出結(jié)果看，聯(lián)合隸屬度函數(shù)識(shí)別算法具有很好適用性和識(shí)別準(zhǔn)確度，樣本庫內(nèi)識(shí)別最高達(dá)到92%，庫外識(shí)別最高達(dá)到76%，取得了較好效果。

3 結(jié)束語

雷達(dá)輻射源識(shí)別是軍事作戰(zhàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而模糊處理技術(shù)適用于應(yīng)對識(shí)別過程中的模糊性、多變性和虛假性問題。但是，現(xiàn)有的模糊識(shí)別方法忽略了雷達(dá)類型出現(xiàn)的頻率和相同特征參數(shù)在不同類型的雷達(dá)判決識(shí)別中的不同重要性。本文提出了一種新的識(shí)別方法，對傳統(tǒng)方法加以必要的改進(jìn)。仿真結(jié)果表明，本文方法的適用性和識(shí)別正確率均取得了良好效果。

在本文中，對于反映雷達(dá)類型對各雷達(dá)參數(shù)相關(guān)性的加權(quán)系數(shù)，其仍然是通過專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，主觀性較大，下一步工作將針對該問題進(jìn)行研究。

圖4 分類識(shí)別率

［1］張葛祥.雷達(dá)輻射源信號(hào)智能識(shí)別方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

［2］張國柱.雷達(dá)輻射源信號(hào)識(shí)別技術(shù)研究［D］.長沙：國防科技大學(xué)研究生院，2005.

［3］陳錫明，祝正威，盧顯良.新型雷達(dá)輻射源識(shí)別專家系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2000，22（8）：58-62.

［4］柴勇，何友，關(guān)欣.一種新的雷達(dá)輻射源識(shí)別專家系統(tǒng)［J］.火力與指揮控制，2005，30（7）：11-13.

［5］孫寒星，黃潔，趙擁軍.雷達(dá)輻射源識(shí)別專家系統(tǒng)中的推理機(jī)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（1）：10-15.

［6］王理德，陳高平.模式識(shí)別技術(shù)在雷達(dá)偵察信號(hào)分類識(shí)別中的應(yīng)用［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2004，33（2）：36-39.

［7］Elbirt A J.Information Warfare：Are You at Risk［J］.IEEE Technology and Society Magazine，2003，l22（4）：13-19.

Method of Radar Emitter Identification Based on Membership Degree

LIU Zhong-yi，ZHANG Hua-rui，LIU Ping，ZHANG Xi-tuo
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

Radar emitter identification is one of the key functions of Electronic Support Measures. However，for the development of radar technique，the parameters of radar are more complicated，so the existing methods can not meet the requirement of modern war.Aimed at military requirements，the identification model is established；then by the introduction of A Priori information and a refined rule，a new method is presented.The simulation results proved?the application and the effectiveness.

radar，identification，fuzzy

TN95

A

1002-0640（2015）12-0098-04

2014-11-05

2015-01-18

劉忠義（1963-），男，山東濰坊人，碩士，副教授。研究方向：雷達(dá)與電子對抗裝備與應(yīng)用。