基于決策樹的無線電到達(dá)方位測量算法

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 洪興勇

安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院 李文瑾

基于決策樹的無線電到達(dá)方位測量算法

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 洪興勇

安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院 李文瑾

在面臨一個多變、復(fù)雜和密集的電磁信號環(huán)境中，能夠快速和精確偵測無線電到達(dá)方位信息，將有利于精密定位攻擊敵方武器裝備或敵方干擾設(shè)備。本文將智能計算引入無線電方向估計中，通過智能學(xué)習(xí)方法達(dá)到來波方位預(yù)測的目的，智能測向?qū)W習(xí)器是訓(xùn)練樣本通過利用學(xué)習(xí)算法建立學(xué)習(xí)模型，得出測向模型，然后應(yīng)用測向模型對測試樣本進(jìn)行預(yù)測測試樣本的方位。決策樹構(gòu)建速度快，因此將決策樹作為分類器，實現(xiàn)對無線電到達(dá)來波方位估計和預(yù)測。

無線電；訓(xùn)練樣本；決策樹；方位估計

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著超大規(guī)模集成電路、信息網(wǎng)絡(luò)、智能數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展及廣泛應(yīng)用，推動了全世界范圍內(nèi)的軍事裝備變革，特別是對探測和跟蹤目標(biāo)的精度提出了更高的要求。目前，當(dāng)面臨一個多變、復(fù)雜和密集的電磁信號環(huán)境時，無線電信號到達(dá)方向信息若被精確定位，可以實現(xiàn)對敵機(jī)進(jìn)行精確打擊和干擾[1]。影響無線電信號到達(dá)方位精度的有以下兩個因素：（1）受到無線電體制、工作方式、工作模式、信號處理方法的影響；（2）受到大氣傳輸效應(yīng)、多徑效應(yīng)等電磁波在空間傳輸?shù)挠绊憽?/p>

隨著智能信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，智能計算的能力有了很大的提高，從而使通過海量學(xué)習(xí)獲取非線性系統(tǒng)的能力成為可能，因此通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲取無線電信號到達(dá)方向測量的能力也成為可能。研究智能測向算法是將無線電信號到達(dá)方位測量問題轉(zhuǎn)變成一個海量數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)與識別問題，通過智能學(xué)習(xí)的方法，建立無線電信號到達(dá)方向測量的預(yù)測模型，實現(xiàn)對無線電信號的到達(dá)來波方位進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)無線電信號到達(dá)方向測量目的。本文提出一種基于決策樹的無線電信號到達(dá)方位測算法。

2 無線電測向原理

無線電測向的目的是測量無線電波輻射源的方向，其實質(zhì)是測量到達(dá)電磁波的波陣面的法線方向相對于參考方向（正北）之間的夾角。在實際使用的測向設(shè)備中，由于測向天線體系的天線元的間距不可能很大，因此，處在電波輻射場中的各天線陣元可以認(rèn)為它們接收的電場強(qiáng)度的幅值是相等的，僅相位不同而已。所以，被測來波的方位信息就包含在天線所在點接收到的電場強(qiáng)度的相位中。這樣，利用分布在電磁場中不同位置上的N元離散天線組成的天線體系或一定結(jié)構(gòu)的天線體系進(jìn)行測向時，天線體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的相位就與被測電臺輻射的來波方向有關(guān)。按照從不同天線體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢中提取目標(biāo)電臺方位信息的不同處理方法，亦即按提取來波到達(dá)方位信息方法的不同，可形成：被測來波方位是接收信號振幅的函數(shù)，以及該信號相位的函數(shù)，由此可產(chǎn)生比幅法與比相法兩類基本的無線電測向方法[2]。

3 訓(xùn)練樣本獲取

對于將智能學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于方向估計的算法中，首先需要有效的訓(xùn)練樣本。對于訓(xùn)練樣本的選擇，是使用在多種環(huán)境和多種方位的前提下，寬頻段信號在接收天線陣列上的感應(yīng)相位差。目前考慮的樣本包括信號頻率，信噪比，方向以及感應(yīng)相位差。獲得訓(xùn)練樣本的方法如下：

3.1 實際測量

（1）首先將信號源放置在天線某個方向的遠(yuǎn)場，一般要求信號源與天線的距離需要超過信號十倍波長。

（2）然后將信號源置為所需頻率和所需強(qiáng)度后發(fā)射，計算信號源在天線陣列的感應(yīng)相位差，將頻率、信噪比、方向以及相位差作為一個樣本。

（3）修改信號強(qiáng)度，即調(diào)整信噪比，重復(fù)步驟2。當(dāng)前頻率在當(dāng)前方向上的樣本建立后，修改信號源頻率，重復(fù)步驟2，3建立其他頻率信號在當(dāng)前方向上的樣本。

（4）如果在指定一個方向上的所需頻點以及信噪比測量結(jié)束后，將信號源置到下一個方向，重復(fù)步驟2，3。

在已有訓(xùn)練樣本產(chǎn)生方法情況下，下一步需進(jìn)一步研究的是在訓(xùn)練樣本生成時，信號源頻率間隔與陣列結(jié)構(gòu)的關(guān)系，還有信噪比的變化步進(jìn)設(shè)置問題以及方位間距設(shè)置問題等，還可以進(jìn)一步研究地理條件對訓(xùn)練樣本的影響。雖然實際測量獲取的樣本正確率較高，但因獲取樣本費(fèi)時、費(fèi)力等因素，論文中我們采用仿真實驗的方法獲取樣本。本實驗的數(shù)據(jù)都是以仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

3.2 仿真獲取

如果不考慮信道對測向的影響，在只考慮信噪比影響的情況下，訓(xùn)練數(shù)據(jù)也可以通過仿真模型獲取。通過構(gòu)建仿真的多信道測向系統(tǒng)，天線陣列接收各種頻率的信號，然后天線陣列所接收的信號通過五信道接收機(jī)接收。假設(shè)不考慮五信道接收機(jī)中信道對信號的影響，那么可通過仿真實驗的方法來獲取五信道接收機(jī)中各信道間的相位差。

表1 訓(xùn)練樣本

表1中的樣本反映了在不同頻率、不同信噪比、不同來波角度情況下天線陣列上感應(yīng)的相位差，這些相位差可以作為智能測向的樣本。

4 基于決策樹的測角仿真實驗

用決策樹全方位預(yù)測無線電的來波方位。把1°～360°分為360類，每一度作為一類，對表1數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行訓(xùn)練得出下列的決策樹。如圖1所示：

圖1 每1°作為一類的樹結(jié)構(gòu)

用3-折交叉確認(rèn)法[3]（3-fold cross-validation）對決策樹進(jìn)行處理，把全方位分成360類，每1°作為一類，識別正確率如表2所示：

表2 每1°作為一類識別正確率

由表2可知： 決策樹把全方位分成360類來識別來波方位時，誤差小于等于1°或2°時，對來波方位識別的正確率較低；誤差小于等于≤10°時，決策樹對來波方位識別的正確率很高。決策樹對無線電來波方位估計能夠快速和精確偵測無線電到達(dá)方位信息，將有利于精密定位攻擊敵方武器裝備或敵方干擾設(shè)備。

5 結(jié)論

本文通過仿真實驗獲取智能信息學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本?；跊Q策樹的學(xué)習(xí)算法的一個最大優(yōu)點就是，它在學(xué)習(xí)過程中不需要使用者了解很多的背景知識。只要訓(xùn)練例子能夠用屬性和結(jié)論的方式表達(dá)出來，就能使用該算法來學(xué)習(xí)。決策樹能夠快速估計無線電來波方位信息，并且方位誤差越大，估計方位信息的正確率越高。因此基于決策樹的無線電信號到達(dá)方位估計算法能夠滿足寬頻段、快速和高精度的智能測向系統(tǒng)。

[1]賀平,羅景青.雷達(dá)對抗原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2016.

[2]陳玲.無源測向測時差定位算法研究[J].電子與信息學(xué)報,2003,25(6).

[3]郭景峰,米浦波,劉國華.對一種新的決策樹建立方法的研究[J].計算機(jī)科學(xué),2002(29).

圖3 芯片外觀圖

圖4 H橋控制電路

圖5 無線遙控發(fā)射電路圖

圖6 無線遙控接收電路圖

3.5 無線遙控電路設(shè)計

本文采用無線遙控芯片TX-2B/RX-2B構(gòu)成爬壁機(jī)器人的無線控制系統(tǒng)。其無線發(fā)射電路如圖5所示，無線接收電路如圖6所示，兩電路必須配對使用。

本設(shè)計利用無線控制系統(tǒng)對爬壁機(jī)器人進(jìn)行了實驗，整機(jī)調(diào)試，爬壁機(jī)器人樣機(jī)能完成自由爬壁并在垂直墻面上完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、制動等功能。

4 總結(jié)

本設(shè)計并實現(xiàn)了一種負(fù)壓吸附型爬壁機(jī)器人，主要包括機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、無線控制系統(tǒng)等幾個部分。對系統(tǒng)中的主要部件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計，并介紹了其主要性能。該系統(tǒng)元器件設(shè)計合理、選型準(zhǔn)確。針對所設(shè)計的爬壁機(jī)器人運(yùn)用無線遙控設(shè)計控制，實現(xiàn)爬壁機(jī)器人的無線模塊控制。

參考文獻(xiàn)

[1]彭晉民,李濟(jì)澤,邵潔,李軍.壁機(jī)器人吸附系統(tǒng)研究[M].中國機(jī)械工程,2012,9.

[2]吳善強(qiáng),李滿天,孫立寧.爬壁機(jī)器人負(fù)壓吸附方式概述[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2007,2.

許云倩，現(xiàn)就讀于山東淄博實驗中學(xué)2015級26班。

王營博，山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，從事儀器科學(xué)與技術(shù)方面的研究。