基于特征選擇校驗法的艦船立體RCS測量方案設(shè)計

宋 廣,周鈺鑫

(解放軍91404部隊93分隊,河北秦皇島 066001)

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基于特征選擇校驗法的艦船立體RCS測量方案設(shè)計

宋 廣,周鈺鑫

(解放軍91404部隊93分隊,河北秦皇島 066001)

艦船目標立體RCS是檢驗艦艇電子戰(zhàn)武器作戰(zhàn)效能的主要指標,由于雷達波入射角度不同,其RCS值存在差異,針對外場艦船立體RCS測量特點和規(guī)律,結(jié)合艦船RCS電磁仿真計算數(shù)據(jù)分析,提出基于特征選擇校驗法RCS差異分析方法,綜合分析不同入射角RCS方向序列的全局差異量,得到艦船立體RCS外場測量入射角間隔,為機載平臺RCS測量方案設(shè)計提供了依據(jù),提高了外場測量試驗效費比,同時該方法對新型高彈道導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗供靶分析具有一定的指導(dǎo)意義。

特征選擇校驗法;RCS;測量方案

目標的雷達散射截面(RCS)是表征雷達目標對于照射電磁波散射能力的一個物理量,是描述雷達目標信息最重要參數(shù)[1]。飛機、艦艇等作戰(zhàn)平臺是信息戰(zhàn)裝備系統(tǒng)的活動載體,其RCS是作戰(zhàn)應(yīng)用中的重要信息。目前,獲取目標RCS的主要手段包括基于精確CAD幾何模型的電磁散射計算和外場動態(tài)測量。外場動態(tài)測量由于測量環(huán)境、背景和目標真實,獲取目標RCS特性的可信度高等特點,因而得到廣泛應(yīng)用。但外場動態(tài)測量存在動用裝備多、消耗大、過程復(fù)雜、周期長等問題,為降低測量成本和測量難度,急需對外場動態(tài)測量方案進行優(yōu)化,在確保測量結(jié)果準確全面的基礎(chǔ)上,盡量減少測量樣本量。在對水面艦艇立體RCS特性測量過程中,需要采用機載RCS測量設(shè)備對艦艇0～360°方位角和0～90°入射角范圍內(nèi)進行全空間立體RCS測量,這種測量的樣本量更高,測量成本問題更加突出,需要合理規(guī)劃測量航路,科學(xué)設(shè)計測量方案。雖然通用統(tǒng)計學(xué)方法大都可以反映數(shù)據(jù)的整體誤差水平,但評價指標相對單一,缺少差異溯源細節(jié),不能準確反映用戶所關(guān)心的數(shù)據(jù)特征差異[2]。特征選擇校驗法由于其普適性和有效性,已經(jīng)被業(yè)內(nèi)逐步認可,廣泛應(yīng)用于計算電磁學(xué)的多個分支領(lǐng)域[3]。

本文針對艦艇立體RCS測量中試驗復(fù)雜、測量成本高的問題,提出采用特征選擇校驗法對艦船RCS電磁仿真計算數(shù)據(jù)進行模擬仿真校驗,以獲取機載RCS測量設(shè)備入射角采樣間隔,降低試驗成本,為外場動態(tài)測量試驗設(shè)計提供支撐。

1 特征選擇校驗法基本原理

FSV方法的基本流程如圖1所示。首先,將待評估數(shù)據(jù)和可信數(shù)據(jù)通過Fourier變換分解為直流、低頻和高頻分量三部分,然后結(jié)合不同分量提取兩種數(shù)據(jù)差異性指標即幅度差異量(Amplitude Difference Measure,ADM)和特征差異量(Feature Difference Measure,FDM), 前者描述原始數(shù)據(jù)緩變部分的差異程度,后者描述原始數(shù)據(jù)尖銳的峰和谷的差異程度,綜合兩種度量可以給出全局差異量 (Global Difference Measure,GDM)。下面結(jié)合艦艇不同入射角立體RCS校驗分析給出ADM、FDM、GDM三種差異的具體計算方法。

圖1 特征選擇校驗法基本流程

1.1 幅度差異量(ADM)計算

對兩組經(jīng)過預(yù)處理的不同入射角艦艇立體RCS數(shù)據(jù)進行Fourier變換,一方面對變換數(shù)據(jù)的前幾個數(shù)據(jù)點進行逆變換獲得“直流分量”(DC1(n)、DC2(n)),另一方面對變換數(shù)據(jù)(除去前幾個點)加低通窗再進行逆變換得到原始數(shù)據(jù)的“低通分量”(Lo1(n)、Lo2(n))。逐點的ADM由數(shù)據(jù)的直流分量DC1(n)、DC2(n)和低頻分量Lo1(n)、Lo2(n)計算得出。

(1)

其中，

α=(|Lo1(n)|-|Lo2(n)|);

χ=(|DC1(n)|-|DC2(n)|);

式中，N為數(shù)據(jù)長度,n為數(shù)據(jù)編號。

ADM由兩部分組成：一部分基于趨勢,另一部分基于偏置。偏置信息主要包含:在整體水平中差異小但影響大,甚至被比較的數(shù)據(jù)形狀一致,但ADM值影響很大。

因為MapReduce主要應(yīng)用于推進大數(shù)據(jù)進行線下批處理，在面對一些問題時會存在較強的不適應(yīng)，諸如在面向低延遲以及具有相對復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系、相對復(fù)雜運算的大數(shù)據(jù)問題時就會存在這樣的狀況。所以，近年來對大數(shù)據(jù)的計算模式進行深入的研究，推出了很多該領(lǐng)域新的研究成果。

1.2 特征差異量(FDM)計算

通過對兩組不同入射角預(yù)處理的艦艇立體RCS數(shù)據(jù)進行Fourier變換,并對變換數(shù)據(jù)加高通窗再逆變換來獲得兩組對比數(shù)據(jù)的“高頻分量”Hi1(n)、Hi2(n)。同樣每組數(shù)據(jù)具有N個數(shù)據(jù)點,在任意數(shù)據(jù)點i處,可以通過高通數(shù)據(jù)逐點計算FDM。FDM由三部分組成：其中分指標FDM1使用低頻分量的一階導(dǎo)數(shù)計算,反映數(shù)據(jù)緩變趨勢的差異；分指標FDM2使用高頻分量的一階導(dǎo)數(shù)計算,反映數(shù)據(jù)瞬變趨勢的差異；分指標FDM3則使用高頻分量的二階導(dǎo)數(shù)計算,反映更加細節(jié)的特征差異?？杀硎緸镕DM(n)=2|FDM1(n)+FDM2(n)+FDM3(n)|

(2)

其中，

Lo′(n)=Lo(n+2)-Lo(n-2)

Hi″(n)=Hi′(n+3)-Hi′(n-3)。

1.3 全局差異量(GDM)計算

對逐點ADM和逐點FDM取算術(shù)平均值,可獲得單一值的差異評價為:

(3)

(4)

綜合ADM和FDM的值,可得逐點全局差異量和總體差異量(GDM),表示成為:

(5)

(6)

為了能夠與人的直觀判斷相關(guān)聯(lián),可以將其分成6個等級,如表1所示。逐點的ADM、FDM、GDM 及其均值都可以通過表1的對應(yīng)關(guān)系, 將定量結(jié)果轉(zhuǎn)化為自然語言描述的定性解釋。

表1 全局差異量描述分級表

GDM的取值范圍反映了艦船不同入射角立體RCS的相似程度,GDM的取值也就是相似度的閾值會影響實驗的測試結(jié)果,本文針對不同入射角艦艇立體RCS數(shù)據(jù)分別給出GDM在6個取值范圍的概率密度以及均值,通過GDM取值的判定確定其相似性,并得到其入射角間隔。

2 艦船RCS仿真計算比對分析

2.1 艦船目標RCS仿真計算數(shù)據(jù)預(yù)處理

在高頻區(qū),復(fù)雜目標的電磁散射場是由大量散射中心的散射場的矢量迭加而合成的,合成后的散射場的幅度和相位隨姿態(tài)角的變化非常劇烈,因此,散射總場的數(shù)據(jù)具有復(fù)雜的起伏性質(zhì)。由于高頻散射場的這一特點,直接采用頻域濾波顯然是不合適的,因此,采用窗口平滑比較方法是對理論模型進行系統(tǒng)性檢驗和評估的一種可行方法。具體做法是對不同入射角RCS仿真計算數(shù)據(jù)選擇適當?shù)幕瑒哟翱趯挾群突瑒硬介L,通過滑動窗口,在每個窗口內(nèi)取理論計算數(shù)據(jù)的中值從而獲得新的理論數(shù)據(jù)序列,再對平滑后的數(shù)據(jù)序列進行頻域濾波以及特征差異量比較。

中值一般記作σ0.5,是取累積分布函數(shù)CDF=0.5時RCS的大小,即比σ0.5高或低的數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率各占一半,中值的計算用公式表示為

本文采用中值平滑的窗口寬度5°、滑動步長1°。艦船RCS仿真計算、中值平滑方向圖比對結(jié)果如圖2所示。

圖2 艦船目標RCS預(yù)處理后數(shù)據(jù)比對波形圖

2.2 艦船目標RCS仿真計算結(jié)果分析

由于艦船目標的固有特性,不同入射角的RCS總有一定程度的相似性。如果待評估數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)的全局差異量GDM取值較大,所有的入射角RCS曲線均能與參考入射角匹配,會產(chǎn)生較高的錯誤接收率,造成外場RCS測量結(jié)果失真,影響RCS測量精度;相反,GDM取值較小,入射角間隔小、相似度高的RCS曲線可能會拒絕,會產(chǎn)生較大的錯誤拒絕率,致使外場動態(tài)測量試驗過多,浪費試驗成本。在實驗中,以90°入射角RCS曲線為參考,分別對其余入射角RCS曲線進行匹配,經(jīng)過幅度差異量和特征差異量的合成計算最終得到全局差異量GDM,經(jīng)過大量的實驗驗證,最后確定GDM小于0.2,即表1中自然語言描述的“非常好”。

圖3為艦船目標87°與90°入射角RCS曲線匹配效果,而圖4為84°與90°入射角RCS匹配效果。圖5為87°與90°入射角RCS曲線GDM可信度直方圖,而圖6為84°與90°入射角曲線GDM可信度直方圖,橫坐標為表1中全局差異量的取值范圍,對應(yīng)為六個區(qū)間,縱坐標為GDM值落在對應(yīng)區(qū)間的點數(shù)。

考慮艦船目標不同入射角的RCS數(shù)據(jù)差異,本文僅使用艦船20組不同入射角(89°至70°)RCS數(shù)據(jù)與90°入射角RCS進行了特征選擇校驗法的數(shù)據(jù)測試。整體全局差異量如圖7所示,橫坐標為入射余角差值1°至20°(對應(yīng)入射角為89°至70°),縱坐標為應(yīng)全局差異量GDM值。表2選取了具有代表性的6組數(shù)據(jù),分別給出了幅度差異量、特征差異量和全局差異量的值。

圖3 87°入射角與90°RCS數(shù)據(jù)匹配曲線圖

圖4 84°入射角與90°RCS數(shù)據(jù)匹配曲線圖

圖5 87°入射角與90°RCS GDM可信度直方圖

圖6 84°入射角與90°RCS GDM可信度直方圖

圖7 不同入射角與90°RCS GDM比較

從GDM可信度直方圖及表2可以得出艦船目標RCS在入射角度變化小于6°時,其ADM、FDM、GDM值均在0.2以下,自然語言描述為介于極好和非常好之間,故接收;而當入射角變化等于6°時,雖然ADM、FDM值仍在0.2以下,但其合成后的GDM全局差異量大于0.2且增速加大,故拒絕。

表2 不同入射角艦船RCS比對差異量表

根據(jù)以上仿真實驗結(jié)果可以得出,在獲取該型艦船目標外場RCS特性時,在大入射角(低仰角)情況下可設(shè)置機載RCS測量平臺的入射角采樣間隔為5°,同理利用該方法可迭代推出其它入射角的采樣間隔,這樣通過合理設(shè)計飛機航路可近似獲得艦船目標的全空間立體RCS特性,同時可以更好地節(jié)約試驗成本,縮短試驗周期。

該方法對獲取艦艇等海上目標俯仰方向RCS入射角采樣間隔具有通用性,可以有效減少測量樣本量。但是每型艦艇均具有大型復(fù)雜特定形體結(jié)構(gòu),其立體RCS存在較大差異。首先艦艇特定的形體對不同入射角的電磁散射響應(yīng)不同,使之有其特定的RCS方向性;其次由于艦艇上層建筑眾多散射源和多路徑等環(huán)境因素綜合作用效果不同,其RCS存在差異。故在獲取RCS測量入射角間隔時需依據(jù)不同型號艦艇電磁散射仿真計算結(jié)果進行特征選擇校驗分析,以確定機載平臺測量方案。

3 結(jié)束語

本文針對獲取艦艇目標外場動態(tài)測量全空間RCS入射角采樣間隔問題,采用特征選擇校驗法對某型艦艇目標不同入射角RCS數(shù)據(jù)進行了比對分析研究,分析了其幅度差異量、特征差異量以及全局差異量,依據(jù)分析結(jié)果定量給出外場RCS測量的入射角間隔。

提高不同入射角匹配時的驗證率,從而為獲取艦艇目標外場動態(tài)測量提供了可靠的理論依據(jù),基本上取得了令人滿意的效果,同時該方法對新型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗供靶分析具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達目標特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2] 肖舒文,李柏文,陳曉盼.特征選擇驗證方法:原理、應(yīng)用及最新進展[J].電訊技術(shù),2016,56(3)：346-352.

[3] 張剛,電磁仿真結(jié)果可信度FSV評估方法的關(guān)鍵問題研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[4] 陳曉盼,俞文明,孫輝.IEEE P1597.2計算電磁學(xué)計算機建模與仿真驗證推薦實踐[M].北京:中國國防科技信息中心,2015:58-75.

[5] IEEE standard for validation of computational electromagnetics computer modeling and simulations[S].

[6] IEEE recommended practice for validation of computational electromagnetics computer modeling and simulations[J].2011：C1-41.

Stereo RCS of Ship Target Measurement Scheme Design Based onFeature Selective Validation Method

SONG Guang, ZHOU Yu-xin

(Element 93 of Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066001, China)

The stereo RCS of ship target is a main parameter in electronic warfare weapon efficacy test. Because of the difference of radar waves’ incident angles, RCS of target exist different. This paper presents a RCS difference analysis method of feature selective validation, based on the character of ship target RCS in outfield and data analysis of ship RCS electromagnetic simulation. By analyzing the global difference quantity of RCS from different incident angles, the stereo RCS incident angles interval of ship target between outfield measurements is obtained. This method provides the basis for airborne platform RCS measurement scheme design, and advance the cost-effectiveness of outfield measurement. At last, this method has a certain guiding significance to the target providing analysis in new high-trajectory missile weapon system trial.

feature selective validation method; RCS; measurement scheme

2017-03-22

宋 廣(1976-),男,河北保定人,高級工程師,研究方向為雷達目標特性測量。 周鈺鑫(1991-),男,碩士,助理工程師。

1673-3819(2017)03-0111-04

TN974；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.024

修回日期： 2017-05-01