采用極化特征的通信輻射源個(gè)體識(shí)別方法

張梓軒,齊子森,許華,史蘊(yùn)豪,梁佳

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,710077,西安)

通信輻射源信號(hào)的分類(lèi)識(shí)別作為信號(hào)處理領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一,已成為復(fù)雜電磁環(huán)境下獲取電磁情報(bào),實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的首要步驟,對(duì)于構(gòu)建復(fù)雜電磁態(tài)勢(shì)有著關(guān)鍵作用。特定輻射源識(shí)別又稱射頻指紋識(shí)別[1],是利用輻射源設(shè)備的硬件差異即射頻指紋在空間輻射信號(hào)中的差異性識(shí)別區(qū)分輻射源個(gè)體的技術(shù)。

在輻射源個(gè)體識(shí)別技術(shù)中,核心環(huán)節(jié)為指紋特征提取和分類(lèi)器設(shè)計(jì),提取的指紋特征即射頻指紋,并且這些指紋特征應(yīng)具有普遍性、可測(cè)性、唯一性和穩(wěn)定性[2-3]。通信輻射源個(gè)體識(shí)別的方法大致可以分為基于專家經(jīng)驗(yàn)的識(shí)別方法和基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別方法?；趯＜医?jīng)驗(yàn)的識(shí)別方法是根據(jù)對(duì)輻射源畸變的現(xiàn)有認(rèn)知人工提取指紋特征,并進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別,其中包括基于信號(hào)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征的識(shí)別方法、基于信號(hào)變換域特征的識(shí)別方法和基于發(fā)射機(jī)機(jī)理建模的識(shí)別方法。信號(hào)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征包含時(shí)域、頻域以及高階譜等。Williams等以GSM和WiMax信號(hào)的幅度、相位和頻率的均值、方差等數(shù)種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為特征,在對(duì)手機(jī)終端的識(shí)別上取得了較好的效果[4]。Reising等以WiFi和WiMax信號(hào)為研究對(duì)象,提取了信號(hào)中導(dǎo)字段的瞬時(shí)相位統(tǒng)計(jì)特征,對(duì)多部同型手機(jī)取得了良好的識(shí)別效果[5]。信號(hào)變換域特征主要包含小波分析、時(shí)頻分析和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)變換。秦嘉利用小波分析的多分辨率優(yōu)勢(shì),從暫態(tài)信號(hào)中提取了正交小波分析系數(shù)特征,達(dá)到了識(shí)別發(fā)射機(jī)的目的[6]。Jain等研究了暫態(tài)信號(hào)的離散Gabor變化和Gabor-Wigner變化,并從中提取幅度統(tǒng)計(jì)特征實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同發(fā)射機(jī)的識(shí)別[7]。基于機(jī)理建模的識(shí)別方法,是從指紋特征的物理本質(zhì)出發(fā),研究發(fā)射機(jī)的組成模塊和工作原理,通過(guò)建立機(jī)理模型的方式分析并提取本質(zhì)特征,主要包括制造容差和漂移容差。任春輝研究并明確定義了通信電臺(tái)信號(hào)個(gè)體特征,從發(fā)射機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的角度分析了通信電臺(tái)個(gè)體特征(暫態(tài)特征、噪聲特征、載頻偏差、調(diào)制參數(shù)的差異和雜散輸出的差異等)的產(chǎn)生機(jī)理,但未建立指紋特征的機(jī)理模型[8]。黃淵凌等系統(tǒng)深入地研究了通信輻射源指紋特征產(chǎn)生機(jī)理,闡述了I/Q正交調(diào)制器、振蕩器、功放、時(shí)鐘、模擬通路濾波器等發(fā)射機(jī)模塊的指紋機(jī)理模型,為設(shè)計(jì)和評(píng)估指紋特征提取算法打下了理論基礎(chǔ),但并沒(méi)有給出上述多種畸變特征的聯(lián)合提取方法[9]?；谏疃葘W(xué)習(xí)的識(shí)別方法是通過(guò)多層非線性變換對(duì)高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,可以高效地自主逐層提取數(shù)據(jù)的特征并進(jìn)行識(shí)別。目前,基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的通信輻射源個(gè)體識(shí)別技術(shù)主要分為數(shù)據(jù)降維后識(shí)別、數(shù)據(jù)二維化后識(shí)別和直接從原始數(shù)據(jù)中識(shí)別。王炳程使用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)4種積分雙譜組成的特征進(jìn)行分類(lèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果較SVM、Stacking等分類(lèi)方法有較大提升[10]。Pan等使用殘差網(wǎng)絡(luò)提取Hilbert-Huang變換后的頻譜圖特征,然后對(duì)輻射源進(jìn)行識(shí)別[11]。Sankhed等設(shè)計(jì)了一種以信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)作為輸入的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使用一維卷積核、最大化池化層和全連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò),取得了較好的識(shí)別效果[12]。近年來(lái),信息論中熵的相關(guān)概念也被引入用于描述輻射源個(gè)體差異[13-14]。此外,相空間[15-16]、壓縮感知[17-18]以及上述各方法的聯(lián)合方法[19-20]等也被用作該方向的研究。

綜上所述可知,現(xiàn)有的基于專家經(jīng)驗(yàn)和基于深度學(xué)習(xí)的兩類(lèi)識(shí)別方法主要分析和利用射頻信號(hào)時(shí)域、頻域以及時(shí)頻變換域的信息,但應(yīng)用此類(lèi)信息的方法存在不同程度的不足。信號(hào)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征的識(shí)別方法對(duì)非高斯、非平穩(wěn)信號(hào)的分析能力弱[21];信號(hào)變化域的識(shí)別方法基函數(shù)選擇困難;機(jī)理建模分析的識(shí)別方法建模難度大,針對(duì)性弱,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多模塊畸變聯(lián)合分析[22]。在通信輻射源空、時(shí)、頻、能域特征相近甚至相同情況下,時(shí)頻信息(時(shí)域特征、頻域特征、時(shí)頻變換域特征)差異性縮小,利用直接或間接方法分析提取的難度都進(jìn)一步增大。從原理上分析可知,現(xiàn)有方法識(shí)別效果會(huì)出現(xiàn)不同程度的惡化,甚至部分方法難以支撐此類(lèi)通信輻射源個(gè)體的識(shí)別。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文引入電磁波極化域特征,拓展通信輻射源個(gè)體識(shí)別利用的特征維度,從新特征域分析研究通信輻射源個(gè)體識(shí)別方法。極化是電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度的方向和幅度隨時(shí)間變化的特性,無(wú)線電與其發(fā)射天線的極化形式保持一致。不同通信輻射源個(gè)體在天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)上的差異導(dǎo)致天線交叉極化鑒別度必然不同,這是天線設(shè)計(jì)和制造中存在的系統(tǒng)性偏差,可作為通信輻射源個(gè)體識(shí)別的極化特征來(lái)源。在通信輻射源個(gè)體處于空間模糊、能量相仿以及頻率相近情況下,極化特征作為新維度特征為通信輻射源個(gè)體識(shí)別提供了新方向。實(shí)測(cè)分析可知,同一型號(hào)刀型天線的交叉極化鑒別度差異微小,體現(xiàn)在射頻信號(hào)的雙極化特征中,極化幅度比最小差值為1/90,極化相位差最小差值為1.5°,容易被通道幅相誤差和噪聲污染導(dǎo)致混疊。本文通過(guò)分析雙極化特征的表征方法,構(gòu)建了用于接收和提取雙極化特征的雙極化接收系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了基于自編碼器的通道時(shí)變幅相誤差校正算法,克服了通道時(shí)變幅相誤差及噪聲對(duì)雙極化特征的影響,實(shí)現(xiàn)雙極化特征的準(zhǔn)確提取,完成了空間模糊、能量相仿及頻率相近情況下的通信輻射源個(gè)體的分類(lèi)識(shí)別。

目前,國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料中未見(jiàn)直接利用極化域特征進(jìn)行通信輻射源個(gè)體識(shí)別的方法,同時(shí)利用極化信息進(jìn)行通信輻射源個(gè)體識(shí)別的研究體現(xiàn)較少。因此,文中未列舉相關(guān)論述和研究。本文從原理分析、信號(hào)建模、極化接收、特征提取以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面對(duì)所提方法的可行性進(jìn)行了詳細(xì)論述,最大化呈現(xiàn)采用極化域特征進(jìn)行通信輻射源個(gè)體識(shí)別的全流程,并在無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比的情況下盡可能驗(yàn)證分析本文方法的有效性。

1 極化特征分析與建模

根據(jù)天線設(shè)計(jì)原理,在天線輻射的電磁波中,主體部分為主極化分量,還有少量與其正交的極化分量,也稱交叉或正交極化分量。天線的交叉極化鑒別度是主極化分量的功率電平占全部功率電平的比值。發(fā)射系統(tǒng)交叉極化鑒別度越好,系統(tǒng)的性能就越理想,但實(shí)際應(yīng)用中,在器件的固有誤差和機(jī)械加工誤差等因素影響下,天線極化總是存在一定程度的偏差,這一偏差就是通信輻射源極化特征的來(lái)源。在通信系統(tǒng)中,雙極化天線利用極化分集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了很強(qiáng)的抗干擾性,同時(shí)方便實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用,提高信道容量,被學(xué)者廣為關(guān)注研究。極化測(cè)量接收機(jī)在信號(hào)偵收中,通常采用極化-方向圖法、幅度-相位法以及多天線法,目前廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代接收系統(tǒng)的是幅度-相位法[23]。

1.1 極化特征表征

電磁波的極化是電磁波在空間中傳播時(shí)任一位置處的電場(chǎng)空間取向隨時(shí)間變化的性質(zhì),通過(guò)電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間變化形成的空間軌跡形狀和旋向來(lái)描述。根據(jù)極化狀態(tài)差異,可分為完全極化波、部分極化波和非極化波3種。完全極化波是指極化狀態(tài)隨時(shí)間按照固定模式變化的電磁波,電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間隨機(jī)變化所形成的軌跡為一參數(shù)恒定的橢圓,典型信號(hào)如單色波等;部分極化波是指極化狀態(tài)隨時(shí)間隨機(jī)變化的電磁波,電場(chǎng)矢量端點(diǎn)描繪的軌跡不再為一恒定的橢圓,而是一條形狀和方向都隨時(shí)間緩慢變化、類(lèi)似于橢圓的曲線;非極化波是指極化電場(chǎng)矢量分量之間互不相關(guān)的電磁波[24]。

假設(shè)通信輻射源發(fā)射的電磁波為沿z軸正方向傳播的單色完全極化電磁波,則電磁波瞬時(shí)值的矢量形式[25]為

E=Exex+Eyey

(1)

式中ex、ey分別為x軸和y軸方向的單位基矢量。Ex、Ey為

Ex=E0xcos(2πf0t-Kz+φx)

(2)

Ey=E0ycos(2πf0t-Kz+φy)

(3)

式中:f0為電磁波頻率;K為空間傳播常數(shù);E0x和φx分別為x軸正方向上的電場(chǎng)振幅和相位;E0y和φy分別為y軸正方向上的電場(chǎng)振幅和相位。

將式(1)寫(xiě)成復(fù)矢量形式

e(t,z)=eej(2πf0t-Kz)

(4)

(5)

式中:e為復(fù)電場(chǎng)矢量;e0x和φx分別為x軸正方向上的電場(chǎng)振幅和相位;e0y和φy分別為y軸正方向上的電場(chǎng)振幅和相位。由式(4)、(5)得出,極化信息體現(xiàn)為兩個(gè)正交方向電場(chǎng)分量的幅度比和相位差。忽略絕對(duì)相位信息,按照極化的線極化比方式[26]定義極化比

(6)

式中:tanγ=ey/ex,γ∈ [0,2π);φ=φy-φx,φ∈ [0,2π]。由此對(duì)于某一給定的電磁波,其極化狀態(tài)可由極化比完全描述。

以上給出的(γ,φ)即為電磁波的極化狀態(tài)相位描述子,可用來(lái)表征輻射源個(gè)體的極化特征。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算量和更直觀地表征通信輻射源射頻信號(hào)的極化特征,直接利用tanγ=ey/ex,γ∈ [0,2π)作為主極化與交叉極化信號(hào)的幅度比,即極化幅度比,利用φ=φy-φx,φ∈ [0,2π]作為主極化與交叉極化信號(hào)的相位差,即極化相位差。

1.2 極化信號(hào)建模

單偶極子可以對(duì)入射信號(hào)的相應(yīng)分量產(chǎn)生匹配響應(yīng),而任意極化波均可分解為在x、y、z這3個(gè)方向上的分量,因此電磁矢量傳感器(electromagnetic vector sensor, EMVS)是由相互正交的3個(gè)電偶極子和3個(gè)磁偶極子構(gòu)成,可以實(shí)現(xiàn)6維電磁場(chǎng)矢量的同時(shí)接收。假設(shè)由一個(gè)EMVS構(gòu)成的陣元位于坐標(biāo)中心且3個(gè)基本電偶極子方向分別與坐標(biāo)軸平行,極化相位描述子為(γ,φ)的k個(gè)窄帶信源sk(k=1,2,…,L)以俯仰角θ和方位角φ沿單位方向矢量u的反方向入射(如圖1所示),則u可以表示為

uk=(sinθkcosφk)x+(sinθksinφk)y+(cosθk)z

(7)

在傳播方向上的兩個(gè)正交單位電場(chǎng)分量分別為

uθk=(cosθkcosφk)x+(cosθksinφk)y-(sinθk)z

(8)

uφk=(-sinφk)x+(cosφk)y

(9)

電場(chǎng)和磁場(chǎng)在直角坐標(biāo)系中的極化-角度導(dǎo)向矢量ak可以表示為

(10)

式中:Ex、Ey、Ez表示3個(gè)電場(chǎng)分量;Hx、Hy、Hz表示3個(gè)磁場(chǎng)分量;Eθk=sinγkejφ,Eφk=cosγk分別為uθk和uφk方向的極化分量。由于極化特征計(jì)算相對(duì)值,故陣元方向圖對(duì)計(jì)算無(wú)影響,所以式中單位方向圖響應(yīng)設(shè)置為1。

假設(shè)極化天線的共點(diǎn)接收通道不存在不一致、互耦等因素的影響,且增益均為1,則陣元對(duì)入射信號(hào)sk的響應(yīng)為

z(t)=ak·sk(t)+n(t)

(11)

式中:n(t)為高斯白噪聲;ak為極化-角度導(dǎo)向矢量。接收到的通信輻射源信號(hào)z(t)中包含了極化-角度導(dǎo)向矢量ak,通過(guò)計(jì)算ak在uθk和uφk兩個(gè)方向上的極化分量Eθk=sinγkejφ、Eφk=cosγk的比值,即可得到各通信輻射源信號(hào)的雙極化特征——極化幅度比和極化相位差。由于雙極化特征容易被通道幅相誤差和噪聲污染導(dǎo)致混疊,因此有效利用射頻信號(hào)中雙極化特征的前提是低信噪比條件下,消除通道時(shí)變幅相誤差精準(zhǔn)提取信號(hào)的雙極化特征。

1.3 極化信號(hào)接收與特征提取

為了在低信噪比條件下,消除通道時(shí)變幅相誤差,精準(zhǔn)提取信號(hào)極化特征,本文借鑒幅度-相位法思路,設(shè)計(jì)了雙極化接收系統(tǒng)用以接收和提取極化特征。該系統(tǒng)以相互正交的兩個(gè)極化天線構(gòu)成的極化分集天線接收輻射源信號(hào),通過(guò)兩個(gè)相參通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻、放大、濾波和檢波等處理,從而得出兩個(gè)通道中信號(hào)的幅度比和相位差,實(shí)現(xiàn)通信輻射源信號(hào)的極化特征的接收、提取和輸出。系統(tǒng)中的正交雙極化天線可以是垂直極化和水平極化,也可以是左旋圓極化和右旋圓極化。系統(tǒng)中的兩路信號(hào)的混頻本振在幅度、相位保持高度一致。同時(shí),射頻放大器、中頻放大器、濾波器和A/D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘也保持一致。通過(guò)調(diào)節(jié)混頻本振的頻率,該系統(tǒng)可以調(diào)選帶寬內(nèi)的通信輻射源信號(hào),實(shí)現(xiàn)寬頻帶的搜索測(cè)頻和極化特征提取。該接收系統(tǒng)能夠同時(shí)處理到達(dá)的多個(gè)信號(hào),并實(shí)時(shí)測(cè)算出通信輻射源信號(hào)的極化特征。雙極化接收系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 雙極化接收系統(tǒng)流程Fig.2 Dual-polarized receiving system workflow

假設(shè)通信輻射源發(fā)射的信號(hào)(平面電磁波)為連續(xù)波信號(hào),其表達(dá)式為

E=(Excos(ωt-kz+φx))ex+

(Eycos(ωt-kz+φy))ey

(12)

式中:ex和ey分別為主極化方向和交叉方向的單位基矢量;ω=2πf0t;φx和φy分別為主極化和交叉極化分量的初相。該平面波的極化狀態(tài)可泛化為橢圓極化。

當(dāng)選擇零點(diǎn)距離處的信號(hào)時(shí),式(12)可以簡(jiǎn)化為

E=(Excos(ωt+φx))ex+(Eycos(ωt+φy))ey

(13)

Ex=E0xcos(wt+φx)

(14)

Ey=E0ycos(wt+φy)

(15)

假設(shè)本振的穩(wěn)定頻率為f1,相位為φ1,即

Ut=U0cos(2πf1t+φ1)

(16)

主極化和交叉極化通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻和中頻濾波后的輸出為

Ex1=aE0xcos(2π(f0-f1)t+φx-φ1)

(17)

Ey1=aE0ycos(2π(f0-f1)t+φy-φ1)

(18)

式中a是信號(hào)的放大倍數(shù)。主極化和交叉極化通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)正交相位處理,分別輸出兩路正交的I/Q信號(hào)。正交相位處理流程如圖3所示。

圖3 正交相位處理Fig.3 Orthogonal phase processing

相參信號(hào)cos [2π(f0-f1)t]經(jīng)過(guò)90°移相器變?yōu)閁p=sin [2π(f0-f1)t]。

Ex1、Ey1分別經(jīng)過(guò)正交相位處理,得到兩路正交信號(hào)

ExI=gaE0xcos(φx-φ)

(19)

ExQ=gaE0xsin(φx-φ)

(20)

EyI=gaE0ycos(φy-φ)

(21)

EyQ=gaE0ysin(φy-φ)

(22)

式中g(shù)為混頻和低通濾波器的增益。I、Q兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為In、Qn(n=1,2,…,N)。

經(jīng)過(guò)正交雙通道線性檢波器,得到主極化和交叉極化信號(hào)的幅度。

E1=gaE0x

(23)

E2=gaE0y

(24)

正交雙通道線性檢波流程如圖4所示。

圖4 正交雙通道線性檢波Fig.4 Orthogonal dual-channel linear demodulation

經(jīng)單通道輸出的相干檢波器,得到主極化和交叉極化信號(hào)的相位差

V0=g2a2E0xE0ycos(φy-φx)

(25)

通過(guò)計(jì)算,得到主極化和交叉極化信號(hào)的極化幅度比和極化相位差

(26)

(27)

得到的極化幅度比和極化相位差就是通信輻射源個(gè)體的極化特征,從而可以進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。單通道輸出相干檢波器處理流程如圖5所示。

圖5 單通道輸出相干檢波Fig.5 Single-channel coherent detection

2 通道時(shí)變幅相誤差校正

通道時(shí)變幅相誤差會(huì)使接收到的極化信息出現(xiàn)較大的偏差,從而影響對(duì)信號(hào)雙極化特征的提取,因此必須對(duì)通道時(shí)變幅相誤差進(jìn)行校正。通道時(shí)變誤差校正算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)自編碼器[27],引入去噪自編碼器[28],對(duì)輸入的擾動(dòng)數(shù)據(jù)(含時(shí)變幅相誤差和噪聲)利用編碼器進(jìn)行特征壓縮和提取,實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)數(shù)據(jù)的退化處理。按照輸入的原始數(shù)據(jù)(只含噪聲的數(shù)據(jù))樣本分布將擾動(dòng)數(shù)據(jù)的部分特征值置零,提取出其中原始數(shù)據(jù)的特征,利用這些特征進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)通道時(shí)變幅相誤差的校正。

2.1 極化通道誤差建模

理想情況下,構(gòu)成陣元的EMVS的3個(gè)電偶極子和3個(gè)磁偶極子的取向是完全相同的。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,天線平臺(tái)的高強(qiáng)度振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致天線發(fā)生不規(guī)則形變,致使陣元所對(duì)應(yīng)的通道并不完全平行,出現(xiàn)各通道的不一致性,從而產(chǎn)生通道時(shí)變幅相誤差。

(28)

(29)

式中:ρt為時(shí)變的幅度誤差;ejφt為時(shí)變相位誤差。

由于通道時(shí)變幅相誤差是天線載體以一定規(guī)律振動(dòng)造成的,故可參考天線振動(dòng)模型[29]進(jìn)行設(shè)置

C(x,t)=Z0(x)+α(t)+q1(t)Z1(t)

(30)

式中:α(t)=ω0cos(ωt)為坐標(biāo)原點(diǎn)處引入的強(qiáng)制振動(dòng);Z0(x)為低頻的彎曲模式;q1為振動(dòng)模式系數(shù);Z1(x)為高頻的第一振動(dòng)模式。本文為簡(jiǎn)化模型,只考慮引入的強(qiáng)制振動(dòng),因此式(30)可化簡(jiǎn)為

C(t)=α(t)=ω0cos(ωt)

(31)

式中C(t)即為本文在天線搭載平臺(tái)上加載的振動(dòng),也就是接收信號(hào)中的通道時(shí)變幅相誤差。

因此,在共點(diǎn)接收通道存在不一致且增益不同為1的情況下,含有時(shí)變幅相誤差的信號(hào)數(shù)據(jù)表示為

(32)

2.2 校正算法框架

本文算法包含兩個(gè)階段。第一階段為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練階段,主要包括3個(gè)模塊:數(shù)據(jù)處理模塊、參數(shù)學(xué)習(xí)模塊和數(shù)據(jù)校正模塊。數(shù)據(jù)處理模塊的輸入為從極化天線采集到的擾動(dòng)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行維數(shù)變換、功率歸一化、切片和加噪等操作,并劃分訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集。參數(shù)學(xué)習(xí)模塊主要由編碼器和解碼器組成,編碼器對(duì)輸入的擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和特征壓縮,從而得到數(shù)據(jù)的深層特征表示,解碼器利用提取出的高度抽象的特征進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。數(shù)據(jù)校正模塊通過(guò)最小化重構(gòu)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化更新,如圖6所示。第二階段為測(cè)試階段,即實(shí)際應(yīng)用階段,主要由數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)校正模塊組成。該階段利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊得到的擾動(dòng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行深層特征提取和數(shù)據(jù)重構(gòu),實(shí)現(xiàn)通道時(shí)變幅相誤差校正。在數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備過(guò)程中,擾動(dòng)數(shù)據(jù)為極化天線在振動(dòng)條件下采集到的數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)為極化天線在靜止?fàn)顟B(tài)(無(wú)振動(dòng))下采集到的數(shù)據(jù)。

2.3 校正網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)通道時(shí)變幅相誤差校正,同時(shí)確保數(shù)據(jù)校正精度,設(shè)計(jì)了8層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):輸入層、3層卷積層、3層全連接層和輸出層,如圖7所示。數(shù)據(jù)處理模塊的輸入層將采集到的數(shù)據(jù)(擾動(dòng)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù))進(jìn)行維度變換,由M×N維轉(zhuǎn)換為M×2×N×1維。考慮到數(shù)據(jù)為時(shí)序數(shù)據(jù),將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)學(xué)習(xí)模塊的編碼過(guò)程設(shè)計(jì)為3層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以便更好地提取時(shí)序信息。通過(guò)二維卷積,以same模式對(duì)M×2×N×1維擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積操作,保證充分提取特征的前提下,卷積后的樣本尺度不變。卷積核尺寸都為1×4,特征通道數(shù)分別為8、4、2,分別提取出M×8維、M×4和M×2維特征,之后采用ReLU函數(shù)進(jìn)行分別激活。ReLU激活函數(shù)采用具有分段線性的整流線性單元[30]促進(jìn)了梯度的反向傳播,降低了激活函數(shù)的計(jì)算量,而且其部分激活特性相當(dāng)于對(duì)網(wǎng)絡(luò)施加了稀疏正則化,一定程度上能夠提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和泛化能力。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)學(xué)習(xí)模塊的解碼過(guò)程采用3層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)重構(gòu)數(shù)據(jù),并通過(guò)反向傳播算法最小化重構(gòu)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的差異,通過(guò)輸入的擾動(dòng)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的雙驅(qū)動(dòng),使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到原始數(shù)據(jù)的深層規(guī)律,達(dá)到對(duì)通道時(shí)變幅相誤差的實(shí)時(shí)校正。為有效利用編碼部分提取到的潛在特征并方便數(shù)據(jù)重構(gòu),將3層全連接網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別設(shè)計(jì)為350、250、200,前兩層的激活函數(shù)為ReLu,最后一層的激活函數(shù)為tanh。經(jīng)過(guò)3層全連接層輸出的重構(gòu)數(shù)據(jù)尺度為M×2×N×1維,再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)尺度變換得到M×N維重構(gòu)數(shù)據(jù)。

圖6 極化通道時(shí)變誤差校正模型Fig.6 Time-varying error correction model for polarized channel

圖7 時(shí)變誤差校正網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.7 Time-varying error correction network structure

2.4 損失函數(shù)定義及優(yōu)化

(33)

(34)

3 分類(lèi)判決器設(shè)計(jì)

為直觀驗(yàn)證極化特征對(duì)于輻射源個(gè)體識(shí)別的有效性,本文設(shè)計(jì)了基于閾值規(guī)則的硬判決分類(lèi)器。分類(lèi)判決分為兩步:第一步為極化幅度比或極化相位差特征閾值判決,利用提取出的極化幅度比和極化相位差兩個(gè)極化特征,根據(jù)對(duì)雙極化天線的極化特征實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),設(shè)置極化幅度比和極化相位差兩個(gè)判決閾值,計(jì)算特征集中樣本間的單一極化特征的歐式距離,經(jīng)過(guò)與閾值比對(duì)進(jìn)行硬判決,得到判決結(jié)果;第二步為雙極化特征聯(lián)合閾值判決,將極化幅度比和極化相位差兩個(gè)極化特征聯(lián)合,計(jì)算極化特征集中樣本間的歐式距離,通過(guò)與計(jì)算得出的聯(lián)合閾值進(jìn)行比對(duì)判決,最終得出判決結(jié)果。具體的判決步驟如下。

4 通信輻射源個(gè)體分類(lèi)識(shí)別流程

采用極化特征的通信輻射源個(gè)體分類(lèi)識(shí)別主要分為3部分:極化特征分析與建模、通道時(shí)變幅相誤差校正以及輻射源分類(lèi)判決。第一部分是極化特征分析與建模,首先經(jīng)過(guò)極化原理分析,提出輻射源天線交叉極化鑒別度的差異性,然后通過(guò)雙極化特征表征推導(dǎo)出輻射源極化特征相關(guān)量,再由極化信號(hào)建模分析出極化信號(hào)在接收機(jī)前端的信號(hào)形式,最后通過(guò)雙極化接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極化信號(hào)接收與雙極化特征提取。第二部分是通道時(shí)變幅相誤差校正,設(shè)計(jì)了基于自編碼器的時(shí)變幅相誤差校正算法,利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)含有時(shí)變幅相誤差擾動(dòng)及噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,重構(gòu)受擾動(dòng)和噪聲影響的微小極化特征。第3部分是輻射源分類(lèi)判決,利用設(shè)計(jì)的基于閾值規(guī)則的硬判決器,對(duì)提取的極化幅度比和極化相位差兩個(gè)極化特征進(jìn)行硬判決,通過(guò)極化幅度比或極化相位差特征判決和極化幅度比-極化相位差聯(lián)合特征判決相結(jié)合,將極化特征的差異性充分利用,從而實(shí)現(xiàn)通信輻射源個(gè)體的分類(lèi)識(shí)別。

本文提出的采用極化特征的通信輻射源個(gè)體識(shí)別方法的流程圖如圖8所示,具體流程如下。

第1步極化特征分析與建模。

(1)通過(guò)對(duì)通信輻射源天線的交叉極化鑒別度差異性分析,推導(dǎo)其發(fā)射電磁波的極化特征表征。

(2)利用極化特征表征涉及的相關(guān)參數(shù),進(jìn)行極化信號(hào)建模。

(3)根據(jù)極化信號(hào)建模,設(shè)計(jì)雙極化接收系統(tǒng)進(jìn)行極化特征提取,具體流程如下。

①通過(guò)極化分集天線實(shí)現(xiàn)主極化和交叉極化兩個(gè)方向的極化信號(hào)接收。

②采用可調(diào)本振對(duì)寬帶內(nèi)的通信輻射源信號(hào)進(jìn)行搜索測(cè)頻并實(shí)現(xiàn)混頻。

③采用相參振蕩器進(jìn)行主極化和交叉極化信號(hào)的正交相位處理。

④經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)字采樣。

⑤利用正交雙通道線性檢波器進(jìn)行包絡(luò)檢波,提取主極化和交叉極化信號(hào)的幅度值。

⑥利用單通道輸出的相干檢波器進(jìn)行相位檢波,提取主極化和交叉極化信號(hào)的相位值。

⑦通過(guò)計(jì)算得出輻射源信號(hào)的極化幅度比和極化相位差兩個(gè)極化特征。

第2步通道時(shí)變幅相誤差校正。

(1)通過(guò)分析通道時(shí)變幅相誤差,建立通道時(shí)變幅相誤差模型。

(2)利用原始數(shù)據(jù)(有噪聲不含時(shí)變幅相誤差的信號(hào)數(shù)據(jù))以及擾動(dòng)數(shù)據(jù)(同時(shí)含有時(shí)變幅相誤差和噪聲的信號(hào)數(shù)據(jù))對(duì)校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。

(3)保存訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

(4)利用訓(xùn)練好的校正網(wǎng)絡(luò)對(duì)擾動(dòng)數(shù)據(jù)(含有時(shí)變幅相誤差和噪聲的信號(hào)數(shù)據(jù))進(jìn)行校正。

第3步輻射源分類(lèi)判決。

(1)根據(jù)在暗室對(duì)某刀型天線的交叉極化鑒別度的測(cè)量結(jié)果,得出主極化和交叉極化的最小極化幅度比閾值和最小極化相位差閾值,并計(jì)算得出聯(lián)合閾值。

(2)利用樣本集中提取到的極化幅度比和極化相位差特征,分別計(jì)算一維空間中樣本間的歐式距離。

(3)利用樣本集中提取到的極化幅度比-極化相位差聯(lián)合特征,計(jì)算二維空間中樣本間的歐式距離。

(4)將計(jì)算得到的歐式距離分別與對(duì)應(yīng)閾值進(jìn)行比對(duì)判決,根據(jù)判決得出樣本判決結(jié)果,實(shí)現(xiàn)輻射源分類(lèi)。

圖8 采用極化特征的通信輻射源分類(lèi)識(shí)別流程Fig.8 Communication emitter classification and recognition process using polarization features

5 實(shí)驗(yàn)分析

為充分驗(yàn)證所提方法的有效性,對(duì)中間校正網(wǎng)絡(luò)和整體識(shí)別效果分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)基于仿真數(shù)據(jù)和實(shí)采數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。仿真數(shù)據(jù)利用Matlab軟件生成。參照實(shí)際雙極化天線結(jié)構(gòu)和通信流程,模擬生成主極化和交叉極化兩個(gè)通道的二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制信號(hào),得到兩組相互正交的I/Q信號(hào),構(gòu)建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。實(shí)采數(shù)據(jù)通過(guò)微波暗室采集得到,共有兩類(lèi)數(shù)據(jù)。一類(lèi)為原始數(shù)據(jù),即在暗室中極化天線靜止?fàn)顟B(tài)下采集的高信噪比數(shù)據(jù)。另一類(lèi)為擾動(dòng)數(shù)據(jù),即在暗室中極化天線振動(dòng)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。

5.1 通道時(shí)變幅相誤差校正網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練驗(yàn)證

為驗(yàn)證在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中采集到的數(shù)據(jù)可以用作校正網(wǎng)絡(luò)的有效訓(xùn)練,模擬理想狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)中的數(shù)據(jù)采集環(huán)境,分別使用無(wú)噪聲原始數(shù)據(jù)和20 dB信噪比原始數(shù)據(jù)分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,得到理想網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。

圖9為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂曲線。通過(guò)圖9中的(a)和(b)說(shuō)明實(shí)際網(wǎng)絡(luò)在20 dB信噪比的數(shù)據(jù)下可以快速收斂,在主極化和交叉極化兩個(gè)通道上都可以達(dá)到很好的訓(xùn)練效果,證明了網(wǎng)絡(luò)在不同通道上的適應(yīng)性較好,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙極化通道時(shí)變幅相誤差的校正。

(a)主極化通道

(b)交叉極化通道

按照表1中的參數(shù)采集10 dB信噪比下的擾動(dòng)數(shù)據(jù),在以上兩個(gè)完成訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)中分別進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),結(jié)果如圖10和圖11所示。

表1 模擬數(shù)據(jù)集參數(shù)

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)和理想網(wǎng)絡(luò)在10 dB信噪比下擾動(dòng)數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果分別如圖10和11所示。兩圖對(duì)比說(shuō)明,在實(shí)際環(huán)境中采集20 dB原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)可以基本達(dá)到與理想無(wú)噪聲原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)同等的效果,證明本文校正網(wǎng)絡(luò)具有消噪能力,在實(shí)際環(huán)境中可以用作數(shù)據(jù)重構(gòu)和消噪處理。

(a)實(shí)部

(b)虛部

(a)實(shí)部

(b)虛部

5.2 通道時(shí)變幅相誤差校正效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證校正網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際情況下對(duì)極化通道的校正效果,在表1參數(shù)前提下,將接收端增益分別設(shè)置為-5、0、5、10、15、20 dB采集數(shù)據(jù),利用5.1小節(jié)中20 dB數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖12～13所示。

圖12是主極化通道在10 dB信噪比下對(duì)擾動(dòng)數(shù)據(jù)的重構(gòu)結(jié)果。從圖12中原始數(shù)據(jù)、重構(gòu)數(shù)據(jù)和擾動(dòng)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得出,主極化通道中在信噪比10 dB下的擾動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校正網(wǎng)絡(luò)后,可以很好地?cái)M合原始數(shù)據(jù),同時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定程度的噪聲抑制,達(dá)到了比原始數(shù)據(jù)更好的效果。

(a)實(shí)部

(b)虛部

從圖13中原始數(shù)據(jù)、重構(gòu)數(shù)據(jù)和擾動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比同樣可以得出,交叉極化通道中網(wǎng)絡(luò)能夠很好地壓制噪聲并對(duì)擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu),證明了網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)變幅相誤差的校正能力。

(a)實(shí)部

(b)虛部

表2是不同信噪比下主極化和交叉極化通道的歸一化實(shí)部和虛部均方誤差,表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)一步展示了校正網(wǎng)絡(luò)的性能。

表2 不同信噪比下各通道實(shí)部和虛部均方誤差

可以看出,-5～20 dB的范圍內(nèi),網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)χ鳂O化和交叉極化兩個(gè)通道進(jìn)行不同程度的數(shù)據(jù)重構(gòu)和噪聲抑制。5 dB以上時(shí):主極化通道校正數(shù)據(jù)的實(shí)部(Ⅰ路信號(hào))均方誤差能夠控制0.3%以內(nèi),虛部(Q路信號(hào))均方誤差能夠基本保持在60%左右;交叉極化通道校正數(shù)據(jù)的實(shí)部(Ⅰ路信號(hào))均方誤差能夠控制0.5%以內(nèi),虛部(Q路信號(hào))均方誤差能夠基本保持在6%左右。證明了網(wǎng)絡(luò)具有較好的魯棒性,適用的信噪比范圍較大。

5.3 采用極化特征的通信輻射源個(gè)體識(shí)別效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法的整體效果,通過(guò)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)采數(shù)據(jù)分別對(duì)極化特征在通信輻射源個(gè)體識(shí)別的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)同一廠家、同一批次、同一型號(hào)的刀型天線進(jìn)行交叉極化鑒別度實(shí)測(cè),得出雙極化天線的主極化和交叉極化參數(shù)最小差異值。極化幅度比最小差異值歸一化為1/90,極化相位差最小差異值為1.5°。模擬設(shè)置兩個(gè)極化特征不同的輻射源個(gè)體,極化幅度比分別為1∶10和1∶9,極化相位差分別為2°和3.5°,其余參數(shù)完全相同。在表1參數(shù)前提下,將接收端的增益分別設(shè)置為-5、0、5、10、15、20 dB采集數(shù)據(jù),對(duì)采集到的400 幀(40 000采樣點(diǎn))數(shù)據(jù)進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn),得到輻射源分類(lèi)識(shí)別結(jié)果,如圖14～16所示。個(gè)體識(shí)別準(zhǔn)確是指?jìng)€(gè)體類(lèi)別分類(lèi)正確,識(shí)別準(zhǔn)確率是指?jìng)€(gè)體樣本識(shí)別正確的數(shù)量占個(gè)體總樣本數(shù)的比例。

(a)極化幅度比特征

(b)極化相位差特征

在硬判決規(guī)則下分別采用極化幅度比和極化相位差特征,對(duì)不同信噪比下通信輻射源個(gè)體原始數(shù)據(jù)和校正數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,識(shí)別準(zhǔn)確率如圖14所示。可以看出:隨著信噪比的提升,本文方法對(duì)輻射源的識(shí)別準(zhǔn)確率逐步提高。在10 dB時(shí),利用極化幅度比和極化相位差特征的識(shí)別準(zhǔn)確率分別可達(dá)98%和75%以上;在20 dB時(shí),利用幅度比極化特征的個(gè)體識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%。重構(gòu)數(shù)據(jù)較原始數(shù)據(jù)識(shí)別效果更好,證明了本文方法的有效性和可靠性。

10 dB和20 dB信噪比下,采用極化幅度比、極化相位差以及極化幅度比和極化相位差時(shí),個(gè)體極化特征分布情況分別如圖15和圖16所示。

由圖15和圖16可以得出,單純的極化幅度比特征相較于極化相位差特征在個(gè)體區(qū)分度上效果更好。在信噪比較低時(shí),極化幅度比特征仍然可以清晰地區(qū)分出兩類(lèi)目標(biāo),而極化相位差特征分類(lèi)界限不明顯。在信噪比為10 dB以上時(shí),綜合使用極化幅度比和極化相位差兩個(gè)特征可以較好地實(shí)現(xiàn)通信輻射源個(gè)體的分類(lèi)識(shí)別。

(a)極化幅度比特征

(c)極化幅度比-極化相位差特征

(a)極化幅度比特征

(b)極化相位差特征

(c)極化幅度比-極化相位差特征

除此之外,在暗室理想條件下,對(duì)同一廠家、同一批次、同一型號(hào)的10副某刀型天線進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)采,并使用本文方法進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。結(jié)果表明,本文方法對(duì)10個(gè)天線個(gè)體的識(shí)別準(zhǔn)確率均達(dá)到99%以上。在實(shí)采數(shù)據(jù)上疊加高斯白噪聲,模擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中接收機(jī)在信噪比10 dB下采集到的輻射源信號(hào)。分類(lèi)識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法對(duì)10個(gè)天線個(gè)體的識(shí)別率均達(dá)到了95%以上。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)通信輻射源個(gè)體在空、時(shí)、頻、能域特征下難以準(zhǔn)確分類(lèi)識(shí)別的問(wèn)題,提出了一種采用極化特征的通信輻射源個(gè)體識(shí)別方法。推導(dǎo)了支撐通信輻射源個(gè)體識(shí)別的雙極化特征表征方法,構(gòu)建了雙極化接收系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了極化信號(hào)的接收和雙極化特征的提取,并通過(guò)建模分析極化通道的時(shí)變幅相誤差,設(shè)計(jì)了基于自編碼器的通道時(shí)變幅相誤差校正算法,克服了雙極化特征對(duì)通道噪聲與時(shí)變幅相誤差敏感的問(wèn)題,有效實(shí)現(xiàn)了采用極化特征的通信輻射源個(gè)體識(shí)別。在仿真實(shí)驗(yàn)與暗室實(shí)測(cè)條件下,驗(yàn)證了方法的有效性。通過(guò)分析可知,低信噪比條件和變調(diào)制樣式情況下,不同輻射源個(gè)體的極化特征混疊明顯。下一步將考慮以下3個(gè)方向的研究:①低信噪比條件下有效提取并運(yùn)用極化特征進(jìn)行輻射源個(gè)體的分類(lèi)識(shí)別;②面對(duì)不同調(diào)制樣式場(chǎng)景下,采用極化特征對(duì)通信輻射源個(gè)體進(jìn)行有效識(shí)別;③跳頻通信個(gè)體在不同組網(wǎng)方式下利用極化特征實(shí)現(xiàn)跳頻網(wǎng)臺(tái)的有效分選。