基于通信域和雷達(dá)域融合特征的無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型識(shí)別算法

張書(shū)衡, 翟茹萍, 劉永凱

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

0 引 言

近年來(lái),隨著智能技術(shù)以及自組網(wǎng)技術(shù)的深入研究,無(wú)人機(jī)集群得到迅速發(fā)展[1-2],其憑借低成本、大規(guī)模、高靈活性等特點(diǎn),已然成為現(xiàn)代局部戰(zhàn)場(chǎng)的進(jìn)攻利器[3]。與集群技術(shù)的快速發(fā)展相比,目前反集群的相關(guān)技術(shù)尚不成熟,難以對(duì)敵方無(wú)人機(jī)集群形成有效的攔截[4]。在集群防御體系中,提前掌握未知集群類(lèi)型等相關(guān)信息,是建立有效防御的關(guān)鍵,因此有必要對(duì)無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型的識(shí)別展開(kāi)深入研究。

目前大多數(shù)的研究?jī)H使用通信域或雷達(dá)域信號(hào)對(duì)單無(wú)人機(jī)用戶類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[5-6]利用通信域信號(hào)特征對(duì)單個(gè)無(wú)人機(jī)用戶進(jìn)行類(lèi)型識(shí)別。文獻(xiàn)[7]利用短時(shí)傅里葉變換將通信信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜圖,將該頻譜圖輸入至卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network, CNN)中進(jìn)行識(shí)別,然而將信號(hào)轉(zhuǎn)換成特征圖譜,增加了計(jì)算的復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[8]提取用戶信號(hào)的高階累積量和瞬時(shí)特征,利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural network, DNN)對(duì)用戶類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別分類(lèi),在低信噪比下取得了不錯(cuò)的識(shí)別效果,但是其輸入特征的維度、樣本數(shù)量過(guò)多,增加了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量。文獻(xiàn)[9]提取了無(wú)人機(jī)射頻信號(hào)指紋特征,但是僅適用于兩種單無(wú)人機(jī)類(lèi)型的識(shí)別分類(lèi)。在集群類(lèi)型識(shí)別中,在利用通信域特征對(duì)其進(jìn)行識(shí)別時(shí),由于存在多個(gè)用戶信號(hào)之間的處理工作以及對(duì)用戶信號(hào)提取的特征數(shù)量多、存在冗余,包括對(duì)使用的網(wǎng)絡(luò)具有低復(fù)雜度、高性能等要求,最終會(huì)導(dǎo)致對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別率較低等問(wèn)題。

通過(guò)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)類(lèi)型識(shí)別的研究主要包含兩個(gè)方向:一類(lèi)是提取目標(biāo)的航跡信息;另一類(lèi)是提取目標(biāo)的微多普勒信息。文獻(xiàn)[10-12]通過(guò)分析雷達(dá)對(duì)目標(biāo)(無(wú)人機(jī)、鳥(niǎo)類(lèi)、車(chē)輛)探測(cè)的航跡數(shù)據(jù),提取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、多普勒等特征,使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)目標(biāo)類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)。上述研究?jī)H針對(duì)單無(wú)人機(jī)類(lèi)型的識(shí)別進(jìn)行了分析和討論,并沒(méi)有考慮集群類(lèi)型識(shí)別的場(chǎng)景。文獻(xiàn)[13-16]通過(guò)提取目標(biāo)的微多普勒特征,對(duì)不同類(lèi)型的目標(biāo)(固定翼、直升機(jī)、飛機(jī)、鳥(niǎo)類(lèi))進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)。然而目前對(duì)微多普勒特征的提取技術(shù)僅基于近距離、理想環(huán)境下,不適用于遠(yuǎn)距離的集群類(lèi)型識(shí)別場(chǎng)景。與微多普勒提取技術(shù)相比,雷達(dá)航跡特征在距離上的限制要寬松得多,可被應(yīng)用于遠(yuǎn)距離集群類(lèi)型的識(shí)別。在利用雷達(dá)域特征對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別時(shí)因存在多個(gè)無(wú)人機(jī)目標(biāo),需要進(jìn)行多目標(biāo)探測(cè)識(shí)別以及航跡數(shù)據(jù)處理等。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種融合通信域和雷達(dá)域信號(hào)特征的無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型識(shí)別算法。該算法通過(guò)構(gòu)建通信信號(hào)和雷達(dá)信號(hào)的融合特征矩陣,提高了集群類(lèi)型識(shí)別的正確率。其次,針對(duì)集群高維特征數(shù)據(jù)的處理,提出了二次篩選的近鄰成分分析(secondary screening of neighbourhood components analysis, SSNCA)算法,有效地減少了特征的冗余。最后,將降維后的融合特征矩陣輸入至稀疏自編碼器網(wǎng)絡(luò)(sparse autoencoder network, SAEN)進(jìn)行識(shí)別,驗(yàn)證了所提算法的有效性。

1 系統(tǒng)模型

本文設(shè)定有5個(gè)不同類(lèi)型的無(wú)人機(jī)集群A、B、C、D、E,且任意集群內(nèi)存在多個(gè)用戶利用正交資源(如頻分復(fù)用等)進(jìn)行通信,如圖1所示。

同一集群內(nèi)的無(wú)人機(jī)保持等間距、等高度徑向飛往雷達(dá),在雷達(dá)探測(cè)采樣時(shí)間內(nèi)保持勻速運(yùn)動(dòng)。假設(shè)通信偵測(cè)接收機(jī)接收的信號(hào)為s(t):

(1)

式中:xi(t)是集群內(nèi)第i個(gè)用戶的通信調(diào)制信號(hào);n(t)是均值為零、方差為σ2的加性高斯白噪聲。

2 通信域和雷達(dá)域融合特征矩陣的構(gòu)建

本節(jié)主要介紹集群信號(hào)特征的理論知識(shí),包括集群通信信號(hào)的高階累積量和瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)量,以及雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的航跡特征,最后詳細(xì)闡述了集群通信-雷達(dá)融合特征矩陣的構(gòu)建。

2.1 高階累積量

高斯白噪聲的均值為零,且二階以上的高階累積量也為零,因此高階累積量可以抑制噪聲的干擾,可用于調(diào)制信號(hào)的識(shí)別[17]。

對(duì)于均值為零的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程x(t),其部分高階累積量的表達(dá)式[18]如下:

C20=cum(x,x)=M20

(2)

C21=cum(x,x*)=M21

(3)

(4)

(5)

式中:cum(·)的含義為對(duì)(·)求累積量;“*”表示共軛;Mpq表示平穩(wěn)信號(hào)x(t)的p階混合矩陣,定義為

Mpq=E[x(t)p-qx*(t)q]

(6)

式中:q表示共軛的個(gè)數(shù);E[·]表示均值。

本文使用9個(gè)累積量C20、C21、C40、C41、C42、C60、C61、C62、C63,組成集群類(lèi)型識(shí)別的第一類(lèi)特征向量。為了充分利用累積量的相位信息,對(duì)其進(jìn)行實(shí)部和虛部分離的操作,并按照實(shí)部在前、虛部在后的排列方式組成了一個(gè)18維的特征向量:

F1=[Re(C20),Re(C21),…,Re(C63),Im(C20),Im(C21),…,Im(C63)]1×18

(7)

2.2 瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)量

不同調(diào)制信號(hào)在幅度、相位和頻率上存在著差異,利用信號(hào)瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位等信息,可得到不同的瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)量,進(jìn)而可以識(shí)別不同用戶信號(hào)的類(lèi)型。在盡可能區(qū)分本文使用的調(diào)制信號(hào)種類(lèi)的情況下,選取了以下特征統(tǒng)計(jì)量[19]。

零中心歸一化非弱信號(hào)段瞬時(shí)幅度標(biāo)準(zhǔn)差σda,可以表征信號(hào)幅度的變化信息,表示為

(8)

(9)

(10)

式中:Acn(k)是第k個(gè)符號(hào)的零中心歸一化瞬時(shí)幅度;An(k)是第k個(gè)符號(hào)的歸一化瞬時(shí)幅度;ma為信號(hào)瞬時(shí)幅度的平均值;A(k)是第k個(gè)符號(hào)的幅值;Lthr是信號(hào)幅度大于門(mén)限值(thr)的符號(hào)個(gè)數(shù),其中門(mén)限值為平均符號(hào)能量。

零中心歸一化瞬時(shí)幅度絕對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)σaa用于表征信號(hào)的絕對(duì)幅度信息,表示為

(11)

(12)

零中心非弱信號(hào)段瞬時(shí)相位非線性分量的標(biāo)準(zhǔn)差σdp可以表征信號(hào)相位變化的信息,表示為

(13)

式中:φ(k)是第k個(gè)復(fù)信號(hào)的相位。

零中心非弱信號(hào)段瞬時(shí)相位非線性分量的絕對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)差σap可以表征信號(hào)的絕對(duì)相位信息,表示為

(14)

式中:|φ(k)|是第k個(gè)復(fù)信號(hào)相位的絕對(duì)值。

本文選取了上述5個(gè)瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)量作為集群類(lèi)型識(shí)別的第二類(lèi)特征向量F2,即

(15)

2.3 雷達(dá)航跡特征

設(shè)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的初始相位為零,則發(fā)射信號(hào)表達(dá)式為

sT(t)=A1exp{j2πf0t+jπKt2}

(16)

式中:A1為發(fā)射信號(hào)的幅度;f0為載頻;K為調(diào)頻斜率。目標(biāo)延時(shí)τ為

(17)

式中:R0為目標(biāo)到雷達(dá)的距離;vr為目標(biāo)與雷達(dá)的徑向速度;c為光速。則對(duì)應(yīng)的集群多目標(biāo)的回波信號(hào)可表示為

(18)

將發(fā)射信號(hào)作為參考信號(hào)與回波信號(hào)混頻,得到中頻信號(hào):

s′(t)=conj(sT(t))·sR(t)=

(19)

中頻回波經(jīng)脈沖壓縮、多普勒累積、恒虛警檢測(cè)(constant false-alarm rate, CFAR)、數(shù)字波束形成等信號(hào)處理流程后得到原始點(diǎn)跡,如圖2所示。

圖2 雷達(dá)信號(hào)處理流程Fig.2 Radar signal processing flow

每個(gè)原始點(diǎn)跡包含了目標(biāo)的空間信息、速度信息等,大量點(diǎn)跡按照時(shí)序排列后組成了目標(biāo)的航跡。通過(guò)對(duì)航跡中點(diǎn)跡的信息統(tǒng)計(jì)分析,可以得到目標(biāo)在空間、多普勒、反射強(qiáng)度等多種信息上的分布,從而進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別分類(lèi)。本文提取了航跡中距離(d)、速度(v)、方位角(α)、俯仰角(θ)、高度(h)作為集群類(lèi)型識(shí)別的第三類(lèi)特征向量F3[8-9],即:

F3=[d,v,α,θ,h]1×5

(20)

2.4 集群通信—雷達(dá)融合特征矩陣的構(gòu)建

(21)

式中:Ns表示樣本數(shù)量。提取雷達(dá)航跡特征F3,構(gòu)建集群通信—雷達(dá)融合特征矩陣Mcr如下:

(22)

(23)

3 通信—雷達(dá)融合特征矩陣的降維

本節(jié)主要根據(jù)不同的特征選擇算法,對(duì)集群融合矩陣進(jìn)行降維。

3.1 主成分分析

主成分分析(principal component analysis, PCA)是一種常用的無(wú)監(jiān)督降維方法[20]。它根據(jù)最大方差理論,從原始特征數(shù)據(jù)中提取出一組全新的特征變量,以減少特征之間的相關(guān)性和噪聲的干擾。

其數(shù)學(xué)思想如下:原始輸入樣本矩陣為x=[x1,x2,…,xn]T,xj∈Rm,存在編碼映射f,使得f(xj)=r。那么也存在一個(gè)解碼映射g,使得xj≈g(r)=Zr。其中Z為解碼矩陣,規(guī)定存在如下約束:其列向量相互正交,且存在單位范數(shù)。

假設(shè)輸入xj的最優(yōu)編碼為r*,通過(guò)最小化xj和g(r*)之間的距離,用L2范數(shù)來(lái)確定:

(24)

通過(guò)梯度求解:

(25)

r=ZTxj

(26)

k(xj)=g(f(xj))=ZZTxj

(27)

問(wèn)題轉(zhuǎn)換成求解編碼矩陣Z,即通過(guò)最小化誤差矩陣的Frobenius范數(shù)求解最優(yōu)矩陣Z*:

s.t.ZTZ=Il

(28)

先考慮l=1的情況:Z*是一個(gè)向量,可簡(jiǎn)化為

(29)

使用矩陣Xi,：=x(i)T=xT代入得

s.t.zTz=1

(30)

上述問(wèn)題通過(guò)特征值分解求解完成:z*是XTX最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量,即第一個(gè)主成分變量,則矩陣Z*由XTX前l(fā)個(gè)最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量組成。

在使用PCA算法對(duì)Mcr降維時(shí),主成分貢獻(xiàn)率的閾值th分別選擇了0.98和0.998。當(dāng)閾值為0.98時(shí),所有信噪比下對(duì)應(yīng)的主成分?jǐn)?shù)量為3;當(dāng)閾值為0.998時(shí),所有信噪比下對(duì)應(yīng)的主成分?jǐn)?shù)量大于6(6～12個(gè))。

3.2 近鄰成分分析

近鄰成分分析(neighbourhood components analysis, NCA)是一種距離測(cè)度學(xué)習(xí)算法[21],是從K-近鄰(Knearest neighbor, KNN)分類(lèi)的隨機(jī)變量中計(jì)算留一法的分類(lèi)誤差,通過(guò)梯度下降法使目標(biāo)函數(shù)最大化,得到一個(gè)低秩矩陣,從而將高維數(shù)據(jù)變換到低維數(shù)據(jù),達(dá)到數(shù)據(jù)降維的目的。

其數(shù)學(xué)思想如下:對(duì)于數(shù)據(jù)集{x1,x2,…,xn},其中任意兩個(gè)樣本點(diǎn)xi和xj之間的馬氏距離定義為

d(xi,xj)=(xi-xj)T·R·(xi-xj)=

(Pxi-Pxj)T·(Pxi-Pxj)

(31)

式中:1≤i,j≤n;R為對(duì)稱半正定矩陣,且R=PTP。定義pij為樣本點(diǎn)xi與樣本點(diǎn)xj被分為同一類(lèi)的概率:

(32)

則任意樣本點(diǎn)xi被正確分類(lèi)的概率為pi:pi=∑xj∈Ωipij,Ωi表示與點(diǎn)xi屬于同一類(lèi)的點(diǎn)集合。目標(biāo)函數(shù)I(P)要使得被正確分類(lèi)的點(diǎn)數(shù)達(dá)到最大,定義為

(33)

對(duì)P求微分,得到梯度規(guī)則:

(34)

對(duì)于上述無(wú)約束的優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)梯度下降法可計(jì)算出變換矩陣P,當(dāng)P是一低秩矩陣,即可將原始高維數(shù)據(jù)嵌入低維空間中,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維。

3.3 SSNCA

針對(duì)本文研究?jī)?nèi)容,提出了SSNCA算法對(duì)復(fù)雜的集群高維特征進(jìn)行降維。原始特征矩陣經(jīng)NCA算法選擇后,將直接輸出降維后的特征矩陣,即完成了特征選擇過(guò)程(稱之為一次篩選)。SSNCA增加了第二次特征篩選的過(guò)程:簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),先使用傳統(tǒng)NCA網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同信噪比下的特征數(shù)據(jù)集完成一次篩選,得到不同維度的特征矩陣;接著進(jìn)行二次篩選:統(tǒng)計(jì)每類(lèi)特征出現(xiàn)的頻率fk。當(dāng)fk大于等于閾值th時(shí),選擇加入最終的集群特征矩陣,否則就舍棄。本文設(shè)定對(duì)最終識(shí)別分類(lèi)具有貢獻(xiàn)的特征出現(xiàn)頻率的閾值th為2。SSNCA算法流程圖如圖3所示。

圖3 SSNCA特征選擇算法流程圖Fig.3 Flowchart of SSNCA feature selection algorithm flowchart

二次篩選的目的是保證不會(huì)漏選任一維對(duì)識(shí)別具有貢獻(xiàn)的特征,以免造成信息的損失,同時(shí)避免在某個(gè)信噪比下的特征數(shù)據(jù)集存在篩選上的偶然性。

使用SSNCA算法對(duì)維度為51的Mcr進(jìn)行降維,經(jīng)過(guò)篩選后,確定以下8個(gè)特征構(gòu)成本文集群類(lèi)型識(shí)別的特征向量:

(35)

(36)

4 SAEN

4.1 網(wǎng)絡(luò)模型

不同于CNN和RNN等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),SAEN的隱藏層含有稀疏系數(shù),可以減小過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn),并加速網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和部署,可用于集群類(lèi)型識(shí)別場(chǎng)景。SAEN的原理如下:設(shè){x1,x2,…,xn}是訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,其中x∈Rm。對(duì)于n個(gè)訓(xùn)練樣本,使用梯度下降算法進(jìn)行訓(xùn)練,其代價(jià)函數(shù)如下:

(37)

(38)

式中:ζ(x)是Sigmoid激活函數(shù);W和b是對(duì)應(yīng)層的權(quán)重矩陣和偏置。而SAEN的稀疏約束是通過(guò)對(duì)神經(jīng)元的平均激活進(jìn)行限制,使其大多時(shí)候保持為零。可通過(guò)Kullback-Leibler(KL)散度來(lái)實(shí)現(xiàn)稀疏約束

(39)

(40)

(41)

式中:β是懲罰系數(shù),調(diào)節(jié)KL散度在總代價(jià)函數(shù)中的權(quán)重;g0是對(duì)應(yīng)層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)。

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),不斷對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后,在保證SAEN的識(shí)別性能高且穩(wěn)定的情況下,得到了本文使用的SAEN的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置,如表1所示。其中,隱藏層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)根據(jù)輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化而變化。

表1 SAEN結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置

4.2 基于SAEN的無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型識(shí)別算法

本文采用具有兩層隱藏層的SAEN完成集群類(lèi)型的識(shí)別:首先提取不同集群通信信號(hào)的高階累積量和瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)量,對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)分析提取集群航跡特征,構(gòu)建集群融合特征矩陣;然后,使用SSNCA特征選擇算法對(duì)融合矩陣進(jìn)行特征選擇,降低矩陣維度;最后,使用SAEN對(duì)降維后的融合矩陣進(jìn)行集群類(lèi)型的識(shí)別?；赟AEN的集群識(shí)別網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。

圖4 基于SAEN的集群類(lèi)型識(shí)別模型Fig.4 Swarm type recognition model based on SAEN

基于SAEN的集群類(lèi)型識(shí)別算法流程如圖5所示。

圖5 基于SAEN的無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型識(shí)別算法流程Fig.5 Process of SAEN-based unmanned aerial vehicle swarm type identification algorithm

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 仿真條件

本文無(wú)人機(jī)集群融合特征的數(shù)據(jù)集共包含5種不同集群的特征樣本,每種集群特征樣本數(shù)為1 000,共包含5 000條樣本。所有數(shù)據(jù)集均按照7∶3的比例劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集。通信和雷達(dá)仿真信道均為加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise, AWGN)信道,通信信號(hào)信噪比定義為接收信號(hào)功率除以噪聲功率,雷達(dá)信號(hào)信噪比定義為中頻回波信號(hào)功率除以噪聲功率。兩者初始數(shù)值大小相等。仿真所使用的信噪比以通信信號(hào)信噪比大小為基準(zhǔn)。

本文設(shè)定集群通信場(chǎng)景為不同的集群,將使用不同的調(diào)制方式進(jìn)行內(nèi)部通信。無(wú)人機(jī)集群的通信數(shù)據(jù)如表2所示。集群A～E通信信號(hào)調(diào)制方式分別使用二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)、正交相移鍵控(quadrature phase shift keying, QPSK)、8移相鍵控(8 phase shift keying, 8PSK)、16進(jìn)制正交幅度調(diào)制(16 quadrature amplitude modulation, 16QAM)以及64進(jìn)制正交幅度調(diào)制(64 quadrature amplitude modulation, 64QAM)。

表2 不同集群參數(shù)設(shè)置

設(shè)定集群雷達(dá)探測(cè)場(chǎng)景為:集群內(nèi)共有6架無(wú)人機(jī),無(wú)人機(jī)之間的間距為100 m,其飛行速度和高度均保持一致,飛行方向?yàn)閺较蚩拷走_(dá),所處方位角范圍為0°～30°。仿真使用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá),雷達(dá)參數(shù)如表3所示。

表3 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

仿真生成了5種不同集群類(lèi)型飛行航跡的雷達(dá)探測(cè)回波數(shù)據(jù),其中每條航跡樣本包含20個(gè)點(diǎn)跡,每個(gè)點(diǎn)跡包含距離、方位角、俯仰角、速度、高度五維信息。對(duì)每一條航跡樣本中所有點(diǎn)跡信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,取每個(gè)維度的均值作為最終的航跡特征樣本。集群飛行航跡參數(shù)的范圍如表4所示。

表4 無(wú)人機(jī)集群航跡參數(shù)設(shè)置

5.2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)1使用參數(shù)如表3的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)對(duì)不同隊(duì)形的無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行仿真探測(cè),根據(jù)回波信號(hào)可提取出目標(biāo)的相關(guān)信息,包括目標(biāo)個(gè)數(shù)、速度、距離和角度信息。其中速度—距離圖如圖6所示。圖6是使用雷達(dá)對(duì)不同隊(duì)列分布的無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行仿真探測(cè),其回波信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理后得到的速度距離圖。圖6(a)清晰地顯示了6架無(wú)人機(jī)距離雷達(dá)的位置和飛行速度;圖6(b)顯示了當(dāng)無(wú)人機(jī)的距離存在重疊時(shí)的情況,可以看出重疊的目標(biāo)越多,其距離門(mén)對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度越大。

圖6 無(wú)人機(jī)集群呈不同隊(duì)列分布時(shí)雷達(dá)探測(cè)的速度距離圖Fig.6 Speed and distance map of radar detection when the unmanned aerial vehicle swarm is distributed in different queues

實(shí)驗(yàn)2根據(jù)第2.1節(jié)和第2.2節(jié)內(nèi)容對(duì)單無(wú)人機(jī)用戶采樣信號(hào)提取高階累積量和瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)量,得到單機(jī)通信特征矩陣Md,利用SAEN對(duì)單機(jī)通信矩陣Md和集群通信矩陣Mc進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)選擇參考文獻(xiàn)[6]提出的算法對(duì)集群信號(hào)進(jìn)行特征提取,并使用文獻(xiàn)中相同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的DNN進(jìn)行識(shí)別。

由圖7可知,當(dāng)僅使用通信特征對(duì)無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別時(shí),正確率隨著信噪比的增大遞增,且對(duì)單機(jī)類(lèi)型識(shí)別的性能要優(yōu)于對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別的性能。在信噪比為-4 dB時(shí),SAEN對(duì)單機(jī)通信特征矩陣識(shí)別的性能比集群通信特征矩陣識(shí)別的性能大約高2.6dB。這是因?yàn)樵诘托旁氡葧r(shí),集群內(nèi)部通信的多個(gè)信號(hào)之間因信噪比不同,其特征不夠明顯,相互間存在一定的干擾。而當(dāng)信噪比大于0 dB后,集群識(shí)別性能與單機(jī)識(shí)別性能是接近的。與文獻(xiàn)[6]的性能曲線對(duì)比可知,當(dāng)信噪比低于2 dB時(shí),本文提出的基于通信信號(hào)特征識(shí)別的算法性能大約高1.5 dB。該仿真結(jié)果證明了本文提出的算法在通信域特征上更適用于集群類(lèi)型識(shí)別。

圖7 SAEN對(duì)單無(wú)人機(jī)和集群通信特征識(shí)別性能圖Fig.7 SAEN performance graph for single unmanned aerial vehicle recognition and swarm communication feature recognition

實(shí)驗(yàn)3本實(shí)驗(yàn)使用不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)集群通信特征Mc和集群通信—雷達(dá)融合特征Mcr進(jìn)行識(shí)別。選取全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fully connected neural network, FCNN)作為對(duì)比網(wǎng)絡(luò),共有兩層全連接層,各層神經(jīng)元結(jié)點(diǎn)數(shù)為(128,64),激活函數(shù)為ReLU。使用的SAEN的隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為(30,20)。

圖8為不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)集群通信特征和集群通信-雷達(dá)融合特征進(jìn)行識(shí)別的性能對(duì)比圖。整體上,不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同類(lèi)型特征識(shí)別的正確率均隨著信噪比的增大而上升。僅從通信域特征對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別的分析,可以看出在信噪比小于-2 dB時(shí),FCNN的性能優(yōu)于SAEN;而從融合特征維度來(lái)看,SAEN在仿真信噪比范圍內(nèi)均優(yōu)于FCNN,更適用于雙域融合特征的學(xué)習(xí),且當(dāng)信噪比低于-2 dB時(shí),FCNN在對(duì)融合特征學(xué)習(xí)的結(jié)果上存在不穩(wěn)定的情況。從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)維度分析,使用融合特征對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別的正確率均高于僅使用通信域特征,該仿真結(jié)果證明了本文提出的基于通信-雷達(dá)融合特征的無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型識(shí)別算法的有效性。

圖8 不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)集群通信特征和集群通信—雷達(dá)融合特征 識(shí)別性能對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of the recognition performance of swarm communication features and swarm communication-radar fusion features among different networks

實(shí)驗(yàn)4本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證不同特征選擇算法對(duì)集群通信—雷達(dá)融合矩陣Mcr降維后的影響。使用SAEN對(duì)不同算法降維后的融合矩陣進(jìn)行識(shí)別?？紤]到降維后特征矩陣維度的減少,使用SAEN的隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)減少至(10,8)。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同特征選擇算法對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別影響的對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of the impact of different feature selection algorithms on swarm type recognition

圖9表明本文使用特征選擇算法對(duì)集群高維特征進(jìn)行篩選的方法是有效的。在面對(duì)集群高維特征時(shí),使用PCA算法提取的新特征存在一定的信息損失。當(dāng)對(duì)主成分貢獻(xiàn)率的閾值(th)提高時(shí),可以增加網(wǎng)絡(luò)對(duì)集群類(lèi)型識(shí)別的正確率,但是其特征矩陣的維度也相應(yīng)增加了。這說(shuō)明,只要對(duì)PCA算法的閾值進(jìn)行合適設(shè)置,可以在一定程度上降低融合特征的冗余。而通過(guò)性能曲線對(duì)比可知,本文提出的使用SSNCA算法進(jìn)行降維的識(shí)別性能要優(yōu)于原始NCA算法和PCA算法。當(dāng)信噪比在-2 dB到2 dB時(shí),使用SSNCA對(duì)特征降維后的識(shí)別性能要比使用NCA算法高3%左右。該仿真結(jié)果表明,SSNCA算法不僅大幅度減少了特征冗余,同時(shí)在低信噪比條件下,對(duì)集群識(shí)別性能起到了一定程度的提升作用,適用于本文提出的高維融合特征矩陣降維。

6 結(jié) 論

針對(duì)目前僅使用單域信號(hào)特征對(duì)單無(wú)人機(jī)進(jìn)行類(lèi)型識(shí)別的問(wèn)題,本文提出了融合無(wú)人機(jī)集群通信信號(hào)特征和雷達(dá)航跡特征的方法,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)集群類(lèi)型的有效識(shí)別。另外,本文提出的SSNCA特征選擇算法,有效降低了集群融合特征矩陣的維度,減少了特征的冗余。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的集群類(lèi)型識(shí)別方法,在信噪比為0 dB時(shí),對(duì)5種不同集群類(lèi)型的平均識(shí)別正確率為88%,同時(shí)顯著降低了集群融合矩陣的維度(僅為原始矩陣的27%)。