摘 要:針對具有時頻特性的雷達信號,傳統(tǒng)的雷達信號識別方法已經(jīng)無法滿足對信號類型精準識別的需求,因此需要通過采集并分析雷達信號脈內(nèi)的時頻特征實現(xiàn)對目標雷達的具體信息進行有效評估。設計了一種卷積-雙向長短時記憶(Convolution-Bidirectional Long Short-Term Memory,CNN-BiLSTM) 混合神經(jīng)網(wǎng)絡模型,主要通過BiLSTM 的時序記憶特性深度挖掘雷達信號的時域特征,結合權值共享特性和CNN 層捕獲雷達信號的時頻特征,再利用二者信號特征聯(lián)合完成對雷達信號調(diào)制方式的識別。通過對比實驗驗證,所提方法對若干種雷達信號的識別具有較高的準確度,平均值達到95. 349% ;優(yōu)于只使用單一特征的網(wǎng)絡和傳統(tǒng)算法,具有良好的抗噪聲能力。
關鍵詞:深度學習;卷積-雙向長短時記憶混合神經(jīng)網(wǎng)絡;雷達信號調(diào)制識別
中圖分類號:TN971. 1 文獻標志碼:A 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
文章編號:1003-3106(2024)06-1440-06
0 引言
雷達信號調(diào)制方式識別技術作為情報偵察系統(tǒng)[1-2]和現(xiàn)代電子對抗[3-4]的關鍵部分,其功能是對觀測截獲的雷達信號進行定位、分析和識別處理[5],以獲取對方的戰(zhàn)術電子情報和雷偵手段,從而為作戰(zhàn)指揮員提供戰(zhàn)場態(tài)勢信息和戰(zhàn)術決策行動[6-7]。因此,研究一種能適應復雜電磁環(huán)境并識別多種雷達信號調(diào)制方式的方法,對于提升國防電子偵察能力具有十分重要的意義。
由于雷達信號調(diào)制方式與雷達的用途和功能息息相關,但隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益多元化,新型復雜體制雷達地不斷涌現(xiàn),傳統(tǒng)的基于脈間五大參數(shù)[8]的雷達信號識別方法已經(jīng)無法滿足對信號類型精準識別的需求,因此需要通過采集并分析雷達信號脈內(nèi)的時頻特征實現(xiàn)對目標雷達的具體信息進行有效評估[9]。在此情形下,亟需一種能夠在雷達信號中提取出更為精細和穩(wěn)定的時頻特征的措施,從而達到對雷達信號調(diào)制方式高準確度識別的要求。近年來,依靠著電子信息技術和深度學習技術的快速發(fā)展與結合,神經(jīng)網(wǎng)絡憑借著良好的特征學習能力被廣泛地應用于雷達信號調(diào)制方式識別領域[10],主要通過對雷達信號脈內(nèi)信息進行時頻分析[11],從而深度挖掘提取信號頻率隨時間變化的規(guī)律。本文設計了一種基于卷積-雙向長短時記憶(Convolution-Bidi-rectional Long Short-Term Memory,CNN-BiLSTM)混合神經(jīng)網(wǎng)絡的雷達信號聯(lián)合特征提取方法,實現(xiàn)了對雷達信號調(diào)制方式較為準確的識別。首先通過BiL-STM 網(wǎng)絡[12]提取雷達信號的時域特征,再對信號進行時頻變換[13],得到信號的時頻特征,利用CNN 層網(wǎng)絡[14]對信號的時頻特征進行分析,最終將二者組合成信號的聯(lián)合特征[15-16]進行識別。通過對比實驗證明:相較于單一特征的傳統(tǒng)識別方法,本方法提升了雷達信號調(diào)制方式識別的準確率,并具有較強的魯棒性。
1 模型框架
CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡模型如圖1 所示,其中包含了輸入層、BiLSTM 層、全連接層、CNN 層、Dropout 層和輸出層。該網(wǎng)絡模型進行雷達信號的特征提取和聯(lián)合識別的過程如下:首先輸入雷達信號數(shù)據(jù)集,通過BiLSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡進行雙向傳播對雷達信號的時序特征進行選擇性篩選;然后傳入全連接層后利用時頻變換獲得一個新的雷達信號時頻矩陣,當時頻矩陣經(jīng)過由多個卷積層與最大池化層交替堆疊組成的CNN 層后,對雷達信號進行深層特征提取,得到多組時頻特征向量后經(jīng)Dropout 層進行隨機丟棄,繼而提高模型識別效果的穩(wěn)定性;最后完成雷達信號特征的聯(lián)合并識別。
2 CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡
2. 1 時域特征處理模塊(BiLSTM 層)
CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡中的時域特征處理模塊主要提取的是雷達信號中的時域相關性,其核心是利用記憶塊對輸入的雷達信號脈沖進行長期或短期的記憶,通過門機制進行管理行成一種多層次的特征選擇方法[17]。時域特征處理模塊由BiLSTM層完成,BiLSTM 層以C(t)為長記憶時間軸,h(t)為短記憶時間軸,通過長短時記憶功能將時序雷達信號脈沖信息進行選擇性的遺忘,從而保留有效特征,剔除無效或重復信息。相較于LSTM,BiLSTM 網(wǎng)絡具有前向傳播和后向傳播的結構特性,在雙向結構處理時序雷達信號的基礎上提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性[18],BiLSTM 層的模型如圖2 所示。
如果在t 時刻BiLSTM 前向傳播輸出的隱藏狀態(tài)為a,而反向的輸出隱藏狀態(tài)為b,則BiLSTM 總輸出的隱藏狀態(tài)如式(1)所示,輸出是前向網(wǎng)絡與后向網(wǎng)絡在每個時刻的綜合輸出。
ht = ha + hb , (1)
式中:+為全連接操作。
2. 2 時頻特征處理模塊(CNN 層)
在CNN 層提取雷達信號的時頻特征時[19],通過CWD 變換獲得雷達信號時頻特征矩陣F,其中包含具有時頻特征的雷達信號數(shù)組X{x1 ,x2 ,…,xm }和每組所對應的特征標簽Y{y1 ,y2 ,…,ym },雷達信號數(shù)組xi 由n 個雷達信號脈沖元素組成,在此表示為{xi1 ,xi2 ,…,xin},目標函數(shù)如下:
P(Y| X) = argmax f(Y| X;θ)。(2)
當單通道雷達信號時頻矩陣作為輸入時,具有時頻特征的雷達信號數(shù)組里元素向量為xi,xi ∈Rn×d,其中n 是雷達信號元素數(shù)量,d 是矢量維度。通過設置的過濾器提取輸入雷達信號的時頻特征,計算如下:
Ji = f(ω × xi:i+g -1 + b), (3)
式中:ω 為卷積核,g 為卷積核的大小,xi:i+g-1 為由i ~ i+g-1 個雷達信號脈沖元素組成的數(shù)組向量,b為偏差項。
在經(jīng)過卷積層處理后,特征矩陣J 可由式(4)表示:
J = [c1 c2 … cn -g +1 ]。(4)
將其通過池化層對雷達信號的局部特征矩陣C進行下采樣處理,生成局部值的最佳解。此處使用最大池化技術,如式(5)所示:
M = max(c1 ,c2 ,…,cn -g +1 ) = max{J}。(5)
經(jīng)過池化操作后,每個卷積核提取的特征向量在一定程度上有所減少,但仍保留了雷達信號核心的時頻特征相關信息。
2. 3 Dropout 運算
由于CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡從雷達信號時頻矩陣中獲取時頻特征時,CNN 層的輸出結果易出現(xiàn)過擬合,在CNN 層后增加Dropout 運算[20],從每個訓練批次中隨機忽略少部分的特征神經(jīng)元,可以減少其中產(chǎn)生的相互作用,使得混合神經(jīng)網(wǎng)絡不會形成依賴狀況,最終有效地降低網(wǎng)絡識別結果的過擬合現(xiàn)象,提高網(wǎng)絡模型的泛化能力。標準神經(jīng)網(wǎng)絡模型結構與包含Dropout 運算的神經(jīng)網(wǎng)絡模型結構的對比如圖3 所示。
Dropout 運算使得當前層的神經(jīng)元不必遍歷下一層所有的神經(jīng)元即可構成連接,形成一種局部連接的結構,降低了網(wǎng)絡的復雜度,因此Dropout 運算不僅解決了識別結果的過擬合現(xiàn)象,而且大幅減少了網(wǎng)絡運算的時間。在考慮CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡模型結構與深度后,使用Dropout 運算忽略的特征神經(jīng)元比例設置為20% 左右時,網(wǎng)絡運算效果達到最優(yōu)。
3 實驗與討論
本次實驗采用長度為512 的調(diào)制雷達信號作為數(shù)據(jù)集,時頻矩陣的架構設定為512×512,循環(huán)層數(shù)為16 層,以交叉熵損失函數(shù)作為分類計算方法,實驗設計的BiLSTM 網(wǎng)絡、CNN 網(wǎng)絡與分類網(wǎng)絡結構如表1 ~ 表3 所示。
本次實驗使用的雷達信號調(diào)制方式包含7 種,分別為單載頻、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相編碼、四相編碼、二頻編碼和四頻編碼[21]。調(diào)制雷達信號采用歸一化處理后的頻率和帶寬表示,包含512 個采樣點。在-10 ~ 10 dB 信噪比變化范圍內(nèi),對于每一種調(diào)制類型的雷達信號以2 dB 為間隔生成5 000 個樣本,并賦予特征類型的標簽[22],調(diào)制的雷達信號數(shù)據(jù)集以7 ∶ 2 ∶ 1 的比例隨機分配為訓練集、驗證集與測試集。網(wǎng)絡訓練設置的參數(shù)如下:迭代次數(shù)為100,其中每一次迭代包含32 個調(diào)制雷達信號,學習率為0. 001,采用的優(yōu)化器為SGD[23]。在訓練過程中CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡的損失值和識別率的變化情況如圖4 和圖5 所示。
從圖4 與圖5 的變化情況可以看出,隨著訓練輪次的疊加,CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡的損失值逐漸降低,而識別率則會逐漸提高;當訓練輪次達到30后,損失值與識別率均會臨近于一個穩(wěn)定值,而后繼續(xù)增加訓練輪次對2 個指標的影響逐漸減小,網(wǎng)絡運行速度下降;當訓練輪次達到100 時,CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡的損失值為0. 118,識別率為95. 349 1% 。從訓練集與驗證集的對比情況可以看出,本模型的擬合情況良好,避免了出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。
從CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡對測試集的訓練過程中分析,提?。?種雷達信號調(diào)制方式的識別度結果如表4 所示??梢钥闯觯茫危?BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡對于形式簡單的雷達信號調(diào)制方式(例如單載頻、線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻)在網(wǎng)絡訓練穩(wěn)定后識別結果十分理想,在訓練20 次后即達到了95% 左右的識別率,在訓練100 次時達到了99% 左右的識別率。而對于時頻特性相對復雜的相位編碼和頻率編碼,在網(wǎng)絡訓練次數(shù)較少時很難達到合格的識別率,但當網(wǎng)絡訓練后趨近于穩(wěn)定時,識別率也有較大的提升;當訓練次數(shù)達到100 時,識別率提高到了90% 以上。其中由于加入了Dropout 運算,使得網(wǎng)絡在訓練30 次左右時就達到較為穩(wěn)定的狀態(tài),但由于部分神經(jīng)元的隨機性丟失,網(wǎng)絡對識別率在40 ~70 次有輕微的波動。當網(wǎng)絡穩(wěn)定后由平均值可見,CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡對于若干種雷達信號調(diào)制方式的識別率在訓練100 次后提高至95. 3491% ,已經(jīng)基本滿足了對雷達信號調(diào)制方式的識別要求。
將CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡與使用單一特征的網(wǎng)絡進行對比,在使用同樣的雷達信號數(shù)據(jù)集和設置同等參數(shù)的情況下,分別對CNN 模型、LSTM 模型和BiLSTM 模型進行訓練并測試,比較4 種模型在不同信噪比下的識別準確率與運行時間,對比結果如圖6 和表5 所示。
由圖6 可知,在- 10 ~ 10 dB 信噪比范圍內(nèi),CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡模型對于雷達信號調(diào)制識別的準確率高于BiLSTM 網(wǎng)絡、LSTM 網(wǎng)絡和CNN網(wǎng)絡。而因信噪對于雷達信號的頻域特征影響要小于時域特征,導致在信噪比較高的情況下,捕獲更多時域特征的BiLSTM 模型識別準確率高于CNN 模型;相反在信噪比較低的情況下,捕獲更多頻域特征的CNN 模型識別準確率要高于BiLSTM 模型。再者,由于BiLSTM 模型具有雙向結構的穩(wěn)定性,在整個信噪比范圍內(nèi)對于信號識別的準確率均高于LSTM 模型。由表5 可知,CNN-BiLSTM 模型在4 種模型中的結構最為復雜,運算時間最長。
4 結束語
本文設計了一種基于CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡的雷達信號聯(lián)合特征提取方法,在獲取與分析雷達信號的時域特征與時頻特征的同時,形成了具有多元化信息的聯(lián)合特征,并添加Dropout 運算與分類網(wǎng)絡對信號進行識別。經(jīng)過實驗的對比研究,CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡在-10 ~ 10 dB 信噪比范圍內(nèi)(每2 dB 為一個步進)的雷達信號識別準確度上比強調(diào)時域特征的BiLSTM 網(wǎng)絡平均提高了15. 9% ,比僅有單向時域特征處理的LSTM 網(wǎng)絡提高了19. 6% ,比未進行時域特征強化處理的CNN 網(wǎng)絡提高了13. 1% ,綜合雷達信號調(diào)制方式識別率達到95. 349% ;并且CNN-BiLSTM 混合神經(jīng)網(wǎng)絡具有良好的抗噪聲能力,最終能夠充分并精確地識別出雷達信號的調(diào)制方式。本文對設計的網(wǎng)絡結構參數(shù)設置沒有進行過多的對比研究,在模型的最優(yōu)化選擇和提升處理數(shù)據(jù)的耗時上值得進一步探討。
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作者簡介
房崇鑫 男,(1995—),碩士,助理工程師。主要研究方向:信息處理技術、無線傳感器網(wǎng)絡。
盛震宇 男,(1989—),碩士,高級工程師。主要研究方向:顯示控制、軟件框架。
夏 明 男,(1978—),碩士,研究員。主要研究方向:物聯(lián)網(wǎng)安全技術。
周慧成 男,(1989—),碩士,工程師。主要研究方向:綜合顯示與控制。