一種非組合的電磁目標(biāo)快速識別算法*

王成剛

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036）

一種非組合的電磁目標(biāo)快速識別算法*

王成剛**

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對電磁目標(biāo)識別算法中輻射源組合的本質(zhì)是避免同一輻射源的多個(gè)可能識別結(jié)果同時(shí)參與一個(gè)目標(biāo)識別模板的匹配置信度計(jì)算的問題，提出了一種非組合的快速電磁目標(biāo)識別方法。依據(jù)目標(biāo)平臺與輻射源的搭載關(guān)系，建立輻射源識別和平臺識別的兩級識別體系，基于兩點(diǎn)和三點(diǎn)模板匹配法對輻射源進(jìn)行識別，然后使用非組合的快速模板匹配法對目標(biāo)平臺屬性進(jìn)行識別。仿真實(shí)驗(yàn)表明使用該方法計(jì)算目標(biāo)的識別置信度簡單易行，可用于實(shí)際工程中電磁目標(biāo)的識別。

電磁目標(biāo)識別；輻射源識別；模板匹配

1　引　言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隱身、機(jī)動(dòng)、高速平臺“縮短”了目標(biāo)的可探測時(shí)間，遠(yuǎn)程精確打擊彈藥、從傳感器到射手的快速鏈接，則進(jìn)一步加速了戰(zhàn)斗進(jìn)程，展現(xiàn)出了特有的“快”吃“慢”的現(xiàn)象，目標(biāo)常常在沒有或無法作出有效反應(yīng)的時(shí)候就被突飛而至的彈藥秒殺。能夠進(jìn)行快速電磁目標(biāo)識別是現(xiàn)代戰(zhàn)場感知系統(tǒng)應(yīng)具備的先進(jìn)性能之一。它是減少戰(zhàn)斗誤傷、提高協(xié)同作戰(zhàn)部隊(duì)防御能力、增強(qiáng)己方作戰(zhàn)部隊(duì)的進(jìn)攻能力的前提條件，同時(shí)也是提高總體作戰(zhàn)效率、獲取戰(zhàn)爭勝利的重要因素，日益受到軍方的重視［1-3］。

加快電磁目標(biāo)識別的方法主要有3種∶一是使用并行處理的方法；二是使用高效率的專用硬件設(shè)備；三是改進(jìn)算法，減少計(jì)算步驟。文獻(xiàn)［4-5］采用并行計(jì)算的方法，提高了目標(biāo)識別的速度；文獻(xiàn)［6-7］采用專用硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了快速識別的目的。改進(jìn)算法、減少計(jì)算步驟是提高目標(biāo)識別速度最直接、最有效的方法，但目前相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文對傳統(tǒng)的電磁目標(biāo)識別過程進(jìn)行了分析和研究，提出了一種非組合的快速匹配識別算法，通過減少匹配計(jì)算步驟，實(shí)現(xiàn)快速目標(biāo)識別的目的；最后通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對本文提出的識別方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2　電磁目標(biāo)綜合識別的原理

目標(biāo)上搭載的電磁輻射源裝備一般有非通信和通信兩大類，目標(biāo)根據(jù)作戰(zhàn)規(guī)則交替、組合使用上述輻射源裝備。電磁目標(biāo)綜合識別的過程通常包括輻射源識別、目標(biāo)關(guān)聯(lián)和目標(biāo)平臺識別，如圖1所示。

圖1　電磁目標(biāo)綜合識別的原理Fig.1 Principle of electromagnetic objects recognition

輻射源識別主要包括非通信號的識別和通信信號的識別。非通信信號偵察設(shè)備可以得到目標(biāo)輻射源設(shè)備的載頻、脈寬、脈沖重復(fù)頻率、示向度等參數(shù)，利用脈沖重復(fù)頻率、載頻上下限、脈寬上下限與相關(guān)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可以得到一定概率的輻射源裝備型號和目標(biāo)平臺型號等信息。通信信號偵察設(shè)備可以得到目標(biāo)通信設(shè)備的載頻、頻段、變頻規(guī)律、調(diào)制方式、帶寬、示向度等參數(shù)，利用載頻、頻段、變頻規(guī)律、調(diào)制方式、帶寬等參數(shù)與相關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，可以得到一定概率的網(wǎng)臺種類、通信級別和通信用途等信息。

目標(biāo)關(guān)聯(lián)就是將屬于同一平臺上的多個(gè)輻射源偵察結(jié)果映射到同一個(gè)目標(biāo)上，從而為后續(xù)的目標(biāo)平臺識別積累判證依據(jù)。

目標(biāo)平臺識別依據(jù)以下事實(shí)∶不同的目標(biāo)（飛機(jī)或艦船）所裝備的電子設(shè)備的種類通常是不一樣的，且同一目標(biāo)在不同的行為狀態(tài)下所使用的電子設(shè)備的類型和參數(shù)也是不一樣。

利用先驗(yàn)知識建立好輻射源識別知識庫和目標(biāo)平臺識別知識庫以后，就可以進(jìn)行如下的兩級識別了∶首先識別平臺上的各種輻射源類型，再根據(jù)平臺設(shè)備配置知識以及關(guān)聯(lián)到同一平臺上的輻射源參數(shù)識別出目標(biāo)平臺的身份。

3　輻射源的識別

模板匹配法是一種簡單、高效的輻射源識別方法。它直接以知識庫中輻射源樣本參數(shù)值作模板，將實(shí)際偵測到的輻射源參數(shù)與之進(jìn)行匹配，選取匹配度最大的樣本所代表的輻射源作為識別結(jié)果［8］。兩點(diǎn)區(qū)間和三點(diǎn)區(qū)間是兩種典型的輻射源參數(shù)，下面分別給出這兩種典型參數(shù)的快速匹配算法。

3.1兩點(diǎn)模板匹配

電磁輻射源的某些特征參數(shù)，如載頻通常是以數(shù)據(jù)段的形式給出的，包括最大值和最小值之間的所有可能取值。模板匹配的原理如圖2所示。

圖2　兩點(diǎn)模板匹配的原理Fig.2 Principle of two points template matching

輻射源參數(shù)的測量值和模板值之間的關(guān)系有6種可能，每種情況的模板匹配結(jié)果如下∶

輻射源的某些特征參數(shù)是以類型的方式給出的，如信號的調(diào)制方式等。對于以類型方式給出的特征參數(shù)，匹配結(jié)果只有0和1兩種可能，即測量值與模板值相等時(shí)匹配結(jié)果為1，反之為0。

輻射源可能具有多種特征參數(shù)，通常根據(jù)特征的重要性分配一定的權(quán)值wi，假設(shè)每個(gè)特征fi的匹配概率等于Pi，則輻射源的匹配概率P=∑wiPi。

通常給出匹配概率最大的幾個(gè)輻射源型號作為識別結(jié)果。

3.2三點(diǎn)模板匹配

對于增加了標(biāo)稱值典型取值點(diǎn)的參數(shù)類型，輻射源識別算法需要進(jìn)行如下改進(jìn)。以頻率為例，由于增加了頻率的標(biāo)稱值，對模板匹配算法改進(jìn)，原理如圖3所示。

圖3　三點(diǎn)匹配算法原理Fig.3 Principle of three points template matching

輻射源參數(shù)的測量值和模板值之間的關(guān)系有6種可能，每種情況的模板匹配結(jié)果如下∶

4　目標(biāo)平臺的識別

目標(biāo)平臺識別通常也采用模版匹配的方法，即將識別出的輻射源型號與知識庫中平臺識別模板進(jìn)行匹配，選取匹配度高的作為識別結(jié)果。

4.1組合模板匹配法

組合模版匹配法是一種常用的目標(biāo)平臺識別方法，其過程分為組合、匹配、排序三個(gè)步驟。組合是對平臺上多個(gè)輻射源的多種識別結(jié)果進(jìn)行排列組合的過程。下面以關(guān)聯(lián)到一個(gè)平臺上的3種輻射源為例來演示輻射源組合，假設(shè)每個(gè)輻射源提供最多3種可能的識別結(jié)果，如圖4所示。

圖4　組合模板匹配法識別原理Fig.4 Principle of combined template matching

通過排列，獲得待識別平臺上所搭載輻射源的可能組合為27種。接下來將每一種輻射源組合和每一個(gè)平臺模版進(jìn)行匹配，如圖5所示。

圖5　比對和識別Fig.5 Matching and recognition

可見，如果要計(jì)算某平臺存在的置信度，需要將其識別模板與上述27種組合結(jié)果進(jìn)行一一匹配，計(jì)算匹配置信度。最后，通過對每一個(gè)匹配置信度排序，取匹配置信度最大的模板所代表的平臺作為識別結(jié)果。在目標(biāo)關(guān)聯(lián)上的輻射源較多時(shí)，上述識別方法會(huì)導(dǎo)致組合爆炸，極大地降低了目標(biāo)識別的效率。因此，應(yīng)從如何避免輻射源組合的角度出發(fā)來改進(jìn)上述算法。

4.2算法的改進(jìn)

組合的本質(zhì)∶由于目標(biāo)上的每一個(gè)輻射源都有多種可能的識別結(jié)果輸出，通過組合的機(jī)制可以避免同一輻射源的多個(gè)可能識別結(jié)果同時(shí)參與一個(gè)目標(biāo)識別模板的匹配置信度計(jì)算。

因此，改進(jìn)后的算法只有匹配和排序兩個(gè)步驟，但是在匹配的過程中要保證每一個(gè)輻射源最多只有一個(gè)識別結(jié)果對平臺識別的置信度計(jì)算做出貢獻(xiàn)，如圖6所示。

圖6　識別算法改進(jìn)原理Fig.6 Principle of recognition algorithm improvement

要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要改進(jìn)匹配計(jì)算的流程，具體如下∶在計(jì)算一個(gè)平臺識別模板的識別置信度時(shí)，首先比對輻射源i的每一種可能識別結(jié)果在模板Tp中是否存在，如果輻射源i中多于一個(gè)識別結(jié)果與模板Tp匹配上，則比較輻射源i的多種可能識別結(jié)果的置信度與平臺識別模板Tp中輻射源權(quán)值相乘的值，選擇最大的一個(gè)用于計(jì)算平臺識別模板的置信度，如下式∶

式中∶mij為第i個(gè)輻射源的第j個(gè)識別結(jié)果的置信度；qk為平臺識別模板中與之匹配的輻射源的權(quán)值。

接下來，使用和傳統(tǒng)組合匹配法相同的排序步驟后，就可以得到平臺識別結(jié)果?？梢?，算法的改進(jìn)主要在取消組合步驟和改進(jìn)匹配過程。由此，可以巧妙地避免組合算法的同時(shí)亦可取得與組合算法同樣的計(jì)算結(jié)果。

5　仿真實(shí)驗(yàn)

對上述輻射源識別算法和平臺識別算法分別進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)1為驗(yàn)證輻射源識別結(jié)果的輸出個(gè)數(shù)與識別錯(cuò)誤率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)2為驗(yàn)證改進(jìn)平臺識別算法后效率的提升。

5.1實(shí)驗(yàn)1

選擇射頻、脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度3個(gè)特征參數(shù)構(gòu)成雷達(dá)輻射源特征向量。假設(shè)有50個(gè)雷達(dá)類；按照均勻分布從UHF頻段到Ka頻段隨機(jī)抽取300個(gè)雷達(dá)射頻數(shù)據(jù)，按等概率隨機(jī)分配給50個(gè)雷達(dá)類；按對數(shù)正態(tài)分布隨機(jī)抽取300個(gè)脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度參數(shù)，也按照等概率隨機(jī)的分配給50個(gè)雷達(dá)類。其中，對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為

對脈沖重復(fù)頻率，μ=0.96 kHz，σ=0.36 kHz；對脈沖寬度，μ=0.72 kHz，σ=0.57 kHz。

按照上述方法隨機(jī)抽取的300個(gè)射頻數(shù)據(jù)、脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度構(gòu)成雷達(dá)識別的數(shù)據(jù)庫。由于只有50個(gè)雷達(dá)類，因此每個(gè)雷達(dá)類都有很多模式。構(gòu)造觀測模式時(shí)，假定測量誤差服從高斯分布，且測量誤差標(biāo)準(zhǔn)差為相應(yīng)已知特征參數(shù)的0.02%～2%。使用輻射源模板匹配法，得如圖7所示的結(jié)果。

圖7　不同條件下的識別錯(cuò)誤率Fig.7 Recognition error rate

圖7中藍(lán)色曲線表示當(dāng)只選擇識別置信度最高的一個(gè)結(jié)果作為最終輻射源識別結(jié)果時(shí)識別錯(cuò)誤率隨測量誤差的變化情況，可以看出當(dāng)測量誤差很小時(shí)，此傳感器的識別錯(cuò)誤率也很低；但當(dāng)測量誤差增大時(shí)，識別錯(cuò)誤率上升的速度也很快。紅色曲線為取兩個(gè)最高置信度輻射源識別結(jié)果，且只要其中有一個(gè)識別結(jié)果是正確結(jié)果就認(rèn)為識別是正確的；綠色為取3個(gè)置信度最高的識別結(jié)果。我們可以看出由于輸出結(jié)果數(shù)目的增加，對正確結(jié)果的覆蓋率增大，所以識別錯(cuò)誤率較輸出一個(gè)識別結(jié)果有所降低。由此實(shí)驗(yàn)可得如下結(jié)論∶在進(jìn)行輻射源識別時(shí)，最多給出3個(gè)識別置信度超出門限的識別結(jié)果較為恰當(dāng)。

5.2實(shí)驗(yàn)2

假設(shè)有5種型號的平臺目標(biāo)共50個(gè)，搭載通信、雷達(dá)、敵我識別和塔康輻射源，具體情況見表1。

表1　目標(biāo)及輻射源搭載關(guān)系Tab.1 Emitter boarding system in targets

在進(jìn)行輻射源識別過程中，每種輻射源允許最多給出3種可能的識別結(jié)果；在平臺識別過程中按照組合匹配法和非組合匹配法分別進(jìn)行識別處理，獲得如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1 000次蒙特卡洛仿真，僅統(tǒng)計(jì)平臺識別時(shí)間，PC機(jī)CPU為酷睿i5、內(nèi)存4 GB）。

表2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment result

在本仿真條件下，兩種識別方法獲得的平臺識別結(jié)果均相同，非組合匹配法所消耗的時(shí)間約為組合法的1/10。

6　結(jié)束語

本文提出的識別方法其優(yōu)點(diǎn)是速度快，和傳統(tǒng)的模板匹配識別法具有相同的識別準(zhǔn)確度。但是，

當(dāng)目標(biāo)識別系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)，識別規(guī)則會(huì)顯著增多，僅僅依靠雷達(dá)、敵我識別、塔康、通信等少數(shù)幾種電子設(shè)備匹配識別平臺還有一個(gè)問題∶如果一個(gè)目標(biāo)平臺所攜的輻射源較多，系統(tǒng)在正確判斷出該飛機(jī)平臺的同時(shí)，可能會(huì)將另一架攜帶輻射源較少（是前者的一個(gè)子集）的目標(biāo)平臺也以較高置信度給出。因?yàn)楹笳邤y帶的設(shè)備是前者的子集，是一種相容關(guān)系，

從而造成系統(tǒng)識別的多義性；而且僅靠雷達(dá)等幾種電子設(shè)備匹配識別平臺時(shí)信息較少，不可避免地存在著誤差的影響。另外，由于基于規(guī)則的推理要通過與知識庫中的規(guī)則進(jìn)行匹配，因此目標(biāo)識別的質(zhì)量在很大程度上取決于知識庫的完備程度。

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王成剛（1979—），男，安徽懷遠(yuǎn)人，2007年于中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所獲博士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事信息融合、目標(biāo)識別等方面的研究工作。

WANG Chenggang was born in Huaiyuan，Anhui Province，in 1979.Hereceivedthe Ph.D.degree from Institute of Optics and Electronics，Chinese Academy of Sciences，in 2007.He is now a senior engineer.His research concerns information fusion and target recognition.

Email∶cgwang@126.com

A Non-combined Fast Recognition Method for Electromagnetic Objects

WANG Chenggang
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

∶This paper introduces a non-combined fast recognition method for electromagnetic object.In the matching procedure of confidence level computation，a guide line is proposed to prevent the repetitive process from multiple probable results of the same emitter.A two-level object recognition system，which includes emitter recognition and platform recognition，is established based on analyzing the boarding relationship between emitter and its boarding platform（i.e.target）.With the use of efficient template matching algorithm and non-combined fast template matching algorithm，emitters and targets can be recognized in order.The simulation example shows that the method is simple and easy to use for calculating the matching confidence level and can be used for recognizing the electromagnetic object in practical engineering.

∶electromagnetic objects recognition；emitter recognition；template matching

The National Defense Pre-research Project in 12th Five-year Plan

TN971；TP391.4

A

1001-893X（2016）05-0490-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.004

王成剛.一種非組合的電磁目標(biāo)快速識別算法［J］.電訊技術(shù)，2016，56（5）∶490-494.［WANG Chenggang.A non-combined fast recognition method for electromagnetic objects［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶490-494.］

2016-03-14；

2016-04-20Received date：2016-03-14；Revised date：2016-04-20

“十二五”國防預(yù)研項(xiàng)目

**通信作者：cgwang@126.comCorresponding author：cgwang@126.com