一種有效的雷達輻射源信號數(shù)據(jù)清洗方法

張力鋒，殷雪鳳

（1.陸裝駐西安地區(qū)第七軍事代表室，陜西 西安 710065；2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071）

0 引 言

隨著雷達技術(shù)的快速發(fā)展，電子對抗所面臨的環(huán)境日益復(fù)雜，雷達輻射源分布范圍廣、密度大，而且信號調(diào)制形式復(fù)雜，調(diào)制參數(shù)轉(zhuǎn)換越來越快捷，信號在時空領(lǐng)域內(nèi)交錯。在如此復(fù)雜的電磁環(huán)境下，電子偵察設(shè)備截獲到的輻射源信號數(shù)目不斷增加，質(zhì)量差異也越來越大，噪聲數(shù)據(jù)與有效數(shù)據(jù)混合在一起，導(dǎo)致獲取戰(zhàn)場態(tài)勢信息的難度加大；另一方面，當今雷達對抗正朝著信息化和智能化的方向發(fā)展，在輻射源信號識別、干擾識別、情報分析和電磁態(tài)勢感知等領(lǐng)域，有不少研究學(xué)者將人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域的方法引入，用于解決電子對抗的相關(guān)研究難題，并取得了不錯的效果。但這些高性能的數(shù)據(jù)驅(qū)動算法對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求也更高。因此，在進行輻射源信號分析識別之前，對原始雷達輻射源信號進行數(shù)據(jù)清洗，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要意義。

數(shù)據(jù)清洗是一種盡可能多地調(diào)整或去除有質(zhì)量問題的原始數(shù)據(jù)而保留正確信息，使其具有更好的穩(wěn)定性和代表性的數(shù)據(jù)處理方法。目前提出的數(shù)據(jù)清洗方法大多用于分析結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，即可以使用二維表結(jié)構(gòu)表示和存儲的數(shù)據(jù)。根據(jù)采用的清洗算法不同可分為基于完整性約束的數(shù)據(jù)清洗算法、基于規(guī)則的數(shù)據(jù)清洗算法、基于統(tǒng)計的數(shù)據(jù)清洗算法和人機結(jié)合的數(shù)據(jù)清洗算法等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、能源、零售、汽車、金融等領(lǐng)域。對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有部分研究成果，主要用于解決時間序列相關(guān)問題，包括單點大錯誤、單點小錯誤、連續(xù)錯誤、平移錯誤等。主要的清洗方法包括基于平滑的清洗算法、基于約束的清洗算法和基于統(tǒng)計的清洗算法，用于解決土遺址監(jiān)測、風(fēng)機裝備、物流車軌跡等領(lǐng)域的時間序列清洗問題。

針對雷達輻射源數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)清洗方法并不適用，因此，本文提出了一種針對雷達輻射源信號的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)清洗方法。該方法首先求取原始信號包絡(luò)與兩個脈沖序列的相像系數(shù)，然后將求得的兩個相像系數(shù)組合成特征向量，最后利用基于密度的含噪數(shù)據(jù)空間聚類算法（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise，DBSCAN）對數(shù)據(jù)進行聚類劃分，實現(xiàn)清洗。在仿真和實測數(shù)據(jù)上的實驗證明，本文提出的數(shù)據(jù)清洗方法能有效檢測并剔除低質(zhì)量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 問題描述

在電子偵察系統(tǒng)中，因電磁環(huán)境復(fù)雜、接收機性能不佳等原因，導(dǎo)致截獲的原始雷達輻射源信號樣本間質(zhì)量差異較大，不同信號樣本信噪比各異，有的樣本僅含半個脈沖，有的甚至未截獲到輻射源脈內(nèi)信號。經(jīng)分析，本文將原始輻射源數(shù)據(jù)集中的樣本分為脈沖信號樣本和噪聲信號樣本，如圖1所示。其中，脈沖信號分為殘缺脈沖信號和完整脈沖信號，分別如圖1a）和圖1b）所示。噪聲信號如圖1c）所示，其產(chǎn)生原因主要包括兩個方面：信噪比過高導(dǎo)致接收的脈內(nèi)信號被噪聲淹沒；接收機截獲到脈間信號。

圖1 不同質(zhì)量輻射源信號的時域圖

由于噪聲信號不包含雷達輻射源脈內(nèi)信息或是脈內(nèi)信息被噪聲完全淹沒，對其進行進一步的信號處理不能獲取有用的信息，浪費計算資源，還可能影響后續(xù)分析結(jié)果。在傳統(tǒng)的電子偵察系統(tǒng)中，對于這類噪聲樣本往往是通過人為干預(yù)，將其手動剔除。但隨著電子對抗逐漸步入大數(shù)據(jù)時代，截獲數(shù)據(jù)越來越多，人工處理工作量不斷增大。因此，本文提出一種針對雷達輻射源信號的數(shù)據(jù)清洗算法，實現(xiàn)對噪聲數(shù)據(jù)的自動檢測和剔除。

2 數(shù)據(jù)清洗方法和流程

本文提出的雷達輻射源數(shù)據(jù)清洗方法總體流程如圖2所示。該數(shù)據(jù)清洗模型包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、聚類劃分三部分，原始輻射源信號經(jīng)過包絡(luò)提取和歸一化預(yù)處理之后，分別求取包絡(luò)信號的矩形和三角形相像系數(shù)，并將二者拼接成特征向量，最后利用DBSCAN算法對數(shù)據(jù)進行聚類劃分，從而達到檢測和剔除噪聲數(shù)據(jù)的目的。

圖2 數(shù)據(jù)清洗流程圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為減小雷達信號脈內(nèi)特性對于清洗結(jié)果的影響，在特征提取前，利用歸一化香農(nóng)能量算法對原始的雷達信號進行包絡(luò)提取。設(shè)一截獲的雷達輻射源信號序列表示為x(i)，則其包絡(luò)P(i)的計算公式如下：

式中：=1,2,…,，為信號采樣點數(shù)；max(·)表示求序列的最大值；()為歸一化信號；()為信號的歸一化香農(nóng)能量；()為平滑后的香農(nóng)能量；表示窗內(nèi)的采樣點數(shù)；mean(·)表示求序列的均值；(·)表示序列的標準差。

為便于提取相像系數(shù)特征，必須保證包絡(luò)序列非負，因此，對包絡(luò)()進行了min-max歸一化處理，將包絡(luò)幅值約束在0～1之間。min-max歸一化定義如下：

式中：和分別為序列()，=1,2,…,的最大值和最小值。

圖1中不同質(zhì)量信號對應(yīng)的包絡(luò)信號時域圖如圖3所示，可見預(yù)處理方法能有效提取信號包絡(luò)。

圖3 信號包絡(luò)時域圖

2.2 特征提取

設(shè)有兩個一維的離散正值序列{()}和{()}，其中，為序列點數(shù)，()≥0且()≥0（=1,2,,），兩序列的相像系數(shù)定義為：

由于()和()為非負實數(shù)序列，故由Cauchy Schwartz不等式可得：

因此，相像系數(shù)的取值范圍在0～1之間。

式（8）取等號的條件是序列()和()相等，所以可推導(dǎo)得到序列()和()相等或?qū)?yīng)成比例時相像系數(shù)的取值為1；當序列()和()相互正交時，=0。由于相像系數(shù)這樣的特性能表征兩離散序列趨勢差異程度，兩序列的走勢和輪廓相差越小，相像系數(shù)越大。

經(jīng)過預(yù)處理之后得到的包絡(luò)信號能較好地反映噪聲樣本和脈沖樣本之間的差異，但維度過高，包含大量的冗余信息，聚類劃分時會增大計算量，因此本文對其進行特征提取降低數(shù)據(jù)維度。觀察圖3可知，不同類型的輻射源樣本之間不完全相似，噪聲信號的包絡(luò)能量在整個采樣時間內(nèi)隨機變化，分布均勻，而脈沖信號在有脈沖處和無脈沖處能量差異較大，可認為能量更多地集中在輻射源脈內(nèi)。因此，構(gòu)造一矩形脈沖序列和一三角形脈沖序列作為參照樣本，分別求取輻射源樣本包絡(luò)與兩個脈沖序列的相像系數(shù)和，并將其組合為樣本特征向量，記為[,]。通過此方法一方面將數(shù)據(jù)維數(shù)降為2維，大大減少了運算量；另一方面，也能充分反映脈沖信號和噪聲信號之間的差異，保證了后續(xù)聚類參數(shù)間具有最大的分離度。

2.3 聚類劃分

雷達輻射源的脈沖信號和噪聲信號間存在一定的相異程度，在空間中表現(xiàn)為不同的簇群。為剔除雷達輻射源數(shù)據(jù)集中的噪聲信號樣本，使用基于密度聚類的DBSCAN算法識別數(shù)據(jù)集中的噪聲數(shù)據(jù)。該算法的聚類結(jié)構(gòu)由樣本分布的緊密程度確定，能對任意形狀分布的簇進行聚類，具有良好的抗噪聲性能。

DBSCAN算法由一組“鄰域”參數(shù)(,MinPts)來刻畫樣本分布的緊密程度。對于給定含個樣本的數(shù)據(jù)集={,,,x}，算法中定義了如下概念：

1）-鄰域：對于樣本x∈，其-鄰域定義為樣本集中與x的距離不大于的樣本，即N(x)={∈|dist(x,x)≤}；

2）核心對象：對于樣本x，若其-鄰域內(nèi)至少包含MinPts個樣本，即|N|(x)≥MinPts，則x為一個核心對象；

3）密度直達：若x在x的-鄰域中，且x為核心對象，則稱x由x密度直達；

4）密度可達：對于x和x，若存在樣本序列,,,p，其中，=x，p=x且p由p密度直達，則稱x由x密度可達；

5）密度相連：兩個樣本x和x，若存在x使得x和x均由x密度可達，則稱x和x密度相連。

如圖4所示，當MinPts為3時，虛線展示出-鄰域，為核心對象，由密度直達，由密度可達，與密度相連。

圖4 DBSCAN算法概念直觀理解圖

算法中的距離采用歐氏距離進行度量，設(shè)待清洗的雷達輻射源信號數(shù)據(jù)集為，可由相對應(yīng)的相像系數(shù)特征矩陣表示。計算每兩個樣本x和x間的歐氏距離，即：

式中：W 和W 分別為樣本x和x的特征向量；w和w分別為W 和W 第維的特征值。

DBSCAN的核心思想為：以歐氏距離為標準，根據(jù)預(yù)設(shè)的鄰域參數(shù)(,MinPts)找出樣本中所有的核心點，并將所有核心點的密度可達點形成的集合作為一個聚類簇，完成對噪聲樣本和脈沖樣本的劃分。聚類具體步驟如下：

1）提取待清洗樣本的相像系數(shù)特征，建立特征數(shù)據(jù)庫。

2）設(shè)置鄰域參數(shù)(,MinPts)。

3）從特征數(shù)據(jù)庫中選取一個未處理的樣本，并判斷該樣本是否為核心點，若該樣本點為核心點，則轉(zhuǎn)到步驟4）；若該樣本點為非核心點，則轉(zhuǎn)至步驟5）；若數(shù)據(jù)庫中不存在未處理樣本，則轉(zhuǎn)到步驟6）。

4）找到當前核心點所有密度可達的樣本點，形成一個簇，并將其從數(shù)據(jù)庫中刪除，轉(zhuǎn)到步驟3）。

5）標記當前樣本點為邊界點，轉(zhuǎn)到步驟3）。

6）聚類完成后，提取噪聲信號的聚類簇，并將其從原始數(shù)據(jù)集中刪除，得到數(shù)據(jù)清洗后的數(shù)據(jù)集。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)集和評價指標

為驗證方法的有效性，本文在兩個數(shù)據(jù)集上進行實驗測試算法性能，分別為仿真數(shù)據(jù)集和實測數(shù)據(jù)集。

仿真數(shù)據(jù)集：利用Matlab隨機生成不同類型的截獲信號樣本，脈內(nèi)調(diào)制方式包括常規(guī)脈沖信號、線性調(diào)頻信號、非線性調(diào)頻信號、二相編碼信號以及二頻編碼信號5種類型，樣本數(shù)目共10 000個，每個樣本的采樣點數(shù)為10 000，信噪比在20 dB、15 dB、10 dB、5 dB、0 dB、-5 dB、-10 dB中通過程序隨機選擇。在進行實驗之前，所有樣本都經(jīng)過人工清洗打上了噪聲信號樣本或脈沖信號樣本的標簽，其中，噪聲信號樣本有5 405個，脈沖信號樣本有4 595個。

實測數(shù)據(jù)：某接收機截獲的數(shù)據(jù)由5 000個樣本組成，包含完整脈沖信號、殘缺脈沖信號和噪聲信號樣本，每個樣本采樣點數(shù)為40 000個。同樣對其進行脈沖信號和噪聲信號標簽的人工標注，其中，噪聲信號樣本有3 796個，脈沖信號樣本有1 204個。

為評價本文數(shù)據(jù)清洗方法的性能，以準確率作為評價指標，定義如下：

式中：準確分類的數(shù)據(jù)數(shù)目是指以人工清洗標注的標簽為基準，采用本文的數(shù)據(jù)清洗方法聚類之后得到的樣本對應(yīng)標簽與基準標簽比較正確的個數(shù)。

3.2 仿真數(shù)據(jù)實驗結(jié)果

對仿真數(shù)據(jù)集中的樣本進行預(yù)處理和特征提取后，樣本數(shù)據(jù)可用二維相像系數(shù)特征向量表示，因此利用特征向量對樣本進行可視化。如圖5所示，分別為人工清洗和采用本文數(shù)據(jù)清洗方法得到的可視化結(jié)果。

圖5 仿真數(shù)據(jù)集樣本可視化結(jié)果

圖5a）為人工清洗的噪聲及脈沖樣本分布情況，噪聲樣本和脈沖樣本在特征空間的分布有明顯的差別，噪聲樣本主要分布在圖中的右上角區(qū)域，即噪聲樣本對應(yīng)的兩個特征值都較大?？梢娤嘞裣禂?shù)特征能有效反映噪聲樣本和脈沖樣本間的差異。圖5b）為利用本文提出的方法得到的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果，對比圖5a）可以看出，大部分的噪聲數(shù)據(jù)能正確被標記為噪聲樣本，有部分特征不太突出的樣本被錯誤標記為脈沖樣本。

進一步統(tǒng)計了采用本文方法聚類后的樣本分類情況，如表1所示，本文提出的數(shù)據(jù)清洗方法準確率達到了95.67%，可見在仿真數(shù)據(jù)集上，有較好的清洗效果，基本達到了人工清洗的水平。

表1 仿真數(shù)據(jù)樣本分類情況統(tǒng)計表

3.3 實測數(shù)據(jù)實驗結(jié)果

為了探究本文提出的數(shù)據(jù)清洗方法在實測數(shù)據(jù)上的效果，進一步在實測數(shù)據(jù)集上進行實驗。圖6展示了人工方法和本文方法的清洗結(jié)果。

圖6 實測數(shù)據(jù)集樣本可視化結(jié)果

由圖6a）可知，在實測數(shù)據(jù)上，采用相像系數(shù)作為特征時，樣本間具有比仿真數(shù)據(jù)更好的分離度。結(jié)合圖6a）和圖6b）分析可知，人工清洗和采用本文方法自動清洗的差別不大。更進一步，以人工標注標簽為基準，統(tǒng)計了本文提出的數(shù)據(jù)清洗方法對樣本分類的情況如表2所示。由表2可知，在實測數(shù)據(jù)上本文提出的方法準確率能達到99.8%，基本達到了人工清洗的水平，能有效清洗去除噪聲樣本，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

表2 實測數(shù)據(jù)樣本分類情況統(tǒng)計表

4 結(jié) 語

本文提出一種針對雷達輻射源信號的數(shù)據(jù)清洗方法，達到了將噪聲信號樣本從原始輻射源信號數(shù)據(jù)集中剔除的目的。首先對截獲的雷達輻射源信號進行預(yù)處理，提取信號包絡(luò)，然后計算包絡(luò)信號的相像系數(shù)，最后以相像系數(shù)作為特征，利用DBSCAN聚類算法檢測噪聲信號，并將其剔除。實驗結(jié)果表明，該方法能有效剔除噪聲信號，對仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)都能達到很好的數(shù)據(jù)清洗效果，基本達到了人工清洗的水平，有效地提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量和清洗效率。

但本文的方法也存在不足之處，DBSCAN聚類劃分部分需要人為預(yù)先設(shè)置鄰域參數(shù)，參數(shù)的設(shè)置是否合理直接影響清洗效果。下一步的研究將重點考慮自動設(shè)定參數(shù)的DBSCAN聚類方法，進一步提高數(shù)據(jù)清洗的智能性。