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        自適應技術在電子對抗中的應用

        2015-03-18 01:39:39趙洪峰
        航天電子對抗 2015年1期
        關鍵詞:電子對抗輻射源評判

        趙洪峰,李 旻

        (上海機電工程研究所,上海 210019)

        自適應技術在電子對抗中的應用

        趙洪峰,李 旻

        (上海機電工程研究所,上海 210019)

        通過分析自適應技術在電子對抗應用中的需求與優(yōu)勢,提出了兩種用于電子偵察的模糊聚類數據處理方法。同時梳理了自適應干擾的特點與工作流程,將模糊推理技術用于干擾效果評判。最后針對復雜電子干擾環(huán)境,分析了武器系統(tǒng)自適應抗干擾的原理與構成,提出將智能干擾決策系統(tǒng)用于抗干擾決策,以實現最優(yōu)的抗干擾效果。

        自適應技術;電子對抗;自適應干擾;模糊聚類;模糊推理;自適應抗干擾

        0 引言

        現代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復雜。因此,在進行電子對抗作戰(zhàn)時,依靠傳統(tǒng)的單個電子對抗設備一對一地實施對抗,以及依靠設備操作人員做出判斷和決策,均難以在短時間內有效地擬定對抗方案,做出對抗響應。要適應現在和未來的復雜電磁作戰(zhàn)環(huán)境,就必須研發(fā)具備多種對抗手段和自適應對抗能力的新型電子戰(zhàn)裝備。

        目前,在工業(yè)控制領域已廣泛實現了自動化,人工智能技術得到了迅速發(fā)展。而自適應技術作為人工智能技術的一個分支,其新型的“智能組件/智能結構”具有在工作條件和環(huán)境變化時主動適應和目標優(yōu)化調節(jié)的特性,已被廣泛應用于控制技術、信號處理等各個領域。因此,本文考慮將自適應技術應用于電子對抗領域,為解決電子對抗裝備的自適應對抗問題提供技術基礎。

        1 自適應技術用于電子對抗的優(yōu)勢

        將自適應技術應用于電子對抗,是現代電子作戰(zhàn)的需要。相比于常規(guī)電子對抗,自適應電子對抗有著自身的明顯優(yōu)勢。

        1)處理流程閉環(huán)。常規(guī)對抗技術不對對抗效果進行實時分析,是開環(huán)處理。自適應對抗需要以對手對抗狀態(tài)的改變和對抗效果的分析作為己方實施下一步對抗措施的依據,是一個閉環(huán)的處理流程。

        2)滿足高實時性要求。自適應對抗要求在接收到對抗方的電磁信號后快速實施最優(yōu)對抗策略,整個自適應處理過程越短越好,否則,設備的對抗效果將會下降。高的實時處理要求,更是要滿足敵變我變的要求。

        3)具有自主處理能力。實時性要求實際上排除了對抗設備在工作時由人工操控的可行性,必須依賴高速信號處理技術實現獨立、自主的處理。而人工操控降為一種宏觀管理及輔助性的手段,可避免常規(guī)對抗手段中人工控制可能帶來的戰(zhàn)情延誤和決策失誤。

        4)具有自學習能力。由于對抗對象的性能參數不可能事先全部掌握,無法獲得完備的先驗知識,因此,當對抗對象采用未知的信號時,會超出常規(guī)對抗手段的處理能力范圍而無法做出準確的對抗響應。而自適應對抗設備能夠進行邏輯推理,根據已有的知識進行分析判斷,擴展自身的信號處理范圍。

        5)具有模糊分析與推理能力。實際作戰(zhàn)中,對抗對象的工作參數具有捷變性和隨機波動性,輸入信息存在不確定性,處理結果有多種狀態(tài)可選,自適應電子對抗通過采用模糊處理技術,制定最優(yōu)的對抗策略。

        2 自適應電子偵察

        2.1 常規(guī)電子偵察的不足

        經過長期發(fā)展,電子偵察技術目前已做到了空域、時域、頻域、調制域的全覆蓋,信號參數的測量精度不斷提升。但存在對未知信號的模糊探測能力,即對于參數捷變及信號形式未知的輻射源信號無分選及處理能力的問題。常規(guī)電子偵察設備的信號處理流程如圖1所示。

        圖1 常規(guī)電子偵察設備的信號處理流程

        由圖1可知,對于與輻射源數據庫不匹配的電磁信號,電子偵察設備因無法識別輻射源而難以采用對抗措施,只能將其作為偵察數據保留,無法滿足實時對抗的要求。

        輻射源情報不準確、敵方平時施放假信號戰(zhàn)時轉為真信號、輻射信號本身復雜多變、偵察設備對輻射信號參數測量的誤差,這些因素都將造成偵察設備實測輻射信號相對于輻射源數據庫參數存在不完全匹配的狀態(tài)。模糊信息處理就是用于解決如何將帶誤差的實測信號與輻射源數據庫內的信號實現配對,以及解決數據庫內參數的逐步修正的問題。

        2.2 模糊聚類數據處理概念

        模糊信息處理,就是用來度量處理模糊信息和描寫、分析與設計模糊信息的處理方法。利用模糊聚類技術,可以對沒有先驗信息的信號進行分析、刻畫、度量,分析那些模糊的、信息不太完整或不太準確的現象與規(guī)律,提取出有用的參數。

        模糊聚類是模糊集理論在聚類中應用的產物,具有描述樣本類屬中間性的優(yōu)點。模糊聚類分析的本質是不再明確地考慮對象是否屬于某一類,而是考慮對象屬于該類的程度如何。

        傳統(tǒng)的聚類分析要求把數據集中的每一個點都精確地劃分到某個類中,即硬劃分。而模糊聚類的一個對象相對于每一個類的隸屬程度是0~1之間的一個數。一般要求,每一個對象對所有類的隸屬度之合為1。模糊聚類認為,每個對象與各個聚類中心都存在著一定的隸屬關系,而不是單一地屬于某一類。對于數據集中類與類之間存在交叉的情況,傳統(tǒng)的聚類方法無法有效處理,而模糊聚類則能很好地對這類數據集聚類。

        電磁環(huán)境中的實際電磁輻射信號是非合作信號,沒有嚴格的屬性,其類屬和形態(tài)存在著中間性,適合模糊聚類劃分,即軟劃分。

        2.3 適用于電子偵察的模糊聚類數據處理算法

        現階段的模糊聚類數據處理算法,適用于電子偵察的主要有以下兩種:

        1)增量式聚類

        增量式聚類是依據原先聚類的結果及相似性,對新數據進行的聚類。增量聚類的關鍵就是要保持新聚類的結果與原聚類結果的一致性,即二者遵循的“最優(yōu)”的原則一致。

        由于電子偵察數據流是一種無限長度的未知數據流,適合進行增量聚類。增量聚類是基于這樣一個假設:每次將增量數據中的一條記錄指派到已知的簇中。增量聚類的主要優(yōu)點就是不必在內存中存儲所有的模式。因此,增量聚類對空間的需求是比較小的。增量聚類和一步數據流聚類十分類似。

        在電子偵察應用中,由于數據集規(guī)模太大,不能把整個數據集存在主存儲器里。目前有分治法、增量聚類法和并行聚類法可解決這個問題。

        2)基于時序分類的分類數據聚類

        連續(xù)到達的數據,被稱為數據流。一個數據流是一個實時的、連續(xù)的、有序的(通過到達時間隱含或者明確地以時間戳的方式表示)序列。

        圖2是一個針對時序分類數據的聚類框架。該框架在不同的滑動窗口下檢測漂移的概念,并且基于當前的概念產生聚類結果。由于信號是依時間序列到達電子偵察設備,因此,所認知的信號歸屬特性會隨時間發(fā)生變化,形成一種“漂移”的特征。

        圖2 時序分類數據聚類分析框架

        2.4 自適應電子偵察的處理流程

        通過采用上述模糊聚類數據處理算法,并與常規(guī)電子偵察手段相對比,提出自適應電子偵察的數據處理流程如圖3所示。

        通過模糊聚類數據處理方法,將與輻射源數據庫不匹配的電磁信號判定為新的輻射源,通過電子對抗戰(zhàn)術匹配分析,判斷其對己方的電子戰(zhàn)威脅程度,從而為采取對抗措施提供情報支持。新的輻射源參數可更新現有的數據庫,為后續(xù)偵察與對抗提供數據。

        圖3 模糊處理電子偵察設備的信號處理流程

        對于LPI雷達、組網雷達等輻射源,由于其信號樣本復雜多變、截獲概率低,因此,靠預先偵察裝訂輻射源參數的思路,往往不能滿足戰(zhàn)場實際的需求。通過模糊處理的方法,將實際偵收到的LPI雷達信號逐步進行積累與比對分析,從而發(fā)現與確認LPI輻射源,使電子偵察設備具備自主適應電磁信號環(huán)境變化的能力。

        3 自適應電子干擾

        3.1 自適應電子干擾特點及工作流程

        對于武器系統(tǒng)所采用的抗干擾措施,需要電子干擾系統(tǒng)具有實時響應及干擾效果評估能力,從而選擇最優(yōu)干擾樣式。

        從“自適應干擾”的要求分析,其與常規(guī)干擾機的不同之處在于:

        1)某些常規(guī)干擾機只能按照預先編制的程序施放干擾信號,對外界的電磁信號環(huán)境無偵察能力,對自己施放的干擾信號的干擾效果無法關注。而“自適應干擾”有電磁信號偵察能力,需要通過分析自身所施放干擾的效果來進行干擾最優(yōu)決策。

        2)某些常規(guī)干擾機也能偵收電磁信號,以此信號為模板實施干擾樣式調制,但所調制的干擾樣式是固定不變的。而“自適應干擾”的干擾信號生成流程雖然與這些干擾機相同,但每次調制的干擾樣式是可變的。

        自適應干擾處理流程如圖4所示。

        圖4 自適應干擾處理流程

        干擾樣式的自適應選擇,是一個與時間有關的迭代過程,對某一時刻t而言,該時刻的干擾樣式選擇牽涉到初始干擾樣式、t時刻之前已收到的電磁信號參數及與之對應的已施放的干擾、t時刻當前收到的電磁信號等因素,以及總的干擾策略。這一過程實際上是模擬人腦在對抗性活動中的思維方式和結果,是在暫時不考慮博弈的情況下,研究自適應選擇的流程。另外還需要考慮自適應算法的收斂性與實時性,在規(guī)定的時間內得出唯一解或帶置信度的多個解。

        3.2 對干擾效果的模糊推理評判

        自適應干擾技術與常規(guī)干擾技術之間的差異在于,自適應干擾處理是一種實時的、動態(tài)的、流程閉環(huán)的處理過程。為滿足上述要求及適應對方電磁輻射信號的變化,必須要在干擾處理中體現人腦的處理特點,即采用人工智能技術。

        人工智能算法需結合所采用的信號處理器件的編程特點和要求,設計合理的處理流程,進行算法優(yōu)化,以達到實時性的要求。

        模糊推理技術適用于對不確定的對象進行分析,也適用于對具有多種可能性的結果進行綜合處理,為使用者提供類似于人腦的判斷結果。在干擾樣式選擇處理算法中采用模糊處理技術,可體現智能干擾的自適應處理能力。

        為實現自適應干擾,需要在單個干擾設備中集成多種干擾樣式。干擾樣式的排序可通過優(yōu)先級權重數值比較的辦法實現調整。而優(yōu)先級權重數值的調整,則與對該干擾樣式的干擾效果評判結果相關。

        在對干擾效果進行評判的過程中,需要考慮的因素很多,目前尚不存在唯一的和公認的因素表及權重表,因此,采用“直覺模糊綜合評判”是一種較好的處理方法。

        直覺模糊綜合評判是一般模糊綜合評判的推廣形式,通過建立評判對象的因素集F={f1,f2,…,fn},建立合理的評語集C={c1,c2,…,cn},用專家評定或其他方法生成評判矩陣R=(rij)n×m∈IFS(F×C),通過合適的直覺模糊算子進行綜合評判。

        若因素集F中的每個因素有評價結果,則存在唯一的矩陣R∈IFS(F×C) ,稱此矩陣R為直覺模糊評判矩陣或關系矩陣。若評判結果可由評判矩陣直接求得,則稱此類評判為一級評判。若評判結果需要經過多個一級評判的復合,則稱這類評判為多級評判。

        4 自適應電子抗干擾

        4.1 自適應抗干擾原理構成

        自適應抗干擾系統(tǒng)并不是針對某一種干擾提出的抗干擾措施,而是對設備的抗干擾措施進行綜合管理與調度的系統(tǒng),其包括自適應干擾偵察與抗干擾自適應處理兩大部分。

        對于不同的干擾,一般而言需要采用不同的抗干擾措施;對于同一種干擾,也可以采用多種抗干擾措施。因此,武器系統(tǒng)設備在調用抗干擾措施之前,應對所面臨的干擾態(tài)勢進行分析。

        圖5以武器系統(tǒng)中的雷達設備為例,描述了雷達實現自適應抗干擾的原理。圖5中,斜體字部分為干擾偵察模塊,用于偵察雷達所面臨的干擾環(huán)境,可采用前文所述的自適應電子偵察系統(tǒng);黑體字部分為雷達抗干擾自適應處理模塊,用于雷達抗干擾決策及抗干擾措施調度。雷達的抗干擾實現自動化與自適應,操作員根據雷達顯示的目標及干擾信息,對抗干擾措施庫及行動決策的結果進行修正及監(jiān)控。

        圖5 雷達實現自適應抗干擾的原理框圖

        4.2 用于抗干擾決策的智能決策支持系統(tǒng)

        干擾環(huán)境的復雜性和時變性,使得抗干擾決策不是單一的期望效用可以準確衡量的。實現智能抗干擾管理的關鍵,是配備一個具有智能決策能力的抗干擾行動決策系統(tǒng),根據當前的干擾態(tài)勢,評估已采取的抗干擾措施的有效性,做出當前武器系統(tǒng)設備所應采取的最優(yōu)抗干擾行動決策。

        抗干擾決策是一種復雜的決策過程,其特點是:

        1)時變性。敵方的干擾已實現了時變能力,戰(zhàn)場的電磁干擾環(huán)境不再是靜態(tài)的,武器系統(tǒng)的抗干擾決策結果也應當是時變函數。

        2)多樣性。隨著抗干擾戰(zhàn)術技術手段的發(fā)展,對于某一種干擾態(tài)勢,武器系統(tǒng)并非只有單一的抗干擾措施可選,而是有多種選項,并可用權重因子來進行優(yōu)先級排序。

        3)模糊性。對于抗干擾措施的選擇,權重因子并非唯一的精確判據。由于權重因子的修正是基于對抗干擾效果的評估,而這一評估本身就具有不確定性,因此,抗干擾決策結果還應當用一個隸屬度函數來描述,進而用抗干擾決策函數來描述抗干擾決策結果。

        目前可以使用的技術方法是采用人工智能技術中的決策支持系統(tǒng)(DSS)來計算抗干擾決策函數。

        DSS是輔助決策者通過數據、模型和知識,以人機交互方式進行半結構化或非結構化決策的計算機應用系統(tǒng)。DSS主要是以模型庫系統(tǒng)為主體,通過定量分析進行輔助決策。DSS與專家系統(tǒng)(ES)結合起來,形成了智能決策支持系統(tǒng)(IDSS)。

        智能決策支持系統(tǒng)(IDSS)把DSS與ES相結合,分別發(fā)揮DSS數值分析與ES符號處理的特點,并將定性分析和定量分析有機結合,使其能夠進行知識處理,以更準確地模擬客觀世界,全面反映決策過程,從而有效解決半結構化和非結構化問題。智能決策支持系統(tǒng)的智能性并不僅僅限于對知識庫的使用上,更集中體現在:1)對模型庫實現模型自動選擇和生成;2)系統(tǒng)可以理解決策者的思維,具有學習功能;3)聯(lián)機分析處理和數據挖掘技術對數據進行復雜的分析處理,挖掘隱含的知識,增強知識庫及系統(tǒng)決策能力;4)與各種軟計算模型及人工智能方法相結合,提高IDSS的數據處理速度及系統(tǒng)總體決策效率。

        5 結束語

        自適應對抗技術與常規(guī)對抗技術之間存在很大差異,集中體現在對抗處理是一種自適應的、動態(tài)的、流程閉環(huán)的處理過程。為滿足上述要求及適應敵方輻射信號的變化,必須要在對抗處理中體現人腦的處理特點,即模糊處理及綜合判斷的工作方式。在應用時,還需要根據裝備的具體戰(zhàn)技指標要求,結合工程實現的能力對設計方案加以細化和優(yōu)化,最后還應通過大量的測試與試驗,逐步達到最佳?!?/p>

        [1] 徐蔚鴻.模糊智能系統(tǒng)中模糊推理研究[D].南京:南京理工大學,2004.

        [2] 王德吉.復雜環(huán)境下自適應智能決策支持系統(tǒng)研究[D].合肥:中國科學技術大學,2007.

        [3] 呂宗磊.對聚類及聚類評價若干問題的研究[D].南京:南京航空航天大學,2009.

        Application of adaptive technology in ECM

        Zhao Hongfeng, Li Min

        (Research Institute of Shanghai Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai 210019,China)

        By analyzing the requirement and superiority of the application of adaptive technology in ECM,two fuzzy clustering data processing methods used in electronic reconnaissance are presented. Meantime,the characteristic and workflow of adaptive jamming are hackled,and fuzzy reasoning technology is summarized to be used in judging jamming effect. Finally,in view of complex electronics environment,to achieve optimal jamming effect, the principle and composition of adaptive ECCM of weapon system are analyzed, and intelligent jamming decision-making system is presented to be used in ECCM decision making.

        adaptive technology;ECM;adaptive jamming;fuzzy clustering;fuzzy reasoning;adaptive ECCM

        2014-06-20;2014-12-20修回。

        趙洪峰(1986-),男,工程師,碩士研究生,主要研究方向為電子信息對抗。

        TN97

        A

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