劉英豪,辛永平,李哲,牛超
(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051)
基于RBF-CBR技術(shù)的相控陣?yán)走_(dá)識別方法*
劉英豪,辛永平,李哲,牛超
(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051)
現(xiàn)有雷達(dá)識別技術(shù)對相控陣?yán)走_(dá)的波束捷變、信號形式復(fù)雜等特點(diǎn)并不適應(yīng),造成識別率低、漏識別嚴(yán)重等問題。為此,討論了脈內(nèi)調(diào)制類型和點(diǎn)掃描特性參與分類識別的策略;設(shè)計(jì)了基于案例推理的相控陣?yán)走_(dá)識別方法;提出了基于徑向基函數(shù)案例索引方式的RBF-CBR識別模型。通過對比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該模型具有良好的推理識別能力和較高的處理問題效率,為相控陣?yán)走_(dá)識別提供了一個(gè)新的思路。
相控陣?yán)走_(dá);識別策略;RBF網(wǎng)絡(luò);案例推理;識別模型;RBF-CBR模型
目前,雷達(dá)輻射源識別有模式匹配法和人工智能識別2種方法。但現(xiàn)有模式匹配法存在對相控陣?yán)走_(dá)識別率低、錯(cuò)誤識別率高、漏識別嚴(yán)重等問題,嚴(yán)重制約了裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮?;谌斯ぶ悄艿妮椛湓醋R別方法是以知識處理為核心,以推理為主要手段。該類方法主要包括基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。由于相控陣?yán)走_(dá)具有多用途、多種信號形式、波束捷變等特點(diǎn),使得脈沖參數(shù)不具有重復(fù)性變化規(guī)律、不同戰(zhàn)術(shù)用途之間的脈沖參數(shù)有交錯(cuò)。以致現(xiàn)有的雷達(dá)智能識別技術(shù)也很難適應(yīng)實(shí)際需要,難以有效地對相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行識別[1-6]。
案例推理 (case-based reasoning,CBR)直接使用真實(shí)案例進(jìn)行推理,與常用的基于規(guī)則和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能識別方法相比,大大減少了從專家那里獲取知識的必要,比較容易建立。在識別對象的特征與案例之間不完全匹配時(shí),也能給出相似的解,而且識別的結(jié)果是具體的案例,比較容易讓人理解接受。所以,CBR特別適用于沒有很強(qiáng)理論模型和理論知識不全、難以定義或定義不一致而經(jīng)驗(yàn)豐富的領(lǐng)域[7-10]。
就目前來看,相控陣?yán)走_(dá)識別工作正處于此種局面:一方面,雷達(dá)信號復(fù)雜多變、不具備規(guī)律性,使得識別規(guī)則難以總結(jié),即使總結(jié)出的規(guī)則也只是適用于少數(shù)的相控陣?yán)走_(dá),并不能將大多數(shù)相控陣?yán)走_(dá)正確識別;另一方面,多年的相控陣?yán)走_(dá)識別工作,又積累下了大量的實(shí)際識別案例,因此,基于案例的推理方式非常適用于相控陣?yán)走_(dá)識別。
目前,國內(nèi)外雷達(dá)輻射源識別都是立足于載頻、脈寬、重復(fù)頻率等常規(guī)特征參數(shù),這些常規(guī)參數(shù)為一個(gè)參數(shù)值或參數(shù)區(qū)間。對于相控陣?yán)走_(dá)而言,同一部雷達(dá)有多種工作模式,就是同一種工作模式參數(shù)也有多種組合,另外,相控陣?yán)走_(dá)一般兼有脈沖多普勒和動(dòng)目標(biāo)顯示體制。僅采用載頻、脈寬和重復(fù)頻率組成的參數(shù)特征向量,難以有效識別出相控陣?yán)走_(dá),極其容易造成錯(cuò)誤識別。只有提取出除常規(guī)參數(shù)以外的新識別特征,才能實(shí)現(xiàn)對相控陣?yán)走_(dá)信號的有效識別。本文主要研究脈內(nèi)調(diào)制特征和點(diǎn)掃描特征。
(1) 脈內(nèi)調(diào)制特征
對于相控陣?yán)走_(dá)而言,為了增強(qiáng)抗干擾能力以及解決雷達(dá)探測距離和距離分辨力的矛盾,一般采用線性調(diào)頻、頻率編碼、相位編碼等脈內(nèi)調(diào)制類型。例如:美國通用電氣公司研制的AN/FPS-117相控陣?yán)走_(dá),采用脈沖壓縮工作模式,脈內(nèi)特征主要是線性調(diào)頻。當(dāng)前用于提取脈內(nèi)特征較成熟的算法有時(shí)域自相關(guān)、分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、小波分析等[11-12]。這些算法對常規(guī)信號、線性調(diào)頻信號和相位編碼信號都具有一定效果。因此,脈內(nèi)調(diào)制特征作為相控陣?yán)走_(dá)識別的新特征是可行的。
(2) 天線點(diǎn)掃描特征
相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)相比,其差異或特點(diǎn)主要來自相控陣天線具有的波束掃描的快速性、靈活性與波束形狀的捷變能力,這帶來了相控陣?yán)走_(dá)工作模式的多樣性及戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的可變性,在不同的工作模式控制參數(shù)條件下,戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)是不同的。因此,相控陣天線電掃描特征是將相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)區(qū)分的唯一可靠特征。
最近幾年國內(nèi)也有一些科研工作者對該問題進(jìn)行了專門研究。梁廣德提出了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的三大特點(diǎn):①低副瓣或超低副瓣;②偵察機(jī)接收到的雷達(dá)信號電平呈離散跳躍式起伏;③隨著掃描角的增大,波束形狀惡化[13]。并根據(jù)以上特點(diǎn)利用天線方向圖來識別相控陣?yán)走_(dá);王成提出了利用天線陣元數(shù)目、波束掃描速度、掃描時(shí)波束展寬等特點(diǎn)來識別相控陣?yán)走_(dá)[14]。可見,利用信號離散跳躍、掃描時(shí)波束展寬等特點(diǎn)作為識別特征,可定性地分析相控陣?yán)走_(dá)信號。
2.1 相控陣?yán)走_(dá)案例內(nèi)容
通常一種型號的相控陣?yán)走_(dá)有幾種用途,而一種用途又含有多種工作模式。其中一部雷達(dá)在信號空間上的一個(gè)工作點(diǎn)稱為該雷達(dá)的一種工作模式。因此,將相控陣?yán)走_(dá)一個(gè)工作模式表示為一個(gè)案例。一個(gè)具體的相控陣?yán)走_(dá)案例應(yīng)包含以下內(nèi)容:
(1) 案例編號:給每個(gè)相控陣?yán)走_(dá)案例一個(gè)唯一的編號。
(2) 案例類別:為了有效地組織案例庫中的案例,方便進(jìn)行索引和檢索,對案例進(jìn)行歸類。在案例中加入表示其所屬類的屬性。相控陣?yán)走_(dá)案例歸類是根據(jù)其不同的戰(zhàn)術(shù)用途。
本文研究的相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)用途類型有:對空警戒、對海(低空)搜索、火控和引導(dǎo)。同時(shí),為了區(qū)分相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá),在此將案例類屬性定義為“體制用途”。例如:相控陣對空警戒。圖1為相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)術(shù)用途分類。
圖1 相控陣?yán)走_(dá)的用途分類Fig.1 Phased-array radar classification
(3) 案例特征屬性:本文將案例特征屬性分為天線特征屬性和信號特征屬性,其中天線特征屬性,用來區(qū)別相控陣?yán)走_(dá)和機(jī)械掃描雷達(dá),特征包括相控陣?yán)走_(dá)信號電平離散跳躍起伏和波束展寬。
信號特征屬性是在案例的匹配過程中起重要作用,具體包括以下內(nèi)容:
載頻:雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生并通過雷達(dá)天線發(fā)射出去的電磁波的頻率。
脈寬:雷達(dá)發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間(通常以微秒計(jì))。
重復(fù)頻率:脈沖雷達(dá)每秒發(fā)射的高頻脈沖的次數(shù)。
脈內(nèi)調(diào)制類型:脈內(nèi)信號的調(diào)整方式,如,線性調(diào)頻、相位編碼等。
(4) 識別結(jié)果:即所屬相控陣?yán)走_(dá)的識別結(jié)果。
(5) 輔助屬性:用于輔助案例檢索及學(xué)習(xí)。
2.2 案例檢索方式
對于一個(gè)CBR系統(tǒng),當(dāng)其遇到新問題時(shí),系統(tǒng)會(huì)在案例庫中尋找相似的案例或案例集,這一過程稱為檢索。在傳統(tǒng)的單CBR系統(tǒng)中,案例索引的建立需要CBR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者對識別對象特性非常熟悉,而且索引建立是否合理在很大程度上取決于識別對象。實(shí)際中,許多系統(tǒng)都不能建立合適的索引。就像規(guī)則的提煉是基于規(guī)則的專家系統(tǒng)開發(fā)的“瓶頸”一樣,案例的索引也可以說是CBR系統(tǒng)開發(fā)的“瓶頸”。
為了解決這個(gè)問題,必須尋求一種有效的索引建立方式,以幫助檢索程序快速、準(zhǔn)確定位案例庫中與問題案例相似的案例集,從而避免便利檢索帶來的時(shí)間消耗,同時(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。從本質(zhì)上講,對于相控陣?yán)走_(dá)識別,CBR系統(tǒng)中索引的建立就是依據(jù)相控陣?yán)走_(dá)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,而分類正是近年來蓬勃發(fā)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過卓越的非線性映射能力將信號的參數(shù)特征向量與雷達(dá)用途直接對應(yīng)起來,沒有知識庫容量所帶來的限制,避免了傳統(tǒng)CBR系統(tǒng)的索引建立的“瓶頸”問題。
BP(back propagation)網(wǎng)絡(luò)和RBF(radial basic function)網(wǎng)絡(luò)是雷達(dá)輻射源識別中經(jīng)常使用的2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15]。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與BP網(wǎng)絡(luò)相比規(guī)模通常較大,學(xué)習(xí)速度快,網(wǎng)絡(luò)函數(shù)逼近能力、泛化能力、模式識別與分類能力均優(yōu)于后者。因此,本文確定采用RBF網(wǎng)絡(luò)建立案例索引。
RBF網(wǎng)絡(luò)的基本思想:用RBF作為隱單元的基構(gòu)成隱含層空間,將輸入矢量直接(即不通過權(quán)連接)映射到隱空間。當(dāng)RBF中心點(diǎn)確定后,這種映射關(guān)系也就確定了,而隱含層空間到輸出空間的映射是線性的,即輸出是隱單元輸出的線性加權(quán)和,此處的權(quán)為網(wǎng)絡(luò)可調(diào)參數(shù)。
(1) 從輸入空間到隱含層空間的非線性變換層
第i個(gè)隱單元的輸出為
(1)
式中:φ(·)為隱單元的變換函數(shù)(即RBF),它是一種局部分布的,關(guān)于中心點(diǎn)徑向?qū)ΨQ衰減的非負(fù)線性函數(shù);ri為第i個(gè)RBF的中心;‖·‖為歐式范數(shù),通常取2范數(shù);X為n維輸入向量X=(x1,x2,…,xn)T;bi為第i個(gè)非線性變換單元的寬度。
變換函數(shù)為高斯函數(shù),具體形式如下:
(2)
本文RBF網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)所用的變換函數(shù)為高斯函數(shù)。每一個(gè)隱層神經(jīng)元的權(quán)值和閾值都與徑向基函數(shù)的位置和寬度有關(guān)。輸出層的線性神經(jīng)元將這些徑向基函數(shù)的權(quán)值相加。如果隱層神經(jīng)元的數(shù)目足夠多,每一層的權(quán)值和閾值都正確,那么徑向基函數(shù)完全能夠精確地逼近任意函數(shù)。
(2) 從隱含層空間到輸出層空間的線性合并層
第j個(gè)輸出為
(3)
式中:ωij為第i個(gè)隱單元與第j個(gè)輸出之間的連接權(quán)值。
3.1 模型的框架
目前國內(nèi)對相控陣?yán)走_(dá)型號識別還沒有一種行之有效的方法。結(jié)合前面論述,本文將利用RBF網(wǎng)絡(luò)和案例推理結(jié)合模型對相控陣?yán)走_(dá)型號進(jìn)行識別。模型的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。
圖2 模型的結(jié)構(gòu)框架Fig.2 Model framework
可見,該模型主要由RBF模塊和CBR模塊組成,模型的核心思想是:通過對源案例采取分層組織形式,將一個(gè)大型的案例庫劃分為多個(gè)子案例庫,并且每個(gè)子案例庫對應(yīng)一種“體制用途”(案例索引),其中,案例索引的建立由RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出分類結(jié)果決定,詳見圖3。RBF網(wǎng)絡(luò)作為CBR的前序模塊,對輸入雷達(dá)的特征向量通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練賦予索引,從而可在CBR模塊中的具有相應(yīng)索引的子案例庫中索引相似的案例或者案例集。
圖3 基于RBF網(wǎng)絡(luò)的案例的索引結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Case index framework based on RBF
3.2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
3.2.1 案例庫的構(gòu)造
本文數(shù)據(jù)來源于雷達(dá)數(shù)據(jù)庫,選取其中的15部不同型號相控陣?yán)走_(dá)和5部不同型號機(jī)械掃描雷達(dá),選取機(jī)械掃描雷達(dá)是為了模擬實(shí)際的電磁環(huán)境,使得識別結(jié)果更具有說服力。本文后面部分的測試和識別結(jié)果統(tǒng)計(jì)都是針對相控陣?yán)走_(dá)而言的,并沒有對機(jī)械掃描雷達(dá)測試和識別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
從每部雷達(dá)中精心抽取55個(gè)典型樣本,共1 100個(gè)典型雷達(dá)樣本。其中,600個(gè)訓(xùn)練樣本,500個(gè)測試樣本,對于每個(gè)樣本,選取了6個(gè)主要特征參數(shù)(信號離散跳躍起伏、波束展寬、載頻、脈寬、重頻和脈內(nèi)調(diào)制類型)。同時(shí),為了使RBF網(wǎng)絡(luò)具有識別能力,首先要對不同的特征參數(shù)加以處理,將特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)識別的數(shù)字型參數(shù)。對于離散跳躍和波束展寬特征只有2個(gè)屬性值情況,用“0”表示不具有離散跳躍特征,“1”表示具有離散跳躍特征,同樣道理,“0”表示不具有波束展寬特征,“1”表示具有波束展寬特征。對于脈內(nèi)調(diào)制類型有3個(gè)屬性值的情況,用“0”表示常規(guī)信號,“1”表示線性調(diào)頻信號,“2”表示相位編碼信號。
根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)案例表示方法,將訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成600個(gè)案例。把這些案例作為案例庫中源案例,最后根據(jù)雷達(dá)的“體制用途”,將案例庫分成8個(gè)子案例庫。由于每個(gè)案例屬性項(xiàng)眾多以及篇幅所限,在此只取案例中的部分屬性,即只取記錄中要用作檢索條件、相似度計(jì)算和案例結(jié)果的屬性項(xiàng),部分相控陣?yán)走_(dá)案例如表1所示。
其中,案例編號A,B,C代表不同“體制用途”,識別結(jié)果1,4,7等數(shù)字代表不同的相控陣?yán)走_(dá)型號。
3.2.2 對比實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證RBF-CBR模型對相控陣?yán)走_(dá)型號識別的優(yōu)越性,本文將其與單獨(dú)使用CBR系統(tǒng)和RBF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),考慮到雷達(dá)輻射源信號識別屬于軍事領(lǐng)域的特殊性,本節(jié)采用仿真方法來進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)分析。同時(shí),為了模擬隨RBF-CBR模型的推理及學(xué)習(xí)、案例庫的逐漸加大過程,下面仿真實(shí)驗(yàn)都是在案例庫中源案例數(shù)量n=(100,200,300,400,500,600)情況下分別進(jìn)行的。
表1 部分相控陣?yán)走_(dá)案例Table 1 Part of phased-array radar cases
(1) RBF-CBR和CBR比較
1) 檢索時(shí)間對比
從測試樣本集中隨機(jī)選取10個(gè)相控陣?yán)走_(dá)樣本構(gòu)成測試案例,測試結(jié)果取10個(gè)測試案例的平均值。案例數(shù)與測試時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 案例數(shù)與測試時(shí)間關(guān)系圖Fig.4 Relations between case number and test time
從圖4的折線趨勢可以看出,RBF-CBR模型的檢索時(shí)間很短,且在案例數(shù)目不斷增長的情況下,檢索時(shí)間相對比較穩(wěn)定,這也是提示相比之下,RBF-CBR模型在大數(shù)據(jù)條件下檢索效率優(yōu)勢更明顯。
2) 檢索質(zhì)量對比
為了驗(yàn)證檢索質(zhì)量,引入檢準(zhǔn)率這一概念,定義檢準(zhǔn)率為“檢索出的相似度值大于0.85案例數(shù)占檢索出的案例總數(shù)”,選取上述10個(gè)測試案例中的一個(gè)測試案例,對其檢索結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),2種模型的檢索結(jié)果如表2所示。
表2 檢索結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics results
其中,Total表示檢索出的案例總數(shù),NUM表示相似度值大于0.85的案例數(shù)。從表2可以看出,RBF-CBR模型可以有效減少漏檢情況的發(fā)生,檢索出的案例庫中的源案例與測試案例復(fù)合程度較高。同時(shí)CBR模型利用K-NN算法遍歷案例庫檢索時(shí),檢準(zhǔn)率很低。
(2) RBF-CBR和RBF比較
用RBF網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)對相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行識別,結(jié)構(gòu)及參數(shù)與結(jié)合模型中RBF模塊相同,不同的是,單獨(dú)使用RBF網(wǎng)絡(luò)時(shí),訓(xùn)練樣本和測試樣本的輸出值不是表示“體制用途”,而是表示所屬雷達(dá)的型號。測試案例是由375個(gè)測試樣本構(gòu)成。測試結(jié)果取10次測試的平均值,2種模型的識別結(jié)果如表3所示。
表3 識別結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Identification results
從表3中可以看出,僅利用RBF網(wǎng)絡(luò)對相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行識別,識別率很低,同時(shí)存在較高的漏識別情況。而基于RBF-CBR模型的相控陣?yán)走_(dá)識別能充分利用CBR系統(tǒng)精確識別優(yōu)勢,可以識別單獨(dú)使用RBF網(wǎng)絡(luò)不能識別的相控陣?yán)走_(dá)型號,同時(shí)減少了漏識別數(shù),彌補(bǔ)訓(xùn)練樣本不足以及存在交錯(cuò)樣本時(shí),RBF模型分類性能下降的不足。
綜上所述,與單獨(dú)使用RBF網(wǎng)絡(luò)和CBR系統(tǒng)相比,RBF-CBR模型具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢:
(1)由于經(jīng)過了RBF網(wǎng)絡(luò)的預(yù)分類識別和CBR系統(tǒng)的精確識別,RBF-CBR模型的識別率得到大大提高,同時(shí)減少了漏識別數(shù)。
(2)與遍歷整個(gè)案例庫的檢索方法相比,由于RBF-CBR模型采用RBF網(wǎng)絡(luò)建立案例索引,使得解的檢索空間大大縮小,大大縮短了檢索時(shí)間。
(3)RBF-CBR模型中案例索引是由RBF網(wǎng)絡(luò)建立的,這使得模型可用于對其系統(tǒng)特性尚無法完全掌握的對象(無法人工建立索引的對象)。
本文所提出的RBF-CBR模型具有良好的推理識別能力和較高的處理問題效率,為相控陣?yán)走_(dá)識別提供了一個(gè)新的思路,具有較為廣泛的應(yīng)用前景。
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Identification Technology of Phase-Array Radar on Radial Basic Function and Case-Based Reasoning
LIU Ying-hao,XIN Yong-ping,LI Zhe,NIU Chao
(AFEU, Air and Missile Defense School, Shaanxi Xi’an 710051, China)
The traditional identification technology of radar is not suitable for the characteristics of phased-array radar such as the beam agile capability and multi-signal form, which results in many problems such as a low identification probability and a bad identification. For this reason, the classification and identification strategy which includes intra-pulse modulation type and electrical scanning characteristics are discussed. The case-based reasoning (CBR) method for phased-array radar identification is designed. Finally, the RBF (radial basic function)-CBR model is brought forward by setting up the index of case based on case-based reasoning. Through comparison of experimental results, the model has a good reasoning ability and higher efficiency in dealing with problems, which provides a new method for phased-array radar identification.
phased array radar;identification strategy;radial basic function(RBF) network;case-based reasoning(CBR);identification model;RBF-CBR model
2014-04-07;
2015-03-25
劉英豪(1985-),男,甘肅民勤人。碩士生,主要研究方向?yàn)樽鲬?zhàn)體系規(guī)劃理論與方法研究。
通信地址:710051 陜西省西安市長樂東路甲字1號防空反導(dǎo)學(xué)院研究生1隊(duì) E-mail:18668012910@163.com
10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.023
TN971.1;TN958.92
A
1009-086X(2015)-03-0124-07