中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 洪興勇

安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院 李文瑾

基于決策樹(shù)的無(wú)線電到達(dá)方位測(cè)量算法

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 洪興勇

安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院 李文瑾

在面臨一個(gè)多變、復(fù)雜和密集的電磁信號(hào)環(huán)境中，能夠快速和精確偵測(cè)無(wú)線電到達(dá)方位信息，將有利于精密定位攻擊敵方武器裝備或敵方干擾設(shè)備。本文將智能計(jì)算引入無(wú)線電方向估計(jì)中，通過(guò)智能學(xué)習(xí)方法達(dá)到來(lái)波方位預(yù)測(cè)的目的，智能測(cè)向?qū)W習(xí)器是訓(xùn)練樣本通過(guò)利用學(xué)習(xí)算法建立學(xué)習(xí)模型，得出測(cè)向模型，然后應(yīng)用測(cè)向模型對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)測(cè)試樣本的方位。決策樹(shù)構(gòu)建速度快，因此將決策樹(shù)作為分類器，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電到達(dá)來(lái)波方位估計(jì)和預(yù)測(cè)。

無(wú)線電；訓(xùn)練樣本；決策樹(shù)；方位估計(jì)

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路、信息網(wǎng)絡(luò)、智能數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展及廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了全世界范圍內(nèi)的軍事裝備變革，特別是對(duì)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的精度提出了更高的要求。目前，當(dāng)面臨一個(gè)多變、復(fù)雜和密集的電磁信號(hào)環(huán)境時(shí)，無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方向信息若被精確定位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵機(jī)進(jìn)行精確打擊和干擾[1]。影響無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方位精度的有以下兩個(gè)因素：（1）受到無(wú)線電體制、工作方式、工作模式、信號(hào)處理方法的影響；（2）受到大氣傳輸效應(yīng)、多徑效應(yīng)等電磁波在空間傳輸?shù)挠绊憽?/p>

隨著智能信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，智能計(jì)算的能力有了很大的提高，從而使通過(guò)海量學(xué)習(xí)獲取非線性系統(tǒng)的能力成為可能，因此通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲取無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方向測(cè)量的能力也成為可能。研究智能測(cè)向算法是將無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方位測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)變成一個(gè)海量數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)與識(shí)別問(wèn)題，通過(guò)智能學(xué)習(xí)的方法，建立無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方向測(cè)量的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電信號(hào)的到達(dá)來(lái)波方位進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方向測(cè)量目的。本文提出一種基于決策樹(shù)的無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方位測(cè)算法。

2 無(wú)線電測(cè)向原理

無(wú)線電測(cè)向的目的是測(cè)量無(wú)線電波輻射源的方向，其實(shí)質(zhì)是測(cè)量到達(dá)電磁波的波陣面的法線方向相對(duì)于參考方向（正北）之間的夾角。在實(shí)際使用的測(cè)向設(shè)備中，由于測(cè)向天線體系的天線元的間距不可能很大，因此，處在電波輻射場(chǎng)中的各天線陣元可以認(rèn)為它們接收的電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值是相等的，僅相位不同而已。所以，被測(cè)來(lái)波的方位信息就包含在天線所在點(diǎn)接收到的電場(chǎng)強(qiáng)度的相位中。這樣，利用分布在電磁場(chǎng)中不同位置上的N元離散天線組成的天線體系或一定結(jié)構(gòu)的天線體系進(jìn)行測(cè)向時(shí)，天線體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位就與被測(cè)電臺(tái)輻射的來(lái)波方向有關(guān)。按照從不同天線體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中提取目標(biāo)電臺(tái)方位信息的不同處理方法，亦即按提取來(lái)波到達(dá)方位信息方法的不同，可形成：被測(cè)來(lái)波方位是接收信號(hào)振幅的函數(shù)，以及該信號(hào)相位的函數(shù)，由此可產(chǎn)生比幅法與比相法兩類基本的無(wú)線電測(cè)向方法[2]。

3 訓(xùn)練樣本獲取

對(duì)于將智能學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于方向估計(jì)的算法中，首先需要有效的訓(xùn)練樣本。對(duì)于訓(xùn)練樣本的選擇，是使用在多種環(huán)境和多種方位的前提下，寬頻段信號(hào)在接收天線陣列上的感應(yīng)相位差。目前考慮的樣本包括信號(hào)頻率，信噪比，方向以及感應(yīng)相位差。獲得訓(xùn)練樣本的方法如下：

3.1 實(shí)際測(cè)量

（1）首先將信號(hào)源放置在天線某個(gè)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)，一般要求信號(hào)源與天線的距離需要超過(guò)信號(hào)十倍波長(zhǎng)。

（2）然后將信號(hào)源置為所需頻率和所需強(qiáng)度后發(fā)射，計(jì)算信號(hào)源在天線陣列的感應(yīng)相位差，將頻率、信噪比、方向以及相位差作為一個(gè)樣本。

（3）修改信號(hào)強(qiáng)度，即調(diào)整信噪比，重復(fù)步驟2。當(dāng)前頻率在當(dāng)前方向上的樣本建立后，修改信號(hào)源頻率，重復(fù)步驟2，3建立其他頻率信號(hào)在當(dāng)前方向上的樣本。

（4）如果在指定一個(gè)方向上的所需頻點(diǎn)以及信噪比測(cè)量結(jié)束后，將信號(hào)源置到下一個(gè)方向，重復(fù)步驟2，3。

在已有訓(xùn)練樣本產(chǎn)生方法情況下，下一步需進(jìn)一步研究的是在訓(xùn)練樣本生成時(shí)，信號(hào)源頻率間隔與陣列結(jié)構(gòu)的關(guān)系，還有信噪比的變化步進(jìn)設(shè)置問(wèn)題以及方位間距設(shè)置問(wèn)題等，還可以進(jìn)一步研究地理?xiàng)l件對(duì)訓(xùn)練樣本的影響。雖然實(shí)際測(cè)量獲取的樣本正確率較高，但因獲取樣本費(fèi)時(shí)、費(fèi)力等因素，論文中我們采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法獲取樣本。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)都是以仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

3.2 仿真獲取

如果不考慮信道對(duì)測(cè)向的影響，在只考慮信噪比影響的情況下，訓(xùn)練數(shù)據(jù)也可以通過(guò)仿真模型獲取。通過(guò)構(gòu)建仿真的多信道測(cè)向系統(tǒng)，天線陣列接收各種頻率的信號(hào)，然后天線陣列所接收的信號(hào)通過(guò)五信道接收機(jī)接收。假設(shè)不考慮五信道接收機(jī)中信道對(duì)信號(hào)的影響，那么可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲取五信道接收機(jī)中各信道間的相位差。

表1 訓(xùn)練樣本

表1中的樣本反映了在不同頻率、不同信噪比、不同來(lái)波角度情況下天線陣列上感應(yīng)的相位差，這些相位差可以作為智能測(cè)向的樣本。

4 基于決策樹(shù)的測(cè)角仿真實(shí)驗(yàn)

用決策樹(shù)全方位預(yù)測(cè)無(wú)線電的來(lái)波方位。把1°～360°分為360類，每一度作為一類，對(duì)表1數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行訓(xùn)練得出下列的決策樹(shù)。如圖1所示：

圖1 每1°作為一類的樹(shù)結(jié)構(gòu)

用3-折交叉確認(rèn)法[3]（3-fold cross-validation）對(duì)決策樹(shù)進(jìn)行處理，把全方位分成360類，每1°作為一類，識(shí)別正確率如表2所示：

表2 每1°作為一類識(shí)別正確率

由表2可知： 決策樹(shù)把全方位分成360類來(lái)識(shí)別來(lái)波方位時(shí)，誤差小于等于1°或2°時(shí)，對(duì)來(lái)波方位識(shí)別的正確率較低；誤差小于等于≤10°時(shí)，決策樹(shù)對(duì)來(lái)波方位識(shí)別的正確率很高。決策樹(shù)對(duì)無(wú)線電來(lái)波方位估計(jì)能夠快速和精確偵測(cè)無(wú)線電到達(dá)方位信息，將有利于精密定位攻擊敵方武器裝備或敵方干擾設(shè)備。

5 結(jié)論

本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲取智能信息學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本?；跊Q策樹(shù)的學(xué)習(xí)算法的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是，它在學(xué)習(xí)過(guò)程中不需要使用者了解很多的背景知識(shí)。只要訓(xùn)練例子能夠用屬性和結(jié)論的方式表達(dá)出來(lái)，就能使用該算法來(lái)學(xué)習(xí)。決策樹(shù)能夠快速估計(jì)無(wú)線電來(lái)波方位信息，并且方位誤差越大，估計(jì)方位信息的正確率越高。因此基于決策樹(shù)的無(wú)線電信號(hào)到達(dá)方位估計(jì)算法能夠滿足寬頻段、快速和高精度的智能測(cè)向系統(tǒng)。

[1]賀平,羅景青.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2016.

[2]陳玲.無(wú)源測(cè)向測(cè)時(shí)差定位算法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2003,25(6).

[3]郭景峰,米浦波,劉國(guó)華.對(duì)一種新的決策樹(shù)建立方法的研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2002(29).

圖3 芯片外觀圖

圖4 H橋控制電路

圖5 無(wú)線遙控發(fā)射電路圖

圖6 無(wú)線遙控接收電路圖

3.5 無(wú)線遙控電路設(shè)計(jì)

本文采用無(wú)線遙控芯片TX-2B/RX-2B構(gòu)成爬壁機(jī)器人的無(wú)線控制系統(tǒng)。其無(wú)線發(fā)射電路如圖5所示，無(wú)線接收電路如圖6所示，兩電路必須配對(duì)使用。

本設(shè)計(jì)利用無(wú)線控制系統(tǒng)對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，整機(jī)調(diào)試，爬壁機(jī)器人樣機(jī)能完成自由爬壁并在垂直墻面上完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等功能。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種負(fù)壓吸附型爬壁機(jī)器人，主要包括機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無(wú)線控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分。對(duì)系統(tǒng)中的主要部件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，并介紹了其主要性能。該系統(tǒng)元器件設(shè)計(jì)合理、選型準(zhǔn)確。針對(duì)所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人運(yùn)用無(wú)線遙控設(shè)計(jì)控制，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的無(wú)線模塊控制。

參考文獻(xiàn)

[1]彭晉民,李濟(jì)澤,邵潔,李軍.壁機(jī)器人吸附系統(tǒng)研究[M].中國(guó)機(jī)械工程,2012,9.

[2]吳善強(qiáng),李滿天,孫立寧.爬壁機(jī)器人負(fù)壓吸附方式概述[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2007,2.

許云倩，現(xiàn)就讀于山東淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué)2015級(jí)26班。

王營(yíng)博，山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，從事儀器科學(xué)與技術(shù)方面的研究。