羌琦　張旭東　季輝

摘要：雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)是雷達(dá)研究設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。本文在分析了傳統(tǒng)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性和動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)，提出了一種基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)檢測(cè)的仿真設(shè)計(jì)方法，最終得到自適應(yīng)性較強(qiáng)的Elman信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)。

Abstract： Radar target signal detection is an important part of radar research and design. In this paper， based on analysis of the tradition technology method of target signal detection and the fact that the artificial neural network has ability of non-linear， dynamic， a method for simulation and design of radar target signal detection based on Elman neural network is proposed. In the and， the adaptive strong Elman signal detecetin network is obtained which can accomplish radar target signal detection.

關(guān)鍵詞：Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);雷達(dá);信號(hào)檢測(cè);仿真

Key words： Elman neural network;radar;signal detection;simulation

中圖分類號(hào)：V44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）28-0243-03

0? 引言

雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)是指從回波、噪聲及其他干擾混雜在一起的信號(hào)中提取出有用的目標(biāo)信號(hào)。典型的雷達(dá)采用建立在統(tǒng)計(jì)檢測(cè)理論基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)判斷方法，選用各類匹配濾波器、檢波器，放大器和檢測(cè)裝置等器件，最后通過各類顯示器來觀察和檢測(cè)雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)其基本框圖如圖1所示，D0為識(shí)別系數(shù)或檢測(cè)因子[1]。但是，由于受工作環(huán)境的溫度、氣壓和器件的性能因素的影響，很難快速而準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并檢測(cè)出有用目標(biāo)信號(hào)。

近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，其在信息處理和預(yù)測(cè)、機(jī)械工程、機(jī)器人技術(shù)、故障診斷系統(tǒng)、航天航空工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到了研究人員的廣泛關(guān)注[2]。本文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的適應(yīng)性、非線性映射、魯棒性及學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)，然后基于MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行程序編寫，設(shè)計(jì)建立一種具有三層網(wǎng)絡(luò)的Elman人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)模型，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，不斷的對(duì)信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)自由參數(shù)進(jìn)行調(diào)整使其最優(yōu)化，最終使所建立的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出逼近所需要的目標(biāo)信號(hào)[3]～[6]。

1? Elman人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以看作是一個(gè)具有局部記憶單元和局部反饋連接的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，除了普通的隱含層外，還有一個(gè)特別的隱含層，稱為關(guān)聯(lián)層（或聯(lián)系單元層）;該層從隱含層接收反饋信號(hào)，每一個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)層節(jié)點(diǎn)連接。關(guān)聯(lián)層的作用是通過聯(lián)接記憶將上一個(gè)時(shí)刻的隱層狀態(tài)連同當(dāng)前時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)輸入一起作為隱層的輸入，相當(dāng)于狀態(tài)反饋。隱層的傳遞函數(shù)為某種非線性函數(shù)，輸出層為線性函數(shù)，關(guān)聯(lián)層也為線性函數(shù)[7]。

2? 基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)模型

2.1 模型建立

Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為典型局部遞歸內(nèi)時(shí)延反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，除了輸入層、輸出層和隱層節(jié)點(diǎn)外，還有與隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的反饋層節(jié)點(diǎn)，其輸入是隱層節(jié)點(diǎn)輸出的一步延遲。建立一三層多節(jié)點(diǎn)、單輸出的Elman網(wǎng)絡(luò)，設(shè)網(wǎng)絡(luò)外部雷達(dá)輸入信號(hào)時(shí)間序列為u（t），反饋層輸出xc（t），最終輸出的目標(biāo)信號(hào)為y（t），則該信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型描述為：

照上述，所建立的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

2.2 訓(xùn)練與仿真測(cè)試

為保證建立的信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)可以恰當(dāng)?shù)孛枋鲚斎胄盘?hào)與輸出目標(biāo)信號(hào)的函數(shù)關(guān)系，需要對(duì)模型網(wǎng)絡(luò)的輸入一系列回波信號(hào)樣本，使網(wǎng)絡(luò)樣本輸出信號(hào)與辨識(shí)輸出信號(hào)的均方誤差達(dá)到最小。網(wǎng)絡(luò)采用動(dòng)態(tài)反向傳播學(xué)習(xí)算法[8]，對(duì)模型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

訓(xùn)練的誤差性能曲線如圖3所示，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大訓(xùn)練步長(zhǎng)500時(shí)，其均方誤差mse=0.0186686。

2.2.1 簡(jiǎn)單信號(hào)測(cè)試

上文已經(jīng)對(duì)建立好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)單訓(xùn)練，為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途W(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練情況，選用干凈、不含任何干擾的三角波、正弦波和矩形波3種調(diào)制信號(hào)形成的已調(diào)波形作為雷達(dá)輸入測(cè)試信號(hào)，對(duì)所設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中實(shí)線表示模型網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)，虛線表示輸入的簡(jiǎn)單調(diào)制的雷達(dá)信號(hào)。從仿真結(jié)果看，輸出信號(hào)和調(diào)制信號(hào)基本吻合，所以建立設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)可以很好地完成不同調(diào)制信號(hào)、不同調(diào)幅度的峰值檢波，輸出波形中的紋波可以通過低通濾波器濾除。

2.2.2 復(fù)雜信號(hào)測(cè)試

選取需要檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)幅度為1和2的正弦信號(hào)交替變化構(gòu)成，在MATLAB里可以通過如下語句生成：

然后利用這一輸入信號(hào)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，并繪出測(cè)試信號(hào)、目標(biāo)輸出和網(wǎng)絡(luò)仿真輸出曲線。結(jié)果如圖5所示。

圖5中的虛線表示輸入的雷達(dá)測(cè)試信號(hào)、短畫線表示所希望達(dá)到的曲線和實(shí)線表示模型網(wǎng)絡(luò)實(shí)際檢測(cè)輸出的信號(hào)曲線。從圖中定額以看出模型網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)雜測(cè)試信號(hào)的檢測(cè)性能不及簡(jiǎn)單信號(hào)，但可以較成功地實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。出現(xiàn)圖5這種結(jié)果一是由于信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型能存在需要改進(jìn)之處;二是由于樣本訓(xùn)練程度需要提高，訓(xùn)練成功的網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)任何一個(gè)在訓(xùn)練域內(nèi)的未曾見過的非樣本數(shù)據(jù)有正確的響應(yīng)。

3? 結(jié)束語

本文選用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行程序編寫，實(shí)現(xiàn)了基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)仿真。仿真結(jié)果表明，在不事先不考慮噪聲干擾對(duì)系統(tǒng)影響的前提下，得到的網(wǎng)絡(luò)模型可以很好的檢測(cè)出一些簡(jiǎn)單信號(hào)，在對(duì)復(fù)雜輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，雖然其效果還是不能都達(dá)到期望值，但依然可以檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)。

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