基于LSTM的雷達(dá)輻射源識(shí)別技術(shù)?

劉括然

（海軍參謀部 北京 100841）

1 引言

雷達(dá)輻射源識(shí)別是電子對(duì)抗偵察系統(tǒng)中的主要功能之一，是我方偵察設(shè)備（雷達(dá)偵察）截獲敵方雷達(dá)信號(hào)特征參數(shù)，然后進(jìn)行信號(hào)分選，與模板庫(kù)中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度計(jì)算，獲取該雷達(dá)的類型、搭載平臺(tái)、威脅等級(jí)以及用途等信息。雷達(dá)輻射源識(shí)別為戰(zhàn)略戰(zhàn)役指揮決策、預(yù)警自衛(wèi)和戰(zhàn)術(shù)打擊提供了重要的判斷依據(jù)［1～2］。但近年來，隨著新體制雷達(dá)和作戰(zhàn)樣式的不斷增多，使得電磁環(huán)境異常復(fù)雜，導(dǎo)致識(shí)別雷達(dá)信號(hào)變得困難，如何在如此復(fù)雜的電磁環(huán)境中高效快速地識(shí)別成為重要問題。目前研究雷達(dá)輻射源識(shí)別的方法主要是基于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如貝葉斯算法［3］、近鄰算法［4］、決策樹算法［5］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［6］等方法以及最近幾年興起的深度學(xué)習(xí)的方法。傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)，雖原理簡(jiǎn)單、理論成熟但識(shí)別率低、泛化能力弱、有限制使用條件。

近年來，隨著在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域不斷的探索和研究，已經(jīng)在語音識(shí)別［7］、圖像識(shí)別［8］、自然語言［9］領(lǐng)域取得比較大的成功，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，深度學(xué)習(xí)方法性能優(yōu)異、識(shí)別高等，但具有不可解釋性以及需要大量的計(jì)算能力。本文研究的輻射源雷達(dá)識(shí)別問題具有時(shí)序特征的特點(diǎn)，構(gòu)建基于LSTM（Long Short-Term Memory）［10］的雷達(dá)輻射源信號(hào)識(shí)別的方法。LSTM是用于處理時(shí)序數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型進(jìn)行提取輻射源信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)輻射源分類識(shí)別。

2 雷達(dá)輻射源信號(hào)識(shí)別

2.1 問題描述

雷達(dá)輻射源信號(hào)識(shí)別是首先通過雷達(dá)被動(dòng)收集、采集一段時(shí)間內(nèi)敵方輻射源信號(hào)特征，然后使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，獲取細(xì)微特征參數(shù)等，最后把特征參數(shù)輸入到分類器中，識(shí)別輻射源類別。對(duì)于雷達(dá)輻射源識(shí)別，本文使用一段時(shí)間內(nèi)的雷達(dá)輻射源信號(hào)特征數(shù)據(jù)源，先進(jìn)行歸一化處理，之后輸入到構(gòu)建的LSTM模型中，識(shí)別輻射源的類型。圖1為整個(gè)雷達(dá)輻射源識(shí)別的過程和流程圖。

1）雷達(dá)收集輻射源時(shí)序信號(hào)特征進(jìn)行標(biāo)注，構(gòu)建數(shù)據(jù)集，然后按照一定的比例進(jìn)行抽取作為訓(xùn)練集、測(cè)試集。

2）對(duì)雷達(dá)輻射源信號(hào)訓(xùn)練集和測(cè)試集進(jìn)行預(yù)處理，向量化、歸一化、編碼等基本預(yù)處理操作。

3）使用TensorFlow［11］構(gòu)建深度LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，確定網(wǎng)絡(luò)層次、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、學(xué)習(xí)率，網(wǎng)絡(luò)層次和節(jié)點(diǎn)數(shù)量等超參數(shù)。

4）把預(yù)處理后的訓(xùn)練集輸入到構(gòu)建的模型中進(jìn)行訓(xùn)練，輸出輻射源識(shí)別結(jié)果與已有的標(biāo)簽進(jìn)行對(duì)比，使用訓(xùn)練集準(zhǔn)確率進(jìn)行評(píng)估，若達(dá)到設(shè)定的閾值，則轉(zhuǎn)為下面的步驟，否則轉(zhuǎn)為步驟3）。

5）把預(yù)處理后的訓(xùn)練集輸入到訓(xùn)練好的LSTM網(wǎng)絡(luò)模型中識(shí)別雷達(dá)輻射源類型，比較訓(xùn)練集和測(cè)試集的準(zhǔn)確率，評(píng)估是否泛化的結(jié)果很好，判斷模型識(shí)別的效果。若泛化效果差，則轉(zhuǎn)為步驟3）。

圖1 雷達(dá)輻射源識(shí)別過程

2.2 LSTM基本理論

LSTM網(wǎng)絡(luò)是一種具有記憶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使得處理時(shí)序的屬性數(shù)據(jù)具有很好的效果。標(biāo)準(zhǔn)LSTM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的核心單元［12］。主要通過輸入門，遺忘門以及輸出門這3個(gè)門達(dá)到了對(duì)網(wǎng)絡(luò)具有記憶效果?；镜腖STM網(wǎng)絡(luò)模型以及核心單元如圖2。

圖2 LSTM網(wǎng)絡(luò)模型核心單元

其中，*表示矩陣的點(diǎn)乘；+表示矩陣相加；ct-1表示細(xì)胞狀態(tài)，即此結(jié)構(gòu)前面的信息；ht-1表示隱藏狀態(tài)；xt表示輸入信息；zf表示遺忘門；zi表示輸入門；zo表示輸出門；yt表示輸出值。

標(biāo)準(zhǔn)LSTM網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的核心單元A，它的精心設(shè)計(jì)使得模型具有添加和刪除信息的狀態(tài)，主要是使用3個(gè)門控制狀態(tài)，輸入門（input gate），遺忘門（forget gate）以及輸出門（output gate），每個(gè)門都有不同的作用，通過這3個(gè)門的設(shè)計(jì)來控制各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)每個(gè)時(shí)刻狀態(tài)特征更好的控制。ct-1表示細(xì)胞狀態(tài)，是經(jīng)過一些線性操作得到ct。而這三個(gè)門就是用于保護(hù)和控制細(xì)胞狀態(tài)。Sigmod函數(shù)是LSTM的門結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，它輸出在0到1之間，反映了信息被保留的程度。

整個(gè)細(xì)胞狀態(tài)信息更新過程為模型的前向傳播，先通過遺忘門zf對(duì)細(xì)胞狀態(tài)信息ct-1進(jìn)行一定的篩選，輸入門zi對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的輸入信息z進(jìn)行篩選，把這2個(gè)篩選的結(jié)果進(jìn)行相加得到更新的細(xì)胞狀態(tài)ct，最后根據(jù)輸出門確定當(dāng)前的輸出ht。再根據(jù)當(dāng)前的ht確定最終的結(jié)果yt。

若是預(yù)測(cè)的最終結(jié)果是分類問題。則ht是通過SoftMax函數(shù)確定最終的結(jié)果yt，即式（8）。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 樣本數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用雷達(dá)輻射源信號(hào)特征數(shù)據(jù)集是通過python仿真的。特征參數(shù)主要包含雷達(dá)脈沖描述字（脈沖到達(dá)時(shí)間、脈沖載頻、脈沖寬度、脈沖幅度、脈沖到達(dá)角）、脈沖重復(fù)參數(shù)、天線掃描特征、脈沖調(diào)制特征，型號(hào)為6種雷達(dá)型號(hào)，作為數(shù)據(jù)特征的標(biāo)簽。為了使得仿真數(shù)據(jù)更加符合戰(zhàn)場(chǎng)上的信號(hào)數(shù)據(jù)，添加高斯白噪聲。數(shù)據(jù)集規(guī)模大小為60000，取80%作為訓(xùn)練集，20%作為測(cè)試集，訓(xùn)練模型。各個(gè)輻射源信號(hào)的數(shù)據(jù)分布圖如表1所示。

表1 雷達(dá)輻射源數(shù)據(jù)比例

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)的過程中，首先把仿真的60000的樣本數(shù)據(jù)隨機(jī)打亂，按照表1的方式劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，整體的比例為4：1。圖4和圖5是LSTM網(wǎng)絡(luò)模型在不同參數(shù)下的損失值和正確率的變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中表明隨著迭代次數(shù)的增加，損失值在不斷地減小，正確率在增加。圖3表明隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量也對(duì)損失值和正確率的變化也有影響，實(shí)驗(yàn)中表明，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，LSTM網(wǎng)絡(luò)收斂的速度較快，之后在增加收斂速度變慢。最終的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定如表2。

表2 LSTM網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

圖3顯示了在不同參數(shù)下的LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的表現(xiàn)。從圖中可以得知，LSTM網(wǎng)絡(luò)中隱藏層不同的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)影響網(wǎng)絡(luò)的收斂速度以及準(zhǔn)確率的大小，文本比較了節(jié)點(diǎn)數(shù)位為64、128、192、256時(shí)的情況，網(wǎng)絡(luò)收斂速度隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加而增加，之后隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加而減少，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為128時(shí)效果最好。

圖3 不同的隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

圖4 和圖5顯示了訓(xùn)練集和測(cè)試集的正確率以及損失值的變化曲線，隨著LSTM網(wǎng)絡(luò)的迭代次數(shù)的增加，識(shí)別率不斷提高，最后穩(wěn)定在94.3%左右，而損失值穩(wěn)定在0.32%左右。通過網(wǎng)絡(luò)的曲線的變化，得知LSTM網(wǎng)絡(luò)模型在測(cè)試集上的泛化程度較好，可以運(yùn)用到雷達(dá)輻射源識(shí)別問題上。

圖4 訓(xùn)練集和測(cè)試集的正確率變化曲線

圖5 訓(xùn)練集和測(cè)試集的損失值變化曲線

表3 LSTM網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集和測(cè)試集的識(shí)別率

對(duì)仿真的數(shù)據(jù)集采用K-fold（K=5）交叉驗(yàn)證［13］進(jìn)行訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)并且得到上述表3中的識(shí)別率，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，LSTM網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于解決輻射源信號(hào)識(shí)別有很好的效果，識(shí)別率達(dá)到了93.2%。

4 結(jié)語

雷達(dá)輻射源識(shí)別是電子對(duì)抗系統(tǒng)中的核心內(nèi)容，LSTM與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別方法不同，不需要人工設(shè)計(jì)特征和手動(dòng)特征提取，而是使用深度學(xué)習(xí)模型自動(dòng)篩選特征。本文基于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)、構(gòu)造深層次和合適的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的模型。通過雷達(dá)輻射源收集的連續(xù)信號(hào)，然后進(jìn)行預(yù)處理，輸入到設(shè)計(jì)深層次的LSTM模型中進(jìn)行訓(xùn)練。通過對(duì)比不同組合的參數(shù)，選擇其中較好的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)雷達(dá)輻射源分類可以取得很好的效果。