牛浩楠,王文燦,劉清波
(1.北京無線電測(cè)量研究所,北京 100854;2.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì),北京 100094)
在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中,隨著雷達(dá)的種類和數(shù)量的快速增加,雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別的地位越來越重要。并且隨著電磁信號(hào)的頻譜越來越廣泛以及波形越來越多樣化,電磁環(huán)境日益復(fù)雜。僅僅利用傳統(tǒng)的脈沖描述字參數(shù)和有意調(diào)制參數(shù)來識(shí)別雷達(dá)輻射源已經(jīng)不能滿足對(duì)輻射源個(gè)體識(shí)別的需求。因此近些年來,國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者開展了對(duì)雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別的研究[1]?,F(xiàn)在脈沖無意調(diào)制(unintentional modualation on pulse,UMOP)特征被認(rèn)為是解決雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別問題的有效工具。因?yàn)閁MOP不像基本特性,它主要由制造商生產(chǎn)發(fā)射機(jī)中內(nèi)部設(shè)備的差異和老化引起的,例如振蕩器,電源等。它雖然是比較細(xì)微的特征,但卻是不可避免的,并且對(duì)于每個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體都是唯一的,就像一個(gè)人的指紋,因此也叫指紋特征[2]。因此可以從不同脈沖信號(hào)中提取特定的UMOP特征去幫助更好地完成雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別任務(wù)。此過程也稱為指紋識(shí)別?;诖?,本文利用脈沖上的無意調(diào)制特征和分類識(shí)別算法結(jié)合,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別。
從硬件方面來說,由于雷達(dá)輻射源發(fā)射機(jī)內(nèi)部各種元器件,尤其是振蕩器和脈沖調(diào)制器本身差異帶來的無意調(diào)制特征會(huì)體現(xiàn)在信號(hào)的幅度、頻率和相位上。而對(duì)于不同個(gè)體,其使用的元器件不是同一個(gè),那么就一定會(huì)存在差異,因此其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)包絡(luò)便會(huì)不可避免地存在各自唯一的指紋特征[3]。從空間傳輸過程來說,信號(hào)經(jīng)過了信道衰落、多徑效應(yīng)等造成的衰落,使得脈沖包絡(luò)形狀發(fā)生一定的起伏變化和失真。從偵收設(shè)備來說,信號(hào)受接收機(jī)噪聲影響也會(huì)使得信號(hào)脈沖包絡(luò)的形狀變化。但對(duì)于同樣的接收設(shè)備,其所造成的噪聲影響可認(rèn)為是相同的,所以在對(duì)同一偵收設(shè)備偵收到的不同雷達(dá)輻射源個(gè)體信號(hào)分析其包絡(luò)指紋特征時(shí),認(rèn)為接收機(jī)噪聲帶來的對(duì)脈沖包絡(luò)的影響是穩(wěn)定的,是包絡(luò)指紋特征的一部分。
在對(duì)雷達(dá)輻射源信號(hào)的脈沖包絡(luò)進(jìn)行分析時(shí),一般分析其時(shí)域上體現(xiàn)出來的暫態(tài)信息。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,目前主要研究的細(xì)微特征參數(shù)有[4]:脈沖包絡(luò)上升沿時(shí)間(或者包絡(luò)上升沿斜率、包絡(luò)上升沿夾角)、脈沖寬度、脈沖包絡(luò)下降沿時(shí)間(或者包絡(luò)下降沿斜率、包絡(luò)下降沿夾角)、包絡(luò)上升沿與下降沿延長(zhǎng)線夾角、包絡(luò)頂部起伏(即包絡(luò)頂降)、包絡(luò)尖峰(包含尖峰位置和尖峰個(gè)數(shù)等)以及拐點(diǎn)、相似系數(shù)等。如圖1所示。

圖1 脈沖包絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulse envelope
由于包絡(luò)上升沿是由于發(fā)射機(jī)內(nèi)部非線性元器件造成的非線性特征,是輻射源信號(hào)的固有屬性,并且相對(duì)來說受信道衰落和多徑影響較小,具有唯一性和一定的穩(wěn)定性,因此本文選擇脈沖包絡(luò)上升沿時(shí)間作為一個(gè)重要的包絡(luò)指紋特征來研究。脈沖的頂部包絡(luò)形成的主要原因是受發(fā)射機(jī)調(diào)制不同脈寬的影響,整個(gè)包絡(luò)的穩(wěn)定性很強(qiáng),因此本文選擇包絡(luò)頂降作為輻射源個(gè)體識(shí)別的有效指紋特征。而脈沖寬度在傳統(tǒng)的雷達(dá)輻射源識(shí)別方法中就作為一個(gè)重要的特征參數(shù)來進(jìn)行分類識(shí)別,具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性,因此也將其作為一個(gè)反映輻射源個(gè)體細(xì)微特性的指紋特征來分析。
由上節(jié)介紹可知,發(fā)射機(jī)內(nèi)部元器件的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)信號(hào)幅度產(chǎn)生影響,使得信號(hào)脈沖包絡(luò)產(chǎn)生失真,從而形成包絡(luò)上的指紋特征。同時(shí)發(fā)射機(jī)的硬件系統(tǒng)的不穩(wěn)定也對(duì)信號(hào)相位造成了一定程度的影響。由于產(chǎn)生信號(hào)的核心器件是振蕩器,它是一個(gè)非線性器件,其頻率不穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生諧波分量和載波交調(diào)分量耦合等非線性效應(yīng),以及本身存在的噪聲產(chǎn)生了相位寄生調(diào)制,即相位噪聲。所以認(rèn)為產(chǎn)生相位噪聲的主要原因是振蕩電路的非線性效應(yīng),因此本文重點(diǎn)研究的是振蕩器所產(chǎn)生的相位噪聲。


圖2 振蕩器特性圖Fig.2 Oscillator characteristic diagram
根據(jù)以上分析,由于每個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體的fm都不相同,那么其相位噪聲也就有所差異。而相位噪聲是雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)固有的指紋特征,通過發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)也會(huì)攜帶這種細(xì)微特征。那么可以利用雷達(dá)輻射源信號(hào)的這些細(xì)微特征來達(dá)到雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別的目的。
相位噪聲表示的是信號(hào)的相位在短時(shí)間內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)。常用測(cè)量相位噪聲的單邊帶功率譜的方法來對(duì)信號(hào)的相位噪聲進(jìn)行測(cè)量。相位噪聲用偏離載波信號(hào)頻率fm處的1 Hz帶寬內(nèi),相位噪聲單邊帶功率Psd(fc+fm,1 Hz)和載波信號(hào)功率Pc的比值L(fm)來計(jì)算[6]。如式(1)所示:
(1)
線性調(diào)頻信號(hào)(linear frequency modulated,LFM)是典型的雷達(dá)輻射源調(diào)頻信號(hào),其時(shí)頻關(guān)系呈線性變化,為目前多數(shù)相控陣?yán)走_(dá)常使用的發(fā)射信號(hào)。因此,研究和仿真的雷達(dá)輻射源信號(hào)均為L(zhǎng)FM信號(hào)。下面分析LFM信號(hào)及其相位噪聲模型。
LFM信號(hào)表達(dá)式為
S(t)=Asin(2πfct+kπt2+φ0), 0≤t≤τ,
(2)
式中:A為幅度;fc為載頻;k為調(diào)頻斜率,由k=B/τ計(jì)算得來,其中B為調(diào)頻帶寬,τ為脈沖寬度;φ0是初始相位。為了便于分析計(jì)算這里將幅度看作常數(shù),初始相位設(shè)為0。線性調(diào)頻信號(hào)的相噪φ(t)可近似為載頻為fm的正弦信號(hào),即
φ(t)=Msin(2πfmt),
(3)
那么帶有相位噪聲的線性調(diào)頻信號(hào)可表示為
S(t)=Asin(2πfct+kπt2+Msin(2πfmt)),0≤t≤τ.
(4)
具體展開結(jié)果為
S(t)=Asin(2πfct+kπt2)cos[Msin(2πfmt)]+
Acos(2πfct+kπt2)sin[Msin(2πfmt)]=
Asin(2πfct+kπt2){J0(M)+
2[J2(M)cos(2πfmt)+
J4(M)cos(8πfmt)+…]}+
Acos(2πfct+kπt2)·
{2[J1(M)sin(2πfmt)+
J3(M)sin(6πfmt)+…]},
(5)
式中:Jn(M)為調(diào)相系數(shù)M(0 (6) (7) 并且若是隨機(jī)噪聲,則有 (8) 由于相位噪聲可看作是無數(shù)個(gè)隨機(jī)噪聲調(diào)制而成,由此可得帶有相位噪聲的LFM信號(hào)為 S(t)=Asin(2πfct+kπt2)+ (9) 式中:Mn為一組調(diào)相系數(shù);fm為對(duì)應(yīng)的一組頻率偏移量。由此相噪模型以及信號(hào)模型構(gòu)建完成。 通過上述對(duì)細(xì)微特征的分析和建模,可以得到帶有細(xì)微特征的雷達(dá)輻射源中頻信號(hào)數(shù)據(jù)。本文選用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)并對(duì)雷達(dá)輻射源進(jìn)行識(shí)別。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是有監(jiān)督訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)方法,增加了局部感知和池化等操作,具有了平移不變性、傾斜不變性和縮放不變性[7],是一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因此在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,比如語音分析[8]、行為識(shí)別[9]、圖像識(shí)別[10]、目標(biāo)識(shí)別[11]、人臉識(shí)別[12]、車牌識(shí)別[13]等,并都通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別性能和分類能力較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均有了大幅提升[14-15]。目前在識(shí)別任務(wù)中通常使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都是二維的,但其不能很好地適應(yīng)本文所研究的雷達(dá)輻射源中頻數(shù)據(jù)的一維特性。因此,提出利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一維模型對(duì)雷達(dá)信號(hào)中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練、特征提取以及分類識(shí)別,完成雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別任務(wù)。 首先提出一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(one-dimensional convolutional neural network,1D-CNN)的框架,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,數(shù)據(jù)流向如圖4所示。 圖3 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 One-dimensional convolutional neural network structure diagram 圖4 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流圖Fig.4 One-dimensional convolutional neural network data flow diagram 該一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由1層輸入層,3層卷積層,3層池化層,1層全連接層、1層Softmax輸出層組成。卷積層主要功能是利用卷積核進(jìn)行特征提取,通過滑窗卷積運(yùn)算,使得每個(gè)卷積核都能從上一層的輸入中提取局部特征,得到特征圖。卷積核相當(dāng)于1個(gè)傳遞函數(shù),不同的卷積核提取到的局部特征不同。池化層的主要功能是對(duì)特征進(jìn)行映射,主要對(duì)卷積層提取的高維特征數(shù)據(jù)進(jìn)行降維,去掉特征中的冗余信息,避免發(fā)生過擬合問題。最后1層池化層后面是全連接層,它將之前經(jīng)過各網(wǎng)絡(luò)層提取得到的局部特征組進(jìn)行整合連接。在全連接層之后加入1層Softmax層用于對(duì)特征的分類識(shí)別。 在訓(xùn)練時(shí),1D-CNN采用了反向傳播(back propagation,BP)的算法。在BP算法中,又分為前向傳播和反向傳播2個(gè)階段。通過這2個(gè)過程對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),使誤差達(dá)到預(yù)置范圍內(nèi),或者完成訓(xùn)練就結(jié)束學(xué)習(xí)。下面將對(duì)這2個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)介紹。 (10) (11) 在全連接層中,設(shè)xl為第l層的輸出,那么其數(shù)學(xué)模型為 xl=f(Wlxl-1+bl) (12) 式中:f(·)為激活函數(shù);Wl為權(quán)重系數(shù);bl為偏置。 反向傳播階段是誤差從高層到低層的過程。反向傳播中使用平方誤差來計(jì)算誤差: (13) 將誤差對(duì)權(quán)值系數(shù)求偏導(dǎo),利用誤差反向更新權(quán)重,可得 (14) (15) 在隱含層第l層的靈敏度為 δl=(Wl+1)Tδl+1f′(Wlxl-1+bl). (16) 損失函數(shù)(loss function,LF)是用來衡量網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)輸出和原本的實(shí)際數(shù)據(jù)的差異程度,損失函數(shù)的值越小,表示差異越小。可以通過最小化分類損失函數(shù)來優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型,提高模型的魯棒性。使1D-CNN自動(dòng)地提取雷達(dá)輻射源信號(hào)特征并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類。1D-CNN網(wǎng)絡(luò)使用了交叉熵?fù)p失函數(shù),其表達(dá)式為 (17) 式中:yi為該信號(hào)的實(shí)際類別標(biāo)簽;c為類別數(shù);pi為該信號(hào)經(jīng)過1D-CNN網(wǎng)絡(luò)Softmax函數(shù)后預(yù)測(cè)的屬于該類的概率。 仿真實(shí)驗(yàn)中,共設(shè)置9個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體。首先按照以下步驟仿真產(chǎn)生具有個(gè)體特征的9個(gè)雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)集。 (1) 產(chǎn)生調(diào)制信號(hào):仿真實(shí)驗(yàn)中本文選擇線性調(diào)頻調(diào)制方式。因?yàn)橐活愝椛湓吹男盘?hào)調(diào)制參數(shù)不是固定值,是一個(gè)可變范圍。所以設(shè)置3組調(diào)制參數(shù)來體現(xiàn)其可變性。參數(shù)如表1所示。 表1 調(diào)制參數(shù)表Table 1 Modulation parameter table (2) 信號(hào)加入個(gè)體特征:每組調(diào)制參數(shù)下設(shè)置3個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體。為區(qū)分3個(gè)不同的個(gè)體,需要在該調(diào)制參數(shù)下的信號(hào)中加入個(gè)體特征。由于本文所分析和使用的個(gè)體特征為包絡(luò)特征和相噪特征。因此在產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整濾波器參數(shù)采樣頻率和截止頻率來控制信號(hào)的包絡(luò)形狀來加入個(gè)體包絡(luò)特征,通過調(diào)整調(diào)相因子和對(duì)應(yīng)的頻率偏移值來控制相位噪聲來加入個(gè)體相噪特征。 (3) 產(chǎn)生發(fā)射信號(hào):通過第2步得到每組參數(shù)下的3個(gè)不同信號(hào),3組參數(shù)下共9個(gè)攜帶個(gè)體特征的信號(hào)。然后根據(jù)脈沖參數(shù)表(表2),將信號(hào)調(diào)制到設(shè)定好的載波頻率上,并按照脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期以及占空比產(chǎn)生脈沖串信號(hào)。 表2 脈沖參數(shù)表Table 2 Pulse parameter table (4) 產(chǎn)生偵收中頻信號(hào):通過第3步,可以得到每個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體的2 000個(gè)脈沖信號(hào)。相控陣天線陣設(shè)置2 000個(gè)陣元,仿真時(shí)設(shè)置天線波束最大指向方位維是30°,俯仰維是0°,信號(hào)按照最大指向發(fā)射。偵收信號(hào)按照不同信噪比給出。信噪比范圍是0~20 dB,仿真時(shí)取0 dB,5 dB,10 dB,15 dB,20 dB這幾個(gè)值。至此,仿真得到9個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體不同信噪比下的偵收信號(hào)。然后通過下變頻去掉信號(hào)載頻,得到信號(hào)的中頻數(shù)據(jù)。然后將9個(gè)輻射源的信號(hào)中頻數(shù)據(jù)給予9個(gè)標(biāo)簽。至此,得到9個(gè)雷達(dá)輻射源個(gè)體的數(shù)據(jù)集。將仿真制作好的雷達(dá)輻射源信號(hào)中頻數(shù)據(jù)集隨機(jī)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,送訓(xùn)練集數(shù)據(jù)送入1D-CNN網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。訓(xùn)練完成后,將測(cè)試集數(shù)據(jù)送入已訓(xùn)練好的1D-CNN網(wǎng)絡(luò)模型,并輸出測(cè)試集數(shù)據(jù)的識(shí)別率。 選取tanh函數(shù)作為激活函數(shù),網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置為nb_epoch=50,batch_size=100,各層卷積核數(shù)量分別為[8,16,32],訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)比例為4 ∶1。在其他參數(shù)不變的情況下。對(duì)比了一維CNN網(wǎng)絡(luò)中步長(zhǎng)Strides和濾波器長(zhǎng)度Filter_length對(duì)雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別正確率結(jié)果的影響,結(jié)果如表3所示。 表3 不同步長(zhǎng)和濾波器長(zhǎng)度下的識(shí)別率Table 3 Recognition rate with different Strides and different Filter_length (%) 從表3中容易看出,在同一Filter_length下,Strides設(shè)置越大,網(wǎng)絡(luò)識(shí)別率越低,這說明步長(zhǎng)越長(zhǎng),特征損失的越多,識(shí)別效果越差,所以在步長(zhǎng)為1時(shí),網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別效果最好。而在同一Strides下,F(xiàn)ilter_length為5時(shí),網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一個(gè)較好的識(shí)別率。說明Filter_length=5是適合這些數(shù)據(jù)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。所以選擇Filter_length=5和Strides=1來作為本文一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),保證網(wǎng)絡(luò)識(shí)別效果維持在一個(gè)較好的水平上。 同時(shí),各卷積層的卷積核數(shù)量也對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)識(shí)別率產(chǎn)生影響。因此在其他參數(shù)不變的情況下,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了0 dB條件下,一維CNN網(wǎng)絡(luò)中各層卷積核數(shù)量對(duì)雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別正確率結(jié)果的影響,結(jié)果如表4所示。從表4中容易看出,各層的卷積核數(shù)量變化會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別率造成一定程度的抖動(dòng),當(dāng)各層卷積核數(shù)量分別為8,16,32時(shí),網(wǎng)絡(luò)識(shí)別率達(dá)到一個(gè)較高的水平,同時(shí)運(yùn)算速率也很快。雖然各層卷積核數(shù)量分別為128時(shí)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別率達(dá)到最高,但是考慮到其運(yùn)算速率慢,運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)而識(shí)別效果提升不是很顯著。故網(wǎng)絡(luò)采用8,16,32的組合來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)各層卷積核數(shù)量。 表4 各層卷積核數(shù)量不同條件下的識(shí)別率Table 4 Recognition rate under each layer with different number of convolution kernels conditions 在采用上述的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)后,進(jìn)一步對(duì)比了不同信噪比下,一維CNN的識(shí)別效果,識(shí)別正確率結(jié)果如表5所示。并且分別對(duì)輻射源A、輻射源B、輻射源C各自的3個(gè)個(gè)體的識(shí)別率仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 表5 不同信噪比下的識(shí)別率Table 5 Recognition rate under different SNR conditions (%) 由表5分析可知,在不同信噪比下網(wǎng)絡(luò)總體識(shí)別率會(huì)有所不同,并且隨著信噪比的增加,識(shí)別率也逐步提升。在低信噪比條件下都有很高的識(shí)別準(zhǔn)確率,在0 dB條件下識(shí)別率仍能達(dá)到98%左右。證明網(wǎng)絡(luò)不僅能很好地提取信號(hào)的細(xì)微特征,深層次挖掘特征之間的潛在信息,還具有良好的抗噪性能,對(duì)噪聲不敏感,魯棒性很強(qiáng)。 本文針對(duì)雷達(dá)輻射源個(gè)體的包絡(luò)細(xì)微特征和相噪細(xì)微特征進(jìn)行了分析建模,并得到帶有細(xì)微特征的相控陣?yán)走_(dá)輻射源中頻信號(hào)數(shù)據(jù)。根據(jù)雷達(dá)輻射源信號(hào)中頻數(shù)據(jù)的一維特性,提出使用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別,詳細(xì)討論了基于雷達(dá)輻射源信號(hào)中頻數(shù)據(jù)的1D-CNN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及訓(xùn)練算法,并進(jìn)行了相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明1D-CNN的識(shí)別效果好,這得益于中頻數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)細(xì)微特征的完整保留以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的特征提取能力,并且當(dāng)信噪比很低時(shí),1D-CNN的識(shí)別正確率仍然能保持一個(gè)較好的水平,證明本文提出的網(wǎng)絡(luò)模型有很強(qiáng)的魯棒性和抗噪性,能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)輻射源個(gè)體識(shí)別的任務(wù)。
2 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
2.1 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)


2.2 訓(xùn)練算法




2.3 損失函數(shù)
3 仿真校驗(yàn)
3.1 數(shù)據(jù)集產(chǎn)生


3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果



4 結(jié)束語