辐射源个体识别中的模板分段寻优算法

陈沛铂，李 纲

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院, 长沙 410073)



·信号处理·

辐射源个体识别中的模板分段寻优算法

陈沛铂，李 纲

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院, 长沙 410073)

雷达辐射源个体识别，是当今电子战研究的重点课题。动态时间规整能够对雷达辐射源进行距离测度，实现雷达辐射源个体识别中的目标匹配。模板的好坏将直接影响到匹配效果，动态时间规整运算量大，使得传统模板寻优方法时间复杂度相当高，不适于实际工程需要。故提出了一种模板分段寻优算法，在保证模板有效性的前提下降低了模板寻优的耗时。最后，通过仿真验证了模板分段寻优算法的可行性。

辐射源个体识别；目标匹配；动态时间规整；模板分段寻优

0 引 言

雷达辐射源个体识别，即识别同型号的雷达辐射源，是当今电子战研究的重点课题，已成为决定整个战争胜败的关键技术。目标匹配是雷达辐射源个体识别中的重要环节，指纹特征的选取，指纹特征的距离测度，以及指纹特征的模板寻优是实现雷达辐射源目标匹配的三大步骤。

雷达辐射源的个体差异源于其内部各种元器件的细微差异，瞬时幅度和瞬时频率的波形结构中就蕴含了这种差异[1-2]。早先的研究工作主要集中在提取瞬时幅度和瞬时频率的各种参数，将其作为雷达辐射源的指纹特征[1-5]。这些指纹特征并不能全面的反映雷达辐射源的个体差异，并且特定的指纹特征只适用于对少数几种型号的雷达辐射源实现目标匹配，泛化性能不好。本文直接把瞬时幅度和瞬时频率设定为指纹特征，通过波形匹配实现同型号雷达辐射源的目标匹配。

基于各种参数的指纹特征，其维数是一样的。对于该种维数相同的指纹特征，早先的研究者多采用欧氏距离、绝对值距离、切氏距离、明氏距离和马氏距离等方法实现指纹特征的距离测度[6]。由于辐射源自身的不稳定，接收机测量水平的限制，以及外界环境的干扰，辐射源瞬时幅度和瞬时频率均呈现出一种弯折现象，动态时间规整(DTW)算法[7-9]能够消除弯折现象给目标匹配带来的负面影响，实现对本文指纹特征的距离测度。

指纹特征模板的好坏决定了目标匹配效果，多数研究者采用指纹特征的累加平均作为标准模板[6,10-11]。这种方式获取的模板易受数值偏差较大的特征影响，且没有考虑模板与指纹特征的距离测度关系，故用累加平均建立模板的方法不适用于本文。把类内平均DTW测度值最小的指纹特征作为标准模板是较为合适的，通过该种模板寻优方式，能够寻找到全局最优模板。但是DTW测度运算量大，使得模板全局寻优的时间复杂度相当高。为满足实际工程需要，本文提出了一种模板分段寻优算法，在保证模板有效性的前提下降低了模板寻优的耗时。

本文将依次介绍动态时间规整测度，模板分段寻优算法，以及动态时间规整测度融合，并通过仿真验证了模板分段寻优算法在雷达辐射源个体识别课题中的可行性，并对实验结果进行了分析。

1 动态时间规整测度

动态时间规整是将时间规整和距离测度结合起来的一种非线性规整技术。假设两个波形X和Y的矢量序列分别为X={x1,x2,…,xI}和Y={y1,y2,…,yJ}，且I≠J，则动态时间规整就是寻找一个时间规整函数j=w(i)，它将X波形的时间轴i非线性地映射到Y波形的时间轴j上，并使该函数w满足

(1)

式中：d(xi,yw(i))是波形X的第i个矢量xi和波形Y的第w(i)个矢量yw(i)的欧氏距离测度。|i-w(i)|

图1 动态时间归整过程

DTW测度以总的累计距离最小为原则，通过逐点寻优匹配，寻找到波形X中最能表征其个体差异的子序列X={x(1),x(2),…,x(L)}，L

2 模板分段寻优算法

在选定DTW对指纹特征进行距离测度后，指纹特征模板，即瞬时幅度模板和瞬时频率模板的选取也是至关重要的。模板与本类所有指纹特征的距离测度取值应当较小，与非本类所有指纹特征的距离测度取值应当较大。把类内平均DTW测度值最小的指纹特征作为标准模板是较为合适的，通过该种模板寻优方式，能够寻找到全局最优模板。

假设某雷达辐射源的指纹特征模板寻优集为W={w1,w2,…,wN}，N为特征总数。dij=dDYW(wi,wj)为特征wi和wj的DTW距离。若

(2)

模板分段寻优算法的具体步骤如下：

分段寻优算法如图2所示。

图2 模板分段寻优示意图

由步骤1和步骤2可知，模板分段寻优算法共需做DTW测度的次数为

(3)

模板分段寻优算法的时间复杂度远远低于模板全局寻优方法，符合实际工程需要。另外，通过后续仿真实验会发现，尽管分段寻优算法的时间复杂度降低了，但是其指纹特征模板的有效性并没有降低。

3 DTW测度融合

假设共有M部雷达辐射源，其瞬时幅度模板和瞬时频率分别记为wA1,wA2,…,wAM和wF1,wF2,…,wFM。某一待测脉冲信号的瞬时幅度和瞬时频率分别记为：wA和wF。其中wA与各瞬时幅度模板的DTW测度值记为：dA1,dA2,…,dAM，wF与各瞬时频率模板的DTW测度值记为：dF1,dF2, …,dFM。则该待测脉冲信号隶属于各雷达辐射源的隶属度为

i=1,2,…,M

(4)

4 实测数据实验

本文所用数据源于实测的六部同型号雷达信号，分别记为：A、B、C、D、E、F，实验流程如图3所示。

图3 实验流程图

首先对实测数据进行预处理，包括滤波去噪和脉冲检测，获取雷达辐射源的脉冲信号。将每部雷达辐射源第一次被获取的脉冲信号集作为模板寻优集，第二次被获取的脉冲信号集作为测试集。各雷达辐射源的寻优集和测试集的具体分配情况如表1所示。利用希尔伯特变换，求得各脉冲信号的瞬时幅度和瞬时频率，并对瞬时幅度归一化，瞬时频率中心化。

表1 脉冲信号集的分配情况

其次依次采用模板全局寻优方法，r=10、r=20、r=30、r=40的模板分段寻优算法对各模板寻优集对应的瞬时幅度模板寻优集和瞬时频率模板训练集进行模板寻优，获取各雷达辐射源的瞬时幅度模板和瞬时频率模板，并记录各模板寻优算法的耗时。其中某一包含500个瞬时幅度的寻优集在各模板寻优算法下的时间复杂度如表2所示。

表2 模板寻优算法的时间复杂度

最后将每部雷达辐射源测试集中的脉冲信号对应的瞬时幅度和瞬时频率分别与各部雷达辐射源的瞬时幅度模板和瞬时频率模板进行DTW测度。并对瞬时幅度和瞬时频率的DTW测度值进行数据融合，并依据最大隶属度原则判定待测脉冲信号的隶属问题。各组模板寻优算法下的目标匹配率，如表3～表7所示。

表3 基于模板全局寻优算法的目标匹配率 %

模板测试集模板全局寻优ABCDEFA95．9700．2003．830B0100．000000C2．40097．60000D000100．0000E0000100．000F1．20000．60098．20

表4 基于模板分段寻优算法的目标匹配率(r=10)%

模板测试集模板分段寻优(r=10)ABCDEFA94．9600．4004．640B0100．000000C2．64097．36000D000100．0000E0000100．000F1．80000．60097．60

表5 基于模板分段寻优算法的目标匹配率(r=20)%

模板测试集模板分段寻优(r=20)ABCDEFA95．7700．2004．030B0100．000000C3．02096．98000D000100．0000E0000100．000F1．80000．60097．60

表6 基于模板分段寻优算法的目标匹配率(r=30) %

模板测试集模板分段寻优(r=30)ABCDEFA95．3600．2004．440B0100．000000C3．40096．60000D000100．0000E0000100．000F1．40000．60098

表7 模板分段寻优算法下的目标匹配率(r=40) %

模板分段寻优算法所耗费的时间远远低于模板全局寻优算法，并且基于这两种寻优算法的目标匹配率也基本保持一致。这说明模板分段寻优算法在降低时间复杂度的基础上，保证了较高的匹配率，能够替代传统的模板全局寻优算法，以实现雷达辐射源个体识别中的目标匹配任务。

以不同数目r分组寻优的匹配结果也是基本保持一致的。这说明模板分段寻优算法对于分组数并不敏感，具有较好的稳定性。所以r=10的模板分段寻优算法最符合实际工程需要，能够做到对目标又准又快地匹配。

5 结束语

动态时间规整能够实现对同型号雷达辐射源的距离测度，但是动态时间规整的运算量大，使得传统模板寻优方法时间复杂度相当高，不适于实际工程需要。本文提出的模板分段寻优算法在保证模板有效性的前提下降低了模板寻优的耗时。实现了对雷达辐射又准又快的目标匹配效果。

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陈沛铂 男，1988年生，博士研究生。研究方向为现代信号处理。

李 纲 男，1966年生，副教授，硕士生导师。研究方向为现代信号处理。

Template Segmenting Optimization Algorithm in the Spectific Emitter Identification

CHEN Peibo，LI Gang

(College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Nowadays, much attention of the study in electronic warfare research is paid to the specific radar emitter identification which is a key subject in the field. Dynamic time warping (DTW) algorithm is chosen to realize the target matching in the specific radar emitter identification. Matching results are greatly influenced by the quality of the templates. Because of DTW's computational cost, the time-complexity is much higher when using the traditional template optimization method, which is impractical and useless. A Template segmenting optimization is introduced, which possesses excellent performance in time-saving and effectiveness. Finally, the feasibility of the algorithm is validated through the simulation.

specific emitter identification; target matching; dynamic time warping; template segmenting optimization

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.009

陈沛铂 Email：chenpabor@qq.com

2015-10-21

2015-12-23

TN974

A

1004-7859(2016)03-0043-04