复杂电磁环境下基于数据融合的辐射源识别探析*

刘 标， 施 强， 刘树锋

(1.海军指挥学院，江苏 南京 210016；2.空军航空大学，吉林 长春 130022； 3.中国人民解放军94908部队，福建 厦门 361000;4.海军士官学校，安徽 蚌埠 233012)

0 引言

现代电子对抗信号环境日趋紧密、复杂、交错和多变，仅就雷达对抗信号环境而言，信号密度每秒有多达20～100万个以上的脉冲信号，频率分布从几兆到几万兆。雷达体制也愈加多变，如相控阵雷达、脉冲压缩雷达、单脉冲雷达、捷变频雷达以及脉冲多普勒雷达等。再加上现代战争中，诸军兵种联合作战，空地一体，战场情况瞬息万变，新式武器破坏力极大。这些使得在新一代的作战任务中，为争取最佳的作战效果，雷达对抗侦察的信息来源不可能只靠单传感器提供，而需要越来越多的传感器提供多种观测数据，进行优化融合处理，获取目标发现、状态估计、行为意图、态势评估、威胁分析、火力控制、精确制导和辅助决策等作战信息。因此，雷达对抗侦察工作日益复杂和艰巨，要求和难度也就相应地越来越高。如果不采用数据融合技术，指挥员将淹没在数据海洋中，指挥控制决策及行动计划处理都被大量的信息所淹没。而数据融合则可以大大减轻指挥员的工作量，提高数据处理速度、容量和改善处理精度，同时获得有用情报。

1 多传感器数据融合的定义

从军事应用的角度看，多传感器数据融合[1]就是人们通过对空间分布的多源信息——各种传感器的时空采样，对所关心的目标进行检测、关联(相关)、跟踪、估计和综合等多级多功能处理，以更高的精度、较高的概率或置信度得到人们所需要的目标状态和身份估计，以及完整、及时的态势和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息。这一定义基本上能够描述多传感器数据融合的三个主要功能：1)多传感器数据融合是在多个层次上对多源信息进行处理的，每个层次代表信息处理的不同级别；2)多传感器数据融合过程包括检测、关联(相关)、跟踪、估计和综合；3)多传感器数据融合过程的结果包括低层次上的状态和属性估计，以及高层次上的战场态势和威胁评估。

2 多传感器数据融合的原理及分类

多传感器数据融合是人类或其它逻辑系统中常见的基本功能。人非常自然地运用大脑思维能力将来自人体五官(眼、耳、鼻、舌和四肢)所感受的外部信息(景象、声音、气味、触觉)转换成生物电信号，通过人的中枢神经送到人脑进行综合处理。大脑根据先验知识进行分析、估计和推理、理解、判断、推测周围环境和外部世界正在发生的事件。由于人类感官具有不同的度量特征，因而可感知不同空间范围内的各种物理现象，这一过程是复杂的，也是自适应的。

多传感器数据融合的基本原理就像人脑综合处理信息一样，充分利用多个传感器资源，通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感器在空间或时间上可冗余或可互补的数据，依据某种准则进行组合，以获得对被测对象的一致性解释和描述，使该信息系统由此而获得比它的各组成部分的子集所构成的系统更优越得性能，弥补信息不完整、局部信息不精确或不确定所造成的缺陷[2]。单传感器数据处理或低层次的多传感器数据处理只是对人脑信息处理的一种低水平模仿，不能像多传感器数据融合系统那样可以更大程度地获得被测目标和环境的信息。多传感器数据融合与经典的信号处理方法也存在本质的区别，多传感器融合系统所处理的多传感器数据具有更复杂的形式。

由于考虑问题的出发点不同，多传感器数据融合目前有许多的分类方法。按融合方法分类，分为统计方法、人工智能方法等；按信号处理的域进行分类，分为时域、空域和频域等；按融合过程的顺序和融合层次的高低分类，分成低级、中级和高级，并根据融合的层次和实质内容，将其与像素级、特征级和决策级对应起来[3-4]，如图 1所示。应当说最后一种方法更合理，也被更多的人所接受。

图1 多传感器数据融合的一般分类

3 传感器获取辐射源信息的手段

战场电磁环境的复杂化，导致对战场环境感知的各种传感器数量急剧增加，各种传感器的发展极大地拓展了人们探测和监视的距离。在多传感器数据融合系统中，传感器获取辐射源信息的手段按侦察平台可分为空间侦察、空中侦察、地面侦察和海上及水下侦察[5]。

1)空间侦察

空间侦察是航天技术与信息技术相结合的产物，它利用配置在人造卫星、航天飞机、航天空间站等航天器上的传感器对地面或海洋实施侦察。空间侦察具有许多重要的优点：①速度快。在近地轨道上运行的侦察卫星，其绕地球一周的时间一般为90～110min。现在许多新型的侦察卫星的运行轨道还可以根据需要进行机动。因此电子侦察可以迅速地对地球上各个地区实施侦察。②侦察范围广。卫星运行轨道高度大，卫星每次飞越一个地区，一般可侦察一个宽为50～100km的带型区域，因此飞行几圈，卫星就可以把一个中等以上国家的全部国土侦察一遍。一颗在同步轨道上运行的导弹预警卫星，可以连续地监视地球总面积42%的区域。③受限制小。人造卫星的运行不受国界、地理和气候条件的限制，可以自由地飞越地球上任何地区。正由于空间侦察具有上述一些重要的优点，空间侦察正在获得日益广泛得运用。当前世界主要军事大国70%的战略情报是由侦察卫星获得的。现在，空间侦察也越来越多地用于战役、战术侦察。电子侦察卫星是最重要的空间辐射源侦察手段，主要侦察敌方雷达的类型、数量、部署位置、战术与技术参数等。

2)空中侦察

空中侦察主要有：有人驾驶侦察机、侦察直升机、无人驾驶侦察机、系留气球等。

①有人驾驶侦察机。有人驾驶侦察机是航空侦察的一种主要手段，它可以携带辐射源侦察设备和其他传感器对敌方实施侦察。有人驾驶侦察飞机反应灵活、机动性好，能及时准确地完成对战场情况的侦察，能及时为各级指挥员提供作战指挥所需的实时情况，也能引导突袭兵器攻击敌方目标。有人驾驶侦察飞机通常分为两类，一类是专门设计的侦察机，另一类是由其他机型改装的侦察机。专门设计的电子对抗侦察机具有两个突出的优点，一是战场生存能力强，二是侦察性能好。如美军的RC-135C专用侦察飞机就是一种典型的电子对抗侦察飞机，它配置多种辐射源侦察装备和其它传感器，可以在复杂的战场条件完成辐射源侦察任务。由轰炸机和运输机改装而成的电子对抗侦察飞机一般具有装机容量大、侦察能力强、航程远和留空时间长的特点，主要执行战略、战役侦察任务；而由战斗机、战斗轰炸机改装的战术侦察机则是数量最多的侦察机。

②侦察直升机。用直升机进行战场侦察有其独特的优势，因为直升机能在狭小的场地(如林中空地、市内广场、舰艇甲板等)上起降，能紧靠指挥员及司令部驻扎，便于根据他们的需要进行侦察；能在很低的高度(距地10～15m、距海面1m)上实施侦察，有利于对地面进行更细致、更准确的观察，从而提高了所获情报的可靠性；能够悬停于空中，便于对敌整个战术纵深内的活动目标进行跟踪。用直升机进行空中侦察的主要方法有目视观察、航空摄影和借助电子对抗侦察设备与无线电电子器材进行侦察。

③无人驾驶侦察机。无人驾驶侦察机是20世纪60年代初发展起来的，近期世界上几场局部战争的实践证明，无人驾驶侦察机比有人驾驶侦察机具有很多独特的优点：一是成本低。一架无人驾驶侦察机约需50～100万美元。二是可用性高。能用来完成危险性比较大、不宜使用有人驾驶侦察机的侦察任务。三是体积小，发动机功率低，红外辐射少，不宜被发现和击落。四是机动灵活。可用卡车运到没有机场的地方起飞，也可装进运输机空运至前线发射。无人驾驶侦察机能携带电子对抗侦察设备、可见光照相机、电视摄像机、前视红外遥感器及侧视雷达等传感器。电子对抗侦察设备可以截获敌方军用电子设备的辐射信号，并对其进行定位。但无人驾驶侦察机需要很多人维护，操作复杂，地面与飞机的通信、控制线路以及飞机向地面传送侦察数据的线路易受到电波的干扰和地形的影响。所以，它只能与有人驾驶侦察机互为补充，而不能取代。

④系留气球侦察。系留气球侦察系统由系留气球与地面控制设备组成，现在多用于辐射源侦察。它把装备系留在气球下方。气球的高度可达3000～6000m，可大大增加探测与侦察的作用距离。

3)地面侦察

地面侦察的手段很多，目前主要有下列几种：固定式侦察站、车载式侦察设备及便携式侦察设备。地面侦察能对敌方电磁(或声)辐射信号进行侦收、分析和处理，以形成有用的雷达对抗情报。固定式侦察是一种长期的不间断的雷达对抗作战，旨在全面、完整、准确地掌握侦察区域内的敌方雷达的战术技术信息。车载式侦察和便携式侦察主要用于敌作战部署发生重大变化或己作战方向更改或对有关区域进行重点侦察时，进行的短期辐射源侦察。地面侦察多部署于沿海和岛屿。虽然由于地形限制，侦察范围较小，但可以长期监视某一地区，特别是立足于近海防御作战的海战力量，充分利用岸基和岛屿上的地面侦察设备是一个安全、可靠而有效的手段。

4)海上及水下侦察

海上及水下侦察就是以舰艇、潜艇和其它海上交通工具作为平台，装备多种专用的情报侦察设备，在海上进行综合侦察。专用电子侦察船上可以配置的侦察装备多、侦察能力强、活动范围大，是最重要的水面侦察手段。现在世界许多军事强国都装备有电子侦察船。许多电子侦察船常常伪装成民用渔船、海洋考察船等在广阔的海洋上活动，截获世界各国的电磁信号，搜集有关的军事情报。战时则根据需要或单独或伴随编队隐蔽前出侦察。如果使用潜艇作平台则可抵近甚至潜入敌后进行侦察。海上及水下侦察活动区域大，可以远航持续抵近目标侦察，弥补了空中侦察和地面侦察的不足，是现代战争中获取情报的主要手段之一。

4 基于数据融合的辐射源识别系统构成

在辐射源识别系统中，各种传感器的数据可以具有不同的特征，可能是实时的或非实时的、模糊的或确定的、互相支持的或互补的，也可能是互相矛盾或竞争的。它与单传感器数据处理或低层次的多传感器数据处理方式相比，能更有效地利用多传感器资源。在辐射源识别系统中，各个传感器配置在不同的侦察平台上，融合中心将各种侦察传感器和多个侦察平台连接成一个有机整体，对传输过来的传感器报告进行融合处理，以生成及时、准确和完整的最终报告。辐射源识别系统是由多种传感器在一个侦察平面上集成后，又由多个平台有机连接构成的、一体化的、立体配置的复杂系统。其实际构成如图 2所示。

图2 辐射源识别系统的组成示意图

5 系统应用效能前瞻

在辐射源识别中，单个传感器提取的特征往往由于其自身的探测特点不能获得对辐射源识别的完全描述，而利用多个传感器提取的独立、互补的特征向量，可以获得对辐射源较为完整的描述，从而有利于提高识别的正确概率[6]。与传统的围绕着单个特定传感器所获得的信息集而进行的信息处理比较，多传感器数据融合在辐射源的识别中，具有许多性能裨益。

1)增强系统的生存能力。多个传感器的测量信息之间有一定的冗余度，当有若干传感器不能利用或受到干扰，或某个目标或事件不在覆盖范围内时，一般总会有一种传感器可以提供信息，使系统能够不受干扰连续运行，弱化故障。

2)扩大系统空间覆盖范围。通过多个交叠覆盖的传感器作用区域，一些传感器可以探测到其它传感器无法探测的地方。

3)扩展系统时间覆盖范围。当某些传感器不能探测时，另外一些传感器可以检测目标，即多个传感器的协同作用可以提高系统的时间覆盖范围。

4)增加系统的可信度。一部或多部传感器能确认同一目标。各个传感器的判断结果相互补充确认，从而增强融合系统所作最终推断的可信度。

5)缩短系统反映时间。由于单位时间内采集了更多的数据，所以多传感器数据融合系统可以在较短采样时间内达到规定的性能水平。

6)减少信息的模糊性。由于采用多传感器的信息进行检测、判断、推理等运算，降低了事件的不确定性。

7)改善系统探测性能。利用多传感器信息，对目标的多种测量有效融合，提高系统的发现概率。

8)提高系统空间分辨力。多传感器孔径可以获得比任何单一传感器更高的分辨力。

9)提高系统定位精度。利用多传感器信息可以减小测量误差，提高测量精度。

10)提高系统决策的正确性。由于多传感器工作增加了事件的可信度，使指挥员决策的依据更加可靠。

6 结束语

在辐射源识别系统中，信息表现形式的多样性、信息数量的巨大性、信息关系的复杂性以及要求信息处理的及时性，都已大大超出了人脑的信息综合处理能力。多传感器数据融合具有提高目标探测、识别精度和准确率，降低虚警率，故障容错和系统重构能力较强等优点。尽快将数据融合技术广泛地应用于军事和民事领域，不仅会使该领域的理论研究在更加坚实的基础上向前发展，而且对增加国防实力、赶超世界先进水平均具有较重要的意义。■

[1] 阿兰·阿皮诺.不确定性理论与多传感器数据融合[M].郎为民，译.北京:机械工业出版社,2016.

[2] 沃尔夫冈. 跟踪和传感器数据融合[M].何佳洲,等,译.北京：科学出版社，2017.

[3] 石章松.目标跟踪与数据融合理论及方法[M]. 北京：国防工业出版社，2010.

[4] 陈泓佑，李郁峰. 基于几何特征和贝叶斯的运动目标分类识别方法[J]. 计算机工程与设计, 2016, 37(12): 3378-3383.

[5] 熊群力.综合电子战[M].2版.北京:国防工业出版社,2008.

[6] 费晶，李赵兴. 基于BP和RBF神经网络的新型融合技术研究[J]. 电子设计工程, 2014, 22(17): 96-98.