本文摘要：本 電子工程師論文 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲取智能信息學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本�；跊Q策樹(shù)的學(xué)習(xí)算法的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是，它在學(xué)習(xí)過(guò)程中不需要使用者了解很多的背景知識(shí)。只要訓(xùn)練例子能夠用屬性和結(jié)論的方式表達(dá)出來(lái)，就能使用該算法來(lái)學(xué)習(xí)�！� 無(wú)線(xiàn)電 》創(chuàng)刊于1953年，秉
本電子工程師論文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲取智能信息學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本�；跊Q策樹(shù)的學(xué)習(xí)算法的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是，它在學(xué)習(xí)過(guò)程中不需要使用者了解很多的背景知識(shí)。只要訓(xùn)練例子能夠用屬性和結(jié)論的方式表達(dá)出來(lái)，就能使用該算法來(lái)學(xué)習(xí)�！�無(wú)線(xiàn)電》創(chuàng)刊于1953年，秉承“普及電子技術(shù)知識(shí)，培養(yǎng)電子科技人才”的辦刊宗旨，為普及、推廣應(yīng)用電子技術(shù)作出了重大貢獻(xiàn)，為中國(guó)的電子事業(yè)培養(yǎng)了幾代人才。60多年來(lái)，《無(wú)線(xiàn)電》雜志不斷發(fā)展，緊跟電子行業(yè)發(fā)展的步伐，為海內(nèi)外廣大電子行業(yè)廠(chǎng)商、從業(yè)人員及電子愛(ài)好者提供互通信息、展現(xiàn)實(shí)力的重要平臺(tái)。被譽(yù)為“良師益友”，是電子愛(ài)好者不可缺少的常備工具書(shū)。
【摘要】在面臨一個(gè)多變、復(fù)雜和密集的電磁信號(hào)環(huán)境中，能夠快速和精確偵測(cè)無(wú)線(xiàn)電到達(dá)方位信息，將有利于精密定位攻擊敵方武器裝備或敵方干擾設(shè)備。本文將智能計(jì)算引入無(wú)線(xiàn)電方向估計(jì)中，通過(guò)智能學(xué)習(xí)方法達(dá)到來(lái)波方位預(yù)測(cè)的目的，智能測(cè)向?qū)W習(xí)器是訓(xùn)練樣本通過(guò)利用學(xué)習(xí)算法建立學(xué)習(xí)模型，得出測(cè)向模型，然后應(yīng)用測(cè)向模型對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)測(cè)試樣本的方位。決策樹(shù)構(gòu)建速度快，因此將決策樹(shù)作為分類(lèi)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)電到達(dá)來(lái)波方位估計(jì)和預(yù)測(cè)。
【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)電;訓(xùn)練樣本;決策樹(shù);方位估計(jì)
1引言
進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路、信息網(wǎng)絡(luò)、智能數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展及廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了全世界范圍內(nèi)的軍事裝備變革，特別是對(duì)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的精度提出了更高的要求。目前，當(dāng)面臨一個(gè)多變、復(fù)雜和密集的電磁信號(hào)環(huán)境時(shí)，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方向信息若被精確定位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵機(jī)進(jìn)行精確打擊和干擾[1]。影響無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方位精度的有以下兩個(gè)因素：(1)受到無(wú)線(xiàn)電體制、工作方式、工作模式、信號(hào)處理方法的影響;(2)受到大氣傳輸效應(yīng)、多徑效應(yīng)等電磁波在空間傳輸?shù)挠绊�。隨著智能信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，智能計(jì)算的能力有了很大的提高，從而使通過(guò)海量學(xué)習(xí)獲取非線(xiàn)性系統(tǒng)的能力成為可能，因此通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲取無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方向測(cè)量的能力也成為可能。研究智能測(cè)向算法是將無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方位測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)變成一個(gè)海量數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)與識(shí)別問(wèn)題，通過(guò)智能學(xué)習(xí)的方法，建立無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方向測(cè)量的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的到達(dá)來(lái)波方位進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方向測(cè)量目的。本文提出一種基于決策樹(shù)的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方位測(cè)算法。
2無(wú)線(xiàn)電測(cè)向原理
無(wú)線(xiàn)電測(cè)向的目的是測(cè)量無(wú)線(xiàn)電波輻射源的方向，其實(shí)質(zhì)是測(cè)量到達(dá)電磁波的波陣面的法線(xiàn)方向相對(duì)于參考方向(正北)之間的夾角。在實(shí)際使用的測(cè)向設(shè)備中，由于測(cè)向天線(xiàn)體系的天線(xiàn)元的間距不可能很大，因此，處在電波輻射場(chǎng)中的各天線(xiàn)陣元可以認(rèn)為它們接收的電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值是相等的，僅相位不同而已。所以，被測(cè)來(lái)波的方位信息就包含在天線(xiàn)所在點(diǎn)接收到的電場(chǎng)強(qiáng)度的相位中。這樣，利用分布在電磁場(chǎng)中不同位置上的N元離散天線(xiàn)組成的天線(xiàn)體系或一定結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)體系進(jìn)行測(cè)向時(shí)，天線(xiàn)體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位就與被測(cè)電臺(tái)輻射的來(lái)波方向有關(guān)。按照從不同天線(xiàn)體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中提取目標(biāo)電臺(tái)方位信息的不同處理方法，亦即按提取來(lái)波到達(dá)方位信息方法的不同，可形成：被測(cè)來(lái)波方位是接收信號(hào)振幅的函數(shù)，以及該信號(hào)相位的函數(shù)，由此可產(chǎn)生比幅法與比相法兩類(lèi)基本的無(wú)線(xiàn)電測(cè)向方法[2]。
3訓(xùn)練樣本獲取
對(duì)于將智能學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于方向估計(jì)的算法中，首先需要有效的訓(xùn)練樣本。對(duì)于訓(xùn)練樣本的選擇，是使用在多種環(huán)境和多種方位的前提下，寬頻段信號(hào)在接收天線(xiàn)陣列上的感應(yīng)相位差。目前考慮的樣本包括信號(hào)頻率，信噪比，方向以及感應(yīng)相位差。獲得訓(xùn)練樣本的方法如下：3.1實(shí)際測(cè)量(1)首先將信號(hào)源放置在天線(xiàn)某個(gè)方向的遠(yuǎn)場(chǎng)，一般要求信號(hào)源與天線(xiàn)的距離需要超過(guò)信號(hào)十倍波長(zhǎng)。(2)然后將信號(hào)源置為所需頻率和所需強(qiáng)度后發(fā)射，計(jì)算信號(hào)源在天線(xiàn)陣列的感應(yīng)相位差，將頻率、信噪比、方向以及相位差作為一個(gè)樣本。(3)修改信號(hào)強(qiáng)度，即調(diào)整信噪比，重復(fù)步驟2。當(dāng)前頻率在當(dāng)前方向上的樣本建立后，修改信號(hào)源頻率，重復(fù)步驟2，3建立其他頻率信號(hào)在當(dāng)前方向上的樣本。(4)如果在指定一個(gè)方向上的所需頻點(diǎn)以及信噪比測(cè)量結(jié)束后，將信號(hào)源置到下一個(gè)方向，重復(fù)步驟2，3。在已有訓(xùn)練樣本產(chǎn)生方法情況下，下一步需進(jìn)一步研究的是在訓(xùn)練樣本生成時(shí)，信號(hào)源頻率間隔與陣列結(jié)構(gòu)的關(guān)系，還有信噪比的變化步進(jìn)設(shè)置問(wèn)題以及方位間距設(shè)置問(wèn)題等，還可以進(jìn)一步研究地理?xiàng)l件對(duì)訓(xùn)練樣本的影響。雖然實(shí)際測(cè)量獲取的樣本正確率較高，但因獲取樣本費(fèi)時(shí)、費(fèi)力等因素，論文中我們采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法獲取樣本。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)都是以仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。3.2仿真獲取如果不考慮信道對(duì)測(cè)向的影響，在只考慮信噪比影響的情況下，訓(xùn)練數(shù)據(jù)也可以通過(guò)仿真模型獲取。通過(guò)構(gòu)建仿真的多信道測(cè)向系統(tǒng)，天線(xiàn)陣列接收各種頻率的信號(hào)，然后天線(xiàn)陣列所接收的信號(hào)通過(guò)五信道接收機(jī)接收。假設(shè)不考慮五信道接收機(jī)中信道對(duì)信號(hào)的影響，那么可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲取五信道接收機(jī)中各信道間的相位差。的均勻5圓陣列，可以根據(jù)和測(cè)向的頻率范圍，得到均勻圓陣的半徑與波長(zhǎng)之比在之間(即)范圍變化，仿真按照步長(zhǎng)為0.001變化，而樣本的信噪比在1dB到+18dB范圍隨機(jī)產(chǎn)生。ψ12是指陣元1與陣元2之間的相位差;ψ23是指陣元2與陣元3之間的相位差;ψ34是指陣元3與陣元4之間的相位差;ψ45是指陣元4與陣元5之間的相位差;ψ51是指陣元5與陣元1之間的相位差。通過(guò)仿真得到226800個(gè)樣本，下面僅給出部分樣本(表1所示)：表1中的樣本反映了在不同頻率、不同信噪比、不同來(lái)波角度情況下天線(xiàn)陣列上感應(yīng)的相位差，這些相位差可以作為智能測(cè)向的樣本。
4基于決策樹(shù)的測(cè)角仿真實(shí)驗(yàn)
用決策樹(shù)全方位預(yù)測(cè)無(wú)線(xiàn)電的來(lái)波方位。把1°～360°分為360類(lèi)，每一度作為一類(lèi)，對(duì)表1數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行訓(xùn)練得出下列的決策樹(shù)。如圖1所示：用3-折交叉確認(rèn)法[3](3-foldcross-validation)對(duì)決策樹(shù)進(jìn)行處理，把全方位分成360類(lèi)，每1°作為一類(lèi)，識(shí)別正確率如表2所示：由表2可知：決策樹(shù)把全方位分成360類(lèi)來(lái)識(shí)別來(lái)波方位時(shí)，誤差小于等于1°或2°時(shí)，對(duì)來(lái)波方位識(shí)別的正確率較低;誤差小于等于≤10°時(shí)，決策樹(shù)對(duì)來(lái)波方位識(shí)別的正確率很高。決策樹(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)電來(lái)波方位估計(jì)能夠快速和精確偵測(cè)無(wú)線(xiàn)電到達(dá)方位信息，將有利于精密定位攻擊敵方武器裝備或敵方干擾設(shè)備。
決策樹(shù)能夠快速估計(jì)無(wú)線(xiàn)電來(lái)波方位信息，并且方位誤差越大，估計(jì)方位信息的正確率越高。因此基于決策樹(shù)的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到達(dá)方位估計(jì)算法能夠滿(mǎn)足寬頻段、快速和高精度的智能測(cè)向系統(tǒng)。
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