電子工程師論文無線電到達(dá)方位測量算法

　　本電子工程師論文通過仿真實(shí)驗獲取智能信息學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本�；�于決策樹的學(xué)習(xí)算法的一個最大優(yōu)點(diǎn)就是，它在學(xué)習(xí)過程中不需要使用者了解很多的背景知識。只要訓(xùn)練例子能夠用屬性和結(jié)論的方式表達(dá)出來，就能使用該算法來學(xué)習(xí)�！�無線電》創(chuàng)刊于1953年，秉承“普及電子技術(shù)知識，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)，為中國的電子事業(yè)培養(yǎng)了幾代人才。60多年來，《無線電》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)廠商、從業(yè)人員及電子愛好者提供互通信息、展現(xiàn)實(shí)力的重要平臺。被譽(yù)為“良師益友”，是電子愛好者不可缺少的常備工具書。

　　【摘要】在面臨一個多變、復(fù)雜和密集的電磁信號環(huán)境中，能夠快速和精確偵測無線電到達(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。本文將智能計算引入無線電方向估計中，通過智能學(xué)習(xí)方法達(dá)到來波方位預(yù)測的目的，智能測向?qū)W習(xí)器是訓(xùn)練樣本通過利用學(xué)習(xí)算法建立學(xué)習(xí)模型，得出測向模型，然后應(yīng)用測向模型對測試樣本進(jìn)行預(yù)測測試樣本的方位。決策樹構(gòu)建速度快，因此將決策樹作為分類器，實(shí)現(xiàn)對無線電到達(dá)來波方位估計和預(yù)測。

　　【關(guān)鍵詞】無線電;訓(xùn)練樣本;決策樹;方位估計

　　1引言

　　進(jìn)入新世紀(jì)以來，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，推動了全世界范圍內(nèi)的軍事裝備變革，特別是對探測和跟蹤目標(biāo)的精度提出了更高的要求。目前，當(dāng)面臨一個多變、復(fù)雜和密集的電磁信號環(huán)境時，無線電信號到達(dá)方向信息若被精確定位，可以實(shí)現(xiàn)對敵機(jī)進(jìn)行精確打擊和干擾[1]。影響無線電信號到達(dá)方位精度的有以下兩個因素：(1)受到無線電體制、工作方式、工作模式、信號處理方法的影響;(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，智能計算的能力有了很大的提高，從而使通過海量學(xué)習(xí)獲取非線性系統(tǒng)的能力成為可能，因此通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲取無線電信號到達(dá)方向測量的能力也成為可能。研究智能測向算法是將無線電信號到達(dá)方位測量問題轉(zhuǎn)變成一個海量數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)與識別問題，通過智能學(xué)習(xí)的方法，建立無線電信號到達(dá)方向測量的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對無線電信號的到達(dá)來波方位進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)無線電信號到達(dá)方向測量目的。本文提出一種基于決策樹的無線電信號到達(dá)方位測算法。

　　2無線電測向原理

　　無線電測向的目的是測量無線電波輻射源的方向，其實(shí)質(zhì)是測量到達(dá)電磁波的波陣面的法線方向相對于參考方向(正北)之間的夾角。在實(shí)際使用的測向設(shè)備中，由于測向天線體系的天線元的間距不可能很大，因此，處在電波輻射場中的各天線陣元可以認(rèn)為它們接收的電場強(qiáng)度的幅值是相等的，僅相位不同而已。所以，被測來波的方位信息就包含在天線所在點(diǎn)接收到的電場強(qiáng)度的相位中。這樣，利用分布在電磁場中不同位置上的N元離散天線組成的天線體系或一定結(jié)構(gòu)的天線體系進(jìn)行測向時，天線體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的相位就與被測電臺輻射的來波方向有關(guān)。按照從不同天線體系上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢中提取目標(biāo)電臺方位信息的不同處理方法，亦即按提取來波到達(dá)方位信息方法的不同，可形成：被測來波方位是接收信號振幅的函數(shù)，以及該信號相位的函數(shù)，由此可產(chǎn)生比幅法與比相法兩類基本的無線電測向方法[2]。

　　3訓(xùn)練樣本獲取

　　對于將智能學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于方向估計的算法中，首先需要有效的訓(xùn)練樣本。對于訓(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，寬頻段信號在接收天線陣列上的感應(yīng)相位差。目前考慮的樣本包括信號頻率，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)際測量(1)首先將信號源放置在天線某個方向的遠(yuǎn)場，一般要求信號源與天線的距離需要超過信號十倍波長。(2)然后將信號源置為所需頻率和所需強(qiáng)度后發(fā)射，計算信號源在天線陣列的感應(yīng)相位差，將頻率、信噪比、方向以及相位差作為一個樣本。(3)修改信號強(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，修改信號源頻率，重復(fù)步驟2，3建立其他頻率信號在當(dāng)前方向上的樣本。(4)如果在指定一個方向上的所需頻點(diǎn)以及信噪比測量結(jié)束后，將信號源置到下一個方向，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，信號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)置問題以及方位間距設(shè)置問題等，還可以進(jìn)一步研究地理條件對訓(xùn)練樣本的影響。雖然實(shí)際測量獲取的樣本正確率較高，但因獲取樣本費(fèi)時、費(fèi)力等因素，論文中我們采用仿真實(shí)驗的方法獲取樣本。本實(shí)驗的數(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測向的影響，在只考慮信噪比影響的情況下，訓(xùn)練數(shù)據(jù)也可以通過仿真模型獲取。通過構(gòu)建仿真的多信道測向系統(tǒng)，天線陣列接收各種頻率的信號，然后天線陣列所接收的信號通過五信道接收機(jī)接收。假設(shè)不考慮五信道接收機(jī)中信道對信號的影響，那么可通過仿真實(shí)驗的方法來獲取五信道接收機(jī)中各信道間的相位差。的均勻5圓陣列，可以根據(jù)和測向的頻率范圍，得到均勻圓陣的半徑與波長之比在之間(即)范圍變化，仿真按照步長為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。通過仿真得到226800個樣本，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、不同來波角度情況下天線陣列上感應(yīng)的相位差，這些相位差可以作為智能測向的樣本。

　　4基于決策樹的測角仿真實(shí)驗

　　用決策樹全方位預(yù)測無線電的來波方位。把1°～360°分為360類，每一度作為一類，對表1數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行訓(xùn)練得出下列的決策樹。如圖1所示：用3-折交叉確認(rèn)法[3](3-foldcross-validation)對決策樹進(jìn)行處理，把全方位分成360類，每1°作為一類，識別正確率如表2所示：由表2可知：決策樹把全方位分成360類來識別來波方位時，誤差小于等于1°或2°時，對來波方位識別的正確率較低;誤差小于等于≤10°時，決策樹對來波方位識別的正確率很高。決策樹對無線電來波方位估計能夠快速和精確偵測無線電到達(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。

　　決策樹能夠快速估計無線電來波方位信息，并且方位誤差越大，估計方位信息的正確率越高。因此基于決策樹的無線電信號到達(dá)方位估計算法能夠滿足寬頻段、快速和高精度的智能測向系統(tǒng)。

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