一种多基点的成组参差的段合并算法_史敏.pdf

工程应用航天电子对抗2023年第 1期一种多基点的成组参差的段合并算法史敏，吉荣华，顾海军，姬嘉文，王金阳（中国航天科工集团 8511研究所，江苏 南京 210007）摘要：为有效解决成组参差信号分选过程中的段合并问题，提出了一种多基点的成组参差的段合并算法。该方法通过计算同 PRI的脉冲段的段长度与段间空白长度的方差和，来描述同 PRI的脉冲段的均衡性，选择均衡性最好的一组同 PRI的脉冲段作为段合并过程多点基准，并在基点之间通过时域咬合的方式进行空白时域的填充，通过统计的方式完成野值剔除，确定成组参差的子 PRI，最后通过无冲突补充，确定成组参差的脉冲序列。通过仿真实验，确定了该算法对多信号环境下成组参差段合并的有效性。关键词：信号分选；成组参差；段合并中图分类号:TN974 文献标志码:AA segment merging algorithm of group deviation with multiple basis pointsShi Min，Ji Ronghua,Gu Haijun，Ji Jiawen，Wang Jinyang(No.8511 Research Institnte of CASIC,Nanjing 210007,Jiangsu,China)Abstract：In order to effectively solve the segment merging problem in the sorting process of group devia-tion，a segment merging algorithm of group deviation with multiple basis points is presented.This method de-scribes the equilibrium of the pulse segment with the same PRI by calculating variance of segment length，and se-lects a group of pulse segments with the best equilibrium as the multi-point basis of the segment merging process.Through simulation experiments，the effectiveness of the algorithm for grouping differential segment merging in multi-signal environment is determined.Key words：signal sorting；group deviation；segment merging0 引言面对现代战争日益复杂的电磁环境，通过信号分选完成对敌方雷达的捕捉识别，可以及时发现敌方意图，针对威胁较大的目标采取相应的措施。成组参差体制广泛应用于空中交通管制雷达、机载或星载探测雷达、地面对低空目标的探测雷达、战场侦察雷达、机载预警雷达（AEW）、截击雷达（AI）、地面武器控制、导弹制导、告警雷达以及气象雷达等1-2。因此，在电子对抗环境中，对成组参差信号的分选识别研究具有重要意义。基于重频特征的信号分选算法3-7通常无法直接识别出一部成组参差雷达，而是会处理成多个具有不同 PRI的脉冲段。从这些脉冲段之中，根据时域关系挑选合适的脉冲段，组合形成成组参差的方法，就是本文所描述的成组参差的段合并算法。实际工程应用中，一般可根据脉冲的角度信息、脉宽信息等来辅助或作为主要指标来进行成组参差的段合并，在简单环境下，也能取得正确的结果。但面对多部成组参差环境，尤其是调制参数交叉混叠的情况，上述算法就无法较好地完成段合并工作。本文所描述的方法是一种纯粹的时域分析的合并算法，适用于复杂电磁环境下的成组参差段合并问题。1 多基点的成组参差的段合并算法1.1基点选择现有的成组参差段合并算法，通常选择时域上最前的脉冲段作为基点，根据段与段之间时域上的咬合情况，确定下一个段，并以新的段为基点，向后进行延伸。段与段之间时域上的咬合情况指的是 2个段之间交叠或存在空白的情况，这是一个宽泛的概念，粗略收稿日期：20221113；20230109修回。作者简介：史敏（1985-），男，高工，硕士，主要研究方向为信号分选。-38DOI:10.16328/j.htdz8511.2023.01.008工程应用史敏，等：一种多基点的成组参差的段合并算法2023，39（1）的情况下可选择与基准段交叠或空白时间最小的后续段；细致的情况下，可选择与基准段的交叠或空白时间满足 N1PRI1+N2PRI2（N1、N2为绝对值小于设定值 N 的整数值，PRI1为基准段的重周值，PRI2为备选段的重周值）。上述成组参差的段合并算法存在一个矛盾点，即一方面非常依赖于下一段的正确性，另一方面又必须确定下一段，即便是在当前的备选段与基准段的咬合关系并不理想的情况下，也必须完成下一段的确定，才能进行后续操作。采用这种段合并算法的一个常见错误就是在匹配后续段的过程中，某个 后 续 段 匹 配 不 理 想，导 致 后 续 脉 冲 段 整 体 匹 配错误。基于上述分析，本文提出的成组参差的段合并算法采用多基点的匹配方式，根据同 PRI的脉冲段之间的分布情况，选择最佳的具有同 PRI的脉冲段作为基点。作为基点的同 PRI的脉冲段应具备以下特征：脉冲段的长度均匀一致；脉冲段之间的空白区域均匀一致；可选择方差描述脉冲段及段间空白的一致性，注意归一化处理。将分选得到的脉冲段按照 PRI特征分类为具有相同 PRI的脉冲段的集合，采用方差完成对脉冲段集合的一致性描述，选择方差最小的集合中的脉冲段作为基点。1.2基点间的段匹配确定完基点后，从各个基点先后根据咬合情况进行段匹配，形成新的基点，直至与后一基点连接。由于 2个基点间的脉冲段采用的是基于咬合的脉冲段匹配，前面描述的错误匹配的情况也有可能发生，但采用多基点的好处是这种错误是可控的，小概率的，限制在一定范围内的，后续可以通过野值剔除的方式进行修正。基点间的段匹配过程确定了脉冲段的连接关系，通过对这种连接关系的统计分析，就可以得到成组参差雷达的子 PRI序列关系。本文采用 N1PRI1+N2PRI2的标准来进行咬合判定，无法找到符合条件的备选段时，放弃该基点的后续匹配，减少了野值点的引入。采用该方法进行咬合判定的缺点是需要大量计算用于确认 N1、N2的具体取值，后续采用了模式匹配的方式进行优化，在通过 N1PRI1+N2PRI2的标准完成了咬合判定后，将其作为一个模式（PRI1，PRI2），后续遇到基准段 PRI为PRI1而备选段 PRI为 PRI2的情况，采用较宽泛的咬合判定，即只需两端交叠或空白的时间小于设定门限，即可认为该备选段符合咬合判定，可以作为新的基点向后进行后续匹配。1.3野值剔除对基点间段匹配过程匹配到的所有脉冲段，按照PRI进行聚类统计，剔除脉冲个数小于最大类脉冲个数百分比门限下的类，剔除脉冲段数小于最大类脉冲段数百分比门限下的类。野值剔除环节完成了对基点间段匹配过程中错误的修正。后续研究可基于其他条件进行野值剔除工作的优化，比如基于连接关系进行野值剔除。野值剔除后，确定了成组参差的 PRI组成。1.4无冲突补充完成野值剔除后，基点间的脉冲段呈现不均衡的态势，部分基点间的脉冲段前后相连完整充分，部分基点间的脉冲段大量丢失出现空白，且第一个基点之前与最后一个基点之后都未进行脉冲段匹配。需要针对这种情况进行脉冲段的无冲突补充，以保证属于该成组参差的段尽量完整地被匹配，从而避免后续分选过程中虚警产生。无冲突补充分为首部补充、尾部补充、中部补充 3个部分。第一个基点前的脉冲段匹配被称为首部补充。首部补充以第一个基点为基准，对第一个基点前的备选脉冲段进行 PRI 筛选，要求备选脉冲段的 PRI属于成组参差的 PRI，并且在时域上与第一个基点不发生冲突，即不存在大段的交叠。尾部补充以最后一个基点作为基准，对最后一个基点后的备选脉冲段进行 PRI筛选，要求备选脉冲段的 PRI属于成组参差的PRI，并且在时域上与最后一个基点不发生冲突。中段补充是以完成野值剔除后的脉冲段为基点，尝试在其中插入无冲突的脉冲段，备选脉冲段的 PRI应属于成组参差的 PRI。以上就完成了一部成组参差的段合并过程，重复这一过程，从剩余的脉冲段中选择最佳的脉冲段作为新的基点，可以完成多部成组参差的段合并过程，后续可根据脉冲序列完成频率调制类型与参数分析、脉宽参数分析等。多基点的成组参差的段合并算法的流程如图 1所示。2 多基点的成组参差的段合并算法具体步骤多基点的成组参差的段合并算法具体步骤如下：1）采用基于重周的信号分选算法将多部成组参差雷达的所属脉冲处理成不同 PRI的脉冲段，并段首时间排序得到脉冲段的集合Seg1，Seg2，SegN，N为信号分选得到的脉冲段的总数。-392023，39（1）航天电子对抗2）按照 PRI 对脉冲段进行聚类，形成具有相同PRI的脉冲段的集合 PRI1，PRI2，PRIM，M 为信号分选得到的 PRI的总数。3）对具有相同 PRI的脉冲段，根据脉冲段长度与段间空白长度，计算均衡性分值。4）选择均衡性分值最好的具有相同 PRI 的脉冲段，将其作为进行成组参差段合并的基点，形成基点的集合 Base1，Base2，Basen。5）逐基点对（Basei，Basei+1）进行两基点间的段合并工作，要求备选段与后一基准段 Basei+1的交叠时间不能超过设定值 TSet=N（PRI1+PRI2），N 为设定值，一般设置为 3。6）对基点对（Basei，Basei+1）之间的脉冲段逐个进行咬合判定，当基准段与备选段的空白或交叠时间小于设定值 TSet=N（PRI1+PRI2）时，进行模式匹配，检查模式集之中是否出现过（PRI1，PRI2）。模式匹配成功，将备选段作为新的基点，重复本步骤；模式匹配失败，则寻找合适的 N1与 N2，使基准段与备选段的空白或交叠时间满足 N1PRI1+N2PRI2，如果能够找到合适的 N1与 N2，则认为模式判定成功，将（PRI1，PRI2）加入模式集，并将备选段作为新的基点，重复本步骤，否则，更换备选段。7）重复步骤 5）、步骤 6）完成所有基点间脉冲段的匹配工作，对匹配到的脉冲段按照 PRI进行统计聚类，进行野值剔除，去除脉冲个数最大类脉冲个数0.3的 PRI 类，去除脉冲段数最大类脉冲段数0.3 的PRI 类，剩余的 PRI 类即当前这部成组参差的子 PRI集，同时对匹配到的脉冲段进行野值剔除，去除不属于当前成组参差的子 PRI集的脉冲段。8）对第一个基点之前的脉冲段进行无冲突补充：对于第一个基点之前的脉冲段，如果其 PRI属于当前成组参差的子 PRI集，则认为其属于当前成组参差。9）对最后一个基点之后的脉冲段进行无冲突补充：对于最后一个基点之后的脉冲段，如果其 PRI属于当前成组参差的子 PRI 集，则认为其属于当前成组参差。10）对第一个基点与最后一个基点之间的脉冲段进行无冲突补充：对于第一个基点与最后一个基点之间的脉冲段，如果其 PRI 属于当前成组参差的子 PRI集，且与已匹配的脉冲段无冲突（无交叠或交叠小于设定值 TSet=N（PRI1+PRI2），则认为其属于当前成组参差。11）对所有匹配到的脉冲段按照段首时间进行排序，完成当前成组参差的段合并工作。重复这一过程，可完成多部成组参差的段合并工作。3 仿真试验为了更好地说明本文所提的成组参差段合并算法的效果，选择多部同频率同脉宽的成组参差信号作为仿真实验对象，采用固定频率调制 8 000 MHz，固定脉宽调制 3.5 s（采用相同的频率调制类型与参数和脉宽调制类型与参数是为了减少脉冲段的可区分度，以便更好地说明本算法的优点），运行成组参差段合并算法，得到结果如表 1所示。尽管有部分脉冲段因为重频一致的原因在无冲突补充环节出现在了错误的辐射源的脉冲序列中，但基本上不影响成组参差的类型判定与参数分析。4 结束语本文提出了一种多基点的成组参差的段合并算法，选择具有均衡特征的同 PRI的脉冲段作为段合并算法的多点基准，并在 2个基点间按照时域上的咬合关系进行空白时域的填充，最后通过统计的方法，剔除野值，修正错误，较完美地解决了多成组参差信号混叠条件下的成组参差段合并问题。图 1多基点成组参差的段合并算法流程图表 1仿真结果序号1234重频调制类型与参数/s成组参差：133/146/175成组参差：200/133/215成组参差：64/175/215成组参差：100/115/135组内脉冲数/个1632816脉冲匹配率/%9697.598100（下转第 45页）-40工程应用高飞，等：基于图像处理的目标活动分析方法2023，39（1）将提取的频繁活动区域与原始数据进行叠加验证，可以看出频繁活动区域呈现出一些特定形状区域、直线区域或点状区域等，如图 14所示。将通过仿真数据提取到的活动航路、区域结果与原始航迹点进行叠加验证，可以看出该方法得到的结论能有效地描述不同数据分布情况下的目标典型航路和区域信息，结果边界光滑且对比显示清晰。4 结束语本文将数字图像处理的相关方法引入目标活动分析，对于稀疏航迹点通过航迹平滑化、二值化以及形态滤波实现了目标活动航路提取，对于密集航迹点通过热度图生成、去噪、增强、滤波实现了目标活动区域提取。并通过仿真数据验证了方法的有效性。相对于传统的基于统计和人工标注的方法，本文提出的方法能有效消除数据噪声和非频繁活动点的影响，通过形态学滤波消除由于侦察数据缺失导致的边界不平滑问题，并实现提取结果的增强显示。后续可以基于本文的活动分析结果，同样利用图像处理的方法判断目标当前是否在典型活动航路或区域内，判断其是否异常活动。参考文献：1金晶，雷涛，何巍.模式识别方法在电子目标活动分析整理中的运用 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