CN115470873A - 一种雷达辐射源识别方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种雷达辐射源识别方法与系统,涉及雷达辐射源识别技术领域。本发明利用仿真的雷达辐射源数据构造大量的训练任务,利用截获的真实雷达辐射源数据构造测试任务,每个任务均包含支持集和查询集;然后利用大量的训练任务训练改进的关系网络;最后将测试任务输入已训练的改进关系网络,网络输出待识别雷达辐射源的类别。
Description
技术领域
本发明属于雷达辐射源识别技术领域,尤其涉及一种雷达辐射源识别方法与系统。
背景技术
在电子战领域,电子战部队的雷达辐射源识别能力对其作战能力有着直接的影响。
雷达辐射源识别主要是指通过电子支援系统或电子情报侦察系统对环境中的各种发射电磁信号的载体进行辨识。电子战部队通过对雷达辐射源的识别,可以进一步判断雷达辐射源的功能属性及其战术地位,从而提供更有价值的情报信息。
最初的雷达辐射源识别方法主要包括两个阶段:“雷达字”提取和特征参数匹配。该类方法用“雷达字”表示辐射源特征,通过“雷达字”模板与信号脉冲模板进行匹配以实现雷达辐射源识别。然而,为适应日趋复杂的战场环境,雷达装备也日趋复杂,此时基于“雷达字”等传统特征的匹配方法开始难以适应新的雷达辐射源识别任务。
之后,深度学习技术开始被大量的研究学者引入到信号识别领域。基于深度学习的雷达辐射源识别方法的一般包括两个阶段:雷达信号域变换和雷达特征自动提取。也有一些基于深度学习的端到端雷达辐射源识别方法,但这类方法往往对于信噪比过于敏感,方法的鲁棒性有待提高。
总体来看,基于深度学习的雷达辐射源识别方法与电子战场景的融合程度并不高,缺乏在电子战场景下对雷达辐射源识别整体架构的详细描述,特别是没有充分考虑极少样本条件下雷达辐射源的识别问题。当电子战部队仅能掌握极少带标签的雷达辐射源样本时,如何快速准确地识别雷达辐射源仍是一个难点问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种雷达辐射源识别方案。
本发明第一方面公开了一种雷达辐射源识别方法。所述方法包括:步骤S1、获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理;步骤S2、从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务;步骤S3、利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中;步骤S4、利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S1中:所述仿真雷达辐射源数据以集合来表示,包含M类雷达辐射源S1,S2,…,SM,以及对应的标签L1,L2,…,
LM,每类雷达辐射源包含个样本信号;所述真实雷达辐射源数据以集合来表示,包含N类雷达辐射源R1,R2,…,RN,以及对应的标签Y1,Y2,…,
YN,每类雷达辐射源包含K+Q个样本信号。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S1中:取矩阵的每一个元素,表示元素在矩阵中的位置,求位置在中的位置,其中,。取中距离位置最近的16个元素,表示元素在中的位置。根据公式求。完成中各个元素基于双三次插
值的求解后,对得到的矩阵进行归一化处理,获取魏格纳-威利分布方阵;按照
上述步骤确定集合和集合中的所有样本信号
各自的魏格纳-威利分布方阵,作为雷达辐射源样本数据。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S2中:从经所述双三次插值处理的仿真
雷达辐射源数据中构建所述T个训练任务,具体包括:从经所述双三次插
值处理的仿真雷达辐射源数据包含的M类雷达辐射源中随机选择N类雷达辐射源;从随机选
择的N类雷达辐射源的每一类中选取个样本数据作为支持集、个样本数据作为查询
集;完成一个训练任务的构建,并记录为,直到完成T个训练任务的构建。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S2中:从经所述双三次插值处理的真实
雷达辐射源数据中构建所述1个测试任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的
真实雷达辐射源数据的N类雷达辐射源的每一类中随机选取K个带已知雷达辐射源标签的
样本数据作为支持集,同时随机选取Q个待识别雷达辐射源的样本数据作为查询集。
根据本发明第一方面的方法,所述步骤S3-1具体包括:将所述训练任务中包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据依次送入第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及B个第一卷积块,来提取所述深层次特征;其中,所述第一卷积层表示卷积核的个数为64,卷积核的大小为3,卷积运算在矩阵边缘处补零。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S3-1中:所述第一卷积块以所述以ReLu为激活函数的激活层的输出为输入,在所述第一卷积块内部:所述第一卷积块的输入经第一卷积层后得到深层次特征F 1;深层次特征F 1分别通过(i)全局平均池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层以及(ii)全局最大池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层后,通过相加再经过以Sigmoid为激活函数的激活层后得到深层度特征F 2;深层度特征F 2与深层次特征F 1相乘后得到深层次特征F 3;深层次特征F 3分别通过(i)最大值维度约减和(ii)平均值维度约减后,通过拼接再经过第三卷积层和以Sigmoid为激活函数的激活层,得到深层度特征F 4;深层度特征F 4与深层次特征F 3相乘后得到深层次特征F 5;深层次特征F 5与所述第一卷积块的输入相加后,经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及平均池化层后,得到所述第一卷积块的输出。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S3-2中,基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,具体包括:对于所述支持集包含的的N个雷达辐射源类别中的每一类,对其包含的K个深层次特征进行相加,得到该类雷达辐射源的类别特征,共得到N个类别特征。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S3-3中,对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,具体包括:将所述N×N×Q个拼接特征分别送入第二卷积块、第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、平均池化层、展平层、神经元个数为8的全连接层、以ReLu为激活函数的激活层、神经元个数为1的全连接层、以Sigmoid为激活函数的激活层以及整形层,所述整形层用于将特征维度整形为(-1,N);对于所述查询集包含的N×Q个深层次特征中的每一个,该深层次特征均在步骤S3-2中与所述N个类别特征分别进行拼接,得到包含该深层次特征的N个拼接特征,通过对N个拼接特征进行打分,选取具有最高分数的拼接特征中的类别特征,将选取出的类别特征对应的类别作为该深层次特征的所属类别。
根据本发明第一方面的方法,在所述步骤S3-3中,在所述第二卷积块内部:所述N×N×Q个拼接特征依次作为输入被送入所述第二卷积块,所述拼接特征经过第一卷积层、批次正则化层以及以ReLu为激活函数的激活层后,得到深层次特征D1;深层次特征D1经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、第一卷积层以及批次正则化层后,得到深层次特征D2;深层次特征D2与深层次特征D1相加,在经过以ReLu为激活函数的激活层和平均池化层后,得到所述第二卷积块的输出。
本发明第二方面公开了一种雷达辐射源识别系统。所述系统包括:第一处理单元,被配置为:获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理;第二处理单元,被配置为:从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务;第三处理单元,被配置为:利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中;第四处理单元,被配置为:利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
根据本发明第二方面的系统,所述仿真雷达辐射源数据以集合来表示,包含M类雷达辐射源S1,S2,…,SM,以及对应的标签L1,L2,…,
LM,每类雷达辐射源包含个样本信号;所述真实雷达辐射源数据以集合来表示,包含N类雷达辐射源R1,R2,…,RN,以及对应的标签Y1,Y2,…,
YN,每类雷达辐射源包含K+Q个样本信号。
根据本发明第二方面的系统,所述第一处理单元具体被配置为:取矩阵的每一
个元素,表示元素在矩阵中的位置,求位置在中的位置,其中,。取中距离位置最近的16个元素,表示元素在中的位置。根据公式求。完成中各个元素基于双三次插
值的求解后,对得到的矩阵进行归一化处理,获取魏格纳-威利分布方阵;按照
上述步骤确定集合和集合中的所有样本信号
各自的魏格纳-威利分布方阵,作为雷达辐射源样本数据。
根据本发明第二方面的系统,从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中
构建所述T个训练任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的仿真雷达
辐射源数据包含的M类雷达辐射源中随机选择N类雷达辐射源;从随机选择的N类雷达辐射
源的每一类中选取个样本数据作为支持集、个样本数据作为查询集;完成一个训练任
务的构建,并记录为,直到完成T个训练任务的构建。
根据本发明第二方面的系统,从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中
构建所述1个测试任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数
据的N类雷达辐射源的每一类中随机选取K个带已知雷达辐射源标签的样本数据作为支持
集,同时随机选取Q个待识别雷达辐射源的样本数据作为查询集。
根据本发明第二方面的系统,所述步骤S3-1具体包括:将所述训练任务中包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据依次送入第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及B个第一卷积块,来提取所述深层次特征;其中,所述第一卷积层表示卷积核的个数为64,卷积核的大小为3,卷积运算在矩阵边缘处补零。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-1中:所述第一卷积块以所述以ReLu为激活函数的激活层的输出为输入,在所述第一卷积块内部:所述第一卷积块的输入经第一卷积层后得到深层次特征F 1;深层次特征F 1分别通过(i)全局平均池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层以及(ii)全局最大池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层后,通过相加再经过以Sigmoid为激活函数的激活层后得到深层度特征F 2;深层度特征F 2与深层次特征F 1相乘后得到深层次特征F 3;深层次特征F 3分别通过(i)最大值维度约减和(ii)平均值维度约减后,通过拼接再经过第三卷积层和以Sigmoid为激活函数的激活层,得到深层度特征F 4;深层度特征F 4与深层次特征F 3相乘后得到深层次特征F 5;深层次特征F 5与所述第一卷积块的输入相加后,经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及平均池化层后,得到所述第一卷积块的输出。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-2中,基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,具体包括:对于所述支持集包含的的N个雷达辐射源类别中的每一类,对其包含的K个深层次特征进行相加,得到该类雷达辐射源的类别特征,共得到N个类别特征。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-3中,对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,具体包括:将所述N×N×Q个拼接特征分别送入第二卷积块、第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、平均池化层、展平层、神经元个数为8的全连接层、以ReLu为激活函数的激活层、神经元个数为1的全连接层、以Sigmoid为激活函数的激活层以及整形层,所述整形层用于将特征维度整形为(-1,N);对于所述查询集包含的N×Q个深层次特征中的每一个,该深层次特征均在步骤S3-2中与所述N个类别特征分别进行拼接,得到包含该深层次特征的N个拼接特征,通过对N个拼接特征进行打分,选取具有最高分数的拼接特征中的类别特征,将选取出的类别特征对应的类别作为该深层次特征的所属类别。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-3中,在所述第二卷积块内部:所述N×N×Q个拼接特征依次作为输入被送入所述第二卷积块,所述拼接特征经过第一卷积层、批次正则化层以及以ReLu为激活函数的激活层后,得到深层次特征D1;深层次特征D1经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、第一卷积层以及批次正则化层后,得到深层次特征D2;深层次特征D2与深层次特征D1相加,在经过以ReLu为激活函数的激活层和平均池化层后,得到所述第二卷积块的输出。
本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时,实现本发明第一方面所述的一种雷达辐射源识别方法中的步骤。
本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现本发明第一方面所述的一种雷达辐射源识别方法中的步骤。
综上,本发明提供的技术方案主要面向电子战中极少样本条件下的雷达辐射源识别问题。该方案首先利用仿真的雷达辐射源数据构造大量的训练任务,利用截获的真实雷达辐射源数据构造测试任务,每个任务均包含支持集和查询集;然后利用大量的训练任务训练改进的关系网络;最后将测试任务输入已训练的改进关系网络,网络输出待识别雷达辐射源的类别。进一步地,该方案通过综合运用通道注意力和空间注意力,由于该技术手段可以使关系网络能更好地把握雷达辐射源样本的关键特征区域,因此可使关系网络能更准确地把样本嵌入到特征空间。进一步地,通过跳跃连接,由于该技术可以有效防止网络在训练过程中的梯度消失问题,因此解决了网络训练慢以及网络鲁棒性差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的雷达辐射源识别的流程图;
图2为根据本发明实施例的双三次插值处理的流程图;
图3为根据本发明实施例的构建训练任务的流程图;
图4为根据本发明实施例的构建测试任务的流程图;
图5为根据本发明实施例的对改进关系网络进行训练的示意图;
图6为根据本发明实施例的第一卷积块的内部流程示意图;
图7为根据本发明实施例的第二卷积块的内部流程示意图;
图8为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例只是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明第一方面公开了一种雷达辐射源识别方法。主要面向电子战中极少样本条件下的雷达辐射源识别问题。图1为根据本发明实施例的雷达辐射源识别的流程图;如图1所示,首先利用仿真的雷达辐射源数据构造大量的训练任务,利用截获的真实雷达辐射源数据构造测试任务,每个任务均包含支持集和查询集;然后利用大量的训练任务训练改进的关系网络;最后将测试任务输入已训练的改进关系网络,网络输出待识别雷达辐射源的类别。
所述方法具体包括:步骤S1、获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理。步骤S2、从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务。步骤S3、利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中。步骤S4、利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
在步骤S1,获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理。
在一些实施例中,在所述步骤S1中:所述仿真雷达辐射源数据以集合来表示,包含M类雷达辐射源S1,S2,…,SM,以及对应的标签L1,L2,…,
LM,每类雷达辐射源包含个样本信号;所述真实雷达辐射源数据以集合来表示,包含N类雷达辐射源R1,R2,…,RN,以及对应的标签Y1,Y2,…,
YN,每类雷达辐射源包含K+Q个样本信号。
具体地,图2为根据本发明实施例的双三次插值处理的流程图;如图2所示,仿真和
真实的雷达辐射源信号都需要进行预处理,以对原始雷达辐射源信号的维度大小进行标准
化。假设S1, S2, … , SM为仿真的M类雷达辐射源,对应的标签分别为L1, L2, … , LM,可用
集合表示,仿真的每类雷达辐射源信号样本有个。R1, R2, … ,
RN为待识别的N类雷达辐射源,对应的标签分别为Y1, Y2, … , YN,可以用集合表示,真实的每类雷达辐射源信号样本有K+Q个,并且。
在步骤S2,从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务。
在一些实施例中,从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建所述T
个训练任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数
据包含的M类雷达辐射源中随机选择N类雷达辐射源;从随机选择的N类雷达辐射源的每一
类中选取个样本数据作为支持集、个样本数据作为查询集;完成一个训练任务的构
建,并记录为,直到完成T个训练任务的构建。
在一些实施例中,从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建所述1
个测试任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据的N类雷
达辐射源的每一类中随机选取K个带已知雷达辐射源标签的样本数据作为支持集,同时随
机选取Q个待识别雷达辐射源的样本数据作为查询集。
具体地,图3为根据本发明实施例的构建训练任务的流程图;如图3所示,利用所有
仿真的雷达辐射源数据对应的构造训练任务。构建T个训练任务的
详细步骤如下:从训练任务i到T:1)从仿真的M类雷达辐射源中随机选择N类雷达辐射源;2)
从选中的N类雷达辐射源中,每类选取个样本作为支持集、个样本作为查询集;3)完成
一个训练任务的构建,并记录为;结束。
具体地,图4为根据本发明实施例的构建测试任务的流程图;如图4所示,利用用真
实的雷达辐射源数据对应的构造测试任务。测试任务包含一个支持集和查询
集,支持集是带标签的,查询集的标签为待求类别。构建测试任务的详细步骤如下:
1)从待识别的N类雷达辐射源中,每类选取K个带标签的样本作为支持集;2)从待识别的N类
雷达辐射源中,每类选取Q个样本作为查询集(即待识别样本);3)该测试任务用表
示。
在步骤S3,利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中。
在一些实施例中,所述步骤S3-1具体包括:将所述训练任务中包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据依次送入第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及B个第一卷积块,来提取所述深层次特征;其中,所述第一卷积层表示卷积核的个数为64,卷积核的大小为3,卷积运算在矩阵边缘处补零。
在一些实施例中,所述第一卷积块以所述以ReLu为激活函数的激活层的输出为输入,在所述第一卷积块内部:所述第一卷积块的输入经第一卷积层后得到深层次特征F 1;深层次特征F 1分别通过(i)全局平均池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层以及(ii)全局最大池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层后,通过相加再经过以Sigmoid为激活函数的激活层后得到深层度特征F 2;深层度特征F 2与深层次特征F 1相乘后得到深层次特征F 3;深层次特征F 3分别通过(i)最大值维度约减和(ii)平均值维度约减后,通过拼接再经过第三卷积层和以Sigmoid为激活函数的激活层,得到深层度特征F 4;深层度特征F 4与深层次特征F 3相乘后得到深层次特征F 5;深层次特征F 5与所述第一卷积块的输入相加后,经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及平均池化层后,得到所述第一卷积块的输出。
在一些实施例中,在所述步骤S3-2中,基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,具体包括:对于所述支持集包含的的N个雷达辐射源类别中的每一类,对其包含的K个深层次特征进行相加,得到该类雷达辐射源的类别特征,共得到N个类别特征。
在一些实施例中,在所述步骤S3-3中,对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,具体包括:将所述N×N×Q个拼接特征分别送入第二卷积块、第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、平均池化层、展平层、神经元个数为8的全连接层、以ReLu为激活函数的激活层、神经元个数为1的全连接层、以Sigmoid为激活函数的激活层以及整形层,所述整形层用于将特征维度整形为(-1,N);对于所述查询集包含的N×Q个深层次特征中的每一个,该深层次特征均在步骤S3-2中与所述N个类别特征分别进行拼接,得到包含该深层次特征的N个拼接特征,通过对N个拼接特征进行打分,选取具有最高分数的拼接特征中的类别特征,将选取出的类别特征对应的类别作为该深层次特征的所属类别。
在一些实施例中,在所述步骤S3-3中,在所述第二卷积块内部:所述N×N×Q个拼接特征依次作为输入被送入所述第二卷积块,所述拼接特征经过第一卷积层、批次正则化层以及以ReLu为激活函数的激活层后,得到深层次特征D1;深层次特征D1经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、第一卷积层以及批次正则化层后,得到深层次特征D2;深层次特征D2与深层次特征D1相加,在经过以ReLu为激活函数的激活层和平均池化层后,得到所述第二卷积块的输出。
具体地,图5为根据本发明实施例的对改进关系网络进行训练的示意图;如图5所示,首先,利用第一卷积层、批次正则化层以及激活层(激活函数为ReLu)处理支持集和查询集中所有的样本。在卷积层中,‘64’代表卷积核个数,3代表卷积核大小,‘补零’代表卷积运算中可在矩阵边缘处补零。然后,再利用B个相同的卷积块1提取支持集和查询集样本的深层次特征。
图6为根据本发明实施例的第一卷积块的内部流程示意图;如图6所示,主要包含通道注意力模块、空间注意力模块以及跳跃连接。上一层网络的输出第一卷积块(卷积块1的输入),经过卷积层后得到深度特征F 1,F 1分别通过全局平均池化层和全局最大池化层,各经过两层卷积层,再将两支路深度特征相加,通过激活函数为Sigmoid的激活层,得到深度特征F 2,将F 1与F 2相乘得到深度特征F 3。深度特征F 3在通道轴上分别通过取最大值维度约减和取平均值维度约减,将两支路约减后的特征进行拼接,再通过卷积层以及激活函数为Sigmoid的激活层,得到深度特征F 4,将F 3与F 4相乘得到深度特征F 5。深度特征F5与整个卷积块1的输入进行相加实现特征的跳跃连接,然后再经过卷积层、批次正则化层、激活函数为ReLu的激活层、平均池化层得到卷积块1的输出。
回到图5,通过如图5所示的嵌入模块,支持集和测试集中的每一个样本都可以映射到样本的特定空间特征。支持集中同一类的K个样本对应的K个空间特征求和得到某类样本的类别特征,图5中仅展示支持集中某一类样本的运算过程。查询集中所有的(N×Q)个样本经过嵌入模块得到对应的(N×Q)个空间特征。将查询集样本对应的(N×Q)个空间特征与支持集N个类别特征进行拼接,最终可以得到(N×N×Q)个深度特征。
回到图5,通过如图5所示的打分模块,上述(N×N×Q)个深度特征均对应输出N类中的某一类,输出结果代表查询集的(N×Q)个样本特征与支持集的哪一类类别特征最为相似。首先,(N×N×Q)个深度特征要通过打分模块中的第二卷积块(卷积块2),然后,卷积块2输出后依次经过卷积层、批次正则化层、激活函数为ReLu的激活层、平均池化层、展平层、全连接层(神经元个数为8)、激活函数为ReLu的激活层、全连接层(神经元个数为1)以及激活函数为Sigmoid的激活层,再通过整形层将特征维度整形为(-1,N),最后根据N个输出大小得到样本类别。
图7为根据本发明实施例的第二卷积块的内部流程示意图;如图7所示,(N×N×Q)个深度特征依次通过卷积层、批次正则化层以及激活函数为ReLu的激活层得到深度特征D1,深度特征D1再依次通过卷积层、批次正则化层、激活函数为ReLu的激活层、卷积层、批次正则化层得到深度特征D2,深度特征D1与深度特征D2相加实现特征跳跃连接,然后通过激活函数为ReLu的激活层和平均池化层得到卷积块2的输出。
在步骤S4,利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
具体地,利用大量的训练任务训练改进关系网络后,然后将含有待识别样本的测试任务输入已训练的网络模型,最终得到待识别雷达辐射源的类别。
具体实施例
实际电子战中的电子侦察系统仅能捕获少量带标签的目标雷达数据,但是很容易获取大量仿真的带标签雷达数据,所以可以利用大量仿真的雷达辐射源数据信息,以解决新任务中的雷达辐射源识别问题。因此,提出方法和应用实例的条件设置符合实际电子战场景。
训练任务所用的数据由仿真产生。仿真的训练数据集包含八种雷达辐射源信号,信号类型有线性调频 (linear frequency modulation, LFM)、非线性调频 (nonlinearfrequency modulation, NLFM)、连续波脉冲 (continuous wave, CW)、频率分集(frequency diversity, FD)、二进制相移键控 (binary phase shift keying, BPSK)、二进制频移键控 (binary frequency shift keying, BFSK)、二进制幅度键控 (binaryamplitude shift keying, BASK)、巴克码和线性调频复合调制 (Barker code andlinear frequency hybrid modulation, Baker-LFM)。八种仿真雷达辐射源信号的详细参数如表1所示。
表1
测试任务所用的数据由硬件设备产生。硬件设备设置好雷达脉冲信号的参数后,在非协作的条件下,利用信号采集器进行信号采集,采样率为50MHz。经过信号预处理后,仿真的每类辐射源类型含有样本50个,因此训练数据尺寸大小为(8, 50, 128, 128, 1)。真实的每类辐射源类型含有样本30个,因此测试数据尺寸大小为(6, 30, 128, 128, 1)。
向仿真的雷达辐射源信号中加入高斯噪声,以获取更加接近真实的雷达辐射源信号,训练任务中样本的SNR的范围在[-4, 0]dB,步长为1dB,用[-4:1:0]dB表示。用不同SNR的测试样本构造成4-way 6-shot的测试任务,其中K-way N-shot代表的含义为任务中有K类样本,每类样本数目为N。在卷积块1(也为注意力模块)个数B为4、训练迭代次数Epoch=7时,在不同训练任务个数T条件下,提出方法对不同SNR测试任务的识别性能如表2所示。
表2
向仿真的雷达辐射源样本中加入不同量级的高斯噪声,来探究训练任务中样本的SNR对所提方法性能的影响。针对不同SNR样本构成的4-way 6-shot的测试任务,经过不同SNR训练任务训练的网络的识别性能如表3所示。
表3
待识别目标辐射源类别数量和训练任务中样本类别数量N应当相同,样本数目K的不同也会对提出方法的识别性能产生影响。当训练任务样本的SNR在[-4:1:0]dB范围内,测试任务样本的SNR为4dB时,不同的样本类别N和样本数目K条件下,所提方法的识别性能如表4所示。
表4
对比原型网络、关系网络和改进关系网络的性能,以说明提出方法对关系网络改进的有效性。用不同SNR的测试样本构造4-way 6-shot的测试任务,在训练迭代次数Epoch=7时,不同网络对测试任务的识别性能如表5所示。
表5
本发明第二方面公开了一种雷达辐射源识别系统。所述系统包括:第一处理单元,被配置为:获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理;第二处理单元,被配置为:从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务;第三处理单元,被配置为:利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中;第四处理单元,被配置为:利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
根据本发明第二方面的系统,所述仿真雷达辐射源数据以集合来表示,包含M类雷达辐射源S1,S2,…,SM,以及对应的标签L1,L2,…,
LM,每类雷达辐射源包含个样本信号;所述真实雷达辐射源数据以集合来表示,包含N类雷达辐射源R1,R2,…,RN,以及对应的标签Y1,Y2,…,
YN,每类雷达辐射源包含K+Q个样本信号。
根据本发明第二方面的系统,所述第一处理单元具体被配置为:取矩阵的每一
个元素,表示元素在矩阵中的位置,求位置在中的位置,其中,。取中距离位置最近的16个元素,表示元素在中的位置。根据公式
求。完成中各个元素基于双三次插值的求解后,对得到的矩阵进行归一化
处理,获取魏格纳-威利分布方阵;按照上述步骤确定集合和集
合中的所有样本信号各自的魏格纳-威利分布方阵,作为雷达
辐射源样本数据。
根据本发明第二方面的系统,从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中
构建所述T个训练任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的仿真雷达
辐射源数据包含的M类雷达辐射源中随机选择N类雷达辐射源;从随机选择的N类雷达辐射
源的每一类中选取个样本数据作为支持集、个样本数据作为查询集;完成一个训练任
务的构建,并记录为,直到完成T个训练任务的构建。
根据本发明第二方面的系统,从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中
构建所述1个测试任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数
据的N类雷达辐射源的每一类中随机选取K个带已知雷达辐射源标签的样本数据作为支持
集,同时随机选取Q个待识别雷达辐射源的样本数据作为查询集。
根据本发明第二方面的系统,所述步骤S3-1具体包括:将所述训练任务中包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据依次送入第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及B个第一卷积块,来提取所述深层次特征;其中,所述第一卷积层表示卷积核的个数为64,卷积核的大小为3,卷积运算在矩阵边缘处补零。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-1中:所述第一卷积块以所述以ReLu为激活函数的激活层的输出为输入,在所述第一卷积块内部:所述第一卷积块的输入经第一卷积层后得到深层次特征F 1;深层次特征F 1分别通过(i)全局平均池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层以及(ii)全局最大池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层后,通过相加再经过以Sigmoid为激活函数的激活层后得到深层度特征F 2;深层度特征F 2与深层次特征F 1相乘后得到深层次特征F 3;深层次特征F 3分别通过(i)最大值维度约减和(ii)平均值维度约减后,通过拼接再经过第三卷积层和以Sigmoid为激活函数的激活层,得到深层度特征F 4;深层度特征F 4与深层次特征F 3相乘后得到深层次特征F 5;深层次特征F 5与所述第一卷积块的输入相加后,经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及平均池化层后,得到所述第一卷积块的输出。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-2中,基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,具体包括:对于所述支持集包含的的N个雷达辐射源类别中的每一类,对其包含的K个深层次特征进行相加,得到该类雷达辐射源的类别特征,共得到N个类别特征。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-3中,对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,具体包括:将所述N×N×Q个拼接特征分别送入第二卷积块、第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、平均池化层、展平层、神经元个数为8的全连接层、以ReLu为激活函数的激活层、神经元个数为1的全连接层、以Sigmoid为激活函数的激活层以及整形层,所述整形层用于将特征维度整形为(-1,N);对于所述查询集包含的N×Q个深层次特征中的每一个,该深层次特征均在步骤S3-2中与所述N个类别特征分别进行拼接,得到包含该深层次特征的N个拼接特征,通过对N个拼接特征进行打分,选取具有最高分数的拼接特征中的类别特征,将选取出的类别特征对应的类别作为该深层次特征的所属类别。
根据本发明第二方面的系统,在所述步骤S3-3中,在所述第二卷积块内部:所述N×N×Q个拼接特征依次作为输入被送入所述第二卷积块,所述拼接特征经过第一卷积层、批次正则化层以及以ReLu为激活函数的激活层后,得到深层次特征D1;深层次特征D1经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、第一卷积层以及批次正则化层后,得到深层次特征D2;深层次特征D2与深层次特征D1相加,在经过以ReLu为激活函数的激活层和平均池化层后,得到所述第二卷积块的输出。
本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时,实现本发明第一方面所述的一种雷达辐射源识别方法中的步骤。
图8为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图;如图8所示,电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中,该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信,无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏,该电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层,也可以是电子设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板,还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解,图8中示出的结构,仅仅是与本发明的技术方案相关的部分的结构图,并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定,具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者具有不同的部件布置。
本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现本发明第一方面所述的一种雷达辐射源识别方法中的步骤。
综上,本发明提供的技术方案主要面向电子战中极少样本条件下的雷达辐射源识别问题。该方案首先利用仿真的雷达辐射源数据构造大量的训练任务,利用截获的真实雷达辐射源数据构造测试任务,每个任务均包含支持集和查询集;然后利用大量的训练任务训练改进的关系网络;最后将测试任务输入已训练的改进关系网络,网络输出待识别雷达辐射源的类别。进一步地,该方案通过综合运用通道注意力和空间注意力,由于该技术手段可以使关系网络能更好地把握雷达辐射源样本的关键特征区域,因此可使关系网络能更准确地把样本嵌入到特征空间。进一步地,通过跳跃连接,由于该技术可以有效防止网络在训练过程中的梯度消失问题,因此解决了网络训练慢以及网络鲁棒性差的问题。
请注意,以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤S1、获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理;
步骤S2、从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务;
步骤S3、利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:
步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;
步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;
步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中;
步骤S4、利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
2.根据权利要求1所述的一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,在所述步骤S1中:
所述双三次插值处理具体包括:
3.根据权利要求2所述的一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,在所述步骤S2中:
从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建所述T个训练任务,具体包括:从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据包含的M类
雷达辐射源中随机选择N类雷达辐射源;从随机选择的N类雷达辐射源的每一类中选取个
样本数据作为支持集、个样本数据作为查询集;完成一个训练任务的构建,并记录为,直到完成T个训练任务的构建;
4.根据权利要求3所述的一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,所述步骤S3-1具体包括:
将所述训练任务中包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据依次送入第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及B个第一卷积块,来提取所述深层次特征;
其中,所述第一卷积层的卷积核的个数为64,卷积核的大小为3,卷积运算在矩阵边缘处补零;
其中,所述第一卷积块以所述以ReLu为激活函数的激活层的输出为输入,在所述第一卷积块内部:
所述第一卷积块的输入经第一卷积层后得到深层次特征F 1;
深层次特征F 1分别通过(i)全局平均池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层以及(ii)全局最大池化层、第二卷积层、激活层、第二卷积层后,通过相加再经过以Sigmoid为激活函数的激活层后得到深层度特征F 2;
其中,所述第二卷积层的卷积核的个数为4,卷积核的大小为1,卷积运算在矩阵边缘处补零;
深层度特征F 2与深层次特征F 1相乘后得到深层次特征F 3;
深层次特征F 3分别通过(i)最大值维度约减和(ii)平均值维度约减后,通过拼接再经过第三卷积层和以Sigmoid为激活函数的激活层,得到深层度特征F 4;
其中,第三卷积层的卷积核的个数为1,卷积核的大小为3,卷积运算在矩阵边缘处补零;
深层度特征F 4与深层次特征F 3相乘后得到深层次特征F 5;
深层次特征F 5与所述第一卷积块的输入相加后,经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层以及平均池化层后,得到所述第一卷积块的输出。
5.根据权利要求4所述的一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,在所述步骤S3-2中,基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,具体包括:对于所述支持集包含的的N个雷达辐射源类别中的每一类,对其包含的K个深层次特征进行相加,得到该类雷达辐射源的类别特征,共得到N个类别特征。
6.根据权利要求5所述的一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,在所述步骤S3-3中,对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,具体包括:
将所述N×N×Q个拼接特征分别送入第二卷积块、第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、平均池化层、展平层、神经元个数为8的全连接层、以ReLu为激活函数的激活层、神经元个数为1的全连接层、以Sigmoid为激活函数的激活层以及整形层,所述整形层用于将特征维度整形为(-1,N);
对于所述查询集包含的N×Q个深层次特征中的每一个,该深层次特征均在步骤S3-2中与所述N个类别特征分别进行拼接,得到包含该深层次特征的N个拼接特征,通过对N个拼接特征进行打分,选取具有最高分数的拼接特征中的类别特征,将选取出的类别特征对应的类别作为该深层次特征的所属类别。
7.根据权利要求6所述的一种雷达辐射源识别方法,其特征在于,在所述步骤S3-3中,在所述第二卷积块内部:
所述N×N×Q个拼接特征依次作为输入被送入所述第二卷积块,所述拼接特征经过第一卷积层、批次正则化层以及以ReLu为激活函数的激活层后,得到深层次特征D1;
深层次特征D1经过第一卷积层、批次正则化层、以ReLu为激活函数的激活层、第一卷积层以及批次正则化层后,得到深层次特征D2;
深层次特征D2与深层次特征D1相加,在经过以ReLu为激活函数的激活层和平均池化层后,得到所述第二卷积块的输出。
8.一种雷达辐射源识别系统,其特征在于,所述系统包括:
第一处理单元,被配置为:获取仿真雷达辐射源数据和真实雷达辐射源数据,分别对所述仿真雷达辐射源数据和所述真实雷达辐射源数据进行双三次插值处理;
第二处理单元,被配置为:从经所述双三次插值处理的仿真雷达辐射源数据中构建T个训练任务,以及从经所述双三次插值处理的真实雷达辐射源数据中构建1个测试任务;
第三处理单元,被配置为:利用所述T个训练任务对用于识别雷达辐射源的改进关系网络进行训练,对每个训练任务均执行:
步骤S3-1、提取所述训练任务包含的支持集和查询集中的各个雷达辐射源样本数据的深层次特征;
步骤S3-2、基于所述支持集包含的N×K个深层次特征确定所述支持集的N个类别特征,将所述N个类别特征中的每一个类别特征分别与所述查询集包含的N×Q个深层次特征进行拼接,得到N×N×Q个拼接特征;
步骤S3-3、对于所述查询集包含的每一个深层次特征,基于包含该深层次特征的N个拼接特征确定该深层次特征的所属类别,直到将所述查询集包含的N×Q个深层次特征全部归类至N个雷达辐射源类别中;
第四处理单元,被配置为:利用经训练的改进关系网络执行所述测试任务,以识别出所述真实雷达辐射源数据中包含的N类雷达辐射源。
9.一种电子设备,其特征在于,所述电子设备包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时,实现权利要求1至7中任一项所述的一种雷达辐射源识别方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现权利要求1至7中任一项所述的一种雷达辐射源识别方法中的步骤。
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