復雜電磁環境下基于數據融合的輻射源識別探析*

劉 標， 施 強， 劉樹鋒

(1.海軍指揮學院，江蘇 南京 210016；2.空軍航空大學，吉林 長春 130022； 3.中國人民解放軍94908部隊，福建 廈門 361000;4.海軍士官學校，安徽 蚌埠 233012)

0 引言

現代電子對抗信號環境日趨緊密、復雜、交錯和多變，僅就雷達對抗信號環境而言，信號密度每秒有多達20～100萬個以上的脈沖信號，頻率分布從幾兆到幾萬兆。雷達體制也愈加多變，如相控陣雷達、脈沖壓縮雷達、單脈沖雷達、捷變頻雷達以及脈沖多普勒雷達等。再加上現代戰爭中，諸軍兵種聯合作戰，空地一體，戰場情況瞬息萬變，新式武器破壞力極大。這些使得在新一代的作戰任務中，為爭取最佳的作戰效果，雷達對抗偵察的信息來源不可能只靠單傳感器提供，而需要越來越多的傳感器提供多種觀測數據，進行優化融合處理，獲取目標發現、狀態估計、行為意圖、態勢評估、威脅分析、火力控制、精確制導和輔助決策等作戰信息。因此，雷達對抗偵察工作日益復雜和艱巨，要求和難度也就相應地越來越高。如果不采用數據融合技術，指揮員將淹沒在數據海洋中，指揮控制決策及行動計劃處理都被大量的信息所淹沒。而數據融合則可以大大減輕指揮員的工作量，提高數據處理速度、容量和改善處理精度，同時獲得有用情報。

1 多傳感器數據融合的定義

從軍事應用的角度看，多傳感器數據融合[1]就是人們通過對空間分布的多源信息——各種傳感器的時空采樣，對所關心的目標進行檢測、關聯(相關)、跟蹤、估計和綜合等多級多功能處理，以更高的精度、較高的概率或置信度得到人們所需要的目標狀態和身份估計，以及完整、及時的態勢和威脅評估，為指揮員提供有用的決策信息。這一定義基本上能夠描述多傳感器數據融合的三個主要功能：1)多傳感器數據融合是在多個層次上對多源信息進行處理的，每個層次代表信息處理的不同級別；2)多傳感器數據融合過程包括檢測、關聯(相關)、跟蹤、估計和綜合；3)多傳感器數據融合過程的結果包括低層次上的狀態和屬性估計，以及高層次上的戰場態勢和威脅評估。

2 多傳感器數據融合的原理及分類

多傳感器數據融合是人類或其它邏輯系統中常見的基本功能。人非常自然地運用大腦思維能力將來自人體五官(眼、耳、鼻、舌和四肢)所感受的外部信息(景象、聲音、氣味、觸覺)轉換成生物電信號，通過人的中樞神經送到人腦進行綜合處理。大腦根據先驗知識進行分析、估計和推理、理解、判斷、推測周圍環境和外部世界正在發生的事件。由于人類感官具有不同的度量特征，因而可感知不同空間范圍內的各種物理現象，這一過程是復雜的，也是自適應的。

多傳感器數據融合的基本原理就像人腦綜合處理信息一樣，充分利用多個傳感器資源，通過對多傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時間上可冗余或可互補的數據，依據某種準則進行組合，以獲得對被測對象的一致性解釋和描述，使該信息系統由此而獲得比它的各組成部分的子集所構成的系統更優越得性能，彌補信息不完整、局部信息不精確或不確定所造成的缺陷[2]。單傳感器數據處理或低層次的多傳感器數據處理只是對人腦信息處理的一種低水平模仿，不能像多傳感器數據融合系統那樣可以更大程度地獲得被測目標和環境的信息。多傳感器數據融合與經典的信號處理方法也存在本質的區別，多傳感器融合系統所處理的多傳感器數據具有更復雜的形式。

由于考慮問題的出發點不同，多傳感器數據融合目前有許多的分類方法。按融合方法分類，分為統計方法、人工智能方法等；按信號處理的域進行分類，分為時域、空域和頻域等；按融合過程的順序和融合層次的高低分類，分成低級、中級和高級，并根據融合的層次和實質內容，將其與像素級、特征級和決策級對應起來[3-4]，如圖 1所示。應當說最后一種方法更合理，也被更多的人所接受。

圖1 多傳感器數據融合的一般分類

3 傳感器獲取輻射源信息的手段

戰場電磁環境的復雜化，導致對戰場環境感知的各種傳感器數量急劇增加，各種傳感器的發展極大地拓展了人們探測和監視的距離。在多傳感器數據融合系統中，傳感器獲取輻射源信息的手段按偵察平臺可分為空間偵察、空中偵察、地面偵察和海上及水下偵察[5]。

1)空間偵察

空間偵察是航天技術與信息技術相結合的產物，它利用配置在人造衛星、航天飛機、航天空間站等航天器上的傳感器對地面或海洋實施偵察。空間偵察具有許多重要的優點：①速度快。在近地軌道上運行的偵察衛星，其繞地球一周的時間一般為90～110min。現在許多新型的偵察衛星的運行軌道還可以根據需要進行機動。因此電子偵察可以迅速地對地球上各個地區實施偵察。②偵察范圍廣。衛星運行軌道高度大，衛星每次飛越一個地區，一般可偵察一個寬為50～100km的帶型區域，因此飛行幾圈，衛星就可以把一個中等以上國家的全部國土偵察一遍。一顆在同步軌道上運行的導彈預警衛星，可以連續地監視地球總面積42%的區域。③受限制小。人造衛星的運行不受國界、地理和氣候條件的限制，可以自由地飛越地球上任何地區。正由于空間偵察具有上述一些重要的優點，空間偵察正在獲得日益廣泛得運用。當前世界主要軍事大國70%的戰略情報是由偵察衛星獲得的。現在，空間偵察也越來越多地用于戰役、戰術偵察。電子偵察衛星是最重要的空間輻射源偵察手段，主要偵察敵方雷達的類型、數量、部署位置、戰術與技術參數等。

2)空中偵察

空中偵察主要有：有人駕駛偵察機、偵察直升機、無人駕駛偵察機、系留氣球等。

①有人駕駛偵察機。有人駕駛偵察機是航空偵察的一種主要手段，它可以攜帶輻射源偵察設備和其他傳感器對敵方實施偵察。有人駕駛偵察飛機反應靈活、機動性好，能及時準確地完成對戰場情況的偵察，能及時為各級指揮員提供作戰指揮所需的實時情況，也能引導突襲兵器攻擊敵方目標。有人駕駛偵察飛機通常分為兩類，一類是專門設計的偵察機，另一類是由其他機型改裝的偵察機。專門設計的電子對抗偵察機具有兩個突出的優點，一是戰場生存能力強，二是偵察性能好。如美軍的RC-135C專用偵察飛機就是一種典型的電子對抗偵察飛機，它配置多種輻射源偵察裝備和其它傳感器，可以在復雜的戰場條件完成輻射源偵察任務。由轟炸機和運輸機改裝而成的電子對抗偵察飛機一般具有裝機容量大、偵察能力強、航程遠和留空時間長的特點，主要執行戰略、戰役偵察任務；而由戰斗機、戰斗轟炸機改裝的戰術偵察機則是數量最多的偵察機。

②偵察直升機。用直升機進行戰場偵察有其獨特的優勢，因為直升機能在狹小的場地(如林中空地、市內廣場、艦艇甲板等)上起降，能緊靠指揮員及司令部駐扎，便于根據他們的需要進行偵察；能在很低的高度(距地10～15m、距海面1m)上實施偵察，有利于對地面進行更細致、更準確的觀察，從而提高了所獲情報的可靠性；能夠懸停于空中，便于對敵整個戰術縱深內的活動目標進行跟蹤。用直升機進行空中偵察的主要方法有目視觀察、航空攝影和借助電子對抗偵察設備與無線電電子器材進行偵察。

③無人駕駛偵察機。無人駕駛偵察機是20世紀60年代初發展起來的，近期世界上幾場局部戰爭的實踐證明，無人駕駛偵察機比有人駕駛偵察機具有很多獨特的優點：一是成本低。一架無人駕駛偵察機約需50～100萬美元。二是可用性高。能用來完成危險性比較大、不宜使用有人駕駛偵察機的偵察任務。三是體積小，發動機功率低，紅外輻射少，不宜被發現和擊落。四是機動靈活。可用卡車運到沒有機場的地方起飛，也可裝進運輸機空運至前線發射。無人駕駛偵察機能攜帶電子對抗偵察設備、可見光照相機、電視攝像機、前視紅外遙感器及側視雷達等傳感器。電子對抗偵察設備可以截獲敵方軍用電子設備的輻射信號，并對其進行定位。但無人駕駛偵察機需要很多人維護，操作復雜，地面與飛機的通信、控制線路以及飛機向地面傳送偵察數據的線路易受到電波的干擾和地形的影響。所以，它只能與有人駕駛偵察機互為補充，而不能取代。

④系留氣球偵察。系留氣球偵察系統由系留氣球與地面控制設備組成，現在多用于輻射源偵察。它把裝備系留在氣球下方。氣球的高度可達3000～6000m，可大大增加探測與偵察的作用距離。

3)地面偵察

地面偵察的手段很多，目前主要有下列幾種：固定式偵察站、車載式偵察設備及便攜式偵察設備。地面偵察能對敵方電磁(或聲)輻射信號進行偵收、分析和處理，以形成有用的雷達對抗情報。固定式偵察是一種長期的不間斷的雷達對抗作戰，旨在全面、完整、準確地掌握偵察區域內的敵方雷達的戰術技術信息。車載式偵察和便攜式偵察主要用于敵作戰部署發生重大變化或己作戰方向更改或對有關區域進行重點偵察時，進行的短期輻射源偵察。地面偵察多部署于沿海和島嶼。雖然由于地形限制，偵察范圍較小，但可以長期監視某一地區，特別是立足于近海防御作戰的海戰力量，充分利用岸基和島嶼上的地面偵察設備是一個安全、可靠而有效的手段。

4)海上及水下偵察

海上及水下偵察就是以艦艇、潛艇和其它海上交通工具作為平臺，裝備多種專用的情報偵察設備，在海上進行綜合偵察。專用電子偵察船上可以配置的偵察裝備多、偵察能力強、活動范圍大，是最重要的水面偵察手段。現在世界許多軍事強國都裝備有電子偵察船。許多電子偵察船常常偽裝成民用漁船、海洋考察船等在廣闊的海洋上活動，截獲世界各國的電磁信號，搜集有關的軍事情報。戰時則根據需要或單獨或伴隨編隊隱蔽前出偵察。如果使用潛艇作平臺則可抵近甚至潛入敵后進行偵察。海上及水下偵察活動區域大，可以遠航持續抵近目標偵察，彌補了空中偵察和地面偵察的不足，是現代戰爭中獲取情報的主要手段之一。

4 基于數據融合的輻射源識別系統構成

在輻射源識別系統中，各種傳感器的數據可以具有不同的特征，可能是實時的或非實時的、模糊的或確定的、互相支持的或互補的，也可能是互相矛盾或競爭的。它與單傳感器數據處理或低層次的多傳感器數據處理方式相比，能更有效地利用多傳感器資源。在輻射源識別系統中，各個傳感器配置在不同的偵察平臺上，融合中心將各種偵察傳感器和多個偵察平臺連接成一個有機整體，對傳輸過來的傳感器報告進行融合處理，以生成及時、準確和完整的最終報告。輻射源識別系統是由多種傳感器在一個偵察平面上集成后，又由多個平臺有機連接構成的、一體化的、立體配置的復雜系統。其實際構成如圖 2所示。

圖2 輻射源識別系統的組成示意圖

5 系統應用效能前瞻

在輻射源識別中，單個傳感器提取的特征往往由于其自身的探測特點不能獲得對輻射源識別的完全描述，而利用多個傳感器提取的獨立、互補的特征向量，可以獲得對輻射源較為完整的描述，從而有利于提高識別的正確概率[6]。與傳統的圍繞著單個特定傳感器所獲得的信息集而進行的信息處理比較，多傳感器數據融合在輻射源的識別中，具有許多性能裨益。

1)增強系統的生存能力。多個傳感器的測量信息之間有一定的冗余度，當有若干傳感器不能利用或受到干擾，或某個目標或事件不在覆蓋范圍內時，一般總會有一種傳感器可以提供信息，使系統能夠不受干擾連續運行，弱化故障。

2)擴大系統空間覆蓋范圍。通過多個交疊覆蓋的傳感器作用區域，一些傳感器可以探測到其它傳感器無法探測的地方。

3)擴展系統時間覆蓋范圍。當某些傳感器不能探測時，另外一些傳感器可以檢測目標，即多個傳感器的協同作用可以提高系統的時間覆蓋范圍。

4)增加系統的可信度。一部或多部傳感器能確認同一目標。各個傳感器的判斷結果相互補充確認，從而增強融合系統所作最終推斷的可信度。

5)縮短系統反映時間。由于單位時間內采集了更多的數據，所以多傳感器數據融合系統可以在較短采樣時間內達到規定的性能水平。

6)減少信息的模糊性。由于采用多傳感器的信息進行檢測、判斷、推理等運算，降低了事件的不確定性。

7)改善系統探測性能。利用多傳感器信息，對目標的多種測量有效融合，提高系統的發現概率。

8)提高系統空間分辨力。多傳感器孔徑可以獲得比任何單一傳感器更高的分辨力。

9)提高系統定位精度。利用多傳感器信息可以減小測量誤差，提高測量精度。

10)提高系統決策的正確性。由于多傳感器工作增加了事件的可信度，使指揮員決策的依據更加可靠。

6 結束語

在輻射源識別系統中，信息表現形式的多樣性、信息數量的巨大性、信息關系的復雜性以及要求信息處理的及時性，都已大大超出了人腦的信息綜合處理能力。多傳感器數據融合具有提高目標探測、識別精度和準確率，降低虛警率，故障容錯和系統重構能力較強等優點。盡快將數據融合技術廣泛地應用于軍事和民事領域，不僅會使該領域的理論研究在更加堅實的基礎上向前發展，而且對增加國防實力、趕超世界先進水平均具有較重要的意義。■

[1] 阿蘭·阿皮諾.不確定性理論與多傳感器數據融合[M].郎為民，譯.北京:機械工業出版社,2016.

[2] 沃爾夫岡. 跟蹤和傳感器數據融合[M].何佳洲,等,譯.北京：科學出版社，2017.

[3] 石章松.目標跟蹤與數據融合理論及方法[M]. 北京：國防工業出版社，2010.

[4] 陳泓佑，李郁峰. 基于幾何特征和貝葉斯的運動目標分類識別方法[J]. 計算機工程與設計, 2016, 37(12): 3378-3383.

[5] 熊群力.綜合電子戰[M].2版.北京:國防工業出版社,2008.

[6] 費晶，李趙興. 基于BP和RBF神經網絡的新型融合技術研究[J]. 電子設計工程, 2014, 22(17): 96-98.