宋 廣,周鈺鑫

(解放軍91404部隊(duì)93分隊(duì),河北秦皇島 066001)

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基于特征選擇校驗(yàn)法的艦船立體RCS測(cè)量方案設(shè)計(jì)

宋 廣,周鈺鑫

(解放軍91404部隊(duì)93分隊(duì),河北秦皇島 066001)

艦船目標(biāo)立體RCS是檢驗(yàn)艦艇電子戰(zhàn)武器作戰(zhàn)效能的主要指標(biāo),由于雷達(dá)波入射角度不同,其RCS值存在差異,針對(duì)外場(chǎng)艦船立體RCS測(cè)量特點(diǎn)和規(guī)律,結(jié)合艦船RCS電磁仿真計(jì)算數(shù)據(jù)分析,提出基于特征選擇校驗(yàn)法RCS差異分析方法,綜合分析不同入射角RCS方向序列的全局差異量,得到艦船立體RCS外場(chǎng)測(cè)量入射角間隔,為機(jī)載平臺(tái)RCS測(cè)量方案設(shè)計(jì)提供了依據(jù),提高了外場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)效費(fèi)比,同時(shí)該方法對(duì)新型高彈道導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)供靶分析具有一定的指導(dǎo)意義。

特征選擇校驗(yàn)法;RCS;測(cè)量方案

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)是表征雷達(dá)目標(biāo)對(duì)于照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量,是描述雷達(dá)目標(biāo)信息最重要參數(shù)[1]。飛機(jī)、艦艇等作戰(zhàn)平臺(tái)是信息戰(zhàn)裝備系統(tǒng)的活動(dòng)載體,其RCS是作戰(zhàn)應(yīng)用中的重要信息。目前,獲取目標(biāo)RCS的主要手段包括基于精確CAD幾何模型的電磁散射計(jì)算和外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量。外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量由于測(cè)量環(huán)境、背景和目標(biāo)真實(shí),獲取目標(biāo)RCS特性的可信度高等特點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。但外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量存在動(dòng)用裝備多、消耗大、過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)等問(wèn)題,為降低測(cè)量成本和測(cè)量難度,急需對(duì)外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量方案進(jìn)行優(yōu)化,在確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確全面的基礎(chǔ)上,盡量減少測(cè)量樣本量。在對(duì)水面艦艇立體RCS特性測(cè)量過(guò)程中,需要采用機(jī)載RCS測(cè)量設(shè)備對(duì)艦艇0～360°方位角和0～90°入射角范圍內(nèi)進(jìn)行全空間立體RCS測(cè)量,這種測(cè)量的樣本量更高,測(cè)量成本問(wèn)題更加突出,需要合理規(guī)劃測(cè)量航路,科學(xué)設(shè)計(jì)測(cè)量方案。雖然通用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法大都可以反映數(shù)據(jù)的整體誤差水平,但評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)單一,缺少差異溯源細(xì)節(jié),不能準(zhǔn)確反映用戶所關(guān)心的數(shù)據(jù)特征差異[2]。特征選擇校驗(yàn)法由于其普適性和有效性,已經(jīng)被業(yè)內(nèi)逐步認(rèn)可,廣泛應(yīng)用于計(jì)算電磁學(xué)的多個(gè)分支領(lǐng)域[3]。

本文針對(duì)艦艇立體RCS測(cè)量中試驗(yàn)復(fù)雜、測(cè)量成本高的問(wèn)題,提出采用特征選擇校驗(yàn)法對(duì)艦船RCS電磁仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真校驗(yàn),以獲取機(jī)載RCS測(cè)量設(shè)備入射角采樣間隔,降低試驗(yàn)成本,為外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供支撐。

1 特征選擇校驗(yàn)法基本原理

FSV方法的基本流程如圖1所示。首先,將待評(píng)估數(shù)據(jù)和可信數(shù)據(jù)通過(guò)Fourier變換分解為直流、低頻和高頻分量三部分,然后結(jié)合不同分量提取兩種數(shù)據(jù)差異性指標(biāo)即幅度差異量(Amplitude Difference Measure,ADM)和特征差異量(Feature Difference Measure,FDM), 前者描述原始數(shù)據(jù)緩變部分的差異程度,后者描述原始數(shù)據(jù)尖銳的峰和谷的差異程度,綜合兩種度量可以給出全局差異量 (Global Difference Measure,GDM)。下面結(jié)合艦艇不同入射角立體RCS校驗(yàn)分析給出ADM、FDM、GDM三種差異的具體計(jì)算方法。

圖1 特征選擇校驗(yàn)法基本流程

1.1 幅度差異量(ADM)計(jì)算

對(duì)兩組經(jīng)過(guò)預(yù)處理的不同入射角艦艇立體RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier變換,一方面對(duì)變換數(shù)據(jù)的前幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行逆變換獲得“直流分量”(DC1(n)、DC2(n)),另一方面對(duì)變換數(shù)據(jù)(除去前幾個(gè)點(diǎn))加低通窗再進(jìn)行逆變換得到原始數(shù)據(jù)的“低通分量”(Lo1(n)、Lo2(n))。逐點(diǎn)的ADM由數(shù)據(jù)的直流分量DC1(n)、DC2(n)和低頻分量Lo1(n)、Lo2(n)計(jì)算得出。

(1)

其中，

α=(|Lo1(n)|-|Lo2(n)|);

χ=(|DC1(n)|-|DC2(n)|);

式中，N為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,n為數(shù)據(jù)編號(hào)。

ADM由兩部分組成：一部分基于趨勢(shì),另一部分基于偏置。偏置信息主要包含:在整體水平中差異小但影響大,甚至被比較的數(shù)據(jù)形狀一致,但ADM值影響很大。

因?yàn)镸apReduce主要應(yīng)用于推進(jìn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行線下批處理，在面對(duì)一些問(wèn)題時(shí)會(huì)存在較強(qiáng)的不適應(yīng)，諸如在面向低延遲以及具有相對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系、相對(duì)復(fù)雜運(yùn)算的大數(shù)據(jù)問(wèn)題時(shí)就會(huì)存在這樣的狀況。所以，近年來(lái)對(duì)大數(shù)據(jù)的計(jì)算模式進(jìn)行深入的研究，推出了很多該領(lǐng)域新的研究成果。

1.2 特征差異量(FDM)計(jì)算

通過(guò)對(duì)兩組不同入射角預(yù)處理的艦艇立體RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行Fourier變換,并對(duì)變換數(shù)據(jù)加高通窗再逆變換來(lái)獲得兩組對(duì)比數(shù)據(jù)的“高頻分量”Hi1(n)、Hi2(n)。同樣每組數(shù)據(jù)具有N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),在任意數(shù)據(jù)點(diǎn)i處,可以通過(guò)高通數(shù)據(jù)逐點(diǎn)計(jì)算FDM。FDM由三部分組成：其中分指標(biāo)FDM1使用低頻分量的一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算,反映數(shù)據(jù)緩變趨勢(shì)的差異；分指標(biāo)FDM2使用高頻分量的一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算,反映數(shù)據(jù)瞬變趨勢(shì)的差異；分指標(biāo)FDM3則使用高頻分量的二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算,反映更加細(xì)節(jié)的特征差異?？杀硎緸镕DM(n)=2|FDM1(n)+FDM2(n)+FDM3(n)|

(2)

其中，

Lo′(n)=Lo(n+2)-Lo(n-2)

Hi″(n)=Hi′(n+3)-Hi′(n-3)。

1.3 全局差異量(GDM)計(jì)算

對(duì)逐點(diǎn)ADM和逐點(diǎn)FDM取算術(shù)平均值,可獲得單一值的差異評(píng)價(jià)為:

(3)

(4)

綜合ADM和FDM的值,可得逐點(diǎn)全局差異量和總體差異量(GDM),表示成為:

(5)

(6)

為了能夠與人的直觀判斷相關(guān)聯(lián),可以將其分成6個(gè)等級(jí),如表1所示。逐點(diǎn)的ADM、FDM、GDM 及其均值都可以通過(guò)表1的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 將定量結(jié)果轉(zhuǎn)化為自然語(yǔ)言描述的定性解釋。

表1 全局差異量描述分級(jí)表

GDM的取值范圍反映了艦船不同入射角立體RCS的相似程度,GDM的取值也就是相似度的閾值會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,本文針對(duì)不同入射角艦艇立體RCS數(shù)據(jù)分別給出GDM在6個(gè)取值范圍的概率密度以及均值,通過(guò)GDM取值的判定確定其相似性,并得到其入射角間隔。

2 艦船RCS仿真計(jì)算比對(duì)分析

2.1 艦船目標(biāo)RCS仿真計(jì)算數(shù)據(jù)預(yù)處理

在高頻區(qū),復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射場(chǎng)是由大量散射中心的散射場(chǎng)的矢量迭加而合成的,合成后的散射場(chǎng)的幅度和相位隨姿態(tài)角的變化非常劇烈,因此,散射總場(chǎng)的數(shù)據(jù)具有復(fù)雜的起伏性質(zhì)。由于高頻散射場(chǎng)的這一特點(diǎn),直接采用頻域?yàn)V波顯然是不合適的,因此,采用窗口平滑比較方法是對(duì)理論模型進(jìn)行系統(tǒng)性檢驗(yàn)和評(píng)估的一種可行方法。具體做法是對(duì)不同入射角RCS仿真計(jì)算數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)窗口寬度和滑動(dòng)步長(zhǎng),通過(guò)滑動(dòng)窗口,在每個(gè)窗口內(nèi)取理論計(jì)算數(shù)據(jù)的中值從而獲得新的理論數(shù)據(jù)序列,再對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行頻域?yàn)V波以及特征差異量比較。

中值一般記作σ0.5,是取累積分布函數(shù)CDF=0.5時(shí)RCS的大小,即比σ0.5高或低的數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率各占一半,中值的計(jì)算用公式表示為

本文采用中值平滑的窗口寬度5°、滑動(dòng)步長(zhǎng)1°。艦船RCS仿真計(jì)算、中值平滑方向圖比對(duì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 艦船目標(biāo)RCS預(yù)處理后數(shù)據(jù)比對(duì)波形圖

2.2 艦船目標(biāo)RCS仿真計(jì)算結(jié)果分析

由于艦船目標(biāo)的固有特性,不同入射角的RCS總有一定程度的相似性。如果待評(píng)估數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)的全局差異量GDM取值較大,所有的入射角RCS曲線均能與參考入射角匹配,會(huì)產(chǎn)生較高的錯(cuò)誤接收率,造成外場(chǎng)RCS測(cè)量結(jié)果失真,影響RCS測(cè)量精度;相反,GDM取值較小,入射角間隔小、相似度高的RCS曲線可能會(huì)拒絕,會(huì)產(chǎn)生較大的錯(cuò)誤拒絕率,致使外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)多,浪費(fèi)試驗(yàn)成本。在實(shí)驗(yàn)中,以90°入射角RCS曲線為參考,分別對(duì)其余入射角RCS曲線進(jìn)行匹配,經(jīng)過(guò)幅度差異量和特征差異量的合成計(jì)算最終得到全局差異量GDM,經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最后確定GDM小于0.2,即表1中自然語(yǔ)言描述的“非常好”。

圖3為艦船目標(biāo)87°與90°入射角RCS曲線匹配效果,而圖4為84°與90°入射角RCS匹配效果。圖5為87°與90°入射角RCS曲線GDM可信度直方圖,而圖6為84°與90°入射角曲線GDM可信度直方圖,橫坐標(biāo)為表1中全局差異量的取值范圍,對(duì)應(yīng)為六個(gè)區(qū)間,縱坐標(biāo)為GDM值落在對(duì)應(yīng)區(qū)間的點(diǎn)數(shù)。

考慮艦船目標(biāo)不同入射角的RCS數(shù)據(jù)差異,本文僅使用艦船20組不同入射角(89°至70°)RCS數(shù)據(jù)與90°入射角RCS進(jìn)行了特征選擇校驗(yàn)法的數(shù)據(jù)測(cè)試。整體全局差異量如圖7所示,橫坐標(biāo)為入射余角差值1°至20°(對(duì)應(yīng)入射角為89°至70°),縱坐標(biāo)為應(yīng)全局差異量GDM值。表2選取了具有代表性的6組數(shù)據(jù),分別給出了幅度差異量、特征差異量和全局差異量的值。

圖3 87°入射角與90°RCS數(shù)據(jù)匹配曲線圖

圖4 84°入射角與90°RCS數(shù)據(jù)匹配曲線圖

圖5 87°入射角與90°RCS GDM可信度直方圖

圖6 84°入射角與90°RCS GDM可信度直方圖

圖7 不同入射角與90°RCS GDM比較

從GDM可信度直方圖及表2可以得出艦船目標(biāo)RCS在入射角度變化小于6°時(shí),其ADM、FDM、GDM值均在0.2以下,自然語(yǔ)言描述為介于極好和非常好之間,故接收;而當(dāng)入射角變化等于6°時(shí),雖然ADM、FDM值仍在0.2以下,但其合成后的GDM全局差異量大于0.2且增速加大,故拒絕。

表2 不同入射角艦船RCS比對(duì)差異量表

根據(jù)以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,在獲取該型艦船目標(biāo)外場(chǎng)RCS特性時(shí),在大入射角(低仰角)情況下可設(shè)置機(jī)載RCS測(cè)量平臺(tái)的入射角采樣間隔為5°,同理利用該方法可迭代推出其它入射角的采樣間隔,這樣通過(guò)合理設(shè)計(jì)飛機(jī)航路可近似獲得艦船目標(biāo)的全空間立體RCS特性,同時(shí)可以更好地節(jié)約試驗(yàn)成本,縮短試驗(yàn)周期。

該方法對(duì)獲取艦艇等海上目標(biāo)俯仰方向RCS入射角采樣間隔具有通用性,可以有效減少測(cè)量樣本量。但是每型艦艇均具有大型復(fù)雜特定形體結(jié)構(gòu),其立體RCS存在較大差異。首先艦艇特定的形體對(duì)不同入射角的電磁散射響應(yīng)不同,使之有其特定的RCS方向性;其次由于艦艇上層建筑眾多散射源和多路徑等環(huán)境因素綜合作用效果不同,其RCS存在差異。故在獲取RCS測(cè)量入射角間隔時(shí)需依據(jù)不同型號(hào)艦艇電磁散射仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行特征選擇校驗(yàn)分析,以確定機(jī)載平臺(tái)測(cè)量方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)獲取艦艇目標(biāo)外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量全空間RCS入射角采樣間隔問(wèn)題,采用特征選擇校驗(yàn)法對(duì)某型艦艇目標(biāo)不同入射角RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析研究,分析了其幅度差異量、特征差異量以及全局差異量,依據(jù)分析結(jié)果定量給出外場(chǎng)RCS測(cè)量的入射角間隔。

提高不同入射角匹配時(shí)的驗(yàn)證率,從而為獲取艦艇目標(biāo)外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量提供了可靠的理論依據(jù),基本上取得了令人滿意的效果,同時(shí)該方法對(duì)新型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗(yàn)供靶分析具有一定的指導(dǎo)意義。

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[5] IEEE standard for validation of computational electromagnetics computer modeling and simulations[S].

[6] IEEE recommended practice for validation of computational electromagnetics computer modeling and simulations[J].2011：C1-41.

Stereo RCS of Ship Target Measurement Scheme Design Based onFeature Selective Validation Method

SONG Guang, ZHOU Yu-xin

(Element 93 of Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066001, China)

The stereo RCS of ship target is a main parameter in electronic warfare weapon efficacy test. Because of the difference of radar waves’ incident angles, RCS of target exist different. This paper presents a RCS difference analysis method of feature selective validation, based on the character of ship target RCS in outfield and data analysis of ship RCS electromagnetic simulation. By analyzing the global difference quantity of RCS from different incident angles, the stereo RCS incident angles interval of ship target between outfield measurements is obtained. This method provides the basis for airborne platform RCS measurement scheme design, and advance the cost-effectiveness of outfield measurement. At last, this method has a certain guiding significance to the target providing analysis in new high-trajectory missile weapon system trial.

feature selective validation method; RCS; measurement scheme

2017-03-22

宋 廣(1976-),男,河北保定人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)特性測(cè)量。 周鈺鑫(1991-),男,碩士,助理工程師。

1673-3819(2017)03-0111-04

TN974；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.024

修回日期： 2017-05-01