Способ формирования признаков технического распознавания источников радиоизлучения
Владельцы патента RU 2401435:
Министерство обороны Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия связи имени С.М. Буденного (RU)
Изобретение относится к распознаванию образов, а именно - к способам формирования признаков технического распознавания источников радиоизлучений. Достигаемым техническим результатом изобретения является обеспечение формирования признаков технического распознавания (ТР) источников радиоизлучений (ИРИ) с возможностью выделения контрастных признаков из принятого радиосигнала при воздействии шумов и помех, за счет представления входной реализации сигнала частотно-временным распределением (ЧВР) и последующим линейным преобразованием. Принятую реализацию смеси сигнала и шума дискретизируют по времени и квантуют по напряжению. Далее вычисляют матрицу ЧВР плотности энергии смеси сигнала и шума в полосе частот анализа. Полученная матрица является первичным признаковым пространством. Для формирования вторичных признаков ТР ИРИ осуществляют линейное преобразование исходного пространства признаков в новое пространство. С этой целью на основе матрицы ЧВР плотности энергии формируют симметрическую матрицу, для которой вычисляют матрицу собственных значений. Из полученного множества собственных значений выделяют главные, используя известное в теории вероятности правило «трех сигм». Данная процедура позволяет выделить наиболее информативные признаки. Затем для главных собственных значений вычисляют собственные вектора. Для формирования вторичных признаков технического распознавания источников радиоизлучений вычисляют моменты 3-го порядка для каждого полученного собственного вектора. 6 ил.
Изобретение относится к распознаванию образов, а именно - к способам формирования признаков технического распознавания (ТР) источников радиоизлучений (ИРИ). Способ может быть использован в средствах технического распознавания в условиях воздействия шумов и помех.
Заявленное техническое решение расширяет арсенал средств аналогичного назначения.
Известен способ выделения признаков [Ивахаси Наото, Бао Хонгтанг, Хонда Хитоси, Егорова Г.Б., Миц А.В. по заявке на выдачу патента РФ на изобретение №98119727/09, G10L 15/14, - www.fips.ru, от 30.10.98], заключающийся в анализе спектра мощности входной реализации сигнала при передаче речевой информации и выделении из него в качестве признаков распознавания распределение спектра мощности или кепстра речевой информации.
Недостатком этого способа является узкая область его применения, так как при использовании данного способа можно выполнять распознавание лишь речевых сигналов.
Также известен способ формирования признаков для распознавания объектов [Афанасьев Н.Ф., Блинов В.А. по заявке на выдачу патента РФ на изобретение №94005758/09, G06K 9/00,- www.fips.rn, от 15.02.94], в котором осуществляется формирование совокупности композиций компонентов анализируемого многокомпонентного сигнала путем образования полных непересекающихся комбинаций его компонентов, измерения всех многомерных совместных плотностей вероятностей и центральных моментов анализируемых компонентов из этих комбинаций: определение количественных соотношений между плотностями вероятностей и центральными моментами компонентов анализируемого векторного сигнала и его композиций, по которым судят о распознаваемых объектах и их структурных свойствах в каждом из элементов исследуемой неоднородной среды.
Недостатком данного способа является невозможность составления для неизвестных по спектрально-временной структуре сигналов полной комбинации всех их компонентов, то есть необходима априорная информация о классе радиосигнала, который был передан распознаваемым источником.
Наиболее близким по технической сущности заявленному является способ формирования признаков для индивидуального распознавания источников радиоизлучений [Алексеев А.А., Кирилов А.Б. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - С.-Пб.: ВАС, 1998, с.292-302.], в котором принимаемую аддитивную смесь сигнала и шума дискретизируют, затем формируют первичные признаки, в качестве которых вычисляют частотно-временное распределение (ЧВР) плотности энергии (ПЭ). Вид используемого распределения - ЧВР «экспоненциального» типа (ЭЧВР). Для формирования вторичных признаков осуществляют обработку ЧВР ПЭ по принципу максимума локализации сигнальной энергии и процедур поиска экстремума методами сплайн-аппроксимации. В качестве вторичных признаков распознаваемых ИРИ используются математические ожидания и среднеквадратические отклонения двух параметров - разноса частот и отклонения средней частоты ИРИ от сетки опорных частот.
Недостатком прототипа является нестабильность (ввиду воздействия шумов среды распространения радиоволн и шумов приемной аппаратуры) и слабая контрастность (ввиду универсальности современных радиопередающих устройств и применения в них высокостабильных опорных генераторов) полученных признаков ТР ИРИ, что в свою очередь снижает вероятность правильного распознавания ИРИ.
Кроме этого, формирование признаков по способу-прототипу ориентировано на узкую область применения (только на частотно-модулированные радиосигналы), что делает невозможным осуществлять ТР ИРИ, работающих сигналами с другими видами модуляции.
Целью настоящего изобретения является разработка способа формирования признаков технического распознавания источников радиоизлучений, обеспечивающего выделение контрастных и стабильных признаков ИРИ из принятого радиосигнала при воздействии шумов и помех, за счет представления входной реализации сигнала частотно-временным распределением и последующим линейным преобразованием, а также расширяющего область применения на ИРИ, работающие с любым видом модуляции. Все это в совокупности обеспечивает повышение вероятности правильного распознавания ИРИ в условиях воздействия шумов и помех. Заявленное техническое решение расширяет арсенал средств данного назначения.
Заявленная цель достигается тем, что в известном способе формирования признаков технического распознавания источников радиоизлучений, заключающемся в том, что принимают аддитивную смесь сигнала и шума источника радиоизлучений, подлежащего распознаванию, формируют первичное признаковое пространство, для чего дискретизируют принятую аддитивную смесь и вычисляют матрицу ЧВР ПЭ, после чего формируют вторичное признаковое пространство, по результатам которого получают признаки технического распознавания источника радиоизлучений. В качестве первичных признаков используют матрицу частотно-временного распределения плотности энергии. Новым также является то, что для формирования вторичных признаков предварительно формируют симметрическую матрицу, для которой затем вычисляют матрицу собственных значений. Из полученного набора собственных значениий выделяют главные собственные значения по правилу «трех сигм» и вычисляют для них собственные вектора. После чего вычисляют моменты третьего порядка для полученных главных собственных векторов. Причем в качестве признаков ТР ИРИ принимают набор значений, полученных моментов третьего порядка.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1. Принимаемая смесь сигнала и шума от ИРИ, подлежащего распознаванию;
фиг.2. Амплитудный спектр принятой реализации смеси сигнала и шума;
фиг.3. Дискретизированная реализация смеси сигнала и шума;
фиг.4. График ЧВР ПЭ;
фиг.5. Графики моментов 3-го порядка собственных векторов для радиосигналов ЧМн2 150 Гц 125 бод;
фиг.6. Графики моментов 3-го порядка собственных векторов для радиосигналов ФМн4.
Заявленный способ может быть реализован следующим образом.
Формирование признаков играет в ТР ИРИ центральную роль и базируется на теории распознавания образов [Дж. Ту, Р. Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 411 с.]. Задача формирования признаков - это выбор тех признаков, которые с достаточной полнотой (в разумных пределах) описывают образ (конкретный ПРИ). От размерности признакового пространства в значительной степени зависит вычислительная сложность процедур обучения и принятия решения, достоверность распознавания и временные затраты на измерение необходимых параметров или характеристик сигналов, через которые проявляются особенности конкретного ИРИ [Фомин Я.А., Тарловский Г.Р. Статистическая теория распознавания образов. - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.].
Для повышения вероятности правильного ТР ИРИ при воздействии шумов и помех необходимо, чтобы сформированные признаки распознавания обладали свойством помехоустойчивости, т.е. слабо зависели от влияния помех и шумов.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Сначала принятую реализацию смеси сигнала и шума z(t) (фиг.1, фиг.2) дискретизируют по времени и квантуют по напряжению (фиг.3) (операция дискретизации и квантования сигналов известна и описана, например, в [В.А.Григорьев. Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах. - СПб.: ВАС.1998. стр.83-85]).
Далее осуществляется формирование первичного признакового пространства. Применение в интересах ТР теории ЧВР позволяет повысить помехоустойчивость оценивания параметров сигналов. Данный подход позволяет получить распределение энергии реализации сигнала на плоскости частота-время конечных размеров. Такое представление сигнала может рассматриваться в качестве признакового пространства, что дает возможность в дальнейшем осуществить эффективный анализ сигналов различных ИРИ [Алексеев А.А., Кирилов А.Б. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - С.-Пб.: ВАС, 1998. стр.192-193].
Принципиально для формирования первичных признаков может использоваться одно из известных ЧВР. Например, для формирования первичных признаков целесообразно использовать формулу 4.119, приведенную в книге Алексеев А.А., Кирилов А.Б. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - С.-Пб.: ВАС, 1998. стр.192-193. Это обусловлено возможностью регулирования степени подавления интерференционного фона. Подобный выбор позволяет для большого класса сигналов получать существенный эффект по подавлению интерференционного фона при сохранении высокой разрешающей способности относительно сигнальных компонент. Данное ЧВР является по свойствам аналогом распределения Чоя-Вильямса (ЧВР «экспоненциального» типа), но по вычислениям менее сложное [Алексеев А.А., Кирилов А.Б. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - С.-Пб.: ВАС, 1998. стр.192-193, формула 4.119].
Далее с использованием выражения 4.119 из [Алексеев А.А., Кирилов А.Б. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. -С.-Пб.: ВАС, 1998. стр.192-193.] осуществляется вычисление матрицы pnn ЧВР ПЭ смеси сигнала и шума в полосе частот анализа AF. Полученная матрица ЧВР ПЭ реализации смеси сигнала и шума является первичным признаковым пространством и имеет вид:
где ρij - значение в i-й момент времени на j-й частотной позиции ЧВР ПЭ.
График полученного ЧВР ПЭ радиосигнала имеет вид, представленный фиг.4.
Описание радиосигналов при помощи ЧВР ПЭ является избыточным, поэтому на следующем этапе из первоначального набора признаков необходимо сформировать новый набор, состоящий из меньшего числа признаков, тем самым снизить вычислительную сложность процедур обучения и принятия решения в процессе ТР ПРИ.
Для формирования вторичных признаков ТР ПРИ осуществляют линейное преобразование исходного пространства признаков в новое пространство [Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов: Пер. с англ. / Под ред. Ю.И. Журавлева. - М.: Мир, 1978. - 416 с.].
С этой целью на основе матрицы ЧВР PNN вычисляют матрицу R=(PNNPT NN), где «Т» - знак транспонирования матрицы. Для такой матрицы существует ортонормированный набор собственных векторов [Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения: Пер. с англ. / Под ред. Г.И.Марчука. - М.: Мир, 1980. - 454 с.]. Поэтому матрицу R можно также представить следующим выражением [Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов: Пер. с англ. / Под ред. Ю.И.Журавлева. - М.: Мир, 1978. - 416 с.]:
R=ФЛФТ,
где Ф=(ф1, ф2, …, фj, …, фn) - матрица собственных векторов;
- матрица собственных значений;
{λj} - собственные значения матрицы R.
Затем вычисляют собственные значения матрицы R. Процедура вычисления собственных значений матрицы R известна и подробно описана, например, в [Уилкинсон Дж.Х. Алгебраическая проблема собственных значений.: Пер с англ. - М.: Наука, 1970. - 564 с.].
Далее из полученного множества собственных значений выбирают главные, используя известное в теории вероятности "правило Зσ", в котором случайная величина с вероятностью 0,9973 будет находиться в пределах заданной плотности вероятности [Математический энциклопедический словарь. / Гл. ред. Прохоров Ю.В. - М.: Большая российская энциклопедия, 1995. Репринтное издание - М.: Сов. энциклопедия, 1988. - 847 с.]. Таким образом необходимо выбрать те значения λj, сумма минимального количества р которых удовлетворит условию [9]:
Данная процедура позволяет выделить наиболее информативные признаки.
Затем вычисляют собственные вектора для главных собственных значений (или главных собственных векторов). Процедура вычисления собственных векторов {фj}р для выбранных значений {λj}р также известна и подробно описана, например, в [Уилкинсон Дж.Х. Алгебраическая проблема собственных значений.: Пер с англ. - М.: Наука, 1970. - 564 с.]. Полученная матрица Ф главных собственных векторов {фj}р имеет вид:
где столбцы матрицы Ф - собственные вектора {фj}N, соответствующие р собственным значениям {λj}р, ϕji - i-e значение вектора фj; i=1, 2, …, N.
Для формирования вторичных признаков ТР ИРИ из набора СВ вида (1) вычисляют моменты 3-го порядка для каждого полученного собственного вектора фj по формуле [Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука, 1988. - 480 с.]:
где µ1j - момент 1-го порядка для вектора фj.
Полученные значения моментов 3-го порядка {µ3j}р являются признаками ТР ИРИ.
Для иллюстрации контрастности полученных признаков ТР ИРИ был проведен эксперимент, в котором радиосигналы двух разных ИРИ подвергались обработке описанным способом, причем оба ИРИ работали радиосигналом одного класса: двухпозиционной частотной манипуляции с разносом частот 150 Гц и скоростью манипуляции 125 бод (ЧМн2 150 Гц 125 бод) (фиг.5) и четырехпозиционной фазовой манипуляции (ФМн4) (фиг.6).
Результаты эксперимента показывают:
в моментах 3-го порядка собственных векторов матрицы R, сформированной на основе вычисления и обработки ЧВР ПЭ, присутствуют признаки ТР ИРИ;
применение предлагаемого способа позволяет сформировать контрастные признаки ТР ИРИ в условиях реальной помеховой обстановки в отличие от способа-прототипа;
предлагаемый способ позволяет формировать признаки ТР ПРИ для радиосигналов и частотной, и фазовой модуляции (манипуляции). Способ-прототип обеспечивает формирования признаков ТР ИРИ только для радиосигналов частотной модуляции (манипуляции).
Результаты эксперимента и следующие из них выводы подтверждают возможность достижения сформулированного технического результата при использовании заявленного способа.
Способ формирования признаков технического распознавания источников радиоизлучений, заключающийся в том, что принимают аддитивную смесь сигнала и шума источника радиоизлучений, подлежащего распознаванию, формируют первичное признаковое пространство, для чего дискретизируют принятую аддитивную смесь и вычисляют матрицу частотно-временного распределения плотности энергии, после чего формируют вторичное признаковое пространство, по результатам которого получают признаки технического распознавания источника радиоизлучений, отличающийся тем, что в качестве первичных признаков используют матрицу частотно-временного распределения плотности энергии, а для формирования вторичных признаков формируют симметрическую матрицу, для которой вычисляют матрицу собственных значений, из набора которых выделяют главные собственные значения по правилу «трех сигм» и вычисляют для них собственные вектора, а затем вычисляют моменты третьего порядка для главных собственных векторов, причем в качестве признаков технического распознавания источника радиоизлучений принимают набор значений, полученных моментов третьего порядка.
