文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.018
中文引用格式: 段沛沛,,李輝. 快速稀疏分解在雷達(dá)目標(biāo)識別中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,,41(7):64-67.
英文引用格式: Duan Peipei,,Li Hui. Radar target recognition using fast sparse decomposition[J].Application of Electronic Technique,2015,,41(7):64-67.
0 引言
隨著信息技術(shù)的進(jìn)步,,現(xiàn)代戰(zhàn)爭在形式和形態(tài)上均產(chǎn)生了巨大的改變,武器裝備也向著實(shí)時(shí)化,、精確化等方向演進(jìn),。雷達(dá)高分辨距離像因其能夠提供精細(xì)的目標(biāo)距離向幾何結(jié)構(gòu)信息而受到了廣泛關(guān)注[1],。雖然高分辨距離像易于獲取且包含目標(biāo)諸多細(xì)節(jié)信息,,可是卻面臨因使用大帶寬信號帶來的巨量數(shù)據(jù)難題,而這會進(jìn)一步影響技術(shù)實(shí)施的實(shí)時(shí)性,。盡管雷達(dá)高分辨距離像(High Range Resolution Profile,,HRRP)的描述過程很多,但在某一時(shí)刻雷達(dá)觀測到的物理過程卻十分有限,,甚至可能很少,,因而完全可以對其進(jìn)行壓縮[2]。
基于此,,本文借鑒圖像處理技術(shù)中的稀疏分解方法對雷達(dá)一維高分辨距離像進(jìn)行處理,,以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)識別。
1 信號的稀疏分解
隨著信號分析、處理方法的不斷進(jìn)步,,基于正交基的信號分解方法因其局限性,,逐漸為具有更好稀疏表示能力的方法所取代。近年來,,非線性逼近理論已證明基于過完備系統(tǒng)的逼近效果優(yōu)于已知的正交基[3,,4]。為此,,文中采用過完備字典來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)一維高分辨距離像信號的稀疏表示,。
1.1 結(jié)構(gòu)劃分Gabor字典
很多過完備字典構(gòu)造方法都未曾考慮字典原子本身的特性,可選用由特性良好的原子構(gòu)造過完備字典,,不僅可以簡化運(yùn)算,,還能提高信號稀疏表示的精度。為此,,文中將在具有普遍適用性的Gabor字典基礎(chǔ)上構(gòu)造結(jié)構(gòu)劃分Gabor字典,。常規(guī)的Gabor字典[5,6]中原子gγ為:
式中,,γ=(s,,u,v,,w),。其中,參數(shù)s為尺度因子,,參數(shù)v為原子的頻率,,參數(shù)w為原子的相位,參數(shù)u為位移因子,。對參數(shù)(s,,u,v,,w)的精細(xì)采樣,,并將其代入式(2)就能求得具體的Gabor字典,采樣方法為:
其中,,α=2,,Δu=1/2,Δv=π,,Δw=π/6,,0≤j≤lg2N,0≤p≤N·2-j+1,,0≤k≤2j+1,,0≤i≤12,,N為信號長度。
實(shí)際上,,雖然Gabor字典中的原子各不相同,,但有些原子的四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中僅位移因子不同,據(jù)此可將Gabor字典劃分為若干子原子庫[7],。因此,,在信號的稀疏分解過程中就無需存儲整個(gè)字典,只需從各子庫中選取一個(gè)代表原子進(jìn)行存儲即可,。當(dāng)用到同一子庫中的其他原子時(shí),,只需將代表原子進(jìn)行平移就能求得。因?yàn)檫@種字典中絕大多數(shù)原子的求取只涉及平移運(yùn)算,,計(jì)算量不大且易求得,,所以文中研究的識別算法將采用這類基于原子結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行劃分的Gabor字典D。
1.2 改進(jìn)的匹配追蹤算法
假設(shè)雷達(dá)一維高分辨距離像信號為x,,D={gγ}γ∈Γ為依據(jù)字典中原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集合劃分后的Gabor過完備字典,,這里的gγ為歸一化的原子。改進(jìn)的匹配追蹤算法將在常規(guī)的匹配追蹤算法MP(Matching Pursuit,,MP)基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn),。常規(guī)的MP算法需從過完備字典中選出與信號最匹配的原子,并用其線性組合實(shí)現(xiàn)信號的稀疏表示[8],,具體過程如下:
首先,,選出與信號最為匹配的原子:
式中滿足:
上述稀疏分解過程看似原理簡潔,實(shí)際計(jì)算量卻很大,,在此特引入遺傳算法(Genetic Algorithm,,GA)進(jìn)行改進(jìn)。就Gabor字典而言,,原子的尋優(yōu)過程其實(shí)就是結(jié)構(gòu)參數(shù)尋優(yōu)的過程,。遺傳匹配追蹤算法(Genetic Algorithm-Matching Pursuit,GAMP)[9]將字典中原子的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為個(gè)體基因組成初始種群,,構(gòu)造字典原子,,并根據(jù)式(8)中的信號殘差與“子庫原子”內(nèi)積的絕對值求取適應(yīng)度:
依據(jù)適應(yīng)度數(shù)值的大小決定個(gè)體優(yōu)劣與取舍。隨后,,經(jīng)過交叉,、變異若干代的進(jìn)化,,最終搜索出最優(yōu)原子,。在本文進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)遺傳代數(shù)為40時(shí),,GAMP算法有較高的進(jìn)化精度且不會大幅增加分解時(shí)間,,既能適當(dāng)降低計(jì)算量,,還能有效提高最佳原子的搜索效率。
2 基于快速稀疏分解的雷達(dá)目標(biāo)識別
對于雷達(dá)HRRP數(shù)據(jù),,為了克服諸多因素引起的幅度敏感問題,,首先使用幅度l2范數(shù)歸一對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后再進(jìn)行識別,。整個(gè)雷達(dá)一維距離像目標(biāo)識別過程將分為兩個(gè)階段進(jìn)行,。
2.1 訓(xùn)練階段
在訓(xùn)練階段將對訓(xùn)練樣本進(jìn)行稀疏分解以求得不同目標(biāo)的類別字典。假設(shè)訓(xùn)練樣本包含L類目標(biāo)Yl∈(l=1,,2,,…,L),,類別字典求取過程如下:
(1)構(gòu)造基于原子結(jié)構(gòu)的Gabor字典,。
首先,根據(jù)字典原子表達(dá)式(3)和式(4),,并將其中的時(shí)頻參數(shù)離散化構(gòu)造常規(guī)的Gabor字典DG,,然后,對DG進(jìn)行集合劃分,,生成結(jié)構(gòu)劃分字典D,。
(2)求取樣本類別字典
采用GAMP算法對HRRP訓(xùn)練樣本Yl∈(l=1,2,,…,,L)進(jìn)行稀疏分解,得到類別字典Dl(l=1,,2,,…,L),。
2.2 測試階段
假設(shè)測試樣本為y,,φl(l=1,2,,…,,L)為測試樣本基于各類別字典進(jìn)行分解所得的稀疏表示系數(shù),T*為稀疏度系數(shù),。測試步驟如下:
(1)稀疏分解
根據(jù)信噪比確定稀疏度系數(shù)T*,,然后基于不同類別字典Dl(l=1,2,,…,,L)用GAMP算法求取測試樣本的稀疏分解系數(shù)φl(l=1,2,,…,,L),。
(2)目標(biāo)類別判定
如果測試信號與選用的類別字典不同類,則重建信號必然與原始信號相差較大,,因此,,可以嘗試用重建誤差作為類別判定的依據(jù)。假設(shè)測試樣本數(shù)據(jù)為y,,為去除噪聲后的樣本信號,,有:
事實(shí)上,依據(jù)式(13)和式(14)進(jìn)行目標(biāo)類別判定的分類方法,,其實(shí)等效于基于最小重建誤差的分類方法[2],。
3 仿真分析
3.1 仿真數(shù)據(jù)說明
仿真環(huán)境:Win7系統(tǒng),CPU頻率為1.5 GHz,,內(nèi)存2 GB,。仿真軟件為MATLAB 2011b。仿真中用到3類飛機(jī)目標(biāo)(B-1b,、B-52,、F-15型)的HRRP仿真數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)設(shè)定:雷達(dá)中心頻率為10 GHz,,帶寬1.4 GHz,,方位角0°~30°,方位間隔為0.1°,,目標(biāo)俯仰角為0°和3°,,仿真中姿態(tài)角以及橫滾角都為0°。表1給出了仿真目標(biāo)參數(shù),。
實(shí)驗(yàn)過程中將從每個(gè)目標(biāo)距離像仿真數(shù)據(jù)的前半段抽取260個(gè)訓(xùn)練樣本,,而測試樣本將從其后半段中抽取。另外,,還將在測試樣本中加入白噪聲,,模擬不同信噪比的情況。
3.2 仿真分析
3.2.1 訓(xùn)練仿真
在訓(xùn)練階段,,將采用結(jié)構(gòu)劃分字典及GAMP稀疏分解算法來求取各類目標(biāo)的類別字典,。在此之前,先就不同算法的分解速度進(jìn)行驗(yàn)證,。由于仿真實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境也會影響運(yùn)算速度,,這里僅比較算法間的相對處理速度。
表2比較了基于不同過完備字典,、不同稀疏分解算法對同一距離像樣本進(jìn)行分解時(shí)的運(yùn)算速度差異,。以第一種基于Gabor過完備字典的MP算法分解速度作為比較的基準(zhǔn),第二種方法因加速了字典生成,而提高了信號的分解速度,,但改善有限。第三種方法則進(jìn)一步在第二種方法基礎(chǔ)上加快了最優(yōu)原子的搜尋速度,,提高了類別字典生成效率,。
3.2.2 測試仿真
訓(xùn)練階段生成的類別字典將在測試階段用于目標(biāo)識別。為了論證新識別算法的有效性,,將從過完備字典及分解算法角度分別進(jìn)行驗(yàn)證,。圖1中分析了對同一目標(biāo)采用相同結(jié)構(gòu)劃分過完備字典、不同稀疏分解算法進(jìn)行目標(biāo)識別時(shí)的效果,。從識別性能來看,,基于MP算法的識別效果相對較差,而采用GAMP算法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)識別效果較好,,不過隨著信噪比的增大,,兩種算法均呈現(xiàn)了穩(wěn)定的識別效果。綜合表1可以看出,,在保證識別率的情況下,,幾種識別算法中以基于GAMP的識別算法最為快捷。
相對于圖1比較的同類算法,,圖2中的算法原理差異較大,,有基于結(jié)構(gòu)劃分過完備字典及GAMP的識別算法,還有基于主分量分析法(Principal Components Analysis,,PCA),、基于最大相關(guān)系數(shù)法(Maximum Correlation Coefficient,MCC),、基于最近臨分類器(Nearest Neighbor Classifier,,NNC)的目標(biāo)識別效果。
從原理上講,,前兩種算法都屬基于重構(gòu)模型的識別算法,。不同的是,文中提出的識別算法在過完備字典上實(shí)現(xiàn)了信號稀疏分解,,其原子相互之間并未限定正交關(guān)系,。而PAC算法在基的數(shù)量及不同基之間的正交性方面均受到了限制。從這個(gè)意義上講,,采用過完備字典完成信號稀疏表示的結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映目標(biāo)特征,。此外,如圖3可見,,當(dāng)信噪比較低時(shí),,幾種算法的識別率均較低,隨著信噪比增大,,各種算法的識別率都有所增加,,即便如此,,文中算法因其良好的抗噪性,相較其他幾種算法依然能保證較高的識別率,。
4 結(jié)束語
本文討論了一種基于結(jié)構(gòu)劃分過完備字典學(xué)習(xí)及GAMP的一維距離像目標(biāo)識別算法,。因?yàn)槟骋粫r(shí)刻雷達(dá)觀測到的物理過程有限,所以完全可以對數(shù)據(jù)量巨大的一維距離像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,。文中算法就依據(jù)這一思路,,采用易于求取和存儲的冗余字典完成對HRRP信號的稀疏分解、壓縮數(shù)據(jù),、提取特征,,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別。仿真實(shí)驗(yàn)說明,,采用文中方法識別效果良好,,性能穩(wěn)健,即便在信噪比不高情況下依然能保證較高識別率,。
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