通信輻射源指紋識別技術(shù)
摘要 通信輻射源個體識別是近來通信對抗領(lǐng)域的重要研究課題,不同于傳統(tǒng)通信信號偵察中的調(diào)制模式識別研究,通信輻射源識別主要研究體現(xiàn)同類輻射源之間個體差異的信號指紋的分析提取技術(shù)。文中研究分析信號指紋的分析提取存在的技術(shù)難點和解決方案。對穩(wěn)態(tài)通信信號的個體細(xì)微特征,如通信發(fā)射信號在載頻和調(diào)制參數(shù)特征上的偏差,以及信號雜散輸出成分的差異,并考慮將上述特征確立為反映通信電臺個體技術(shù)特點的信號指紋,提出一個基于證據(jù)理論的通信輻射源識別方案,是實現(xiàn)個體識別在軍事通信對抗作戰(zhàn)計劃的重要依據(jù)。
關(guān)鍵詞 通信輻射源;模式識別;頻率穩(wěn)定度;個體識別
在現(xiàn)代軍用電子信息裝備中,以電臺為主的各種通信設(shè)備擔(dān)負(fù)著為重要軍事載體提供通信、部署并實施軍事打擊或進(jìn)行監(jiān)視、電子干擾的重要任務(wù)。目前,在電子戰(zhàn)研究領(lǐng)域,出現(xiàn)了輻射源“指紋”識別的方法,通過對接收信號進(jìn)行特征測量,確定產(chǎn)生信號的輻射源個體,美軍將其定義為“將輻射源惟一電磁特征與輻射源個體關(guān)聯(lián)能力”。通信電臺的這種關(guān)聯(lián)起來的能力稱為通信電臺個體識別。如果能有效提取通信電臺的個體指紋特征,在復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中將每部電臺區(qū)分開,實現(xiàn)對電臺個體的分析識別,并分析哪些電臺是敵方重要通信電臺,然后進(jìn)一步分析電臺的性質(zhì)和屬性,確定通信網(wǎng)組成、威脅等級和干擾對象等,可以為針對性的電子偵收、干擾和軍事打擊提供重要依據(jù)??梢?,確定有效的通信電臺信號指紋特征、實現(xiàn)個體識別是軍事通信對抗作戰(zhàn)計劃的重要依據(jù)。
1 指紋及信號指紋機(jī)理分析
1.1 通信輻射源指紋
通信輻射源個體信號的細(xì)微特征也稱通信信號的“指紋”,指信號中可以用于標(biāo)識發(fā)送該信號的通信設(shè)備身份的特征。通過通信信號處理技術(shù),發(fā)現(xiàn)通信信號上所承載的通信輻射源穩(wěn)定的硬件特征信息??梢哉J(rèn)為信號指紋主要表現(xiàn)為同一通信設(shè)備在其發(fā)送的所有信號中反復(fù)表現(xiàn)出的一種有規(guī)律的變化趨勢,而通信信號個體中這種重復(fù)出現(xiàn)的變化規(guī)律信息具有反映信號個體特點的技術(shù)特征,可以作為“指紋”用于標(biāo)識發(fā)送該信號的通信設(shè)備的個體特征。
可作為指紋特征的通信信號特征參數(shù):(1)通信信號載頻的精確度差異。(2)通信信號調(diào)制參數(shù)的個體差異。(3)電臺的雜散輸出差異。
輻射源可提取的特征參數(shù)可分為如下幾類:
(1)技術(shù)特征。調(diào)制方式、載頻精度、頻率穩(wěn)定度。
(2)內(nèi)部特征。數(shù)字通信的信息傳輸速率。(3)頻域特征。信號帶寬、調(diào)頻參數(shù)調(diào)制失真度。(4)時變特征。瞬時包絡(luò)、頻率、相位。
1.2 信號指紋機(jī)理分析
通信輻射源個體識別是指在分析截獲通信信號個體的基礎(chǔ)上,得到信號中通信設(shè)備的工作參數(shù)和特征參數(shù),然后利用這些參數(shù)獲取該通信設(shè)備的體制、用途和型號等信息,進(jìn)而掌握其工作狀態(tài),了解其戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用特點、活動規(guī)律以及作戰(zhàn)能力的過程。
文中研究的是同型號、同批次并工作于相同調(diào)制方式、頻段的多個電臺輻射信號的個體識別技術(shù)。通信輻射源個體識別主要包括3個過程:預(yù)處理、特征提取和分類識別。
通信信號指紋識別的本質(zhì)是模式識別問題,識別的過程由設(shè)計和實現(xiàn)組成。設(shè)計是指用一定數(shù)量的樣本進(jìn)行分類器設(shè)計,實現(xiàn)是指用設(shè)計的分類器對待識別的樣本進(jìn)行分類決策。
2 通信信號指紋識別方法
2.1 特征參數(shù)值域判別法
采用特征參數(shù)值域判別法,首先要提取一個或多個能反映通信信號個體特征的參數(shù)值,根據(jù)各特征參數(shù)所在的值域范圍,采用模式識別的方法進(jìn)行個體識別,分析處理的主要過程是在時域和頻域。
特征參數(shù)值域判別法也可以通過計算特征類的距離進(jìn)行個體識別,其難點在于如何從原始測量數(shù)據(jù)提取和選擇合適且必要的特征向量進(jìn)行計算,重點是特征的提取和選擇算法。
2.2 信號模本匹配識別法
信號模本匹配識別法的基本思想如下:
(1)對同一種通信信號形式中的N個信號進(jìn)行參數(shù)提取,提取的特征參數(shù)為M個,N個已知信號的同一個特征參數(shù)值各不相同,這樣,每一個信號就有M個特征參數(shù)值與其他信號相區(qū)別;
(2)將N個信號的M×N個特征參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫,建立包含N個已知信號模本的模本庫;
(3)提取待識別信號的M個特征參數(shù),與模本庫中的模本進(jìn)行比較,如果提取的特征參數(shù)與模本庫中的某模本相匹配,即可完成個體識別。
2.3 通信信號指紋識別分類器
在統(tǒng)計模式識別中,分類器即分類算法的基本任務(wù)是根據(jù)某一準(zhǔn)則把一個給定的由特征向量表示的輸入歸入到一個適當(dāng)?shù)奶卣黝悇e,即實現(xiàn)從特征空間到?jīng)Q策空間的轉(zhuǎn)換,從而完成特征類的分類任務(wù)。
目前常用的分類器是基于統(tǒng)計決策理論的參數(shù)和非參數(shù)分類算法,如線性和廣義線性決策函數(shù),k-最近鄰算法(K-NN),二元分類樹等。如果待識別特征的概率密度函數(shù)已知或可以通過樣本得到精確估計,那么這些分類算法可以得到最佳識別性能,但是在通信信號指紋識別問題中,這些條件很難滿足,傳統(tǒng)分類器難以獲得滿意的個體識別性能。主要缺點是識別率低、穩(wěn)健性差。
決策理論的發(fā)展克服了傳統(tǒng)分類器的不足,提出了更先進(jìn)的不確定性推理理論,在此基礎(chǔ)上,分類器識別性能得到了顯著提高。其中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器作為一種先進(jìn)的自適應(yīng)、非參數(shù)和非線性分類器。為進(jìn)行信號模式識別開辟了一條新途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種以自組織、自適應(yīng)和大規(guī)模分布式并行計算為特征的非線性信號處理系統(tǒng),具有強(qiáng)大的模式識別分類和泛函逼近能力,并具有良好的容錯性。
組合分類器是近年來提出的一個新課題,指通過一個組合器對不同分類器的輸出作第二次判決,由于融合了多個分類器的決策,所以可以得到更好的分類性能,而其中的每個分類器都不要求是最優(yōu)的,為通信信號的識別提供了新途徑。
3 一種基于證據(jù)理論的個體識別方案
文中對通信信號指紋的研究主要采用“機(jī)理研究-特征分析-特征提取-分類實驗”的方法,其中由于實際通信信號信噪比變化范圍大,容易導(dǎo)致識別率下降,直接影響分類器的分類性能?;贒-S證據(jù)組合原理進(jìn)行分類器設(shè)計,可以由不同類別指紋特征參量集進(jìn)行特征提取,下面給出一種基于證據(jù)理論組合分類器的輻射源個體識別的設(shè)計方法,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
對于接收到的通信信號,首先通過通信信號預(yù)處理,再進(jìn)行指紋特征提取,通過確立通信信號的載頻、調(diào)制參數(shù)及雜散成分特性為穩(wěn)態(tài)信號指紋,可以對上述特征運(yùn)用時域、頻域分析方法和現(xiàn)代時頻域和高階譜方法進(jìn)行特征分析提取。在分類器設(shè)計方面,第一級分類器可以選用特征參數(shù)值域判別法、信號模本匹配識別法等方法實現(xiàn)第一級分類,第二級采用并行組合分類器,這樣將高維特征空間的判分問題轉(zhuǎn)化為針對不同低維空間進(jìn)行劃分的問題,再對第一級分類器的輸出作第二次判決。這樣,融合了多個分類器的決策,能夠獲得較好的分類性能。
D-S證據(jù)組合分類器對獨立的信息才能進(jìn)行融合,其關(guān)鍵在于基本概率分配函數(shù)(BPA)的確定。文獻(xiàn)認(rèn)為如果各分類器使用不同的特征集或訓(xùn)練集,則可認(rèn)為不同分類器結(jié)果之間是獨立的。因而,文中利用不同的輻射源個體特征訓(xùn)練不同的成員分類器,并進(jìn)行D-S證據(jù)理論組合,可以根據(jù)需要選擇合適的證據(jù)組合規(guī)則進(jìn)行通信輻射源類別的判斷。
4 結(jié)束語
隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展,通信體制和調(diào)制樣式更加復(fù)雜多樣,通信電臺的配置數(shù)量不斷增加,常規(guī)電子偵察采用的信號特征,如載波頻率、調(diào)制樣式和調(diào)制參數(shù)等在復(fù)雜多變的信號環(huán)境下,已難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場的需求。通信輻射源識別主要研究體現(xiàn)同類輻射源之間個體差異的信號指紋的分析提取技術(shù)。分析了通信輻射源的指紋選擇問題,對信號指紋進(jìn)行通信輻射源的機(jī)理進(jìn)行分析,對目前通信信號的指紋識別的常用方法進(jìn)行了總結(jié),并提出了一種基于證據(jù)理論的通信輻射源指紋識別方法。