作者：胡生亮 等
出版社：电子工业出版社
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基于集成学习的角反射体目标雷达识别理论与方法试读：
前言
角反射体能够在较大的范围对入射雷达波形成强反射，是构成军舰、战车等目标的基本反射单元，是一类重要的军用雷达目标。同时，角反射体也是一种历史悠久、应用广泛的无源对抗器材，早在第二次世界大战期间，就曾出现盟军采用金属角反射体模拟大型军舰进行佯攻登陆，成功欺骗德军的战例。马岛海战后，英国根据“谢菲尔德”号等舰艇遭受反舰导弹重创的深刻教训，紧急研制了由舰艇携带使用的充气式角反射体。至此，充气式角反射体作为新型的舰载反导雷达对抗器材正式登上了历史舞台。
充气式角反射体是一种柔性反射体，多以柔性充气柱为框架，以金属织物作为反射面，离舰后自动充气展开成型，以假目标的形式对预警探测雷达、导弹末制导雷达等进行欺骗。经过几十年的发展，舰载角反射体已由早期的简单结构体，发展到由几个甚至几十个反射体单元构成的复杂异型体结构。多个异型角反射体联合使用时，在RCS起伏特性、频率特性、极化特性等方面表现出与舰船目标极强的相似性，这给雷达的目标识别与分选造成了极大困难。如何对海上角反射体目标进行有效识别，是摆在对海雷达技术人员面前的重要任务。
本书利用全极化HRRP刻画目标本质属性，提高角反射体与舰船目标之间的可分性，并通过集成学习突破传统单一分类器的性能瓶颈，进一步提升雷达对角反射体目标的识别率。
本书内容由6章组成，具体安排如下：
第1章，角反射体目标概况。本章概述了角反射体的发展与应用现状，分析了角反射体的雷达目标特性，介绍了一种角反射体RCS的快速预估算法。
第2章，全极化高分辨率距离像的特征提取与优选。本章首先基于RCS幅值特性和HRRP，确定一种与某一典型舰船逼近度较高的异型角反射体阵列，用作目标识别的研究对象之一。然后，将全极化HRRP用于雷达目标识别，仿真建立包括舰船和角反射体在内的全极化HRRP数据库。最后，从中提取并优选出一个最小冗余、最大相关的特征集，作为后续目标识别的分类数据集。
第3章，集成学习的基本理论。本章首先介绍了集成学习的基本框架；其次，阐述了集成学习有效性的内部和外部原因，进而分析了集成学习在雷达全极化HRRP目标识别中的可行性；再次，分析了基分类器的多样性对集成系统性能的重要影响，总结了常用的多样性度量方法，并利用集成间隔解释了集成学习中的多样性；最后，介绍了集成学习的主要类别。
第4章，基于静态分类器集成的角反射体目标雷达识别方法。本章从分类器融合和静态集成选择两方面入手，介绍了两种静态集成算法，用于角反射体目标的雷达识别，基于全极化HRRP数据集寻优确定了两种静态集成算法的主要参数。
第5章，基于动态分类器集成的角反射体目标雷达识别方法。本章为进一步提高分类精度，将动态集成选择用于角反射体目标的雷达识别，介绍了两种可以兼顾分类精度和集成多样性的动态集成选择算法，基于全极化HRRP数据集寻优确定了两种动态集成算法的主要参数。
第6章，4种分类器集成算法的对比研究。本章首先在理想条件下对第4章和第5章提出的4种集成学习算法进行横向对比。然后，针对实际应用中雷达目标识别通常会面临类别噪声、小样本集以及存在库外目标的情况，进一步分析了4种集成学习算法在上述3个因素单独作用以及共同作用时的鲁棒性。
本书是作者团队长期从事海上角反射体装备设计研制、特性分析、对抗使用、识别研究等相关工作成果与经验的总结。在编著过程中，参考了国内外广大同仁的相关文献和著作，并得到了电子工业出版社的大力支持与帮助，在此一并表示感谢。第1章 角反射体目标概况1.1 引言
本章在介绍海上角反射体发展与应用现状的基础上，分析了标准三面角反射体以及异型角反射体的RCS、极化、频率、高分辨率距离像等雷达目标特性，推导了标准三面角反射体RCS最大值的计算公式，介绍了一种三面角反射体雷达截面积的快速预估算法，基于这一快速预估算法分析顶角切除和角度公差对角反射体RCS的影响，并将该算法用于角反射体群和异型角反射体的RCS快速预估。1.2 角反射体的发展与应用现状
角反射体通常由2～3块相互垂直的反射面构成，能够在较大的范围对入射雷达波形成强反射，是构成军舰、战车等目标的基本反射单元，是一类重要的军用雷达目标。同时，作为雷达引导目标，也普遍应用于海上救生等民用行业。
在海上军事领域，角反射体是一种历史悠久、应用广泛的无源对抗器材，早在第二次世界大战期间，就曾出现盟军采用金属角反射体模拟大型军舰进行佯攻登陆，成功欺骗德军的战例。由于金属角反射体存在质量大、体积大、易变形、使用不便等缺点，制约了其在水面舰艇等特殊平台上的装备使用。为了有效发挥角反射体的作战效能，各发达国家海军纷纷投入财力、物力研制适合水面舰艇平台使用的新型角反射体。马岛海战后，英国根据“谢菲尔德”号等舰艇遭受反舰导弹重创的深刻教训，紧急研制了由舰艇携带使用的充气式角反射体。至此，充气式角反射体作为新型的舰载反导雷达对抗手段正式登上了历史舞台。
充气式角反射体是一种柔性反射体，多以柔性充气柱为框架，以金属织物作为反射面，离舰后自动充气展开成型，以假目标的形式对预警探测、导弹末制导等雷达进行欺骗。经过几十年的发展，舰载角反射体也得到了持续进步与完善，形成了系列产品。结构上，由简单双棱椎八面体发展到复杂球形六十面体。使用方式上，由海面漂浮向空中悬浮拓展，即由舰载抛投型向舰载炮射型拓展。这里以使用方式不同，进行简要介绍。
1．舰载抛投型角反射体
舰载抛投型角反射体依靠自身重力或者利用高压气体等外力进行近距离布放，离舷后自动充气展开成型，漂浮于海面形成雷达假目标。典型代表是英制DLF系列舷外充气式角反射体，目前已发展了三代装备（DLF-1～DLF-3），并处于持续改进中。各代产品主要区别体现在充气式角反射体结构和抛投方式上。（1）第一代产品DLF-1。DLF-1因马岛战争紧急需要而研制，角反射体结构上采用双棱锥形八面体结构，如图1.1所示。使用时，先在舰艇甲板上充气成型，然后再投放至海面。由于性能不理想，未装备舰艇。图1.1 DLF-1角反射体（2）第二代及其衍生型产品DLF-2。DLF-2是DLF-1的改进型，重点对反射材料、充气方式进行了完善，反射面积有所增大。角反射体结构上仍采用双棱椎形八面体构造。投放时，依靠自重滑离发射架，离舷入水前即开始充气，以假目标的形式对抗反舰导弹。使用时，两个一组成对使用，据称，两个角反射器串联使用时，RCS值相当于一艘中型舰艇，在4级海况条件下可以保持有效时间3小时。DLF-2自20世纪80年代中期以来除英国海军外还装备了美国及法国、意大利、荷兰等其他北约国家海军，也装备了泰国等部分东南亚国家海军。美军命名为AN/SLQ-49，如图1.2所示。图1.2 AN/SLQ-49角反射体（3）第三代及其发展型产品DLF-3。DLF-3产品研制于20世纪90年代末期，在结构上，采用了20个角反射器构成的六十面体，如图1.3所示。发射投放方式采用了类似于鱼雷发射管的发射装置。与DLF-2相比，DLF-3的展开成型时间大大缩短，雷达回波效果有了显著提升。近十年来，DLF-3及其改进产品陆续装备英、美等海军水面舰艇，其中，美军命名为MK-59 MOD0，如图1.3所示。图1.3 MK-59 MOD0角反射体
2．舰载炮射型角反射体
舰载炮射型角反射体是近十几年以来迅速发展和装备的一种新型无源干扰器材，角反射体装填在箔条弹弹舱等运载器中，利用通用无源发射装置发射并飞至距载舰一定距离后，从运载器中脱离，在空中展开成型，以雷达假目标形式对雷达实施干扰。舰载炮射型角反射体典型代表有以色列“维扎德”（Wizard）反雷达假目标（图1.4）和德国的“舷外角反射器”（OCR）（图1.5）诱饵。图1.4 “维扎德”（Wizard）反雷达假目标图1.5 “舷外角反射器”（OCR）诱饵
总体而言，角反射体特别是海上漂浮式角反射体，主要是通过假目标形式对雷达进行欺骗和干扰。如何对海上角反射体目标进行有效识别，是摆在对海雷达技术人员面前的重要任务。1.3 角反射体的雷达目标特性1.3.1 角反射体的RCS经典公式
三角形角反射体、方形角反射体和圆形角反射体是3类较为常见的三面角反射体，如图1.6所示。3类三面角反射体的3个面均两两垂直，其中三角形角反射体的3个面均为等腰直角三角形，方形角反射体的3个面均为正方形，圆形角反射体的3个面均为1/4圆。图1.6 常见的三面角反射体[1～3]
这3类角反射体RCS最大值的经验公式如表1.1所列。表1.1 典型三面角反射体的RCS最大值计算公式1.3.2 电磁仿真软件
考虑到实验测量的高成本问题，依靠商用电磁仿真软件进行仿真分析已经成为角反射体雷达目标特性研究的重要手段之一。比较有代表性的专用软件包括CST、FEKO、XPATCH、GRECO、ADS电磁仿[4～6]真软件，其中以CST和FEKO最为典型。FEKO是一款用于3D结构电磁场分析的仿真工具，它以矩量法（MOM）为基础对三维目标实现全波电磁场分析，并集成了物理光学法（PO）等多种算法，形成[7]了一套完整的电磁计算体系。Computer Simulation Technology STUDIO SUITE即CST工作室套装，是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款有效、精确的专业仿真软件包，包含7个工作室子软件，集成在同一平台上。软件覆盖整个电磁频段，一共提供了7个完备的时域和频域全波算法。仿真自带全新的理想边界拟合技术和薄片技术，与其他传统的仿真器相比，在精度上有数量级的提高。为了得到更好的求解效果，该软件提供了4种不同的求解器，用在各自最适合的应用领域。由于瞬态求解器对绝大多数的高频应用都极为有效，并包含有最新的多级子网技术，能够提高网格划分效率，极大加快仿真速度，对复杂器件尤为有效。
到底选择CST还是FEKO呢？下面以标准三角形三面角反射体为例，设计实验对比CST和FEKO对于电大尺寸目标的仿真精度和仿真效率。实验环境为Core i5处理器、主频3.3GHz、内存4GB；入射波频率为10GHz，极化方式为垂直极化；在FEKO和CST中均选取弹跳[8]射线法（Shooting and Bouncing Ray，SBR），网格划分尺寸为波长的一半，其他均为默认设置；扫描范围为：俯仰角θ=54.75°，方位角-10°φ100°，步长为1°；取三角形三面角反射体的垂直边长分别为0.5m、1m、1.5m、2m对比CST和FEKO的仿真结果。两个软件的仿真结果如图1.7所示，运行时间如表1.2所列。图1.7 CST与FEKO的仿真结果对比图表1.2 CST与FEKO的运行时间对比表
综合图1.7和表1.2可知，对于电大尺寸目标，CST和FEKO软件的计算精度相当，但CST的仿真效率高于FEKO，因此本书选用CST作为本书的电磁仿真工具软件。1.3.3 角反射体的RCS频率特性
RCS频率特性是雷达目标的重要特性之一，用于表征雷达目标RCS随入射波频率的变化情况。以垂直边长为1m的三角形三面角反射体为例，在给定入射方向为φ=45°∩θ=90°、φ=15°∩θ=70°、φ=50°∩θ=40°、φ=65°∩θ=20°这4种情况下，分别利用CST仿真得到入射频率3～15GHz（步长0.1GHz）对应的RCS，结果如图1.8所示。可以看出，在3～15GHz这一波段范围内，三角形三面角反射体的RCS会随入射电磁波频率的升高而变大。图1.8 三角形三面角反射体的RCS频率特性1.3.4 角反射体的RCS极化特征
极化特征是继能量、频率、相位、结构等特征之后被提出的一类重要的雷达目标特征，通过提取极化信息可以获得表面粗糙度、结构对称性、姿态取向、材料质地等其他参数难以表征的目标特征。文献[9,10]提出利用极化特征进行舰船与箔条的识别。对于双极化体制的雷达导引头，为抑制海杂波、箔条等干扰，选用垂直极化发射，用垂直极化和水平极化进行接收。假设得到的两个极化通道的雷达回波幅度分别为A（垂直极化发射、垂直极化接收）和A（垂直极化发射、VVHV水平极化接收），则最常用的两种极化特征——极化比ρ和极化角Ψ的定义如下：（1.3.1）1/21/2
式中，A和A可以用(RCS)和(RCS)代替。VVHVVVHV
计算角反射体极化角的一般步骤为：首先，利用CST仿真得到角反射体在俯仰角90°、方位角0°～180°（步长1°）范围内的两种极化通道的RCS，即RCS和RCS；然后，根据式（1.3.1）计算得水平VVHV入射条件下的极化角方位曲线。
对于垂直边长为1m的三角形三面角反射体，当入射波频率为10GHz，俯仰角θ=90°、方位角φ∈0°～180°（步长1°），仿真得到其RCS和RCS如图1.9所示。
VVHV图1.9 三角形三面角反射体的RCS和RCSVVHV
基于式（1.3.1）计算得到三角形三面角反射体的极化角方位曲线，如图1.10所示。图1.10 三角形三面角反射体的极化角方位曲线
可以看出在水平入射条件下，三角形三面角反射体的极化角曲线除了方位角100°左右有掉点外，其余方位下的极化角均接近90°。1.3.5 角反射体的高分辨率距离像
高分辨率距离像（High Resolution Range Profile，HRRP）能精细刻画目标间的结构性差异，同时与SAR/ISAR成像相比，具有易于获取和处理的优势，在对空及对海雷达目标自动识别领域得到广泛应用。当雷达发射宽带信号，径向分辨单元远小于目标尺寸，距离分辨大大提高，此时目标可模型化为相互独立的散射中心集合，这些散射[11]中心在雷达径向距离上的分布，即HRRP。
仍以垂直边长为1m的三角形三面角反射体为例，取信号带宽100MHz（距离分辨率1.5m），频率范围9.95～10.05GHz，频点数128（最大无模糊距离窗长度为190.5m）。在俯仰角θ=90°、方位角φ=10°时，利用CST仿真得到其HRRP如图1.11所示。图1.11 单个三角形三面角反射体的HRRP
可见，对于单个三角形三面角反射体，它的HRRP就是一个尖峰。下面看一下多个三角形三面角反射体组成的阵列的HRRP。取4个三角形三面角反射体，以最左侧角反射体为参照，由左至右的3个角反射体与其距离分别为5m、13m、23m，夹角分别为10°、20°、30°，组成的阵列如图1.12所示。利用CST仿真得到的HRRP如图1.13所示。可见，对于高分辨率雷达，4个三面角反射体组成的阵列可近似为4个强散射中心组成的集合。图1.12 4个三角形三面角反射体组成的阵列图1.13 4个三角形三面角反射体的HRRP1.3.6 异型角反射体的雷达目标特性
双棱锥形八面体和球形全向六十面体是最为典型的两种异型角反射体，图1.14给出了它们的结构示意图。八面体是由8个共顶点的标准三角形三面角反射体构成的，六十面体是由20个不共顶点的标准三角形三面角反射体构成的。下面主要研究两类异型角反射体在水平放置姿态下的雷达目标特性。图1.14 两种典型的异型角反射体
1.3.6.1 异型角反射体RCS方位特性
对于垂直边长为1m的八面体和六十面体，利用CST仿真得到频率10GHz，θ=90°∩0°φ180°时的RCS如图1.15所示，这里给出边长为1m的三角形三面角反射体的结果作为参考。图1.15 两种异型角反射体的RCS方位曲线
由图1.15可见，水平入射时六十面体和八面体RCS的方位周期均为60°，在一个周期内八面体表现出明显的单峰特性，而六十面体随方位变化起伏十分剧烈，与舰船目标的RCS方位起伏特性更相似。根据仿真结果计算得到两种异型角反射体和标准三面角反射体在对应角域范围内的RCS统计值如表1.3所列。表1.3 两种异型角反射体的RCS统计值（dBsm）
由表1.3可知，通过构成异型角反射体可以提升RCS平均水平，而且六十面体的平均RCS水平高于八面体，RCS标准差小于八面体，其方向性更好。鉴于上述考虑，六十面体更适合用于对海雷达的欺骗，结合六十面体是外军最新装备的无源干扰器材。后文重点以六十面体为研究对象。
1.3.6.2 异型角反射体RCS频率特性
以垂直边长为1m的六十面异型角反射体为例，在给定入射方向为φ=45°∩θ=90°、φ=15°∩θ=70°、φ=50°∩θ=40°、φ=65°∩θ=20°这4种情况下，分别利用CST仿真得到入射频率3～15GHz（步长0.1GHz）对应的RCS，结果如图1.16所示。可以看出，与三面角反射体不同，在3～15GHz这一波段范围内，六十面体的RCS会随入射电磁波频率的升高而上下波动，这正是多散射中心合成的结果，与舰船类复杂结构目标具有类似的RCS频率特性。图1.16 六十面异型角反射体的RCS频率特性
1.3.6.3 异型角反射体RCS极化特性
利用1.3.4节中同样的方法研究异型角反射体的RCS极化特性。对于垂直边长为1m的六十面异型角反射体，当入射波频率为10GHz，俯仰角θ=90°、方位角φ∈0°～180°（步长1°）范围内，仿真得到其RCS和RCS如图1.17所示。VVHV图1.17 六十面异型角反射体的RCS和RCSVVHV
基于计算得到六十面异型角反射体的极化角方位曲线如图1.18所示。图1.18 六十面异型角反射体的极化角方位曲线
可以看出在水平入射条件下，单个六十面体的极化角特性也表现出周期性，周期仍为60°。例如在方位角为0°～60°这一周期内，除了φ=1°、4°、5°、6°、7°、13°、47°、53°、59°等方位处有明显掉点外，其余方位下的极化角均接近90°。
1.3.6.4 异型角反射体阵列的HRRP
以垂直边长1m的六十面体为研究对象，取信号带宽100MHz，频率范围9.95～10.05GHz，频点数128。在俯仰角θ=90°、方位角φ=10°时，利用CST仿真得到其归一化后的HRRP如图1.19所示，与单个三面角反射体一样，也是一个尖峰。图1.19 单个六十面异型角反射体的HRRP
构建如图1.20所示的六十面体阵列，该阵列由4个六十面体组成，以最左侧六十面体为基准，另外3个与其分别相距10m、23m、37m，所有六十面体充气式雷达诱饵的朝向相同。当入射方向为θ=90°∩φ=10°时，利用CST仿真得到的归一化后的HRRP如图1.21所示。图1.20 4个六十面体组成的阵列图1.21 六十面异型角反射体阵列的HRRP
可见，对于分辨距离大于六十面体尺寸的高分辨率雷达，单个六十面体可以作为一个强散射中心发挥作用，六十面异型角反射体阵列可近似为多个强散射中心组成的集合。
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