

系统工程与电子技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (12): 3552-3563.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2021.12.17
赵帅, 刘松涛*, 汪慧阳
收稿日期:2021-02-02
出版日期:2021-11-24
发布日期:2021-11-30
通讯作者:
刘松涛
作者简介:赵帅 (1997—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为电子对抗技术及应用|刘松涛 (1978—), 男, 副教授, 博士后, 主要研究方向为电子对抗、图像处理及光电工程|汪慧阳 (1997—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为电子对抗技术及应用
Shuai ZHAO, Songtao LIU*, Huiyang WANG
Received:2021-02-02
Online:2021-11-24
Published:2021-11-30
Contact:
Songtao LIU
摘要:
低截获概率(low probability of intercept, LPI)雷达作为一种具有强抗干扰能力及低截获特性的新型雷达, 对其精准高效识别已成为雷达对抗一方波形识别的难点。针对该方向主流分类器卷积神经网络(convolution neural network, CNN)的结构智能寻优问题, 提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法-CNN的波形识别算法。该算法利用PSO的寻优特性, 可实现较大范围内自动搭建不定层数、不定层类别及层内参数的CNN结构并进行迭代寻优; 采用识别精度及网络复杂度相结合的衡量指标, 可根据需求调整两者比重以实现对精度与轻量性的选择。该算法获取的CNN结构实现了比9种经典CNN结构更好的LPI雷达波形识别效果, 同时避免了波形识别时人工选定CNN超参数缺乏智能性、客观性的问题, 提高了选用CNN结构的适配性及高效性。
中图分类号:
赵帅, 刘松涛, 汪慧阳. 基于PSO-CNN的LPI雷达波形识别算法[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(12): 3552-3563.
Shuai ZHAO, Songtao LIU, Huiyang WANG. LPI radar waveform recognition algorithm based on PSO-CNN[J]. Systems Engineering and Electronics, 2021, 43(12): 3552-3563.
表
"
| 算法1 PSO-CNN |
| 输入 运行次数(Nr), PSO群体粒子数(N), PSO最大迭代次数(itmax), 训练数据(X, Y), 个体极值与全局极值的选择阈值(Ctsh), 网络层数范围(lmin, lmax), 卷积层最大卷积核尺寸(kmax), 全连接层最大神经元数(nmax), 网络输出维度(dout), 粒子评估前训练epoch数(etrain), 最优框架测试前训练epoch数(etest)。 |
| 输出 最优CNN架构及其参数数量, 测试准确率。 |
| 1 for j=1 to Nr do |
| 2 S={P1, P2, …, PN}←粒子群初始化(Nr, N, lmin, lmax, kmax, nmax, dout) |
| 3 P1.pbest←P1, P1.grade, P1.pbest.grade←CNN粒子分数评估(P1, X, Y, etrain) |
| 4 gbest←P1, gbest.grade←P1.grade |
| 5 for i=2 to N do |
| 6 Pi.pbest←Pi, Pi.grade, Pi.pbest.grade←CNN粒子分数评估(Pi, X, Y, etrain) |
| 7 if Pi.grade≥gbest.grade then |
| 8 gbest←Pi |
| 9 end |
| 10 end |
| 11 for it=1 to itmax do |
| 12 for i=1 to N do |
| 13 Pi.velocity←CNN粒子速度计算(Pi, Ctsh) |
| 14 Pi←粒子更新(Pi, Pi.velocity) |
| 15 Pi.grade←CNN粒子分数评估(Pi, X, Y, etrain) |
| 16 if Pi.grade≥Pi.pbest.grade then |
| 17 Pi.pbest←Pi, Pi.pbest.grade←Pi.grade |
| 18 if Pi.pbest.grade≥gbest.grade then |
| 19 gbest←Pi, gbest.grade←Pi.grade |
| 20 end |
| 21 end |
| 22 end |
| 23 end |
| 24 CNN粒子分数评估(gbest, X, Y, etest)←gbest |
| 25 return gbest, gbest.nparamaters, gbest.grade |
| 26 end |
| 27 return gbest, average of gbest.nparameters, average of gbest.grade |
表
"
| 算法2 粒子群初始化 |
| 输入 PSO群体粒子数(N), 网络层数范围(lmin, lmax), 卷积层最大卷积核尺寸(kmax), 卷积层最大输出通道数(Cconv-max), 全连接层最大神经元数(nmax), 网络输出维度(dout), 随机选取卷积层、池化层及全连接层的概率(Pconv, Ppool, PFC), 三者和为1。 |
| 输出 初始粒子群S={P1, P2, …, PN}。 |
| 1 for i=1 to N do |
| 2 Pi.depth=rand(lmin, lmax) |
| 3 for j=1 to Pi.depth do |
| 4 if j==1 then |
| 5 list_layers[j]←addconv(Cconv-max, kmax) |
| 6 elif j==Pi.depth then |
| 7 list_layers[j]←addFC(dout) |
| 8 elif list_layers[j-1].type==FC then |
| 9 list_layers[j]←addFC(nmax) |
| 10 else |
| 11 layer_type←rand(0, 1) |
| 12 if layer_type≤Pconvthen |
| 13 list_layers[j]←addconv(Cconv-max, kmax) |
| 14 elif Pconv≤layer_type≤Pconv+Ppool then |
| 15 list_layers[j]←addpool() |
| 16 else |
| 17 list_layers[j]←addFC(nmax) |
| 18 end |
| 19 end |
| 20 end |
| 21 Pi←list_layers |
| 22 end |
| 23 return S={P1, P2, …, PN} |
表
"
| 算法3 粒子差异计算 |
| 输入 粒子P1、P2 |
| 输出 diff=P1-P2 |
| 1 indexP1←寻找起始FC层索引(P1), indexP2←寻找起始FC层索引(P2) |
| 2 P1copo←P1[0:indexP1-1], P2copo←P2[0:indexP2-1] |
| 3 P1FC←P1[P1.length: -1:indexP1], P2FC←P2[P2.length: -1:index2: ] |
| 4 L=lengthdiff←max(indexP1, indexP2)+max(P1FC.length, P2FC.length) |
| 5 for i=0 to max (indexP1, indexP2)do |
| 6 if P1copo[i]≠None and P2copo[i]≠None then |
| 7 if P1copo[i].type=P2copo[i].type then |
| 8 diff[i]←0 |
| 9 else diff[i]←P1copo[i].type end |
| 10 elif P1copo[i]≠None and P2copo[i]=None then |
| 11 diff[i]←P1copo[i].type |
| 12 else P1copo[i]=None and P2copo[i]≠None then |
| 13 diff[i]←None |
| 14 end |
| 15 end |
| 16 for j=0 to max(P1FC.length, P2FC.length)do |
| 17 if P1FC[j]≠None and P2FC[j]≠None then |
| 18 diff[L-j]←0 |
| 19 elif P1FC[j]≠None and P2FC[j]=None then |
| 20 diff[L-j]←P1FC[j].type |
| 21 else P1FC[j]=None and P2FC[j]≠None then |
| 22 diff[L-j]←None |
| 23 end |
| 24 end |
| 25 return diff |
表6
与经典CNN的进一步对比"
| 类别 | 平均检测精度(SNR≥0)/% | 参数数量 | 检测时间/s |
| PSO-CNN-3 | 94.8 | 1.469×106 | 3 |
| PSO-CNN-5 | 87.8 | 3.477×106 | 3 |
| LeNet | 71.0 | 5.492×106 | 3 |
| AlexNet | 91.1 | 2.566 1×107 | 3 |
| ZFNet | 70.9 | 2.565 5×107 | 4 |
| VGG13 | 76.6 | 3.868 1×107 | 22 |
| VGG16 | 72.2 | 4.399 1×107 | 29 |
| VGG19 | 72.5 | 4.930 1×107 | 40 |
| GoogleNet | 78.7 | 1.244 6×107 | 53 |
| ResNet-34 | 67.5 | 2.268 3×107 | 35 |
| ResNet-50 | 64.1 | 4.574 6×107 | 65 |
| 1 | 刘松涛, 雷震烁, 温镇铭, 等. 认知电子战研究进展[J]. 探测与控制学报, 2020, 42 (5): 1- 15. |
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| 2 |
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| 5 | 杨洁, 弋佳东. 改进GA优化BP神经网络的雷达信号识别[J]. 西安邮电大学学报, 2019, 24 (6): 11- 15. |
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| 6 | 赵毅. 基于改进量子粒子群卷积神经网络雷达信号识别[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2019. |
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| 7 | 高华照. 基于深度卷积神经网络的图像识别算法研究[D]. 长春: 吉林大学, 2018. |
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| 9 | 白燕燕. 基于粒子群算法优化卷积神经网络结构[D]. 呼和浩特: 内蒙古大学, 2019. |
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