郭 佳， 鄧甲昊

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

0 引言

目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是獲取戰(zhàn)場信息控制權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)之一，指揮員只有在弄清楚目標(biāo)的敵我屬性、目標(biāo)類型以及目標(biāo)位置等參數(shù)后，才能下達(dá)攻擊命令，武器系統(tǒng)也只有在得到各種目標(biāo)參數(shù)后才能準(zhǔn)確地?fù)糁心繕?biāo)?，F(xiàn)代戰(zhàn)場是陸、海、空、天和電子信息五維一體的作戰(zhàn)空域，目標(biāo)所處的自然環(huán)境和電磁環(huán)境以及目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化愈加復(fù)雜，指揮員決策更加困難。因此，傳統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別方法已不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場需求，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)合了模糊邏輯功能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可以提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性與識(shí)別率，本文著重研究基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。

1 目標(biāo)識(shí)別方法與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1.1 目標(biāo)識(shí)別方法簡析

目前，針對(duì)不同的探測物理場環(huán)境，人們提出了多種目標(biāo)識(shí)別方法，其中較為成熟的有：貝葉斯法、模板法、表決法，還有隨后發(fā)展起來的登普斯特-謝弗法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、專家系統(tǒng)法等［1］。

通常戰(zhàn)場鐵磁目標(biāo)的磁場信號(hào)復(fù)雜，并且由于自然或人為因素的存在，常表現(xiàn)出模糊性、不確定性、甚至是欺騙性等特征，所以運(yùn)用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分類或物理建模的方法已不再適應(yīng)戰(zhàn)場要求，基于此種背景，需對(duì)智能識(shí)別算法加以研究。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將處理不確定信息能力的模糊邏輯功能與具備知識(shí)存儲(chǔ)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，因此將其應(yīng)用于戰(zhàn)場鐵磁目標(biāo)的識(shí)別，可以提高識(shí)別率。

1.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用

模 糊 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)（Fuzzy Neural Network，F(xiàn)NN）將模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，充分考慮了二者的互補(bǔ)性，集邏輯推理、語言計(jì)算、非線性動(dòng)力學(xué)于一體，具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、識(shí)別、自適應(yīng)和模糊信息處理等功能［2］。

在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出節(jié)點(diǎn)用來表示模糊系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含節(jié)點(diǎn)用來表示隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行處理能力可使得模糊系統(tǒng)的推理能力大大提高。

自適應(yīng)模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)，也稱為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)（Adaptive Neural-Fuzzy Inference System，ANFIS），融合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機(jī)制和模糊系統(tǒng)的語言推理能力等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足。同其他模糊神經(jīng)系統(tǒng)相比，ANFIS 具有便捷高效的特點(diǎn)，已被收入MATLAB的模糊邏輯工具箱，并在多個(gè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

1.3 ANFIS的模型初始化及genfis1函數(shù)

ANFIS模型初始化任務(wù)主要是初步確認(rèn)隸屬度函數(shù)類型及其參數(shù)。在MATLAB模糊工具箱中，參數(shù)fismat用于指定初始ANFIS 模型的專用矩陣，可使用函數(shù)genfis1由訓(xùn)練數(shù)據(jù)直接生成，genfis1采用網(wǎng)格分割的方法根據(jù)給定數(shù)據(jù)集生成一個(gè)模糊推理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸入和輸出隸屬度函數(shù)曲線既能覆蓋整個(gè)輸入輸出空間，又能對(duì)其進(jìn)行均勻分割。genfis1 的主要作用是確定一個(gè)合適的初始模糊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（隸屬度函數(shù)個(gè)數(shù)，模糊規(guī)則數(shù)目），anfis訓(xùn)練不會(huì)改變genfis1已經(jīng)給定的初始模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，只是對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，該函數(shù)生成的系統(tǒng)總規(guī)則數(shù)等于所有輸入變量的隸屬度函數(shù)個(gè)數(shù)的乘積。

2 坦克目標(biāo)磁場模型建立

用模型化方法研究戰(zhàn)場鐵磁目標(biāo)，可以充分利用其磁信號(hào)的時(shí)頻特性、磁場矢量的空間分布特性以及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，是磁場的準(zhǔn)全息技術(shù)［3，4］。若能可靠地建立起鐵磁目標(biāo)的磁場模型，利用最能體現(xiàn)描述目標(biāo)磁場本質(zhì)特征的幾個(gè)主要模型參數(shù)，作為目標(biāo)識(shí)別的特征量，結(jié)合新型非晶絲磁探測器，有望在保證較高正確識(shí)別率的情況下，顯著提高對(duì)目標(biāo)的探測距離。

坦克受地磁場的作用而磁化，產(chǎn)生坦克磁場，可將其分為固定磁性磁場和感應(yīng)磁性磁場兩部分。固定磁場主要是坦克長期停留在某一方向上經(jīng)受地磁的磁化而形成的磁場，其性質(zhì)屬于剩磁，遠(yuǎn)小于坦克的感應(yīng)磁性磁場。因此，本文坦克磁場的建模主要圍繞坦克感應(yīng)磁場進(jìn)行。

用一個(gè)穩(wěn)定的磁場數(shù)理模型可以較精確地推算出實(shí)際磁場信號(hào)的空間分布特征和時(shí)頻特性，從而有效提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確率。陸地戰(zhàn)場上的鐵磁目標(biāo)以坦克、裝甲車、軍用卡車等最為典型，均為一定幾何形狀的磁性體。以坦克為例，采用單一旋轉(zhuǎn)橢球體對(duì)坦克磁場進(jìn)行模擬［5，6］，雖然坦克近場精度差，但隨距離增大，擬合精度越來越高，而且模型參數(shù)較為穩(wěn)定，故可作為彈目距離較遠(yuǎn)時(shí)坦克目標(biāo)識(shí)別的特征量，圖1為單一旋轉(zhuǎn)橢球體模型示意圖。

圖1 坦克磁場模型示意圖

式中：［Mx，My，Mz］為橢球體模型的磁矩，系數(shù)矩陣［ax，ay，az］T，［bx，by，bz］T，［cx，cy，cz］T分 別定義如下［7］：

式（2）～（4）中t，an，bn定義如下：

根據(jù)式（1）三個(gè)磁場分量模型，可以計(jì)算出坦克不同區(qū)域的磁場分布。

3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于數(shù)據(jù)建模的方法，其模糊隸屬度函數(shù)及模糊規(guī)則是經(jīng)過大量已知數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)而得到的，可以說自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于數(shù)據(jù)規(guī)則的識(shí)別，因此要進(jìn)行模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別首先要建立模糊規(guī)則庫。

3.1 模糊規(guī)則庫的建立

由前文可知，期望的輸入-輸出數(shù)據(jù)偶：Mx，My，Mz，c→y 其中Mx，My，Mz，c 為根據(jù)旋轉(zhuǎn)橢球體建模的磁性目標(biāo)模型參數(shù)，y 為識(shí)別結(jié)果。在模糊系統(tǒng)中，將輸入空間和輸出空間劃分為模糊空間，每個(gè)區(qū)間有相應(yīng)的模糊隸屬函數(shù)。根據(jù)不同區(qū)間 上 已 知 數(shù) 據(jù)Mx，My，Mz，c 和y 相 應(yīng) 的隸屬度，將輸入、輸出參量定位于最大隸屬度對(duì)應(yīng)的區(qū)間上，從每一條滿意的輸入-輸出數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)生一條規(guī)則。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程

對(duì)于陸地戰(zhàn)場，磁探測系統(tǒng)接收的磁信號(hào)主要來自坦克、普通軍用卡車、自然干擾信號(hào)（磁暴、地磁脈動(dòng)等）、工業(yè)干擾及電路噪聲等。對(duì)于后兩類干擾信號(hào)，雖然頻率范圍較寬，可以完全覆蓋目標(biāo)磁場信號(hào)的頻率范圍，但是因其不能用一個(gè)均勻磁化的旋轉(zhuǎn)橢球體來擬合，通常難以通過模型檢驗(yàn)；而軍用卡車和坦克在幾何形狀、材料構(gòu)成以及重量等方面具有很大的相似性，是磁探測系統(tǒng)需要重點(diǎn)區(qū)分的內(nèi)容。所以本文定義一個(gè)三位二進(jìn)制數(shù)組T（T1，T2，T3）作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值。它存在八種可能的輸出，分別對(duì)應(yīng)坦克和卡車的各個(gè)行駛方向，具體含義如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)輸出值含義

為提高系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別的可靠性，對(duì)我國某主戰(zhàn)坦克以及解放型卡車進(jìn)行了實(shí)測，并對(duì)用非晶絲磁探測器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，求出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|、西、南、北四個(gè)方向時(shí)，旋轉(zhuǎn)橢球體的模型參量Mx，My，Mz，c，并進(jìn)行了歸一化處理，作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。表2為部分輸入輸出樣本。

表2 輸入輸出樣本

按表2數(shù)據(jù)建立自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用MATLAB模糊邏輯工具箱，打開ANFIS編輯器，編輯ANFIS屬性，定義輸入輸出變量隸屬函數(shù)，設(shè)置模糊規(guī)則庫。

圖2顯示了genfis1根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)生成的模糊推理系統(tǒng)初始隸屬度函數(shù)曲線，可以看出，函數(shù)genfis1按照均勻覆蓋輸入空間的原則構(gòu)造了初始隸屬度函數(shù)。

圖2 初始隸屬度函數(shù)曲線

圖3為最終模型的隸屬度函數(shù)曲線，可以看出，經(jīng)過學(xué)習(xí)后的模糊推理系統(tǒng)提取了訓(xùn)練數(shù)據(jù)的局部特征，與圖2比較知，最終隸屬度函數(shù)不再均勻覆蓋輸入空間，其變化反映了輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)的變化特征。

圖3 訓(xùn)練后模糊推理系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)

圖4 訓(xùn)練過程中均方根誤差變化曲線

圖4為訓(xùn)練過程中均方根誤差的變化曲線。由圖4可以看出經(jīng)過100次的函數(shù)訓(xùn)練，訓(xùn)練誤差和檢驗(yàn)誤差均在0.02以下，很好地?cái)M合了系統(tǒng)的實(shí)際狀況。

4 結(jié)束語

由理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)坦克目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別是可行的。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)識(shí)別和處理不確定性數(shù)據(jù)上有其獨(dú)特的能力，它將比傳統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別方法更有效、準(zhǔn)確。

［1］ 帥艷民，李孝詞，劉峰.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的艦船目 標(biāo)識(shí)別的方法研究［J］.鎮(zhèn)江高專學(xué)報(bào)，2001，14（3）：39-42.

［2］ 李國勇.神經(jīng)模糊控制理論及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］ 林春生，向前，龔沈光.水中磁性運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)的模型化檢測［J］.兵工學(xué)報(bào)，2005，26（2）：192-195.

［4］ 王海云，董大群.艦船磁場模型參數(shù)在目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用［J］.船舶工程，1999，（3）：46-49.

［5］ 陳正宏，費(fèi)保俊，等.坦克外部磁場的有限元分析［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（1）：90-92.

［6］ 孫驥，鄧甲昊，高珍，等.一類新型非晶絲微磁探測器在坦克靜態(tài)磁場分析中的應(yīng)用［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（2）：95-99.

［7］ 葉平賢，龔沈光.艦船物理場［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1992.