特征匹配與假設(shè)檢驗(yàn)的信號確認(rèn)范文

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《系統(tǒng)工程與電子技術(shù)雜志》2014年第五期

1基于特征匹配與假設(shè)檢驗(yàn)的仿真信號確認(rèn)方法

基于方法的實(shí)用性和有效性考量，以下將結(jié)合仿真確認(rèn)評審的常見約束條件、仿真信號的特征來展開研究。

1.1仿真信號的特征匹配水平仿真置信度是指仿真系統(tǒng)作為原形系統(tǒng)的相似替代系統(tǒng)，在特定的建模與仿真的目的和意義下,在總體結(jié)構(gòu)和行為水平上能夠復(fù)現(xiàn)原形系統(tǒng)的可信性程度。概念的關(guān)鍵性內(nèi)涵包括3點(diǎn)：仿真用于替代，替代應(yīng)求真實(shí)，滿足特定目的。作為仿真要求來講，這可以概括為逼真、頂用，與之對應(yīng)就有確認(rèn)評審時(shí)的兩個(gè)特性考量：仿真的一致性和試驗(yàn)的目的性。至于仿真信號，工程應(yīng)用所關(guān)注的是信號的特征，在定量分析仿真置信度時(shí)需要考量信號的特征參數(shù)。為了確認(rèn)信號仿真系統(tǒng)所輸出的仿真信號，需要反復(fù)分析系統(tǒng)輸出信號以估計(jì)仿真信號與實(shí)測信號的一致性水平，和/或估計(jì)仿真信號滿足試驗(yàn)要求的程度。為簡明計(jì)，下面將仿真信號的一致性水平和對試驗(yàn)要求的滿足程度統(tǒng)稱為特征匹配水平。由于受到試驗(yàn)危險(xiǎn)性、非合作目標(biāo)等因素的制約，目標(biāo)回波等復(fù)雜水聲信號的實(shí)測樣本通常十分有限，且裝備試驗(yàn)所關(guān)注的只是信號的部分而非全部特征，直接比對仿真信號與實(shí)測信號既無必要又十分不便。因此，轉(zhuǎn)而利用被關(guān)注的特征參數(shù)并根據(jù)對應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)去確認(rèn)仿真信號的特征匹配水平。仿真確認(rèn)時(shí)，特征參數(shù)的參考標(biāo)準(zhǔn)通常根據(jù)小樣本實(shí)測信號的分析結(jié)果、領(lǐng)域?qū)＜业闹饔^判定、用戶對仿真信號的期待或者綜合三者預(yù)先給定。

1.2基于假設(shè)檢驗(yàn)的仿真信號確認(rèn)方法針對仿真信號的隨機(jī)性特點(diǎn)，其特征參數(shù)被視為隨機(jī)變量。假設(shè)ξ∈Ρ，Ρ為的特征參數(shù)集。通常，的概率分布類別可以根據(jù)仿真應(yīng)用領(lǐng)域的專門知識初步確定，以抽樣分布直方圖直觀驗(yàn)證，然后采用分布假設(shè)檢驗(yàn)方法最終確定。從系統(tǒng)所輸出的仿真信號中抽樣，可得ξ的觀測樣本。從定量分析的視角，對仿真信號特征匹配水平的要求可以表達(dá)為對信號特征參數(shù)的要求，確認(rèn)仿真信號是在仿真校核、驗(yàn)證工作之后，已處于信號仿真工程的末期階段，此時(shí)的信號仿真系統(tǒng)已經(jīng)過開發(fā)者的校核與驗(yàn)證?？紤]到該特點(diǎn)，并根據(jù)“保護(hù)原假設(shè)”的原假設(shè)設(shè)定原則，設(shè)定假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑僭O(shè)、備選假設(shè)，基于特征匹配和假設(shè)檢驗(yàn)確認(rèn)仿真信號的問題可以轉(zhuǎn)化為模糊假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ廷瘛８鶕?jù)上述討論，提出一種基于特征匹配和假設(shè)檢驗(yàn)的仿真信號確認(rèn)方法，其步驟如下：步驟1給定信號特征參數(shù)的接受標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)仿真試驗(yàn)的要求給定信號特征參數(shù)的接受標(biāo)準(zhǔn)，該接受標(biāo)準(zhǔn)只需以某種特定的形式表述，比如接受模糊數(shù)、接受區(qū)間等。步驟2建立模糊假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷奶卣髌ヅ浜投糠治龅囊暯牵㈥P(guān)于這些信號特征參數(shù)的模糊假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀τ谒P(guān)注的每一個(gè)信號特征參數(shù)，可以建立模型Ⅰ形式的一個(gè)模糊假設(shè)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。步驟3當(dāng)前信號仿真系統(tǒng)輸出信號的抽樣計(jì)算從當(dāng)前信號仿真系統(tǒng)的輸出信號中抽樣，可得仿真信號的N個(gè)樣本。對每一個(gè)樣本信號，計(jì)算特征參數(shù)ξ的值。

1.3進(jìn)一步討論利用上述方法所作出的推斷主要受仿真信號特征參數(shù)固有特性的影響，但應(yīng)用過程涉及的檢驗(yàn)P-值、統(tǒng)計(jì)量觀測值處理、參數(shù)主觀取值問題等細(xì)節(jié)的影響不容忽視。

1.3.1檢驗(yàn)P-值對于假設(shè)檢驗(yàn)問題，利用樣本觀測值能夠作出拒絕原假設(shè)的最小顯著性水平，就是檢驗(yàn)P-值。特別的，結(jié)合確認(rèn)仿真信號的假設(shè)檢驗(yàn)，顯著性水平意味著作為統(tǒng)計(jì)推斷根據(jù)的小概率事件原理的“小概率”標(biāo)準(zhǔn)，將影響著確認(rèn)仿真信號的結(jié)論?；趩我灰蛩乜剂?，P-值越小，拒絕原假設(shè)的證據(jù)越充分；反之，則支持原假設(shè)的證據(jù)越充分。因此，仿真信號特征統(tǒng)計(jì)量的觀測值應(yīng)當(dāng)有足夠的樣本量；另一方面，根據(jù)著名的Jeffreys-Lindley悖論，當(dāng)樣本容量充分大時(shí)幾乎全部得出拒絕原假設(shè)的結(jié)論，故一味地增大樣本容量并不可取。在樣本容量很大時(shí)的觀測值處理需要講究技法，批均值法、重復(fù)批均值法是一個(gè)很好的選擇。

1.3.2統(tǒng)計(jì)量觀測值的重復(fù)批均值法處理信號仿真系統(tǒng)可以長時(shí)間獨(dú)立運(yùn)行，確認(rèn)仿真信號需要充分的試驗(yàn)分析，因而獲取、分析信號仿真系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果可行而必要，仿真信號特征統(tǒng)計(jì)量的觀測值處理適宜采用重復(fù)批均值法。對于假設(shè)檢驗(yàn)，所作統(tǒng)計(jì)推斷犯第一類錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)隨著λ的增大而增大，其利弊必須綜合權(quán)衡。事實(shí)上，假設(shè)檢驗(yàn)是基于小概率事件原理的，該原理對于原假設(shè)、備選假設(shè)的保護(hù)具有不對等性，模型Ⅰ原假設(shè)的設(shè)定考慮了“開發(fā)者已對系統(tǒng)作過校核與驗(yàn)證”的實(shí)際且基于“保護(hù)原假設(shè)”的原假設(shè)設(shè)定原則。考慮仿真應(yīng)用“棄真”、“納偽”的實(shí)際意義，對影響犯第一、二類錯(cuò)誤的原假設(shè)設(shè)定應(yīng)當(dāng)審慎，以適應(yīng)仿真應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)裝備工程仿真的經(jīng)驗(yàn)，確認(rèn)仿真信號一般取比較適宜。

2應(yīng)用實(shí)例

目標(biāo)回波信號是聲制導(dǎo)魚雷主動探測系統(tǒng)的信息源，以下簡稱為目標(biāo)信號。目標(biāo)信號涉及發(fā)射信號、目標(biāo)類型等許多因素，下面僅在給定條件下簡要說明方法的應(yīng)用。

2.1回波模型及特征參數(shù)矩形線性調(diào)頻脈沖是典型的聲自導(dǎo)發(fā)射信號，其波形函數(shù)為回波信號與發(fā)射信號相比，存在著時(shí)延、頻移和幅度衰減。其中，時(shí)延包含了目標(biāo)距離的信息，頻移包含了目標(biāo)徑向速度的信息，幅度衰減包含了目標(biāo)距離及散射特性、傳輸信道（隨機(jī)散射體）等信息。在目標(biāo)信號的數(shù)字仿真中，這些信息均被作為仿真需求以量化形式表述，通過模型(7)中仿真參數(shù)的調(diào)節(jié)得到實(shí)現(xiàn)。

2.2仿真目標(biāo)信號樣本及其特征參數(shù)觀測值根據(jù)裝備試驗(yàn)的要求，需要確認(rèn)仿真目標(biāo)信號的回波強(qiáng)度、多普勒頻移和脈沖展寬等特征參數(shù)值是否滿足需要，該3個(gè)參數(shù)依序分別記為1ξ、2ξ、3ξ。這里，僅以2ξ為例說明方法的應(yīng)用。利用所開發(fā)的目標(biāo)信號仿真系統(tǒng)抽樣，獲得了仿真目標(biāo)信號的樣本。例如，LFM發(fā)射信號及系統(tǒng)某次輸出仿真目標(biāo)信號的一個(gè)時(shí)域波形如圖2所示，其中調(diào)頻區(qū)間，脈沖寬度66ms，信號幅度已歸一化處理。

2.3確認(rèn)仿真目標(biāo)信號根據(jù)裝備試驗(yàn)的需要，僅對中心頻率設(shè)定要求，通過考量聲源與目標(biāo)的相對速度設(shè)定2ξ的接受標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)由模糊數(shù)=2~A“+41.5Hz左右”表示，最大誤差為不超過±1.5Hz。設(shè)顯著性水平α=0.05，2~A的λ=0.85的水平截集為。查t分布的概率分布表。根據(jù)(5)式，得到拒絕域?yàn)槟壳?，所研制的仿真目?biāo)信號已經(jīng)用于魚雷專用檢測設(shè)備，用戶對該設(shè)備中目標(biāo)信號部分的反饋信息是“仿真信號的特征參數(shù)穩(wěn)定、精度高”。這既是對仿真信號的肯定，又側(cè)面驗(yàn)證了確認(rèn)結(jié)論的可靠性。同時(shí)，考慮到目標(biāo)信號難以獲取，文中方法體現(xiàn)出適用性較廣的特點(diǎn)，即在真實(shí)信號實(shí)測樣本數(shù)據(jù)不充分的情況下仍能適用，因而具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

3結(jié)束語

通過主觀判斷確認(rèn)仿真信號難免產(chǎn)生謬誤和爭議，停留于復(fù)核開發(fā)者的校核驗(yàn)證報(bào)告又難避利益關(guān)聯(lián)之嫌，獨(dú)立定量分析則有助于增強(qiáng)確認(rèn)結(jié)論的可靠性，有效降低仿真應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合復(fù)雜水聲信號，所提出的方法迎合了工程需求，且在仿真信號特征參數(shù)可視為隨機(jī)變量且滿足參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)的條件時(shí)便可適用。當(dāng)然，該方法也存在過程復(fù)雜、運(yùn)算量大的不足，但較之應(yīng)用置信度不高的仿真信號所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)仍不失為明智之舉。仿真開發(fā)者利用該方法確認(rèn)仿真信號，可消除推出劣質(zhì)仿真信號的隱患；仿真用戶利用該方法親歷確認(rèn)過程，可增強(qiáng)使用當(dāng)前信號仿真系統(tǒng)的信心?；诮y(tǒng)計(jì)推斷作出的結(jié)論為確認(rèn)仿真信號提供有效的決策支持，該方法有望成為信號真技術(shù)的基礎(chǔ)之一。下一步，將對特征參數(shù)相關(guān)性及其處理、統(tǒng)計(jì)推斷犯不同類別錯(cuò)誤的決策風(fēng)險(xiǎn)分析方法作深入研究。

作者：胡偉文姜禮平梅丹劉永凱單位：海軍工程大學(xué)理學(xué)院