基于高功率放大器非线性效应的卫星通信辐射源识别方法研究

As one important part of cognitive electronic warfare technology, the identification of satellite communication (satcom) transmitters is considered as the frontier of electronic countermeasure research. We creatively elaborate on the fingerprint analysis, feature extraction and identification of satcom emitters utilizing the nonlinearities of high power microwave vacuum amplifier (HPA), which will broaden the coverage of SEI and make it enriched. This work will devote itself to the examination on the theory and simulation of nonlinear effect of high power helix traveling wave tube (TWT), multi-cavity klystrons, solid state power amplifier with combined power, and space borne amplification system of transparent transponder, on the foundation of systematical modeling of satcom signal emission, propagation, and reception. The mechanism of the external subtle features of satcom signal will be also studied deeply. Moreover, the impact of HPA’s saturation effect on the input signal will be quantitatively analyzed. As well, the response differences of three types of HPA in terms of target-associated factors, such as carrier frequency, modulation mode, and modulation rate will be evaluated comprehensively. The subsequent identification of specific emitter based on the effective extracted features will be implemented as well. In a word, this project will be the first research on the target recognition technology in satcom field. The expected results will enhance the ability of battlefield situational awareness, which is of paramount importance in academic research and military application.

卫星通信辐射源识别是电子对抗领域的研究前沿，是认知电子战的重要组成部分；课题开创性地将高功率微波真空放大系统的非线性效应作为卫星通信辐射源指纹机理分析的立足点并开展信号特征提取与目标识别研究工作，势必极大拓展特定辐射源识别技术的覆盖领域并丰富其科学内涵。项目将在系统构造卫星射频信号发射、传播、接收模型的基础上，重点就卫星通信地球站广泛使用的高功率螺旋线行波管、多腔速调管、组合功率固态高功率放大器以及星载透明转发器有源放大子系统的非线性效应进行理论研究和仿真分析，探究卫星通信辐射源指纹的形成机理；定量分析高功率放大器的非线性效应对输入信号的影响，并全面评估三大类高功放在载波频率、调制方式、调制速率等目标关联要素条件下的响应差异，并针对提取的有效特征进行个体分类识别的研究。本课题将率先开启卫星通信领域的目标识别技术研究，预期成果将有效支撑战场态势感知能力，具有非常重要的学术研究和军事应用价值。

在军事信号情报领域，加密技术的普及迫使以往依靠信号解调还原并进行数据分析的传统手段面临严峻挑战，形成了日益膨胀的卫星数据资源与整体萎缩的卫星通信情报这种一扩一缩的困难局面。为破解这种困境，项目所提出的基于高功率放大器非线性效应的卫星通信辐射源识别方法研究课题，就是在传统信号分析处理手段之外，将信号的“指纹”特征关联到卫星通信辐射源的个体用以实时监测目标动态，并以此作为卫星通信情报生产的突破口，而测量与特征情报（MASINT）生产正是我们需要努力的方向。为了实现对通信目标动态的实时监测，不依赖通信内容而利用信号“指纹”特征的卫星通信辐射源识别任务变得异常迫切！.项目的研究工作将围绕：针对广泛应用的星载透明转发体制的卫星通信系统，如何利用有源高功率放大器的非线性效应对信号检测的影响并从中有效提取辐射源的指纹特征从而实现卫星通信关联目标的个体识别？这一关键科学问题而展开。课题将主要进行以下三个方面的研究：1）基于高功率放大系统非线性效应的辐射源指纹机理分析；2）多种变换域信号特征参数的融合；3）仿真与实验平台的搭建以及分类器设计和深度神经网络搭建。.项目研究取得重要结果包括：（1）成功融合线性空间与非线性空间维度特征，验证了典型相关分析（CCA）方法在本课题中的有效性，并运用核主成分分析法加速高维特征的收敛特性。（2）成功创建了透明转发卫星模采信号及其原始特征的深度LSTM神经网络，依据调制样式优化时域特征的切割策略，在计算资源固定情况下实现了时间开销与分类精度两类性能指标的提升。（3）设计出的包含两个中间层和512个隐藏神经元的轻量深度网络，可实时学习并实现90%以上的识别精度。.项目的科学意义在于，作为电子对抗领域的一个重要分支，卫星通信的目标识别技术极大拓展了特定辐射源识别的覆盖领域并丰富其科学内涵，同时也为我国认知电子战系统的建设与发展提供重要技术储备。