揭秘辐射源指纹识别技术:监控敌方兵力部署

摘要 通信**辐射源个体识别是近来通信对抗领域的重要研究课题,不同于传统通信信号侦察中的调制模式识别研究,通信辐射源识别主要研究体现同类辐射源之间个体差异的信号指纹的分析提取技术。文中研究分析信号指纹的分析提取存在的技术难点和解决方案。对稳态通信信号的个体细微特征,如通信发射信号在载频和调制参数特征上的偏差,以及信号杂散输出成分的差异,并考虑将上述特征确立为反映通信电台个体技术特点的信号指纹,提出一个基于证据理论的通信辐射源识别方案,是实现个体识别在军事通信对抗作战计划的重要依据。
关键词 通信辐射源;模式识别;频率稳定度;个体识别

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雷达、电台等辐射源都有自己唯一特定的“指纹”,且无法消除和伪造

在现代军用电子信息装备中,以电台为主的各种通信设备担负着为重要军事载体提供通信、部署并实施军事打击或进行监视、电子干扰的重要任务。目前,在电子战研究领域,出现了辐射源“指纹”识别的方法,通过对接收信号进行特征测量,确定产生信号的辐射源个体,美军将其定义为“将辐射源惟一电磁特征与辐射源个体关联能力”。通信电台的这种关联起来的能力称为通信电台个体识别。如果能有效提取通信电台的个体指纹特征,在复杂的战场电磁环境中将每部电台区分开,实现对电台个体的分析识别,并分析哪些电台是敌方重要通信电台,然后进一步分析电台的性质和属性,确定通信网组成、威胁等级和干扰对象等,可以为针对性的电子侦收、干扰和军事打击提供重要依据。可见,确定有效的通信电台信号指纹特征、实现个体识别是军事通信对抗作战计划的重要依据。

美国导弹防御系统

利用“指纹”识别技术,能够把众多相同型号的电子设备准确区分出来

1 指纹及信号指纹机理分析
1.1 通信辐射源指纹
通信辐射源个体信号的细微特征也称通信信号的“指纹”,指信号中可以用于标识发送该信号的通信设备身份的特征。通过通信信号处理技术,发现通信信号上所承载的通信辐射源稳定的硬件特征信息。可以认为信号指纹主要表现为同一通信设备在其发送的所有信号中反复表现出的一种有规律的变化趋势,而通信信号个体中这种重复出现的变化规律信息具有反映信号个体特点的技术特征,可以作为“指纹”用于标识发送该信号的通信设备的个体特征。
可作为指纹特征的通信信号特征参数:(1)通信信号载频的精确度差异。(2)通信信号调制参数的个体差异。(3)电台的杂散输出差异。
辐射源可提取的特征参数可分为如下几类:
(1)技术特征。调制方式、载频精度、频率稳定度。
(2)内部特征。数字通信的信息传输速率。(3)频域特征。信号带宽、调频参数调制失真度。(4)时变特征。瞬时包络、频率、相位。
1.2 信号指纹机理分析
通信辐射源个体识别是指在分析截获通信信号个体的基础上,得到信号中通信设备的工作参数和特征参数,然后利用这些参数获取该通信设备的体制、用途和型号等信息,进而掌握其工作状态,了解其战术运用特点、活动规律以及作战能力的过程。
文中研究的是同型号、同批次并工作于相同调制方式、频段的多个电台辐射信号的个体识别技术。通信辐射源个体识别主要包括3个过程:预处理、特征提取和分类识别。

近年来,美国积极推进由预警卫星、预警雷达、远程制导雷达、拦截弹等组成的导弹防御系统建设,谋求其在全球战略部署。韩国宣布在星州郡部署的萨德反导系统,就是美在亚太地区部署的一个节点,这既是强化其前沿防御体系的重要举措,也是推行所谓“亚太再平衡战略”的需要。
1969年苏联完成部署的“橡皮套鞋”反导系统,于1984年实现了中远程弹道导弹的双层拦截,这是世界第一套反弹道导弹系统。随着防御“盾”的不断加强,应运而生的“矛”——突防技术也在快速发展,其主要技术手段包括隐身技术、诱饵技术、电子对抗技术等。
隐身——降低敌方探测能力
隐身技术,是指可隐藏或改变目标本体的真实特征信息,降低敌方探测设备侦测能力的技术。隐身技术可分为雷达隐身技术、红外隐身技术和再入光电特征控制技术等。
美国是最早开展现代雷达隐身技术研究的国家。最初是采用木头等低散射材料代替金属,随后以外形设计为主,辅助一些材料或吸波涂层等技术,以降低目标的雷达散射量值。
上世纪七十年代开始,以F-117为应用背景,美国提出“黑色计划”,飞机本体采用外形设计和吸波涂层技术,在海湾战争中其隐身设计获得成功验证。AGM-129A是美国新一代远程空对地战略巡航导弹,其隐身设计是采用光滑大曲率半径流线型弹体和外表光滑尺寸较小的翼身结合体,此形状可避免直角反射体引起的强散射,减小侧向散射强度,具有极高的隐身性能。
法国于1989年开发了阿帕奇隐身巡航导弹,头部采用尖点棱锥形,由4个共点的大后掠面组成。2003年的伊拉克战争中,英国空军首次使用该型导弹,其隐身效果显着。
模拟——引诱防御系统犯错
诱饵技术,可产生与威胁目标的身份特征相似或更强的信号特征,并与威胁目标共同行进,引诱防御系统的探测与识别,也称假目标技术。诱饵技术可分为雷达假目标、红外假目标、雷达/红外复合假目标等。据了解,目前国外已研制的弹头诱饵主要包括3类:模型诱饵、多特征诱饵和反模拟诱饵。
模型诱饵,此诱饵与弹头形状相仿,具有与弹头相似的雷达截面,能够模拟弹头的动态特征。同时,为了有效应对低轨天基红外侦察系统,模型诱饵与弹头保持了相近的温度,发射大致同等的红外能量。
多特征诱饵是模型诱饵的改良型。在真弹头与诱饵之间制造一定的差别,以避免弹头成为能唯一区别于其它诱饵的物体。例如,使各诱饵长度和曲率半径有所差异,采取产生不同温度的表层,以此达成各种诱饵雷达截面、红外特征、惯性运动的多样化。
反模拟诱饵是通过对弹头本身进行伪装,以提高防御系统识别难度。主要有:包络球技术,即气球将弹头包起来,并释放多个同类气球,雷达无法判别每只气球里是什么;多层绝热防护罩技术,即利用多层金属包裹的塑料伪装弹头,使雷达无法穿透;诱饵云技术,此种方法是用一团雷达反射诱饵云替代金属气球或绝热层,由于雷达无法探测到其中的弹头,可以起到隐蔽效果。
干扰——对辐射源进行“围猎”
电子对抗技术,可在威胁目标周围产生噪声背景或构建多个虚假信号源,以降低探测设备的作用距离或识别能力。俄罗斯目前在役的最为先进和成熟的路基机动洲际白杨-M导弹,就配有相当数量的箔条、大功率电子干扰机等电子对抗设备。
“矛”与“盾”的对抗态势总是水涨船高,先进的突防技术是破击防御体系、夺取战争主动权的重要手段。美国在20世纪80年代,力图将雷达、通信、电子战系统集中于一套平台之中,目前已经发展到第4代。2004年9月,美地基中段弹道导弹防御系统实际部署,并宣称具备防御作战能力。21世纪初,美国国防高级研究计划局提出“狼群计划”,开始了网络化电子战技术的研究,通过使用大量相互协作的小型干扰机,像狼群围攻猎物一样对敌方的辐射源进行“围猎”。

本期邀请国防科技大学黄知涛教授为您解读——

本文引用地址:

“指纹”识别:给你一双战场“火眼金睛”

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黄知涛,国防科技大学电子科学与工程学院教授,博士生导师,信息与通信工程方向学术带头人。多年从事辐射源指纹识别基础理论及其应用研究,发表相关SCI论文50余篇。第十四届全军学习成才标兵,中国青年科技工作者协会理事,全国百篇优秀博士学位论文提名获得者,入选教育部新世纪优秀人才支持计划。

通信信号指纹识别的本质是模式识别问题,识别的过程由设计和实现组成。设计是指用一定数量的样本进行分类器设计,实现是指用设计的分类器对待识别的样本进行分类决策。

每个人都有自己独一无二的指纹,在日常生活中人们也经常用到指纹。如果说,雷达、通信电台这些辐射源也都有“指纹”,你会觉得惊讶吗?上世纪60年代,美国政府正式提出辐射源“指纹”的概念,目的是指示移动的通信发射机目标。准确地识别这些“指纹”,对于军事作战具有重要价值。随着需求的发展,“指纹”识别的重要性日益凸显,国外经过几十年的研究积累,目前辐射源“指纹”识别技术已经向实用化、体系化方向发展。

2 通信信号指纹识别方法
2.1 特征参数值域判别法
采用特征参数值域判别法,首先要提取一个或多个能反映通信信号个体特征的参数值,根据各特征参数所在的值域范围,采用模式识别的方法进行个体识别,分析处理的主要过程是在时域和频域。
特征参数值域判别法也可以通过计算特征类的距离进行个体识别,其难点在于如何从原始测量数据提取和选择合适且必要的特征向量进行计算,重点是特征的提取和选择算法。
2.2 信号模本匹配识别法
信号模本匹配识别法的基本思想如下:
(1)对同一种通信信号形式中的N个信号进行参数提取,提取的特征参数为M个,N个已知信号的同一个特征参数值各不相同,这样,每一个信号就有M个特征参数值与其他信号相区别;
(2)将N个信号的M×N个特征参数存入数据库,建立包含N个已知信号模本的模本库;
(3)提取待识别信号的M个特征参数,与模本库中的模本进行比较,如果提取的特征参数与模本库中的某模本相匹配,即可完成个体识别。

巧妙识别,唯一特性暗含身份密码

2.3 通信信号指纹识别分类器
在统计模式识别中,分类器即分类算法的基本任务是根据某一准则把一个给定的由特征向量表示的输入归入到一个适当的特征类别,即实现从特征空间到决策空间的转换,从而完成特征类的分类任务。
目前常用的分类器是基于统计决策理论的参数和非参数分类算法,如线性和广义线性决策函数,k-最近邻算法(K-NN),二元分类树等。如果待识别特征的概率密度函数已知或可以通过样本得到精确估计,那么这些分类算法可以得到最佳识别性能,但是在通信信号指纹识别问题中,这些条件很难满足,传统分类器难以获得满意的个体识别性能。主要缺点是识别率低、稳健性差。
决策理论的发展克服了传统分类器的不足,提出了更先进的不确定性推理理论,在此基础上,分类器识别性能得到了显著提高。其中,神经网络分类器作为一种先进的自适应、非参数和非线性分类器。为进行信号模式识别开辟了一条新途径。神经网络是一种以自组织、自适应和大规模分布式并行计算为特征的非线性信号处理系统,具有强大的模式识别分类和泛函逼近能力,并具有良好的容错性。
组合分类器是近年来提出的一个新课题,指通过一个组合器对不同分类器的输出作第二次判决,由于融合了多个分类器的决策,所以可以得到更好的分类性能,而其中的每个分类器都不要求是最优的,为通信信号的识别提供了新途径。

俗话说,“世界上没有两片相同的树叶”。日常生活中,我们往往会遇到双胞胎或者多胞胎,而实际中的辐射源(如雷达、通信电台等)就如同一胎多胞的兄弟,具有同一型号的数以千计的辐射源,要想准确区分,还真是难上加难。

3 一种基于证据理论的个体识别方案
文中对通信信号指纹的研究主要采用“机理研究-特征分析-特征提取-分类实验”的方法,其中由于实际通信信号信噪比变化范围大,容易导致识别率下降,直接影响分类器的分类性能。基于D-S证据组合原理进行分类器设计,可以由不同类别指纹特征参量集进行特征提取,下面给出一种基于证据理论组合分类器的辐射源个体识别的设计方法,其结构如图2所示。本文引用地址:

怎样才能分辨出外表看起来一模一样的多胞胎兄弟呢?利用指纹我们就可以把一群多胞胎兄弟一一区分开来。那么,对于“人数众多”的辐射源多胞胎兄弟们来说,它们是否也存在“指纹”,是否也同样可以利用“指纹”来识别它们呢?答案是肯定的。

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为了与我们通常意义上的人类生物指纹作区别,辐射源的“指纹”通常被冠以“辐射源指纹”的名称。辐射源的“指纹”是怎样产生的呢?这个问题一直困扰着众多研究人员。时至今日,虽然还不能完全精确解释辐射源指纹产生的机理,但仍然可以从中发现端倪。

对于接收到的通信信号,首先通过通信信号预处理,再进行指纹特征提取,通过确立通信信号的载频、调制参数及杂散成分特性为稳态信号指纹,可以对上述特征运用时域、频域分析方法和现代时频域和高阶谱方法进行特征分析提取。在分类器设计方面,第一级分类器可以选用特征参数值域判别法、信号模本匹配识别法等方法实现第一级分类,第二级采用并行组合分类器,这样将高维特征空间的判分问题转化为针对不同低维空间进行划分的问题,再对第一级分类器的输出作第二次判决。这样,融合了多个分类器的决策,能够获得较好的分类性能。
D-S证据组合分类器对独立的信息才能进行融合,其关键在于基本概率分配函数(BPA)的确定。文献认为如果各分类器使用不同的特征集或训练集,则可认为不同分类器结果之间是独立的。因而,文中利用不同的辐射源个体特征训练不同的成员分类器,并进行D-S证据理论组合,可以根据需要选择合适的证据组合规则进行通信辐射源类别的判断。

正如生物指纹被认为是人类的固有属性一样,辐射源指纹也被认为是辐射源的固有属性,这种固有属性无法消除和伪造,具有唯一性。其主要来源于两个方面,一是半导体器件固有的非理想特性,二是辐射源制造过程中产生的各种误差。简而言之,现实与理想的差距是辐射源指纹产生的主要根源。

4 结束语
随着通信技术的飞速发展,通信体制和调制样式更加复杂多样,通信电台的配置数量不断增加,常规电子侦察采用的信号特征,如载波频率、调制样式和调制参数等在复杂多变的信号环境下,已难以满足现代战场的需求。通信辐射源识别主要研究体现同类辐射源之间个体差异的信号指纹的分析提取技术。分析了通信辐射源的指纹选择问题,对信号指纹进行通信辐射源的机理进行分析,对目前通信信号的指纹识别的常用方法进行了总结,并提出了一种基于证据理论的通信辐射源指纹识别方法。

既然辐射源指纹是辐射源的固有属性,那我们怎样才能“看”到辐射源指纹呢?与人类的生物指纹不同,辐射源的“指纹”一般隐藏在信号中,通常难以直接“看”到。而经过几十年的研究,针对雷达和通信电台这两类辐射源,人们逐渐发展形成了两大类辐射源指纹观测技术体系,其基本思路都是从时域、频域、调制域、变换域等不同的“视角”来观察指纹,根据指纹在不同“视角”表现出的不同特点,再运用一些有效的数学工具来提取指纹。

精准区分,实时监视掌控战场态势

早在越南战争中,美军就开始利用辐射源指纹识别技术识别敌我双方的雷达。在科索沃战争中,该技术的功效进一步得到了实战检验。在此之后的几年时间里,具备辐射源指纹识别功能的新型电子侦察系统迅速装备到美国各军兵种的预警、侦察以及电子战装备上。

从目前公开的资料与报告看,美军已经加装或正在加装大量具有辐射源指纹识别功能的模块平台,无论是空中的E-3、P-3等无人侦察机,还是情报收集船、海洋监视卫星等,美军已经建立了超过30000部雷达指纹特征库。除美国外,英国和加拿大也已开发出辐射源指纹识别系统,而德国正在研制的“欧洲鹰”无人机以及捷克的“维拉”系统也声称具有辐射源指纹识别能力。

辐射源指纹识别技术最神奇的功能是能够把众多生产厂家、型号、参数完全相同的电子设备准确区分出来,进而可以获取更多有价值的情报。

——识别敌方不同作战单位的身份。即使各个作战单位装备了同型号的电子设备,辐射源指纹识别技术也能将这些设备一一区分开来,并与对应作战单位相关联,从而实现对作战单位身份的识别。

——识别敌方真实目标与诱饵目标。辐射源指纹具有唯一性,无法消除和伪造。虽然诱饵目标可以发射与真实目标高度相似的信号,但却无法伪造与真实目标完全一致的辐射源指纹。利用指纹识别技术就能有效地区分真实目标与诱饵目标。

——获取战场电磁态势,了解敌方兵力部署情况及活动规律。利用辐射源指纹识别技术可以区分不同作战单位的身份,进而获取敌方兵力部署情况。通过对各个作战单位进行跟踪监视,就可以有效掌握其活动规律。

辐射源指纹识别技术除了具有军事价值外,在民用领域也越来越体现出广阔的应用前景。目前无线网络的身份认证方法普遍基于密钥认证方式,一旦发生密钥泄漏,就会形成极大的安全隐患。例如在五花八门的无线网络攻击中,最具威胁的一种是设备模拟攻击,攻击者可以模拟所有的识别信息,因此安全系统很难识别入侵者,造成巨大的安全漏洞。针对这种攻击,只有利用不可模仿的识别信息才能有效识别入侵者,这也正是辐射源指纹识别技术的优势所在。

“战争利器”,尚需在未来实战中完善

新事物的发展从来不会一帆风顺,辐射源指纹识别技术的发展也一直伴随着怀疑与挑战。然而,实战是对军事技术最好的检验。尽管辐射源指纹识别技术在实战中显示了巨大的军事价值,但迄今仍面临一些关键性挑战。

——对辐射源指纹产生机理的精确解释。已有的研究尚未完全解释辐射源指纹产生的根源是什么。能不能找到完备的模型来精确描述辐射源指纹产生的机理?

——对辐射源指纹稳定性的深入认识。辐射源指纹是不是一成不变的?影响辐射源指纹的本质因素又有哪些?这些问题在辐射源指纹识别技术领域尚待进一步的研究。

——对辐射源指纹观测方法的深入研究。已有的关于辐射源指纹观测方法的研究主要还是基于试验探索阶段。这些方法尚不能保证精确地观测到所有辐射源指纹。

辐射源指纹识别技术正是在各种怀疑和挑战中成长起来的。虽然还没有完全成熟,但它的神奇功能在实战中已经初显神威,令各大军事强国为之着迷。

相信辐射源指纹识别技术这把“战争利器”,经过未来实战的不断检验和完善,必将显示出日益强大的生命力。(原标题:揭秘辐射源指纹识别技术:监控敌方兵力部署)

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