特征匹配与假设检验的信号确认范文

《系统工程与电子技术杂志》2014年第五期

1基于特征匹配与假设检验的仿真信号确认方法

基于方法的实用性和有效性考量，以下将结合仿真确认评审的常见约束条件、仿真信号的特征来展开研究。

1.1仿真信号的特征匹配水平仿真置信度是指仿真系统作为原形系统的相似替代系统，在特定的建模与仿真的目的和意义下,在总体结构和行为水平上能够复现原形系统的可信性程度。概念的关键性内涵包括3点：仿真用于替代，替代应求真实，满足特定目的。作为仿真要求来讲，这可以概括为逼真、顶用，与之对应就有确认评审时的两个特性考量：仿真的一致性和试验的目的性。至于仿真信号，工程应用所关注的是信号的特征，在定量分析仿真置信度时需要考量信号的特征参数。为了确认信号仿真系统所输出的仿真信号，需要反复分析系统输出信号以估计仿真信号与实测信号的一致性水平，和/或估计仿真信号满足试验要求的程度。为简明计，下面将仿真信号的一致性水平和对试验要求的满足程度统称为特征匹配水平。由于受到试验危险性、非合作目标等因素的制约，目标回波等复杂水声信号的实测样本通常十分有限，且装备试验所关注的只是信号的部分而非全部特征，直接比对仿真信号与实测信号既无必要又十分不便。因此，转而利用被关注的特征参数并根据对应的参考标准去确认仿真信号的特征匹配水平。仿真确认时，特征参数的参考标准通常根据小样本实测信号的分析结果、领域专家的主观判定、用户对仿真信号的期待或者综合三者预先给定。

1.2基于假设检验的仿真信号确认方法针对仿真信号的随机性特点，其特征参数被视为随机变量。假设ξ∈Ρ，Ρ为的特征参数集。通常，的概率分布类别可以根据仿真应用领域的专门知识初步确定，以抽样分布直方图直观验证，然后采用分布假设检验方法最终确定。从系统所输出的仿真信号中抽样，可得ξ的观测样本。从定量分析的视角，对仿真信号特征匹配水平的要求可以表达为对信号特征参数的要求，确认仿真信号是在仿真校核、验证工作之后，已处于信号仿真工程的末期阶段，此时的信号仿真系统已经过开发者的校核与验证。考虑到该特点，并根据“保护原假设”的原假设设定原则，设定假设检验模型的原假设、备选假设，基于特征匹配和假设检验确认仿真信号的问题可以转化为模糊假设检验模型Ⅰ。根据上述讨论，提出一种基于特征匹配和假设检验的仿真信号确认方法，其步骤如下：步骤1给定信号特征参数的接受标准根据仿真试验的要求给定信号特征参数的接受标准，该接受标准只需以某种特定的形式表述，比如接受模糊数、接受区间等。步骤2建立模糊假设检验模型从特征匹配和定量分析的视角，建立关于这些信号特征参数的模糊假设检验模型。对于所关注的每一个信号特征参数，可以建立模型Ⅰ形式的一个模糊假设检验模型。步骤3当前信号仿真系统输出信号的抽样计算从当前信号仿真系统的输出信号中抽样，可得仿真信号的N个样本。对每一个样本信号，计算特征参数ξ的值。

1.3进一步讨论利用上述方法所作出的推断主要受仿真信号特征参数固有特性的影响，但应用过程涉及的检验P-值、统计量观测值处理、参数主观取值问题等细节的影响不容忽视。

1.3.1检验P-值对于假设检验问题，利用样本观测值能够作出拒绝原假设的最小显著性水平，就是检验P-值。特别的，结合确认仿真信号的假设检验，显著性水平意味着作为统计推断根据的小概率事件原理的“小概率”标准，将影响着确认仿真信号的结论。基于单一因素考量，P-值越小，拒绝原假设的证据越充分；反之，则支持原假设的证据越充分。因此，仿真信号特征统计量的观测值应当有足够的样本量；另一方面，根据著名的Jeffreys-Lindley悖论，当样本容量充分大时几乎全部得出拒绝原假设的结论，故一味地增大样本容量并不可取。在样本容量很大时的观测值处理需要讲究技法，批均值法、重复批均值法是一个很好的选择。

1.3.2统计量观测值的重复批均值法处理信号仿真系统可以长时间独立运行，确认仿真信号需要充分的试验分析，因而获取、分析信号仿真系统的稳态仿真结果可行而必要，仿真信号特征统计量的观测值处理适宜采用重复批均值法。对于假设检验，所作统计推断犯第一类错误的风险随着λ的增大而增大，其利弊必须综合权衡。事实上，假设检验是基于小概率事件原理的，该原理对于原假设、备选假设的保护具有不对等性，模型Ⅰ原假设的设定考虑了“开发者已对系统作过校核与验证”的实际且基于“保护原假设”的原假设设定原则。考虑仿真应用“弃真”、“纳伪”的实际意义，对影响犯第一、二类错误的原假设设定应当审慎，以适应仿真应用的风险。根据装备工程仿真的经验，确认仿真信号一般取比较适宜。

2应用实例

目标回波信号是声制导鱼雷主动探测系统的信息源，以下简称为目标信号。目标信号涉及发射信号、目标类型等许多因素，下面仅在给定条件下简要说明方法的应用。

2.1回波模型及特征参数矩形线性调频脉冲是典型的声自导发射信号，其波形函数为回波信号与发射信号相比，存在着时延、频移和幅度衰减。其中，时延包含了目标距离的信息，频移包含了目标径向速度的信息，幅度衰减包含了目标距离及散射特性、传输信道（随机散射体）等信息。在目标信号的数字仿真中，这些信息均被作为仿真需求以量化形式表述，通过模型(7)中仿真参数的调节得到实现。

2.2仿真目标信号样本及其特征参数观测值根据装备试验的要求，需要确认仿真目标信号的回波强度、多普勒频移和脉冲展宽等特征参数值是否满足需要，该3个参数依序分别记为1ξ、2ξ、3ξ。这里，仅以2ξ为例说明方法的应用。利用所开发的目标信号仿真系统抽样，获得了仿真目标信号的样本。例如，LFM发射信号及系统某次输出仿真目标信号的一个时域波形如图2所示，其中调频区间，脉冲宽度66ms，信号幅度已归一化处理。

2.3确认仿真目标信号根据装备试验的需要，仅对中心频率设定要求，通过考量声源与目标的相对速度设定2ξ的接受标准，预定标准由模糊数=2~A“+41.5Hz左右”表示，最大误差为不超过±1.5Hz。设显著性水平α=0.05，2~A的λ=0.85的水平截集为。查t分布的概率分布表。根据(5)式，得到拒绝域为目前，所研制的仿真目标信号已经用于鱼雷专用检测设备，用户对该设备中目标信号部分的反馈信息是“仿真信号的特征参数稳定、精度高”。这既是对仿真信号的肯定，又侧面验证了确认结论的可靠性。同时，考虑到目标信号难以获取，文中方法体现出适用性较广的特点，即在真实信号实测样本数据不充分的情况下仍能适用，因而具有更强的实用性。

3结束语

通过主观判断确认仿真信号难免产生谬误和争议，停留于复核开发者的校核验证报告又难避利益关联之嫌，独立定量分析则有助于增强确认结论的可靠性，有效降低仿真应用风险。结合复杂水声信号，所提出的方法迎合了工程需求，且在仿真信号特征参数可视为随机变量且满足参数假设检验的条件时便可适用。当然，该方法也存在过程复杂、运算量大的不足，但较之应用置信度不高的仿真信号所承担的风险仍不失为明智之举。仿真开发者利用该方法确认仿真信号，可消除推出劣质仿真信号的隐患；仿真用户利用该方法亲历确认过程，可增强使用当前信号仿真系统的信心。基于统计推断作出的结论为确认仿真信号提供有效的决策支持，该方法有望成为信号真技术的基础之一。下一步，将对特征参数相关性及其处理、统计推断犯不同类别错误的决策风险分析方法作深入研究。

作者：胡伟文姜礼平梅丹刘永凯单位：海军工程大学理学院