[发明专利]一种基于改进混合蛙跳算法的智能雷达海杂波预报系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于改进混合蛙跳算法的智能雷达海杂波预报系统及方法，系统由雷达、数据库和上位机依次相连组成，雷达对所检测海域进行照射，并将雷达海杂波数据储存到所述的数据库，所述的上位机包括数据预处理模块、鲁棒预报模型建模模块、智能寻优模块、海杂波预报模块、判别模型更新模块以及结果显示模块本发明针对雷达海杂波的混沌特性，对雷达海杂波数据进行重构，并对重构后的数据进行非线性拟合，引入改进混合蛙跳算法方法，从而建立雷达海杂波的智能预报模型，从而可以在线预测雷达海杂波。本发明所用的建模方法只需较少样本即可；且减少了人为因素的影响，智能性高，鲁棒性强。

主权项

一种基于改进混合蛙跳算法的智能雷达海杂波预报系统，包括雷达、数据库以及上位机，雷达、数据库和上位机依次相连，其特征在于：所述雷达对所检测海域进行照射，并将雷达海杂波数据储存到所述的数据库，所述的上位机包括数据预处理模块、鲁棒预报模型建模模块、智能寻优模块、海杂波预报模块、判别模型更新模块和结果显示模块：数据预处理模块，用以进行雷达海杂波数据预处理，采用如下过程完成：(1)雷达对所检测海域进行照射，并将雷达海杂波数据储存到所述的数据库；(2)从数据库中采集N个雷达海杂波回波信号幅值xi作为训练样本，i＝1,...,N；(3)对训练样本进行归一化处理，得到归一化幅值x‾i=xi-minxmaxx-minx]]>其中，minx表示训练样本中的最小值，maxx表示训练样本中的最大值；(4)将归一化后的训练样本重构，分别得到输入矩阵X和对应的输出矩阵Y：Y=x‾D+1x‾D+2...x‾N]]>其中，D表示重构维数，D为自然数，且D＜N，D的取值范围为50‑70；所述鲁棒预报模型建模模块，用以建立预报模型，采用如下过程完成：将数据预处理模块得到的X、Y代入如下线性方程：01vT1vK+Vγb*α*=0Y]]>其中权重因子vi由下式计算：其中是误差变量ξi标准差的估计，c1,c2为常量；求解得待估计函数f(x)：f(x)=Σi=1Mαi*exp(-||x-xi||/θ2)+b*]]>其中，M是支持向量的数目，1v＝[1,...,1]T,上标T表示矩阵的转置，是拉格朗日乘子，b*是偏置量，K＝exp(‑||xi‑xj||/θ2)，其中i＝1,…,M，j＝1,…,M，和exp(‑||x‑xi||/θ2)均为支持向量机的核函数，xj为第j个雷达海杂波回波信号幅值，θ是核参数，x表示输入变量，γ是惩罚系数；所述智能寻优模块，用以采用改进混合蛙跳算法对鲁棒预报模型的核参数θ和惩罚系数γ进行优化，采用如下过程完成：(A)：初始化青蛙群体参数，设种群青蛙数为P,最大迭代次数Maxgen，局部搜索的迭代次数Mmax，最大更新长度Dmax，分组数m以及每组青蛙数n，由于模型有两个参数需要优化，所以位置pi的维度为2维，随机生成每个青蛙的位置pi＝(pi1,pi2)，置初始迭代次数k＝0；(B)：计算所有青蛙的适应度值，并进行排序，分组，选取种群最优青蛙pg；(C)：按照下式对子群最差青蛙对子群中最差的青蛙进行更新，接着在子群内重新排序，然后对子群最差青蛙进行更新；重复该局部搜索过程Mmax次；D(k+1)＝W×(r1×D(k)+r2×D(k‑1)+r3×His(pw))+r4×(pb‑pw)p'w(k+1)＝pw(k)+D,‑Dmax≤D≤DmaxW＝We+(Ws‑We)×aa＝exp(‑30×(k/Maxgen)s)其中，pw为子群最差青蛙，pb为子群最优青蛙，Dmax为最大变异尺度，p'w为更新后的青蛙，r1、r2、r3、r4是0～1之间的随机数，k是当前迭代次数，W是权重因子，Ws、We是权重因子的起始值和最终值，s为大于1的整数。首先利用子群最优青蛙去更新，若新得到的青蛙优于原来子群最差青蛙，则取代之；否则种群最优青蛙代替子群最优青蛙进行更新，若新得到的青蛙优于原来子群最差青蛙，则取代之；否则随机生成一个青蛙取代原来子群最差青蛙。(D)：当所有子群的局部搜索都已经完成，对所有青蛙进行混合、排序和分组，选取种群最优青蛙pg；(E)：k＝k+1，若k<Maxgen，则转至步骤3；否则输出种群最优青蛙xg，为鲁棒预报模型的最优参数，算法终止；其中，初始种群大小为200，分组数10，每组子群数20，种群最大迭代数100，子群最大迭代数10，最大更新长度5，权重因子的起始值和最终值分别为0.9和0.4，s为3。所述海杂波预报模块，用以进行海杂波预测，采用如下过程完成：(a)在采样时刻t采集D个海杂波回波信号幅值得到TX＝[xt‑D+1,…,xt]，xt‑D+1表示第t‑D+1采样时刻的海杂波回波信号幅值，xt表示第t采样时刻的海杂波回波信号幅值，TX表示海杂波从第t‑D+1采样时刻到第t采样时刻的信号幅值矩阵；(b)进行归一化处理；TX‾=TX-minxmaxx-minx]]>(c)代入鲁棒预报模型建模模块得到的待估计函数f(x)计算得到采样时刻(t+1)的海杂波预报值。所述判别模型更新模块，用以按设定的采样时间间隔采集数据，将得到的实测数据与模型预报值比较，如果相对误差大于10％，则将新数据加入训练样本数据，更新预报模型。所述结果显示模块，用以将海杂波预报模块计算得到的预报值在上位机显示。