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基于关键区域识别的混合响应序贯试验设计方法

混合响应；克里金模型；多目标优化；感兴趣区域；空间填充设计；复杂约束；极值搜索

五、体系试验与评估 > 2.试验设计方法

随着干扰和抗干扰技术的发展，摸清雷达在复杂电磁环境下的性能边界愈加迫切。雷达抗干扰性能试验旨在对所生产的新型雷达的性能进行检测验证，掌握雷达装备在电磁干扰条件下的性能参数，为其顺利执行各项任务提供可靠保障。当前在雷达抗干扰性能试验中，往往存在定性定量多类型混合响应指标、试验空间复杂不规则、效应机理复杂、约束条件多重耦合等多重复杂特性并存的问题，在有限的试验样本量、时间和经费限制下，如何运用科学的试验设计方法从复杂的试验空间中合理选取试验样本并构建准确的代理模型，对武器装备的性能进行充分性考核，是当前雷达抗干扰性能等装备性能试验研究的热点和难点。

本文分别从混合响应代理模型构建、关键区域识别、基于关键区域的序贯采样以及性能极值寻优四个方面对上述难题展开研究。

首先本文针对装备性能试验中的定性定量多类型混合响应指标，基于多输出克里金模型的思想，提出混合响应克里金模型框架，引入分类响应潜变量实现数据类型的统一。通过构建混合响应协方差矩阵，对多种类型响应实现联合建模同时对响应间潜在相关性进行刻画，提升代理模型精度。提出一种潜变量近似嵌入的模型参数求解方法，实现对定性定量混合响应的有效处理和建模。

而后，为了在昂贵的装备性能试验中使用少量的试验样本获取有效的试验数据从而支撑代理模型的构建和效应机理的研究，本文依据代理模型特性对试验空间中的关键区域进行量化表征，并提出一种基于自组织映射和自适应多策略粒子群优化的多阶段关键区域识别算法，用于识别试验样本空间中含崎岖度、区域变化率、全局相似度、全局复杂度等四个方面特征的关键区域，为关键试验样本的选取提供指导和方向。

进一步，本文在最大投影-坐标交换算法的基础上进行改进，提出一种满足复杂约束并能够结合效应机理约束的改进最大投影-坐标交换空间填充设计方法，根据所选取的试验关键区域，生成满足效应机理约束的关键区域空间填充试验样本，为代理模型提供有效试验样本。

最后，面向寻找装备性能极值或边界的问题，本文提出考虑约束的混沌粒子群极值点搜索算法，在构建的精确代理模型基础上，实现对装备性能极值点或性能边界的高效寻优。

综合上述四个方面，本文提出一套基于关键区域识别的混合响应序贯试验设计理论方法和流程步骤。通过构建初始混合响应代理模型，关键区域识别分析、复杂试验空间填充设计序贯采样、混合响应代理模型更新等几个步骤不断重复迭代，达到满意的模型精度或指定样本数量等条件，进而构建更精确的代理模型，并进一步优化探索装备性能极值与边界。实现科学指导装备性能试验的开展、复杂代理模型的精准构建以及装备性能效应机理研究等目的。

为了验证所提方法的有效性，本文构造7个数值算例来验证混合响应克里金模型构建效果以及基于混合响应克里金模型的关键区域识别算法效果。进一步地，还通过引入3个真实世界数据集来对比分析所提混合响应克里金模型与其他相似功能模型的效果，结果表明所提模型具有明显优势，且在小样本数据中具有更强的适用性。同时，对所提关键区域识别算法中的相关参数进行敏感性分析，针对不同优化目标数量给出了最佳参数设置和最佳优化策略的建议。此外，使用复杂数值算例并在输入为2维、12维及24维的情况下，测试所提考虑约束的混沌粒子群极值点搜索算法的寻优速度及准确性，通过验证，2维、12维及24维情况下分别迭代120次、250次、300次能够实现算法收敛，且极值收敛精度小于0.001。

最后，还将所提整套基于关键区域识别的序贯试验设计方法流程应用在雷达抗干扰性能试验的实际工程应用中。通过对数据建模并开展对比分析，所提混合响应克里金模型表现的预测准确率仍然优于独立建模及其他联合建模方法，进一步验证了所提模型的工程适用性；提取关键区域特征并识别确定关键区域范围，对比基于关键区域构建代理模型和随机采样构建代理模型，结果证明关键区域的引入能够大幅提升代理模型的预测精度；通过可视化方法展示基于关键区域的空间填充序贯采样方法效果，使用最大最小距离准则及均匀性准则等多项指标定量地评价了序贯采样的有效性；最后使用所提考虑约束的混沌粒子群极值点搜索算法，对雷达抗干扰性能极值及边界进行刻画，得出符合效应机理的雷达抗干扰性能有效结论。经过实际工程案例验证，所提理论方法及流程步骤能够为相关数字化试验工程问题的解决提供科学有效的理论支撑和参考依据。