認(rèn)知雷達(dá)研究進(jìn)展(）

1、認(rèn)知雷達(dá)研究進(jìn)展0引言傳統(tǒng)雷達(dá)通常采用固定的發(fā)射信號(hào)，通過(guò)接收端的自適應(yīng)處理及 濾波算法的設(shè)計(jì)來(lái)提高性能。由于雷達(dá)的測(cè)量、分辨性能和雜波屮 目標(biāo)的檢測(cè)在很大程度上取決于發(fā)射的波形，對(duì)于日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng) 環(huán)境及密集雜波、多目標(biāo)背景等挑戰(zhàn)，發(fā)射波形固定，當(dāng)環(huán)境發(fā)生 變化時(shí)，緊靠接收端的自適應(yīng)已難以獲得理想的效果。同時(shí)，超大 規(guī)模集成電路技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為直接數(shù)字合成產(chǎn)生合 成波形奠定了皋礎(chǔ)。如現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)，能夠在微秒至百微秒級(jí)進(jìn) 行波束指向改變和波形捷變，具有高度的自適應(yīng)能力和靈活性。當(dāng) 前的硬件技術(shù)水平已為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射端的自適應(yīng)提供了良好 的基礎(chǔ)。在此背景下，認(rèn)知雷達(dá)(cogniti

2、ve radar)概念的提出， 指明了未來(lái)雷達(dá)的智能化發(fā)展趨勢(shì)。認(rèn)知雷達(dá)通過(guò)對(duì)歷史和當(dāng)前環(huán) 境的檢測(cè)、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃，利用相應(yīng)結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整系 統(tǒng)的接收和發(fā)射，使用最適合的系統(tǒng)配置(包括頻率、信號(hào)形式、 發(fā)射功率、信號(hào)處理方式等)，達(dá)到與外部環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)相匹配, 獲取最佳性能。認(rèn)知雷達(dá)具有從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的信息反饋，利用 所感知的信息以及其它先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行聯(lián)合自適 應(yīng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)有效、可靠且穩(wěn)健的感知和跟蹤，從而大幅 度提高系統(tǒng)的性能。認(rèn)知雷達(dá)能夠更加適應(yīng)r益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及越來(lái)越擁擠的無(wú)線 電環(huán)境，因而，自2006年提出以來(lái)，受到了極大地關(guān)注。本文分 析、研究

3、了認(rèn)知雷達(dá)的相關(guān)概念、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向, 提出了開展認(rèn)知雷達(dá)研究的基本思路。1認(rèn)知雷達(dá)概念的提出受蝙蝠回聲定位系統(tǒng)及認(rèn)知過(guò)程的啟發(fā)，國(guó)際著名信號(hào)處理專家 simon haykin于2006年首次提出了認(rèn)知雷達(dá)的概念1。人類和動(dòng) 物的基本認(rèn)知過(guò)程如下圖1所示，他們通過(guò)反饋信息感知、分析其 行為作用結(jié)果，并利用經(jīng)驗(yàn)調(diào)整其行為活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)、智能的 行為控制，并學(xué)習(xí)更新其經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。圖1認(rèn)知循環(huán)的基本形式fig1 human cognitive cycle in its most basic form蝙蝠的刨聲定位系統(tǒng)具有很高的認(rèn)知性，可以在目標(biāo)跟蹤的不同 階段改變發(fā)射聲波脈沖的參數(shù)。蝙

4、蝠在捕獵過(guò)程中，根據(jù)目標(biāo)所處 的位置和狀態(tài)，采用不同頻率和波形的聲波對(duì)獵物進(jìn)行搜索、跟蹤 和捕獲。在搜索階段，蝙蝠使用低頻、長(zhǎng)周期的聲波搜尋目標(biāo)。當(dāng) 有口標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，它改用頻率較高，周期較短的聲波對(duì)口標(biāo)進(jìn)行識(shí)別, 同吋估計(jì)目標(biāo)的方位和飛行速度。一旦目標(biāo)被確定，蝙蝠再次改變 聲波的頻率和波形，開始對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲。這時(shí)，它不再對(duì)目標(biāo)的 特征感興趣，而是關(guān)注冃標(biāo)的精確位置和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。認(rèn)知雷達(dá)受蝙蝠回聲定位的啟發(fā)，通過(guò)發(fā)射-接收電磁波感知環(huán) 境，利用它與環(huán)境不斷交互時(shí)得到的信息，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)和推理， 不斷地調(diào)整它的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)參數(shù)，自適應(yīng)地探測(cè)目標(biāo)。認(rèn)知雷 達(dá)的基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。圖2認(rèn)知雷達(dá)閉環(huán)反

5、饋結(jié)構(gòu)圖fig.2 block diagram of cognitive radar viewed as a dynamic closed-loop feedback system由認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)可以看出，認(rèn)知雷達(dá)的發(fā)射模式和 傳統(tǒng)雷達(dá)有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射波形與環(huán)境無(wú)關(guān)，而且在 發(fā)射過(guò)程中沒(méi)有利用任何接收到的信息反饋到發(fā)射端，每次發(fā)射都 是重復(fù)同樣的波形。認(rèn)知雷達(dá)卻不同，在發(fā)射端，每次都會(huì)根據(jù)獲 取的信息改變發(fā)射波形，以實(shí)現(xiàn)和環(huán)境的最優(yōu)匹配。環(huán)境分析器為 接收機(jī)提供壞境分析結(jié)果，這些信息主要是雷達(dá)回波和其他環(huán)境信 息（如溫度、濕度、壓強(qiáng)和海洋狀態(tài)），為接收機(jī)對(duì)目標(biāo)做出判定 提

6、供依據(jù)。貝葉斯跟蹤器按照環(huán)境分析器提供的環(huán)境信息以及先驗(yàn) 知識(shí)（包括地形、非合作冃標(biāo)特性等），持續(xù)對(duì)冃標(biāo)的可能存在性 進(jìn)行判斷。接收系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，明確了雜波和目標(biāo) 的模型。然后，接收系統(tǒng)將這些信息反饋給發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)根據(jù)該 信息，調(diào)整發(fā)射波參數(shù)，再次照射環(huán)境目標(biāo)，如此循環(huán)不停地重復(fù)。 反饋機(jī)制是認(rèn)知系統(tǒng)所必需的，而探測(cè)目標(biāo)的過(guò)程是在貝葉斯目標(biāo) 跟蹤器中完成的。認(rèn)知雷達(dá)與自適應(yīng)雷達(dá)的區(qū)別有三個(gè)重要方面：認(rèn)知雷達(dá)對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)，是通過(guò)與環(huán)境不斷地交互得來(lái)的，它持 續(xù)地學(xué)習(xí)環(huán)境，再利用學(xué)來(lái)的信息提高接收系統(tǒng)的性能，積累經(jīng)驗(yàn)。發(fā)射器智能地調(diào)整對(duì)環(huán)境的照射。它根據(jù)目標(biāo)的尺寸、距離這些重要因素

7、，以高效而健壯的方式調(diào)整發(fā)射波形參數(shù)。整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)組成一個(gè)動(dòng)態(tài)而封閉的發(fā)射器-環(huán)境-接2認(rèn)知雷達(dá)研究現(xiàn)狀利用google學(xué)術(shù)搜索檢索參考文獻(xiàn)1認(rèn)知雷達(dá)開創(chuàng)性論文。從2006年至今，該論文總共被直接引用150次，其中引用它的中 文論文共8篇。這8篇中文論文中，有4篇的第一作者是西安電子 科技大學(xué)的糾博2-5 o糾博是國(guó)內(nèi)研究認(rèn)知雷達(dá)方面比較早的， 檢索發(fā)現(xiàn)，其也獲得2011年國(guó)家自然科學(xué)基金“寬帶認(rèn)知雷達(dá)自 適應(yīng)波形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究”的支持。其主要針對(duì)目標(biāo)識(shí)別，研究雷達(dá) 的最優(yōu)發(fā)射波形。王彬等人在認(rèn)知雷達(dá)基礎(chǔ)上也提出了基于q學(xué)習(xí) 的自適應(yīng)波形選擇算法6。此外，利用cnki、維普等檢索關(guān)鍵字“認(rèn)知雷達(dá)

8、”和“感知雷達(dá)”（國(guó)內(nèi)部分作者將cognitive radar翻譯為感知雷達(dá)），以更加全 而查找國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀。國(guó)防科技大學(xué)的王宏強(qiáng)和夏洪恩等從認(rèn)知 雷達(dá)的思想出發(fā)，研究了雜波環(huán)境下的波形自適應(yīng)選擇問(wèn)題，提出 了基于修正概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的波形自適應(yīng)選擇目標(biāo)跟蹤算法，顯著提 高了跟蹤性能7。國(guó)防科技大學(xué)的范梅梅等針對(duì)多個(gè)雷達(dá)目標(biāo)的 識(shí)別問(wèn)題，研究了認(rèn)知雷達(dá)的波形口適應(yīng)方法，明顯提高了多冃標(biāo) 的識(shí)別性能8。此外，61081部隊(duì)張婷等參照認(rèn)知雷達(dá)，提出了認(rèn) 知衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念9。西北工業(yè)大學(xué)李曉花等提出了認(rèn)知聲 納的概念10 o電了信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的沈妮等將認(rèn)知概念發(fā)展 到電子戰(zhàn)裝備，以期實(shí)現(xiàn)智能化

9、的電子對(duì)抗11。碩博學(xué)位論文方面，筆者共檢索到國(guó)內(nèi)兩篇相關(guān)碩士論文，分別 是國(guó)防科大夏洪恩12的“基于目標(biāo)跟蹤的波形自適應(yīng)選擇技術(shù)” 和電子科技大學(xué)曹偉13的“認(rèn)知雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)算法研究”。均 是重點(diǎn)研究認(rèn)知雷達(dá)中自適應(yīng)發(fā)射波形的設(shè)計(jì)和選擇。由文獻(xiàn)可以看出，國(guó)內(nèi)研究主要集中在最優(yōu)發(fā)射波形的設(shè)計(jì)。通 常是定義特定的最優(yōu)化準(zhǔn)則，根據(jù)目標(biāo)和雜波的特性，求取最優(yōu)發(fā) 射波形的參數(shù)。在web of science中，檢索標(biāo)題中含有cognitive radar的sci 索引論文共7篇，istp索引的會(huì)議論文共21篇。將cognitive radar 作為主題詞檢索，檢索出sci索引論文共36篇，istp索

10、引的會(huì)議 論文共62篇。可見(jiàn)，認(rèn)知雷達(dá)在國(guó)外的研究也處于剛起步階段。simon haykin 的學(xué)生 yanbo xue 的博士論文” cognitive radar: theory and simulations v是第一篇關(guān)于認(rèn)知雷達(dá)的博士論文14。 其在接收端利用求容積卡爾曼濾波器(cubature kalman filter) 近似最優(yōu)貝葉斯濾波器，在發(fā)射端提出了近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法選擇發(fā) 射波形，并提出了嵌套認(rèn)知雷達(dá)(nested cognitive radar)以提 高認(rèn)知能力，做了大量地仿真工作，得出了一系列的有益結(jié)果。表 明將認(rèn)知能力引入雷達(dá)，大大提高了雷達(dá)性能。此外，ric a

11、romero的博士論文也討論了認(rèn)知雷達(dá)匹配濾波器的 設(shè)計(jì)和自適應(yīng)15 o值得注意的是，自認(rèn)知雷達(dá)一提出，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(defense advanced research projects agency, darpa) 領(lǐng)導(dǎo)者joseph r. guerci就對(duì)認(rèn)知雷達(dá)進(jìn)行了大量深入的研究，并出版了 一部著作16 o在專利方面，simon haykin等人也中請(qǐng)了一些關(guān)于認(rèn)知雷達(dá)的專 利17, 18,國(guó)內(nèi)暫未檢索到相關(guān)專利。3認(rèn)知雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向認(rèn)知雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下兒個(gè)方面：(1) 最優(yōu)發(fā)射波形的設(shè)計(jì)和選擇。如何根據(jù)雷達(dá)回波和先驗(yàn)知識(shí) 等，確定相應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)，釆取高

12、效、魯棒的算法，自適應(yīng)地設(shè)計(jì)、 選擇發(fā)射波形參數(shù)，直接決定著雷達(dá)的智能程度。(2) 數(shù)據(jù)挖掘和基于知識(shí)的推理。認(rèn)知雷達(dá)具有存儲(chǔ)器，如何從 大量的傳感器信號(hào)和“記憶”中挖掘出有效的信息并加以利用，是 實(shí)現(xiàn)智能行為的關(guān)鍵。(3) 資源分配的最優(yōu)化算法。在雷達(dá)波發(fā)射、計(jì)算、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié), 如何規(guī)劃有限資源，對(duì)于多目標(biāo)，如何設(shè)計(jì)、選擇發(fā)射波同時(shí)探測(cè) 不同特性的目標(biāo)，使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)，涉及到高效、穩(wěn)健 的最優(yōu)化算法的研究。(4) 需要進(jìn)一步研究自適應(yīng)波形的產(chǎn)生技術(shù)。多部認(rèn)知雷達(dá)協(xié)同作戰(zhàn)是重要的發(fā)展方向，通過(guò)資源、信息的共 享和協(xié)作，以達(dá)到智能行為的涌現(xiàn)。此外，認(rèn)知雷達(dá)對(duì)電磁環(huán)境的 認(rèn)知、推理能力，

13、使得其能更有效的應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境以及各種 電子對(duì)抗。4總結(jié)與建議認(rèn)知雷達(dá)的研制依托的硬件比較簡(jiǎn)單，可直接升級(jí)i口裝備。從大 量的文獻(xiàn)可以看出，認(rèn)知雷達(dá)能大大提高雷達(dá)的性能。而且這些研 究大都只是加入了部分的認(rèn)知行為，對(duì)于先驗(yàn)知識(shí)、推理，以及認(rèn) 知雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)等，目前研究較少。認(rèn)知雷達(dá)的研究，國(guó)內(nèi)外都尚處于起步階段，未見(jiàn)報(bào)道認(rèn)知雷達(dá) 實(shí)裝的出現(xiàn)。應(yīng)抓住機(jī)遇、搶占先機(jī)，盡快開展相關(guān)研究。認(rèn)知雷 達(dá)是一門交叉學(xué)科，需要結(jié)合雷達(dá)專業(yè)研究人員和人工智能相關(guān)學(xué) 科的研究人員。雷達(dá)專業(yè)人員可從事雷達(dá)技術(shù)指導(dǎo)和雷達(dá)仿真技術(shù) 研究；人工智能相關(guān)專業(yè)人員，可從事運(yùn)籌學(xué)、最優(yōu)化算法、知識(shí) 推理等研究。認(rèn)知雷達(dá)的相關(guān)理

14、論成果可部分推廣到通信裝備、導(dǎo) 航裝備、電子對(duì)抗裝備等的智能化研究中。參考文獻(xiàn)1 s. haykin. cognitive radar: away of the future j ieee signal processing magazine, 2006, 23(1): 30-40.2 糾博，劉宏偉，李麗亞，等雷達(dá)波形優(yōu)化的特征互信息方 法j.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009, 36(1) : 139-144.3 糾博，劉宏偉，何學(xué)輝，等.基于凸優(yōu)化的寬帶雷達(dá)波形優(yōu) 化方法j電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009, 21(2): 264-269.4 糾博，劉宏偉，何學(xué)輝，等多特征子空間波形優(yōu)化設(shè)計(jì)

15、方 法j 電子與信息學(xué)報(bào),2009, 31(12) : 2858-2863.5 糾博，劉宏偉，胡利平，等針對(duì)目標(biāo)識(shí)別的波形優(yōu)化設(shè)計(jì) 方法j電子與信息學(xué)報(bào),2009, 31(11): 2585-2590.6 王彬，汪晉寬，宋昕，等認(rèn)知雷達(dá)中基于q學(xué)習(xí)的自適應(yīng) 波形選擇算法j系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011,33(5): 1007-1012.7 王宏強(qiáng)，夏洪恩，程永強(qiáng)，等基于mpch的波形口適應(yīng)冃標(biāo) 跟蹤j系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011, 33(11): 2389-2392.8 范梅梅，廖東平，丁小峰，等基于wlstir的多目標(biāo)識(shí)別 認(rèn)知雷達(dá)波形自適應(yīng)方法j電子學(xué)報(bào)，2012, 40(1): 73-77

16、.9 張婷，李洪力，栗靖認(rèn)知衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析 jl.北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010, 18(4): 42-46.10 李曉花，李亞安，崔琳，等新概念認(rèn)知聲納初步研究j 魚雷技術(shù),2011, 19(5): 337-343.11 沈妮，肖龍，謝偉，等認(rèn)知技術(shù)在電子戰(zhàn)裝備中的發(fā)展分 析j電子信息對(duì)抗技術(shù),2011, 26(6): 22-26.12 夏洪恩基于冃標(biāo)跟蹤的波形口適應(yīng)選擇技術(shù)d國(guó)防科 學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2010.13 曹偉認(rèn)知雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)算法研究d.電子科技大學(xué)， 2011.14 yanbo xue cognitive radar: theory and simulations d mcmaster university, 201015 ric a romero. matched waveform design and adaptive bcamstccring in cognitive radar applications dthe university of arizona, 201016 joseph r guerci cognitive radar: the knowledge-aided fully adaptive approach m artech house, 2010.17 s. haykin, a. zia, y.