認知雷達研究進展(）

1、認知雷達研究進展0引言傳統(tǒng)雷達通常采用固定的發(fā)射信號，通過接收端的自適應處理及 濾波算法的設(shè)計來提高性能。由于雷達的測量、分辨性能和雜波屮 目標的檢測在很大程度上取決于發(fā)射的波形，對于日益復雜的戰(zhàn)場 環(huán)境及密集雜波、多目標背景等挑戰(zhàn)，發(fā)射波形固定，當環(huán)境發(fā)生 變化時，緊靠接收端的自適應已難以獲得理想的效果。同時，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)代相控陣雷達，能夠在微秒至百微秒級進 行波束指向改變和波形捷變，具有高度的自適應能力和靈活性。當 前的硬件技術(shù)水平已為實現(xiàn)雷達系統(tǒng)發(fā)射端的自適應提供了良好 的基礎(chǔ)。在此背景下，認知雷達(cogniti

2、ve radar)概念的提出， 指明了未來雷達的智能化發(fā)展趨勢。認知雷達通過對歷史和當前環(huán) 境的檢測、分析、學習、推理和規(guī)劃，利用相應結(jié)果自適應調(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、信號形式、 發(fā)射功率、信號處理方式等)，達到與外部環(huán)境和目標狀態(tài)相匹配, 獲取最佳性能。認知雷達具有從接收機到發(fā)射機的信息反饋，利用 所感知的信息以及其它先驗知識，對發(fā)射機和接收機進行聯(lián)合自適 應設(shè)計，以實現(xiàn)對目標有效、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。認知雷達能夠更加適應r益復雜的戰(zhàn)場環(huán)境及越來越擁擠的無線 電環(huán)境，因而，自2006年提出以來，受到了極大地關(guān)注。本文分 析、研究

3、了認知雷達的相關(guān)概念、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向, 提出了開展認知雷達研究的基本思路。1認知雷達概念的提出受蝙蝠回聲定位系統(tǒng)及認知過程的啟發(fā)，國際著名信號處理專家 simon haykin于2006年首次提出了認知雷達的概念1。人類和動 物的基本認知過程如下圖1所示，他們通過反饋信息感知、分析其 行為作用結(jié)果，并利用經(jīng)驗調(diào)整其行為活動，以實現(xiàn)最優(yōu)、智能的 行為控制，并學習更新其經(jīng)驗知識。圖1認知循環(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)具有很高的認知性，可以在目標跟蹤的不同 階段改變發(fā)射聲波脈沖的參數(shù)。蝙

4、蝠在捕獵過程中，根據(jù)目標所處 的位置和狀態(tài)，采用不同頻率和波形的聲波對獵物進行搜索、跟蹤 和捕獲。在搜索階段，蝙蝠使用低頻、長周期的聲波搜尋目標。當 有口標出現(xiàn)時，它改用頻率較高，周期較短的聲波對口標進行識別, 同吋估計目標的方位和飛行速度。一旦目標被確定，蝙蝠再次改變 聲波的頻率和波形，開始對目標進行捕獲。這時，它不再對目標的 特征感興趣，而是關(guān)注冃標的精確位置和運動規(guī)律。認知雷達受蝙蝠回聲定位的啟發(fā)，通過發(fā)射-接收電磁波感知環(huán) 境，利用它與環(huán)境不斷交互時得到的信息，結(jié)合先驗知識和推理， 不斷地調(diào)整它的接收機和發(fā)射機參數(shù)，自適應地探測目標。認知雷 達的基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。圖2認知雷達閉環(huán)反

5、饋結(jié)構(gòu)圖fig.2 block diagram of cognitive radar viewed as a dynamic closed-loop feedback system由認知雷達系統(tǒng)閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)可以看出，認知雷達的發(fā)射模式和 傳統(tǒng)雷達有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)雷達發(fā)射波形與環(huán)境無關(guān)，而且在 發(fā)射過程中沒有利用任何接收到的信息反饋到發(fā)射端，每次發(fā)射都 是重復同樣的波形。認知雷達卻不同，在發(fā)射端，每次都會根據(jù)獲 取的信息改變發(fā)射波形，以實現(xiàn)和環(huán)境的最優(yōu)匹配。環(huán)境分析器為 接收機提供壞境分析結(jié)果，這些信息主要是雷達回波和其他環(huán)境信 息（如溫度、濕度、壓強和海洋狀態(tài)），為接收機對目標做出判定 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 知識（包括地形、非合作冃標特性等），持續(xù)對冃標的可能存在性 進行判斷。接收系統(tǒng)對雷達數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，明確了雜波和目標 的模型。然后，接收系統(tǒng)將這些信息反饋給發(fā)射機，發(fā)射機根據(jù)該 信息，調(diào)整發(fā)射波參數(shù)，再次照射環(huán)境目標，如此循環(huán)不停地重復。 反饋機制是認知系統(tǒng)所必需的，而探測目標的過程是在貝葉斯目標 跟蹤器中完成的。認知雷達與自適應雷達的區(qū)別有三個重要方面：認知雷達對環(huán)境的認識，是通過與環(huán)境不斷地交互得來的，它持 續(xù)地學習環(huán)境，再利用學來的信息提高接收系統(tǒng)的性能，積累經(jīng)驗。發(fā)射器智能地調(diào)整對環(huán)境的照射。它根據(jù)目標的尺寸、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)。整個雷達系統(tǒng)組成一個動態(tài)而封閉的發(fā)射器-環(huán)境-接2認知雷達研究現(xiàn)狀利用google學術(shù)搜索檢索參考文獻1認知雷達開創(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 科技大學的糾博2-5 o糾博是國內(nèi)研究認知雷達方面比較早的， 檢索發(fā)現(xiàn)，其也獲得2011年國家自然科學基金“寬帶認知雷達自 適應波形優(yōu)化設(shè)計研究”的支持。其主要針對目標識別，研究雷達 的最優(yōu)發(fā)射波形。王彬等人在認知雷達基礎(chǔ)上也提出了基于q學習 的自適應波形選擇算法6。此外，利用cnki、維普等檢索關(guān)鍵字“認知雷達

8、”和“感知雷達”（國內(nèi)部分作者將cognitive radar翻譯為感知雷達），以更加全 而查找國內(nèi)的研究現(xiàn)狀。國防科技大學的王宏強和夏洪恩等從認知 雷達的思想出發(fā)，研究了雜波環(huán)境下的波形自適應選擇問題，提出 了基于修正概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的波形自適應選擇目標跟蹤算法，顯著提 高了跟蹤性能7。國防科技大學的范梅梅等針對多個雷達目標的 識別問題，研究了認知雷達的波形口適應方法，明顯提高了多冃標 的識別性能8。此外，61081部隊張婷等參照認知雷達，提出了認 知衛(wèi)星導航系統(tǒng)的概念9。西北工業(yè)大學李曉花等提出了認知聲 納的概念10 o電了信息控制重點實驗室的沈妮等將認知概念發(fā)展 到電子戰(zhàn)裝備，以期實現(xiàn)智能化

9、的電子對抗11。碩博學位論文方面，筆者共檢索到國內(nèi)兩篇相關(guān)碩士論文，分別 是國防科大夏洪恩12的“基于目標跟蹤的波形自適應選擇技術(shù)” 和電子科技大學曹偉13的“認知雷達的波形設(shè)計算法研究”。均 是重點研究認知雷達中自適應發(fā)射波形的設(shè)計和選擇。由文獻可以看出，國內(nèi)研究主要集中在最優(yōu)發(fā)射波形的設(shè)計。通 常是定義特定的最優(yōu)化準則，根據(jù)目標和雜波的特性，求取最優(yōu)發(fā) 射波形的參數(shù)。在web of science中，檢索標題中含有cognitive radar的sci 索引論文共7篇，istp索引的會議論文共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、引的會議 論文共62篇?？梢?，認知雷達在國外的研究也處于剛起步階段。simon haykin 的學生 yanbo xue 的博士論文” cognitive radar: theory and simulations v是第一篇關(guān)于認知雷達的博士論文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)射端提出了近似動態(tài)規(guī)劃算法選擇發(fā) 射波形，并提出了嵌套認知雷達(nested cognitive radar)以提 高認知能力，做了大量地仿真工作，得出了一系列的有益結(jié)果。表 明將認知能力引入雷達，大大提高了雷達性能。此外，ric a

11、romero的博士論文也討論了認知雷達匹配濾波器的 設(shè)計和自適應15 o值得注意的是，自認知雷達一提出，美國國防部先進研究計劃署(defense advanced research projects agency, darpa) 領(lǐng)導者joseph r. guerci就對認知雷達進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等人也中請了一些關(guān)于認知雷達的專 利17, 18,國內(nèi)暫未檢索到相關(guān)專利。3認知雷達的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向認知雷達的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下兒個方面：(1) 最優(yōu)發(fā)射波形的設(shè)計和選擇。如何根據(jù)雷達回波和先驗知識 等，確定相應的優(yōu)化指標，釆取高

12、效、魯棒的算法，自適應地設(shè)計、 選擇發(fā)射波形參數(shù)，直接決定著雷達的智能程度。(2) 數(shù)據(jù)挖掘和基于知識的推理。認知雷達具有存儲器，如何從 大量的傳感器信號和“記憶”中挖掘出有效的信息并加以利用，是 實現(xiàn)智能行為的關(guān)鍵。(3) 資源分配的最優(yōu)化算法。在雷達波發(fā)射、計算、存儲等環(huán)節(jié), 如何規(guī)劃有限資源，對于多目標，如何設(shè)計、選擇發(fā)射波同時探測 不同特性的目標，使整個系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)，涉及到高效、穩(wěn)健 的最優(yōu)化算法的研究。(4) 需要進一步研究自適應波形的產(chǎn)生技術(shù)。多部認知雷達協(xié)同作戰(zhàn)是重要的發(fā)展方向，通過資源、信息的共 享和協(xié)作，以達到智能行為的涌現(xiàn)。此外，認知雷達對電磁環(huán)境的 認知、推理能力，

13、使得其能更有效的應對復雜的電磁環(huán)境以及各種 電子對抗。4總結(jié)與建議認知雷達的研制依托的硬件比較簡單，可直接升級i口裝備。從大 量的文獻可以看出，認知雷達能大大提高雷達的性能。而且這些研 究大都只是加入了部分的認知行為，對于先驗知識、推理，以及認 知雷達網(wǎng)絡(luò)等，目前研究較少。認知雷達的研究，國內(nèi)外都尚處于起步階段，未見報道認知雷達 實裝的出現(xiàn)。應抓住機遇、搶占先機，盡快開展相關(guān)研究。認知雷 達是一門交叉學科，需要結(jié)合雷達專業(yè)研究人員和人工智能相關(guān)學 科的研究人員。雷達專業(yè)人員可從事雷達技術(shù)指導和雷達仿真技術(shù) 研究；人工智能相關(guān)專業(yè)人員，可從事運籌學、最優(yōu)化算法、知識 推理等研究。認知雷達的相關(guān)理

14、論成果可部分推廣到通信裝備、導 航裝備、電子對抗裝備等的智能化研究中。參考文獻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，等雷達波形優(yōu)化的特征互信息方 法j.西安電子科技大學學報(自然科學版),2009, 36(1) : 139-144.3 糾博，劉宏偉，何學輝，等.基于凸優(yōu)化的寬帶雷達波形優(yōu) 化方法j電波科學學報，2009, 21(2): 264-269.4 糾博，劉宏偉，何學輝，等多特征子空間波形優(yōu)化設(shè)計

15、方 法j 電子與信息學報,2009, 31(12) : 2858-2863.5 糾博，劉宏偉，胡利平，等針對目標識別的波形優(yōu)化設(shè)計 方法j電子與信息學報,2009, 31(11): 2585-2590.6 王彬，汪晉寬，宋昕，等認知雷達中基于q學習的自適應 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，夏洪恩，程永強，等基于mpch的波形口適應冃標 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的多目標識別 認知雷達波形自適應方法j電子學報，2012, 40(1): 73-77

16、.9 張婷，李洪力，栗靖認知衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析 jl.北京電子科技學院學報，2010, 18(4): 42-46.10 李曉花，李亞安，崔琳，等新概念認知聲納初步研究j 魚雷技術(shù),2011, 19(5): 337-343.11 沈妮，肖龍，謝偉，等認知技術(shù)在電子戰(zhàn)裝備中的發(fā)展分 析j電子信息對抗技術(shù),2011, 26(6): 22-26.12 夏洪恩基于冃標跟蹤的波形口適應選擇技術(shù)d國防科 學技術(shù)大學研究生院，2010.13 曹偉認知雷達的波形設(shè)計算法研究d.電子科技大學， 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.