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(yīng)處理及濾波算法的設(shè)計來提高性能。由于雷達的測量、分辨性能和雜波中目標(biāo)的檢測在很大程度上取決于發(fā)射的波形，對于日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(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，緊靠接收端的自適應(yīng)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)的開展為直接數(shù)字合成產(chǎn)生合成波形奠定了根底。如現(xiàn)代相控陣雷達，能夠在微秒至百微秒級進展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)水平已為實現(xiàn)雷達系統(tǒng)發(fā)射端的自適應(yīng)提供了良好的根底。在此背景下，認知雷達cognitive rad

2、ar概念的提出，指明了未來雷達的智能化開展趨勢。認知雷達通過對歷史和當(dāng)前環(huán)境的檢測、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、信號形式、發(fā)射功率、信號處理方式等，到達與外部環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)相匹配，獲取最正確性能。認知雷達具有從接收機到發(fā)射機的信息反應(yīng)，利用所感知的信息以及其它先驗知識，對發(fā)射機和接收機進展聯(lián)合自適應(yīng)設(shè)計，以實現(xiàn)對目標(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。認知雷達能夠更加適應(yīng)日益復(fù)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，受到了極關(guān)注。本文分析、研究了認知雷達的相關(guān)概念、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)

3、及開展方向，提出了開展認知雷達研究的根本思路。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。人類和動物的根本認知過程如下列圖1所示，他們通過反應(yīng)信息感知、分析其行為作用結(jié)果，并利用經(jīng)歷調(diào)整其行為活動，以實現(xiàn)最優(yōu)、智能的行為控制，并學(xué)習(xí)更新其經(jīng)歷知識。圖1 認知循環(huán)的根本形式fig.1 human cognitive cycle in its most basic form蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)具有很高的認知性，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)。蝙蝠在捕獵過程中，根據(jù)目標(biāo)所處的位置和狀態(tài)，采

4、用不同頻率和波形的聲波對獵物進展搜索、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(biāo)。當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)時，它改用頻率較高，周期較短的聲波對目標(biāo)進展識別，同時估計目標(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，開場對目標(biāo)進展捕獲。這時，它不再對目標(biāo)的特征感興趣，而是關(guān)注目標(biāo)的準確位置和運動規(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(yīng)地探測目標(biāo)。認知雷達的根本構(gòu)造如下列圖2所示。圖2 認知雷達閉環(huán)反應(yīng)構(gòu)造圖fig.2 block diagram of co

5、gnitive radar viewed as a dynamicclosed-loop feedback system由認知雷達系統(tǒng)閉環(huán)反應(yīng)構(gòu)造可以看出，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應(yīng)到發(fā)射端，每次發(fā)射都是重復(fù)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環(huán)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(biāo)做出判定提供依據(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、非合作目

6、標(biāo)特性等，持續(xù)對目標(biāo)的可能存在性進展判斷。接收系統(tǒng)對雷達數(shù)據(jù)進展統(tǒng)計分析，明確了雜波和目標(biāo)的模型。然后，接收系統(tǒng)將這些信息反應(yīng)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(biāo)，如此循環(huán)不停地重復(fù)。反應(yīng)機制是認知系統(tǒng)所必需的，而探測目標(biāo)的過程是在貝葉斯目標(biāo)跟蹤器中完成的。認知雷達與自適應(yīng)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(xué)習(xí)環(huán)境，再利用學(xué)來的信息提高接收系統(tǒng)的性能，積累經(jīng)歷。發(fā)射器智能地調(diào)整對環(huán)境的照射。它根據(jù)目標(biāo)的尺寸、距離這些重要因素，以高效而強健的方式調(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

7、達研究現(xiàn)狀利用google學(xué)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篇的第一作者是電子科技大學(xué)的糾博2-5。糾博是國研究認知雷達方面比擬早的，檢索發(fā)現(xiàn)，其也獲得2011年國家自然科學(xué)基金“寬帶認知雷達自適應(yīng)波形優(yōu)化設(shè)計研究的支持。其主要針對目標(biāo)識別，研究雷達的最優(yōu)發(fā)射波形。王彬等人在認知雷達根底上也提出了基于q學(xué)習(xí)的自適應(yīng)波形選擇算法6。此外，利用ki、維普等檢索關(guān)鍵字“認知雷達和“感知雷達國局部作者將cognitive radar翻譯為感知雷達，以更加全面查找國的研究現(xiàn)狀。國防科技大學(xué)的王宏強和

8、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(yīng)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(yīng)選擇目標(biāo)跟蹤算法，顯著提高了跟蹤性能7。國防科技大學(xué)的梅梅等針對多個雷達目標(biāo)的識別問題，研究了認知雷達的波形自適應(yīng)方法，明顯提高了多目標(biāo)的識別性能8。此外，61081部隊婷等參照認知雷達，提出了認知衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念9。西北工業(yè)大學(xué)曉花等提出了認知聲納的概念10。電子信息控制重點實驗室的妮等將認知概念開展到電子戰(zhàn)裝備，以期實現(xiàn)智能化的電子對抗11。碩博學(xué)位論文方面，筆者共檢索到國兩篇相關(guān)碩士論文，分別是國防科大夏洪恩12的“基于目標(biāo)跟蹤的波形自適應(yīng)選擇技術(shù)和電子科技大學(xué)偉13的“認知雷達的

9、波形設(shè)計算法研究。均是重點研究認知雷達中自適應(yīng)發(fā)射波形的設(shè)計和選擇。由文獻可以看出，國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(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索引的會議論文共62篇?？梢姡J知雷達在國外的研究也處于剛起步階段。simon haykin的學(xué)生yanbo *ue的博士論文cognitive radar: theory and si

10、mulations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。說明將認知能力引入雷達，大大提高了雷達性能。此外，ric a 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(yīng)15。值得注意的是，自認知雷達一提出，美國國防部先進研究方案署defense advanced research projects agency, darp

11、a領(lǐng)導(dǎo)者joseph r. guerci就對認知雷達進展了大量深入的研究，并出版了一部著作16。在專利方面，simon haykin等人也申請了一些關(guān)于認知雷達的專利17，18，國暫未檢索到相關(guān)專利。3 認知雷達的關(guān)鍵技術(shù)及開展方向認知雷達的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：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(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)，采取高效、魯棒的算法，自適應(yīng)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

12、算、存儲等環(huán)節(jié)，如何規(guī)劃有限資源，對于多目標(biāo)，如何設(shè)計、選擇發(fā)射波同時探測不同特性的目標(biāo)，使整個系統(tǒng)的性能到達最優(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(yīng)波形的產(chǎn)生技術(shù)。多部認知雷達協(xié)同作戰(zhàn)是重要的開展方向，通過資源、信息的共享和協(xié)作，以到達智能行為的涌現(xiàn)。此外，認知雷達對電磁環(huán)境的認知、推理能力，使得其能更有效的應(yīng)對復(fù)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擬簡單，可直接升級舊裝備。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參加了局部的認知行為，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

13、，國外都尚處于起步階段，未見報道認知雷達實裝的出現(xiàn)。應(yīng)抓住機遇、搶占先機，盡快開展相關(guān)研究。認知雷達是一門穿插學(xué)科，需要結(jié)合雷達專業(yè)研究人員和人工智能相關(guān)學(xué)科的研究人員。雷達專業(yè)人員可從事雷達技術(shù)指導(dǎo)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(xué)、最優(yōu)化算法、知識推理等研究。認知雷達的相關(guān)理論成果可局部推廣到通信裝備、導(dǎo)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: a way of the future j. ieee signal processing magazine，2006，23(1): 30-40.2 糾博，宏偉，麗亞

14、，等.雷達波形優(yōu)化的特征互信息方法j.電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，36(1): 139-144.3 糾博，宏偉，何學(xué)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(xué)學(xué)報，2009，21(2): 264-269.4 糾博，宏偉，何學(xué)輝，等.多特征子空間波形優(yōu)化設(shè)計方法j.電子與信息學(xué)報，2009，31(12): 2858-2863.5 糾博，宏偉，胡利平，等.針對目標(biāo)識別的波形優(yōu)化設(shè)計方法j.電子與信息學(xué)報，2009，31(11): 2585-2590.6 王彬，汪晉寬，宋昕，等.認知雷達中基于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): 10

15、07-1012.7 王宏強，夏洪恩，程永強，等.基于mpda的波形自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤j. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(11): 2389-2392.8 梅梅，廖東平，丁小峰，等.基于wlstir的多目標(biāo)識別認知雷達波形自適應(yīng)方法j. 電子學(xué)報，2012，40(1): 73-77.9 婷，洪力，栗靖.認知衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析j. 電子科技學(xué)院學(xué)報，2010，18(4): 42-46.10 曉花，亞安， 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 妮，肖龍，偉，等.認知技術(shù)在電子戰(zhàn)裝備中的開展分析j.電子信息對抗技術(shù)，2011，26(6)

16、: 22-26.12 夏洪恩.基于目標(biāo)跟蹤的波形自適應(yīng)選擇技術(shù)d. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2010.13 偉.認知雷達的波形設(shè)計算法研究d. 電子科技大學(xué)，2011.14 yanbo *ue.cognitive radar: theory and simulations d. mcmaster university，201015 ric a romero.matched waveform design and adaptive beamsteering in cognitive radar applications d.the 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.