认知雷达系统技术发展综述

王晓海(空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室,西安 710100)

Digital Communication World - - 目次 Contents - 王晓海

摘要:认知雷达是引入并模仿人类认知特性的新一代智能雷达系统,具有完善的接收和发射自适应特征,通过与环

境的不断交互和学习,获取环境的信息,结合先验知识和推理,不断地调整接收机和发射机参数,自适应探测目标,旨在提高复杂、时变以及未知电磁环境与地理环境下的探测性能,它可以全面提升雷达系统的能力,是雷达技术发展的重要方向。文章介绍了认知雷达的基本概念,分析探讨了认知雷达的系统架构,关键技术及发展趋势。关键词:认知雷达;自适应;智能化;环境感知;最优波形;知识辅助;专家决策d o I:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.Z1.009

中图分类号:TN95 文献标示码:A 文章编码:1672-7274(2018)z1-0040-04

1 认知雷达提出背景

随着高科技武器信息化和智能化程度的不断提高,现代战争要求雷达有更远的探测威力、更高的跟踪精度、更准的目标识别能力、更强的抗干扰能力。现代雷达不仅要面对电子干扰、低空/超低空突防、高速反辐射导弹、隐身飞机等传统的四大威胁,还要具有多工作模式、处理多目标、执行多任务的多功能特性。对现代雷达而言,最具挑战性的问题是地面运动目标显示问题,它需要从各种复杂的环境中分辨出“移动的”人造地面目标。然而在现实环境中,非同态杂波、密集目标背景、大的离散体和人造建筑、双基地和非正侧阵列引起的非平稳杂波、电子对抗等诸多因素对雷达的性能有很大的影响。因此,现代雷达需要以智能、稳健、高效的工作模式和信息处理方法应对这些挑战。

作为一种传感器,雷达是通过与环境、目标相互作用来获取信息的。在复杂的背景下,固定的工作模式和不变的发射波形很难取得满意的性能,这是传统雷达的不足,也是雷达进一步发展所必须解决的问题。在整体能量、时间、频谱等资源有限的情况下,根据目标、环境变化合理分配和有效利用这些资源是下一代雷达发展必须面对的挑战。认知雷达可根据目标和外部环境特性智能地选择发射信号和工作方式以及进行资源最优分配,被认为是未来雷达发展的重要方向之一。

2 认知雷达概念内涵

2006年,加拿大Haykin S教授在一个学术研讨会上首次提出认知雷达概念。认知雷达是引入并模仿人类认知特性的新一代智能雷达系统,具有完善的接收和发射自适应特征,通过与环境的不断交互和学习,获取环境信息,结合先验知识和推理,不断调整接收机和发射机参数,自适应探测目标,旨在提高复杂、时变以及未知电磁环境与地理环境下的探测性能。

认知雷达的内涵可概括为“一个目的、两个层面、三个能力”。

(1)认知雷达的目的是通过引入人类认知思维,构建具有“精度高、调度快、性能稳、资源省”优点的全新雷达架构。这不仅仅是现代战争对雷达系统的需求,也是未来雷达系统的发展方向。

(2)认知雷达具有机器认知处理和人类认知监管两个层面。第一个层面是机器处理的层面,利用机器在海量数据处理等方面的优势,实现环境和目标特性的实时感知、目标的探测、跟踪和识别等。第二个层面是人类监管的层面,利用人类的经验和感觉等非因果处理能力,对认知雷达中机器处理的过程进行监管,避免过度优化、死循环等情况的出现。

(3)认知雷达具有以下三种能力,即环境自感知、处理自适应、能力自提高。环境自感知是指雷达

能够自主感知外界环境,解析战场态势,分析干扰样式;处理自适应是指雷达能够自主地分配系统资源,选择处理策略,认知收发处理;能力自提高是指雷达能够自主记忆处理结果,推演最优算法,更新知识结构。

认知雷达的本质就是通过与环境不断的交互而理解环境并适应环境的闭环雷达系统。

3 认知雷达体系结构

3.1 认知雷达闭环反馈

认知雷达通过发射—接收电磁波感知环境,利用它与环境不断交互时得到的信息,结合先验知识和推理,不断地调整其接收机和发射机参数,自适应地探测目标。认知雷达的基本结构如下图1所示。

由认知雷达系统闭环反馈结构可以看出,认知雷达的发射模式和传统雷达有着很大的区别。传统雷达发射波形与环境无关,而且在发射过程中没有利用任何接收到的信息反馈到发射端,每次发射都是重复同样的波形。认知雷达却不同,在发射端,每次都会根据获取的信息改变发射波形,以实现和环境的最优匹配。环境分析器为接收机提供环境分析结果,这些信息主要是雷达回波和其他环境信息(如温度、湿度、压强等),为接收机对目标做出判定提供依据。贝叶斯跟踪器按照环境分析器提供的环境信息以及先验知识(包括地形、非合作目标特性等),持续对目标的可能存在性进行判断。接收系统对雷达数据进行统计分析,明确了杂波和目标的模型。然后,接收系统将这些信息反馈给发射机,发射机再根据该信息,调整发射波参数,再次照射环境目标,如此循环不停地重复。反馈机制是认知系统所必需的,而探测目标的过程是在贝叶斯目标跟踪器中完成。 3.2 认知雷达系统架构

与传统雷达系统相比,认知雷达的系统架构是一个全自适应的闭合环路。其不仅实现了发射—环境—接收的大闭环,而且实现了知识的应用—评估—更新的闭环,如图2所示。认知雷达的系统架构中包含以下五个主要模块:高性能收发前端、动态知识库、环境感知模块、收发自适应处理、专家判决与人机交互模块。

高性能收发前端主要完成雷达信号的发射和接收。相比传统雷达,认知雷达需要获取的信息更多,因此对收发前端提出了更高的要求。

动态知识库主要用于存储、调度和更新各种类型的先验知识。动态知识库的存在是认知雷达走向智能化的重要基础,认知雷达的所有处理均离不开动态知识库的支撑,知识库应该包含环境知识、算法知识、系统知识、升级知识等多个层面的知识体系,并且知识能够实现自主的更新和升级。

环境感知模块主要完成对战场环境的感知。获取雷达所需要的地理和电磁环境信息,同时可以实现与多源传感器和多平台的信息交互,并在先验知识的辅助下,完成环境信息的分析和识别,对地理环境、电磁环境、干扰样式等进行有效甄别,为信号处理和资源配置提供相关的信息。

收发自适应处理模块主要完成认知雷达的信号处理。相比传统雷达,认知雷达的信号处理首先是全自适应的闭环体系,其不仅在接收端实现自适应,而且实现收发处理联合自适应处理,先验知识与接收数据联合处理,算法、资源、策略的多层次自适应调度,充分发挥多源信息和先验知识具有的优势,同时利用实时数据弥补先验知识在时效性上的缺陷。

专家判决与人机交互模块完成雷达性能的评估和反馈。专家判决和人机交互的存在是认知雷达走向智能化的重要标志,不同于机器人,雷达性能评估和作战使命不应该将人为因素排除在外,但考虑到人和机器在信息处理、信息交互等多个方面存在的不对称性,必须通过专家判决和人机交互去进行权衡,不仅避免了人在信息处理方面的瓶颈因素,而且也回避了机器自适应处理中因为过度优化而导致的系统性能损失。

认知雷达最重要的核心就是“全自适应的智能化认知处理”,这是整个认知雷达的大脑,特别是在当前雷达硬件趋同的大背景下,先进的信号处理体系直接决定了雷达的性能。

4 认知雷达关键技术

4.1 波形最优化技术

波形最优化技术主要包括两方面内容,即波形选择和波形设计的最优化。波形选择是指在雷达没有工作时设计好相应的波形、具体的波形参数值及波形库;雷达工作时根据当前所处的工作环境从波形库里面选择与本系统相匹配的波形及波形参数;波形设计是根据当前环境来设计自适应波形或设置波形参数;在雷达工作时,波形选择必须在整个波形库内搜索最优波形从而获得最优性能;事实上波形最优化是指在限定好的系统内实现系统的最大化性能,其系统性能是通过不同性能标准的代价函数来表现的,在最优化的过程中是通过目标函数作为依据来形成一定的性能准则。在雷达工作过程中所要参照的基准函数分为:目标检测阶段,即检测概率,检测时间,信号与杂检测波间的相关性,多普勒频率上的平均偏差系数等;目标识别阶段,即目标类别间的距离测度,目标与回波信号间的互时宽限制信息,对目标冲激响应的估计误差等;目标跟踪阶段,即各种形式的跟踪误差,回波与目标状态间的互信息;目标成像阶段,即重构与真实目标散射函数间的最小距离。.

4.2 场景感知与描述

认知雷达系统的重要组成部分之一是雷达场景分析仪,其主要功能是给雷达提供有关环境(包括目标周围环境和雷达工作环境)方面的信息,因此对接收机对可能存在的感兴趣的目标进行判决起着至关 重要的作用。场景分析仪给雷达接收机提供信息的方式主要有以下两种:一是雷达回波,即环境对雷达本身发射信号的反应;二是传感器提供的关于雷达环境的其他信息,如大气压、温度、空气湿度等。

4.3 智能自适应机制

波形最优化技术迄今为止已接近50年的发展

史,逐步形成了一套较为成熟的理论技术和方法。认知雷达的自适应性能为波形技术的进一步发展奠定了基础。从参考文献上来看,目前自适应波形技术的创新方法主要有:①贝叶斯法:贝叶斯法通常被应用于目标检测、跟踪和识别的波形自适应设计中。其主要特点是不需要搜集存储当前数据便可对

先前获得的信息进行保留。②滤波理论:Soera等专

家针对海杂波环境下的目标检测问题,将本次的回波信号作为参考,利用期望最大值法估算出斑点的协方差矩阵,以达到对下一次照射的杂波进行抑制及检测的目的。

4.4 自治操作与管理

雷达是对远程情况获得信息收集感知的重要手段,自治操作与管理技术是实现认知功能成为一个独立工作的系统的技术。一方面,在认知雷达的大多数模块内都会引人自适应技术和智能算法,然而这些算法在独立工作的状态下不能达到预期的性能,需要将各个独立的功能相结合,相互技术渗透才能提高其性能,进而实现工作效率的最优化。另一方面,理想的状态是人与雷达组成的工作系统内人参与的越来越少,或者是整个工作系统中不需要人来参与,由雷达本身建立一个闭环系统,这种理想目标得以实现的前提条件是雷达要具有推理、判断、思维和决策能力等。

5 认知雷达发展趋势

认知雷达是一种智能雷达,是公认的未来雷达。它的主要特点是引入雷达闭环系统:雷达通过先验信息设计发射波形,波形经过环境反射,携带着环境信息被雷达接收,雷达从回波中提取更多的信息作为下一次发射的先验信息,设计下一次的发射波形,如此循环。认知雷达可以全方位提高雷达性能,正成为研究的重点方向和热点领域。

认知雷达通过与环境交互并主动适应环境以

提升性能,自适应发射与知识辅助是实现认知雷达“认知”功能的两个基本思想。认知雷达技术将朝着智能化、数字化、模块化和网络化的方向发展。

5.1 智能化

智能化是认知雷达的本质特征。发展认知雷达的初衷便是提升雷达对未知的、复杂的任务场景的普适性,使雷达能够在崭新的、多变的探测环境下智能地应对情况,智能化是认知雷达区别于传统雷达的本质,且决定于认知雷达的全新体制。智能化的思路在于两个方面:一是雷达智能结构的构建;二是知识的获取、表征与利用。

5.2 数字化

数字化是认知雷达的内在要求。自适应发射是认知雷达的基本特征,面对不同场景情况,自适应发射机需要发射不同的最优匹配波形,因而任意波形产生技术( AWG)将是认知雷达不可或缺的技术,而数字信号生成是最为可行的发展方向;数字化的相控阵天线技术是雷达照射在空间任意分布的基本保障;此外,现代数字技术和超大规模集成电路技术也将为直接数字信号波形奠定基础。数字化将在认知雷达的波形产生、信号发射以及信号采集和处理等方面发挥至关重要的作用。认知雷达所需技术的特征决定了其朝向数字化发展的方向。

5.3 模块化

模块化是认知雷达的基本形态。一方面,当前认知雷达尚处于起步研究阶段,模块化将有利于未来的进步更新;另一方面,模块化将有利于雷达系统 的简化。因此,模块化也是认知雷达的发展原则。

5.4 网络化

网络化也是未来雷达发展的一个重要方向。多部雷达相互合作可实现远超过单部雷达的远程感知能力。认知雷达网络可以有两种形式:一种是分布式的,即每部雷达都具有认知能力;另一种是集中式的,即设置一个中心基站,只有该基站雷达具有认知能力。集中式的认知雷达网络可以充分利用传统雷达组成网络的结点,提高雷达系统综合能力的同时降低了成本。而网络节点上的单部雷达可以是传统的雷达,也可以是仅具有接收系统的被动雷达。■

参考文献

[1] 杨小军,闫了了,彭珲,张冉.认知雷达研究进展.软件,

2012.33.3.pp6-8.

[2] 黎湘,范梅梅.认知雷达及其关键技术研究进展.电子学报,

2012.40.9.pp1863-1870.

[3] 李万福,马义德.认知雷达及其关键技术研究进展.电子制作,

2013.15.pp19.

[4] 金林.智能化认知雷达综述.现代雷达,2013.35.11.pp6-11.

[5] 张奇雯,刘忠义.浅谈认知雷达.电脑知识与技术,2014.10.20.

pp4720-4721.

[6] 江涛,王盛利.认知雷达系统概念和体系架构研究.航天电子对抗,

2014.30.2.pp30-32.

[7] 孙俊.智能化认知雷达中的关键技术.现代雷达,2014.36.10.pp14-19. [8] 朱耿尚,陈诚,范忠亮,张银兵.认知雷达对抗技术概述.科技创新

导报,2015.8.pp99-100.

[9]陈芸芸.认知雷达技术及其发展研究.电子技术与软件工程,2015. [10] 袁赛柏,金胜,朱天林.认知雷达技术与发展.现代雷达,

2016.38.1.pp1-5.

图1认知雷达闭环反馈

图2认知雷达系统架构

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China

© PressReader. All rights reserved.