認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)概念和體系架構(gòu)研究

江 濤，王盛利

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

0 引言

雷達(dá)作為一種廣泛應(yīng)用于監(jiān)視、跟蹤和成像的遙感系統(tǒng)，與其周?chē)h(huán)境已成為一個(gè)緊密相連的整體。二十世紀(jì)七十年代起，自適應(yīng)信號(hào)處理使得雷達(dá)初步具備了適應(yīng)環(huán)境、對(duì)抗干擾的能力。但是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)的自適應(yīng)算法和系統(tǒng)處理架構(gòu)，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的需求。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜地理和電磁環(huán)境對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）及其國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）先后資助多項(xiàng)研究，從基于知識(shí)的雷達(dá)（KB－Radar）［1］、知識(shí)輔助的傳感器信號(hào)處理與專(zhuān)家推理（Kassper）［2－3］到 知識(shí)輔助雷達(dá) （KA－Radar）［4－5］，隨著對(duì)先驗(yàn)信息使用的逐步精細(xì)化，雷達(dá)適應(yīng)環(huán)境的能力逐步提升。為了進(jìn)一步使得雷達(dá)具有“環(huán)境自感知、處理自適應(yīng)、能力自提高”的能力，2006年起，Simon Haykin提出了認(rèn)知雷達(dá)的概念［6－7］。本文從“認(rèn)知”的概念出發(fā)，結(jié)合目前的雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)和處理流程，針對(duì)實(shí)現(xiàn)“認(rèn)知”概念中存在的不足，探討認(rèn)知雷達(dá)的系統(tǒng)概念，并提出了認(rèn)知雷達(dá)概念下的系統(tǒng)架構(gòu)和處理架構(gòu)。

1 問(wèn)題的提出

1.1 復(fù)雜環(huán)境給傳統(tǒng)自適應(yīng)處理帶來(lái)的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)自適應(yīng)信號(hào)處理中，大多假設(shè)信號(hào)在時(shí)間上平穩(wěn)，在空間上均勻，因此信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性可以由二階矩表征（如信號(hào)的方差或協(xié)方差矩陣等），從而產(chǎn)生了包括CFAR、STAP等一系列經(jīng)典的自適應(yīng)信號(hào)處理。

但是在實(shí)際環(huán)境中，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)使得外界環(huán)境的雜波特性均不具有平穩(wěn)特性，從而導(dǎo)致上述處理算法均存在性能的損失，甚至無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。在此基礎(chǔ)上，提出了KB處理和KA處理概念，希望綜合利用GIS、DEM數(shù)據(jù)等先驗(yàn)信息和實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)，在Bayes體系架構(gòu)下，提升傳統(tǒng)自適應(yīng)信號(hào)處理的性能。并在理論和實(shí)驗(yàn)中均取得了較好的效果［2－3］。

但是如何從先驗(yàn)知識(shí)中提取所需要的先驗(yàn)信息、并且完成與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合，是傳統(tǒng)信號(hào)處理算法中缺失的部分；此外，如何根據(jù)外界環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)地選擇相應(yīng)的知識(shí)，同樣是傳統(tǒng)信號(hào)處理算法中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

1.2 智能化認(rèn)知處理給傳統(tǒng)信號(hào)處理帶來(lái)的挑戰(zhàn)

從單線(xiàn)程到多線(xiàn)程，從串行處理到多路并行處理，先進(jìn)的硬件處理平臺(tái)不僅極大地增加了雷達(dá)系統(tǒng)的靈活性，使得單元數(shù)字化處理成為可能，而且提升了雷達(dá)系統(tǒng)中信號(hào)處理的速度，使得許多復(fù)雜的處理算法得以工程化。但是，目前的雷達(dá)信號(hào)依然是按照“流水”的方式，基于實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種基于數(shù)據(jù)的處理方式不利于“認(rèn)知”概念在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在：1）基于數(shù)據(jù)的處理架構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；2）基于數(shù)據(jù)的處理架構(gòu)難以有效利用已經(jīng)加載的數(shù)據(jù)；3）基于數(shù)據(jù)的處理架構(gòu)難以有效矢量化處理；4）實(shí)際的處理性能取決于時(shí)鐘的速率。

1.3 認(rèn)知概念給傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)架帶來(lái)的挑戰(zhàn)

在傳統(tǒng)雷達(dá)的體系架構(gòu)中，即使數(shù)字化發(fā)射和接收技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，波形任意產(chǎn)生技術(shù)也在工程上得以應(yīng)用，但是在傳統(tǒng)雷達(dá)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)中，發(fā)射和接收通道依然是彼此獨(dú)立的，而且發(fā)射波形與環(huán)境無(wú)關(guān)，信號(hào)處理方式與環(huán)境無(wú)關(guān)。

而在認(rèn)知的概念中則包含：1）雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)該能夠根據(jù)獲取的信息改變發(fā)射波形、照射角度等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)和環(huán)境的最優(yōu)匹配；2）環(huán)境分析器為接收機(jī)提供環(huán)境分析結(jié)果，主要包括雷達(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)做出判定提供依據(jù)；3）接收系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，明確雜波和目標(biāo)的模型；4）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)信息，調(diào)整發(fā)射參數(shù)，再次照射環(huán)境目標(biāo)，如此循環(huán)重復(fù)，不斷改善系統(tǒng)性能。

2 認(rèn)知雷達(dá)的基本概念和表現(xiàn)形式

2.1 認(rèn)知雷達(dá)中知識(shí)的基本概念

認(rèn)知雷達(dá)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知處理的核心是知識(shí)的有效利用，而根據(jù)目的的不同，雷達(dá)系統(tǒng)的知識(shí)也存在不同層次。第一層是模型和算法，對(duì)于雷達(dá)來(lái)說(shuō)就是具體應(yīng)用的算法和相應(yīng)的模型；第二層是邏輯決策，對(duì)于雷達(dá)來(lái)說(shuō)就是算法、系統(tǒng)資源的組織和優(yōu)化；第三層是評(píng)估反饋，對(duì)于雷達(dá)來(lái)說(shuō)就是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和評(píng)估、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知。如圖1所示。

認(rèn)知雷達(dá)層次化知識(shí)庫(kù)示意圖

認(rèn)知雷達(dá)對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用包括知識(shí)的應(yīng)用、評(píng)估、更新三個(gè)過(guò)程。

1）知識(shí)的應(yīng)用是一個(gè)由上至下的分解過(guò)程。首先應(yīng)該根據(jù)環(huán)境感知的結(jié)果，分析戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，明確作戰(zhàn)目的；然后根據(jù)作戰(zhàn)功能，分配系統(tǒng)資源，智能選擇處理算法和策略；最后運(yùn)用具體的模型和算法，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2）知識(shí)的評(píng)估是由下至上的反饋過(guò)程。其需要依次對(duì)處理算法、調(diào)度策略和探測(cè)效果進(jìn)行評(píng)估，全面了解雷達(dá)的工作性能及應(yīng)該改進(jìn)的內(nèi)容。

3）知識(shí)的更新是應(yīng)用和評(píng)估循環(huán)交替的過(guò)程。每次知識(shí)的應(yīng)用和評(píng)估都會(huì)產(chǎn)生新的知識(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行更新和記憶。

2.2 認(rèn)知雷達(dá)的基本內(nèi)涵

認(rèn)知雷達(dá)的內(nèi)涵可概括為“一個(gè)目的、兩個(gè)層面、三個(gè)能力”。

1）認(rèn)知雷達(dá)的目的。通過(guò)引入人類(lèi)認(rèn)知思維，構(gòu)建具有“精度高、調(diào)度快、性能穩(wěn)、資源省”優(yōu)點(diǎn)的全新雷達(dá)架構(gòu)。這不僅僅是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的需求，也是未來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2）認(rèn)知雷達(dá)具有機(jī)器認(rèn)知處理和人類(lèi)認(rèn)知監(jiān)管兩個(gè)層面。第一個(gè)層面是機(jī)器處理的層面，利用機(jī)器在海量數(shù)據(jù)處理等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和目標(biāo)特性的實(shí)時(shí)感知、目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別等。第二個(gè)層面是人類(lèi)監(jiān)管的層面，利用人類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)等非因果處理能力，對(duì)認(rèn)知雷達(dá)中機(jī)器處理的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)管，避免過(guò)度優(yōu)化、死循環(huán)等情況的出現(xiàn)。

3）認(rèn)知雷達(dá)具有三個(gè)能力，即環(huán)境自感知、處理自適應(yīng)、能力自提高。環(huán)境自感知是指雷達(dá)能夠自主感知外界環(huán)境，解析戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，分析干擾樣式；處理自適應(yīng)是指雷達(dá)能夠自主地分配系統(tǒng)資源，選擇處理策略，認(rèn)知收發(fā)處理；能力自提高是指雷達(dá)能夠自主記憶處理結(jié)果，推演最優(yōu)算法，更新知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3 認(rèn)知雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)和處理體系

與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，認(rèn)知雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)是一個(gè)全自適應(yīng)的閉合環(huán)路。其不僅實(shí)現(xiàn)了發(fā)射—環(huán)境—接收的大閉環(huán)，而且實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的應(yīng)用—評(píng)估—更新的閉環(huán)，如圖2所示。

認(rèn)知雷達(dá)的最重要的核心就是“全自適應(yīng)的智能化認(rèn)知處理”，這是整個(gè)認(rèn)知雷達(dá)的大腦，特別是在當(dāng)前雷達(dá)硬件趨同的大背景下，先進(jìn)的信號(hào)處理體系直接決定了雷達(dá)的性能。

圖2 認(rèn)知雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

智能化認(rèn)知處理的體系架構(gòu)不同于傳統(tǒng)雷達(dá)的關(guān)鍵，在于對(duì)知識(shí)利用方式的轉(zhuǎn)變。由于認(rèn)知雷達(dá)中知識(shí)的概念具有明顯的層次，因此根據(jù)知識(shí)庫(kù)的不同層次，也應(yīng)該將認(rèn)知處理的體系架構(gòu)分解為不同的層次。認(rèn)知處理架構(gòu)中的五個(gè)層次分別為物理層、算法層、決策層、解析層和應(yīng)用層，如圖3所示。

1）物理層。利用先進(jìn)的硬件技術(shù)，完成雷達(dá)的收發(fā)處理。主要包括收發(fā)的反饋架構(gòu)、高性能收發(fā)技術(shù)，信息高速處理和存儲(chǔ)技術(shù)。物理層是整個(gè)認(rèn)知雷達(dá)工作的基礎(chǔ)，特別在近些年雷達(dá)硬件技術(shù)突發(fā)猛進(jìn)的背景下，強(qiáng)有力地支撐了認(rèn)知雷達(dá)研究的開(kāi)展。

2）算法層。利用具有強(qiáng)針對(duì)性的算法，完成信息處理。認(rèn)知雷達(dá)的處理算法是由一系列具有較強(qiáng)針對(duì)性的算法集合構(gòu)成，這點(diǎn)與傳統(tǒng)雷達(dá)存在明顯差異，傳統(tǒng)雷達(dá)希望使用的算法能夠具有極強(qiáng)的普適性。認(rèn)知雷達(dá)可通過(guò)算法選擇策略，根據(jù)具體環(huán)境選擇相應(yīng)的算法。

3）決策層。分析環(huán)境特征、分配系統(tǒng)資源、制定處理策略。決策層是認(rèn)知雷達(dá)的核心和大腦，是認(rèn)知雷達(dá)知識(shí)庫(kù)的大管家，其通過(guò)環(huán)境特征的分析，決定系統(tǒng)的資源分配方式，選擇信號(hào)處理的算法，評(píng)估當(dāng)前策略的性能，這是其區(qū)別于傳統(tǒng)雷達(dá)最本質(zhì)的部分。

4）解析層和應(yīng)用層。分析戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，明確任務(wù)目標(biāo)，建立人機(jī)交互，評(píng)估系統(tǒng)性能。該層次更多地體現(xiàn)認(rèn)知雷達(dá)智能化的顯著特征，也是傳統(tǒng)雷達(dá)領(lǐng)域很少涉及的領(lǐng)域。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)面臨的復(fù)雜地理電磁環(huán)境，使得雷達(dá)系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)地感知并適應(yīng)外界環(huán)境，動(dòng)態(tài)調(diào)整收發(fā)策略，在資源約束下，保證穩(wěn)定的目標(biāo)探測(cè)性能。這些均給傳統(tǒng)雷達(dá)的設(shè)計(jì)理念和信號(hào)處理架構(gòu)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。認(rèn)知雷達(dá)概念的提出，給未來(lái)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展提供了一條全新的發(fā)展思路。

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