认知雷达——雷达未来的发展之路

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1、基于知识系统的自适应雷达认知雷达——雷达未来的发展之路SimoHaykin本文讨论认知雷达的新概念。认知雷达有三个基本组成部分：1）建立在认知雷达和周围环境相互作用基础上的智能信号处理；2）接收机反馈到发射机的信息，这是情报的简化设备；以及3）用贝叶斯法保存通过跟踪实现目标检测的雷达回波信息。这三个基本组成部分都具有蝙蝠的回波定位特征，这也许可以看成是认知雷达的一种物理实现方法（虽然使用神经生物学术语）。雷达是一种广泛用于搜索、跟踪和成像的遥感系统，以满足军事和民用的需要。本文着重讨论未来雷达具有认知能力的可能性。按照此种思路研究的典型案例，就是考虑把监视雷达用于海洋环境的情况。按

2、照牛津英语辞典的解释，cognition意指“知道、发觉或者是想象的行动”，假定有三种明显的能力：¢雷达的本能是连续感知周围的环境；¢相控阵天线可以对周围环境进行快速的电扫描；¢数字信号处理要求计算机的计算能力不断提高。我们坚信使用当前的技术制造一部认知雷达是相当容易的事情。实际上，如果曾经有过适合认知的遥测系统，那就非雷达莫属。从监视雷达开机的那一刻起，就与周围环境有某种电磁联系了。某种意义上说，周围环境对雷达回波有持续很强的影响。这样的话，经过多次扫描，雷达就具有了环境知识，可以对此环境中未知区域的关注目标做决策，雷达开机前未知此区域。监视时一旦宣布有目标，雷达接收机就确定了此

3、区域。我们从信号处理和控制理论可知雷达没有必要保存过去数据的全部记录；相反，采用环境的状态空间模型和不断更新表示与环境有关的某一参数的估计状态矢量，就不需要保存雷达关于环境的历史数据了。1雷达所使用的环境不稳定时，要求更新对环境状态的估计。不稳定性的主要原因是天气和未知区域出现未知目标的统计变量。状态的递归更新与自适应同义，自适应是处理环境不稳定性的自然方法。但是，在当前设计的雷达系统中，自适应仅限于接收机。对于认知雷达，自适应也扩展到了发射机。另外，雷达必须知道如何有效而鲁棒地处理各种距离内大小不同的目标。认知信号处理周期牛津字典对认知的定义包括设想，可以认为是形成假设，然后验证

4、假设的正确性。该观点也是用于状态评估的贝叶斯法的实质，具有二者择其一的概率比。因此，我们可以将贝叶斯推理用于认知雷达。我们从此种思路得出图1所示的方框图，此图表明认知雷达系统所执行的认知周期。该周期始于发射机照射环境的那一刻。环境产生的雷达回波送进两个功能块：雷达景象分析仪和贝叶斯目标跟踪器。跟踪器在连续时间基础上按照雷达景象分析仪提供的环境信息对可能出现的目标作决策；接着，发射机按照接收机对可能出现目标所作的决策继续照射环境，结果反馈给接收机。此周期一遍遍重复。不像通讯系统，反馈机制必须要求有认知系统，所以很容易实现雷达发射机和接收机的共处。也要注意虽然图1所示认知周期中目标检测

5、的过程不明显，但它是贝叶斯目标跟踪器的一部分，可以通过后面解释的那种跟踪方法进行检测。图1作为动态闭环反馈系统的认知雷达框图2以图1为基础，认知雷达与传统的自适应雷达的不同之处有三点：¢雷达通过与周围环境的交互作用，连续获得周围的环境信息，继续并且不断用相关的环境信息更新接收机；¢发射机用智能的方式调整照射环境的范围，并考虑这样的实际情况，如目标大小以及目标距离，结果是以更有效和鲁棒的方式调整发射信号；¢整个雷达系统由发射机、环境和接收机组成一个动态的闭环回路。众所周知，反馈是一把双刃剑，如果使用不当就会有害。因此在如何设计发射机和环境以及接收机的关系时就必须特别小心以便使系统长期

6、稳定和可靠的工作。另一个重要的说明就是有序性。事实上，认知是一个双向过程，一个是从内到外，另一个是从外到内。认知过程的两个部分互为参照，取决于信息源产生的认知分别停留在接收机的内部还是外部，如此处解释的那样：¢从内到外的认知由关于环境的先验知识表示，这是接收机的主要部分，如图1所示。先验知识自然不能独立使用。例如，它可以采用地形图的形式，也可以采用高度模型，或者是非协作目标的运动学形式。贝叶斯目标跟踪器可以修正基于先验知识的信息并用它提高以需要为基础的雷达性能。先验知识可以看成是接收机的长期记忆。¢相反，从外到内的认知可以看成是接收机得出的关于目标飞行的短期记忆。它通过雷达景象分析

7、仪对雷达及其他和雷达协同工作的传感器采集的含有外部环境信息的信号产生响应。值得注意的是文献[1]中关于基于知识（KB）的雷达系统的描述可以看成是从内到外的认知系统，可以直接决定应该何时以何种方式变换信号处理链。直观推断来自由使用KB法通过人工干预检测目标的先验法。人工干预随后收集并嵌入到计算机中。雷达景象分析雷达景象分析仪用来为接收机提供环境信息，这对接收机作关于所关注目标的决定来说很重要。此种功能基于两种包含信息的信号源：¢雷达回波，产生于环境对雷达本身发射信号的响