雷达认知能力提升及其与EW的智能博弈∗

(电子信息控制重点实验室,四川成都610036)

0 引言

“认知”一词原本用于具有一定智能的生命体,当其扩展到没有生命特征的人造系统时,实际上是赋予了该系统具有“人工智能”的含义。最早的“认知无线电”概念是 MILTRE公司Joseph Mitola博士于1999年提出的。认知无线电是对软件无线电的进一步提升与扩展,它采用基于模型的方法对控制无线电频谱使用的规则进行推理,通过无线电知识表示语言,表述无线电规则、设备、软件模块、电波传播特性、网络、用户需求和应用场景的知识,对自身的通信机制进行调整,使系统的无线规则与输入的无线电激励变化相适应,以达到无论何时何地通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性[1]。在认知无线电出现之后,“认知”一词迅速向其他技术领域扩展,认知雷达和认知电子战等新概念也随之提出[2]。美国雷达专家Guerci认为,认知雷达相对于传统雷达来说主要有三方面改进:1)包含环境和感兴趣目标信息的环境动态数据库;2)除了自适应接收能力之外,还具有自适应发射能力;3)引入了许多新的自适应和知识辅助处理的方法[3]。虽然近期国内外都掀起了认知雷达研究的热潮,但是实际上雷达中认知技术的应用才刚刚起步,并且在认知雷达中大量的研究仍然集中在对相对平稳和低动态变化的电磁环境的认知上[2-5],对于由电子干扰等所带来的非平稳高动态变化的电磁环境的认知研究却相对较少,在认知内容、层次和深度上都还有待进一步提升。另一方面,认知技术的应用对雷达体系结构也带来了新的变化,各种技术的相互融合和综合化发展趋势也十分明显。实际上雷达与电子战二者从诞生之日开始,就是矛盾双方密不可分的对立统一体。随着认知技术的出现,认知雷达与认知电子战将会演绎人工智能领域中的博弈。

1 “认知”与“认知科学”

“认知”是指人们认识活动的过程,即个体对感觉信号接收、检测、转换、简约、合成、编码、储存、提取、重建、概念形成、判断和问题解决的信息加工处理过程,通过心理活动(如形成概念、知觉、判断或想象)来获取知识。在汉语词典中对“认知”一词的解释是:认识、思维或知觉的自身发展,包括理解和推理的意识功能或过程,靠它获得关于感觉或理念的知识。在英文词典中对“Cognition”一词的解释是:认识力、思想过程或认识才能,包括如意识、知觉、推理和判断等方面。显然这一词汇原本是用来描述具有生命特征物种的专用词汇,如果将其借用于没有生命特征的物体或机器,其主要动力来源于“人工智能”学科的发展,逐渐给“机器”赋予了一定的生命特征,出现了“人工生命”、“智能机器”这样的新事物。

“认知科学”是20世纪世界科学标志性的新兴研究门类,它作为探究人脑或心智工作机制的前沿性尖端学科,已引起了全世界科学家们的广泛关注。一般认为认知科学的基本观点最初散见于上世纪40～50年代一些各自分离的特殊学科之中,60年代以后才得到较大的发展。对“认知科学”范围的了解,还可以从其研究内容上来看,到目前为止认知科学所涉及的主要内容包括:感知觉、注意、记忆、语言、思维与表象、意识等。这似乎都是心理学家们所关注的问题,但其实也同样是哲学家、语言学家、计算机科学家、神经生理学家、人类学家所关心的内容。只是不同专业背景的研究者,对这些同一个问题,所采取的具体研究方法不同罢了。认知科学迄今为止所取得的成就是与其跨学科的研究方法紧密联系在一起的。认知科学是现代心理学、信息科学、神经科学、数学、科学语言学、人类学乃至自然哲学等学科交叉发展的结果。认知科学的兴起和发展标志着对以人类为中心的认知和智能活动的研究已进入到新的阶段。另一方面,随着人工智能的快速发展,人的认知能力迅速向机器智能转化,认知科学已有的大量研究成果在工程技术领域得到了推广应用。认知无线电、认知雷达和认知电子战的诞生实际上都是认知科学与工程技术相互结合发展潮流中的必然结果。

2 增强对非平稳高动态电磁环境的认知能力

认知雷达新概念被提出之后,立即成为雷达技术领域的重要研究热点。认知雷达是指具有感知周围环境能力的智能、动态闭环的雷达系统。其通过先验知识以及对环境的交互学习来感知环境,在此基础上,实时地调整发射机和接收机来适应环境的变化,以有效地、可靠地、稳健地达到预定的目标。认知雷达的概念主要包括三个基本要素:1)智能信息处理。它的主要任务是通过与环境的不断交互,获得并提高雷达对环境的认知。2)接收机到发射机的信息反馈。接收机截获目标散射的雷达信号,经智能信息处理得到目标信息,然后反馈给发射机,使得发射机能够自适应调整发射信号,以期望提高整机性能。3)雷达回波数据存储与分析。通过更多雷达回波的积累效果,以提高雷达认知环境的精确程度。认知雷达的闭环反馈结构如图1所示。

图1 认知雷达闭环反馈结构示意图

图1中的认知雷达模型是目前各类文献中常用的一个模型,比较全面地反映了认知雷达的主要特点和工作流程。上述模型中的重点环节就是对环境的认知,包含了众多的要素:地理环境、杂波特性、目标特性、气象特性等。例如对现代GMTI雷达产生影响的几种典型环境包括:非同态杂波、密集目标背景、大的离散体、大的人造建筑物等。上述这些因素会造成雷达的虚警增多、灵敏度降低、目标遮蔽、训练数据缺乏等不利影响,但是在采用认知技术之后,上述影响得到了大大降低,雷达对目标的检测、跟踪和识别能力得以增强,关于这一点在目前的大量技术文献中都有所报道。

但是上述这些因素对电磁环境所带来的影响是相对比较平稳的,即使有少量的非平稳状态出现,但大多是随时间低动态变化的,所以对于雷达的认知速度、范围和深度的要求相对较弱。在现代战场中电磁环境的变化除了上述因素之外,最主要的是电子战对整个电磁环境的影响,其特点主要表现为非平稳、非线性、非高斯、高动态变化,而且干扰信号功率电平相对于目标回波和环境杂波来说高了许多,还具有很强的针对性,另外各种新的干扰方法与干扰样式也不断被提出[6-7]。所以对认知雷达来说,还需要从如下几个方面进一步提升其认知能力,以增强在复杂电磁干扰环境下目标检测、跟踪和识别的准确性与及时性。

1)对电磁干扰的信号参数及变化规律进行认知,以实现对干扰信号的识别与分类;

2)对电磁干扰的时空特性和极化特性进行认知,以实现对干扰来波方向和区域的确定;

3)对电磁干扰的模式和样式规律进行认知,以建立干扰对象目标数据库;

4)在对电磁干扰进行识别的基础上,智能化地合成出能抵抗此类干扰的探测信号波形;

5)能够根据已判断出的干扰方式和干扰行为规律,智能化地产生出能削弱此类干扰的目标探测控制流程和工作策略等。

认知雷达发展上述几方面的认知能力难度较大,因为在现代战场上人为干扰所产生的电磁环境是非平稳、非线性、非高斯、高度复杂、高动态变化的,而这些问题是当前雷达信号处理领域还一直在研究的前沿性课题。另一方面,上述认知能力的产生不仅需要雷达技术领域的专业知识,同时也需要具有人工智能领域的知识背景,只有两方面的紧密结合才可能在雷达的认知能力上有全面的提升。所以未来认知雷达的强大认知能力将会在如上多个方面得以展现。

3 新的雷达体系结构与功能综合

传统意义上,雷达一般都是一个窄带系统,即使是合成孔径成像雷达,其工作带宽相对于传统的电子战设备来说仍然不大。因为电子战设备属于全面宽开的设备,从天线、微波前端到中频采样,从干扰激励到大功率功放,在频率上都占据了多个倍频程,是典型的空域、频域宽开设备。但是认知雷达的出现将打破这一界限,认知雷达也逐渐向空域、频域全面宽开的方向发展。因为要实现对电磁环境的全面感知,像认知无线电那样从中找到在当前条件下最可利用的电磁频谱,更好地实现目标探测与跟踪,这就需要接收设备在宽广的空间与频谱进行监视与接收。为了在寻找到的“频谱空洞”上进行工作,同样要求发射设备也能在宽广的空间与频谱进行自适应的电磁辐射,当然天线的宽开是必然的。所以今后电子设备的宽开将不再是电子战设备所独有的特点,认知雷达也将具有全面宽开的特性,这将带来新的雷达体系结构上的变化。

在认知雷达与认知无线电设备向全面宽开的发展进程中,人们会逐渐发现雷达设备的部件模块与通信设备、电子战设备的部件模块十分接近,如果在一个武器平台上需要同时安装雷达、通信与电子战设备时,就会造成大量技术指标基本一致的部件模块的重复使用,这使得整个平台上电子设备的体积、重量与功耗远远超出了平台自身的承受能力,当然模块的小型化与高度集成化是解决这一矛盾的有效手段之一,但是采用部件模块共用的方式对于简化整个平台设计具有重要意义。于是具有“认知”能力的雷达、通信与电子战设备在部件模块级将逐渐融合,模块相互之间的界限将逐渐模糊,模块功能将逐渐交叉。设备功能的全面综合与集成将是今后所有电子设备的重要发展方向,这也会产生新的电子信息设备的体系结构,认知技术将是这一发展趋势的重要推动力量之一。

4 认知雷达与认知电子战之间的博弈

如前所述,雷达与电子战天生就是一对矛盾的对立统一体,认知雷达的出现必然伴随着认知电子战的产生。认知电子战的特点主要体现为:环境感知;适应新的威胁;避免自扰;波形多变;协同工作;电子攻击层次多样化;具备学习能力。其认知过程为:感知→识别→决策→行动→感知的循环。学习在整个循环过程中的每一个环节中都在发挥作用。认知电子战重点将研究用于下一代电子战的网络使能的协同电子攻击(Electronic Attack,EA)、电子防御(Electronic Protect,EP)、电子支援(Electronic Support,ES)的策略、架构和波形,开发先进的EA、EP、ES技术,提供闭环的电子战功能,即能实时反馈和利用动态威胁环境中的情报信息以使电子战效能最优。

2010年美国空军启动了“认知干扰机”项目,这是认知电子战中的一个典型代表,该项目的目标是:开发节省平均辐射功率的高效干扰技术;开发能够学习和跟踪雷达目标波形的干扰技术;研究如何通过学习和运用知识来对抗认知雷达;利用博弈论来优化干扰机的设计,以适应多种雷达波形等。

2012年7月美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了一项为期五年的“自适应雷达对抗”研究项目,也属于认知电子战的范畴,主要是寻求研发对抗敌方自适应雷达系统的机载电子战能力。随着认知技术在雷达中的应用,雷达将进一步增强感知环境的能力,进而调整其发射波形特征和接收处理算法,优化其性能,其结果是电子战系统必然会受到自适应雷达的威胁。该项目的主要目的就是研究新的解决方案,使电子战系统能对新的、未知或不确定的认知雷达信号近实时地实施有效对抗。

由上可见,从认知无线电、认知雷达到认知电子战,这又引出一个问题:对抗双方都具备了认知能力,一方要躲避干扰,更有效地利用频谱,更有效地获得目标信息;另一方要实施干扰,阻止其发现和跟踪目标,这好比一场追捕游戏,本质上是对抗双方在电磁频谱上的博弈,“认知”将雷达与电子战引入到了智能博弈阶段。这一场在电磁频谱上的博弈行为,对抗双方都有获胜的可能。但这并不仅仅是一个简单的电子设备战术使用问题,因为设备的战术使用是在人的完全参与下,通过人对所处电磁环境的认知来调整设备参数,从而实现有效的对抗。但认知雷达的出现改变了这一情况,就好比人和计算机之间较量各自的数字计算能力一样,人的数字计算速度和精度是远远不如计算机的,但是人的智慧是目前计算机不能比拟的,所以需要电子设备自身具有人的智慧,即人工智能。可以设想,在战争中对抗双方都使用了一个具有“认知能力”的全面宽开、功能综合的雷达、通信和电子战一体化平台系统,双方都有信号的“跟踪追捕”与“躲避追捕”的能力,请问:谁会获得胜利?显然回答只能是谁都有获胜的可能,但是技术好的一方获胜的可能性会大一些。于是这里的技术又主要体现于什么地方呢?除了在天线、射频、功放、结构等硬件技术指标上的差异之外,最主要的技术体现在机器的智能上。无论是目标信号的自动捕获、跟踪与识别,还是干扰样式的优化与干扰决策选取,都涉及到知识的完整表述,分析推理、求解搜索和决策优化等过程,这都是人工智能的研究范畴。就好比IBM研制的“深蓝”计算机在国际象棋大赛中击败人类的国际象棋大师一样,在未来电磁空间的对抗中,谁能研制出具有更高人工智能的电子设备,谁就能占得先机。

这就像目前雷达与电子对抗试验和训练中出现的有趣现象,有的雷达设备今天能干扰,对方完善一下雷达设备的功能,干扰又会变得无效,于是对干扰设备进行参数调整与改进,干扰又有效了,紧接着对方又完善雷达设备功能,干扰再次无效,接下来又改进干扰设备的性能……这个循环是一直持续的,所以以某一阶段单次对抗试验的胜败来评判雷达与电子战双方的任何一方都是不合理的。总之,始终验证着一句话:“没有干扰不掉的设备,也没有抗不了的干扰”。这就是矛盾双方的辨证统一关系。上面所描述过程循环的终极就是对抗双方都会逐渐将人工智能引入到电子设备中,“认知雷达”和“认知电子战”让上述循环在机器中自动进行,让机器具有智能,机器自己去“学习”,自己去“完善与改进性能”。最终竞争的目标就是谁开发的人工智能技术更强大,让机器具有更加强大的自学习和自适应的能力[8]。当然这个目标是长远的和没有终结的,因为“认知技术”将雷达与电子战引入到了智能博弈的阶段。

5 结束语

目前认知雷达的研究和应用才刚刚起步,还需要在认知内容、层次和深度上进一步提升,特别是对存在干扰条件下复杂电磁环境的认知将是未来认知雷达发展所面临的最大挑战。虽然人工智能取得了前所未有的进展,但是在今后几十年雷达与电子战的对抗过程中,人的“认知”能力还是最强的,机器自动“认知”与人比起来还具有一定差距,或许二者可以相互补充。随着认知雷达与认知电子战的出现,对抗双方从某种意义上讲,不仅仅是一种“电磁频谱域”的作战,还可以说是一种“认知域”的作战;展望未来,雷达与电子战在“认知域”都会有更深入的发展。实际上,在电磁频谱域的作战也是一种战争,古往今来在战争中体现的不仅仅是一种技术成分,同时还包括了艺术成分。“认知”这一个人性化的要素,实际上既有技术因素,也有艺术因素,技术与艺术的结合也是“认知雷达”与“认知电子战”共有的重要发展趋势,这或许是未来“认知雷达与认知电子战最大的精彩之处”。

[1]HAYKIN S.Cognitive Radio:Brain-Empowered Wireless Communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(2):201-220.

[2]HAYKIN S.Cognitive Radar:A Way of the Future[J].IEEE Signal Processing Magazine,2006,23(1):30-40.

[3]GUERCI J R.认知雷达——知识辅助的全自适应方法[M].吴顺君,戴奉周,刘宏伟,译.北京:国防工业出版社,2013:1-17.

[4]HAYKIN S,XUE Y B,SETOODEH P.Cognitive Radar:Step Toward Bridging the Gap Between Neuroscience and Engineering[J].Proceedings of the IEEE,2012,100(11):3102-3130.

[5]AUBRY A,DEMAIO A,FARINA A,et al.Knowledge-Aided(Potentially Cognitive)Transmit Signal and Receive Filter Design in Signal-Dependent Clutter[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,2013,49(1):93-117.

[6]张崔永,赵风东,杨志祥.新型干扰样式对某型雷达干扰效果研究[J].雷达科学与技术,2013,11(3):241-245.ZHANG Cui-yong,ZHAO Feng-dong,YANG Zhixiang.Research on Jamming Effectiveness of a New Jamming Style to Radar[J].Radar Science and Technology,2013,11(3):241-245.(in Chinese)

[7]余立志,张新如,李传杰.干扰飞机多方式干扰警戒雷达效果仿真[J].雷达科学与技术,2013,1(3):251-254.YU Li-zhi,ZHANG Xin-ru,LI Chuan-jie.Simulation of Effect of Electronic Jamming Aircraft on Warning Radar in Multiple Jamming Modes[J].Radar Science and Technology,2013,11(3):251-254.(in Chinese)

[8]石荣.对电子战中的“认知”与“认知电子战”的探讨——这同样是一个认知过程[C]∥认知电子战论文集,成都:《国际电子战》编辑部,2012:1-9.