雷達認知能力提升及其與EW的智能博弈?

(電子信息控制重點實驗室,四川成都610036)

0 引言

“認知”一詞原本用于具有一定智能的生命體,當其擴展到沒有生命特征的人造系統時,實際上是賦予了該系統具有“人工智能”的含義。最早的“認知無線電”概念是 MILTRE公司Joseph Mitola博士于1999年提出的。認知無線電是對軟件無線電的進一步提升與擴展,它采用基于模型的方法對控制無線電頻譜使用的規則進行推理,通過無線電知識表示語言,表述無線電規則、設備、軟件模塊、電波傳播特性、網絡、用戶需求和應用場景的知識,對自身的通信機制進行調整,使系統的無線規則與輸入的無線電激勵變化相適應,以達到無論何時何地通信系統的高可靠性和頻譜利用的高效性[1]。在認知無線電出現之后,“認知”一詞迅速向其他技術領域擴展,認知雷達和認知電子戰等新概念也隨之提出[2]。美國雷達專家Guerci認為,認知雷達相對于傳統雷達來說主要有三方面改進:1)包含環境和感興趣目標信息的環境動態數據庫;2)除了自適應接收能力之外,還具有自適應發射能力;3)引入了許多新的自適應和知識輔助處理的方法[3]。雖然近期國內外都掀起了認知雷達研究的熱潮,但是實際上雷達中認知技術的應用才剛剛起步,并且在認知雷達中大量的研究仍然集中在對相對平穩和低動態變化的電磁環境的認知上[2-5],對于由電子干擾等所帶來的非平穩高動態變化的電磁環境的認知研究卻相對較少,在認知內容、層次和深度上都還有待進一步提升。另一方面,認知技術的應用對雷達體系結構也帶來了新的變化,各種技術的相互融合和綜合化發展趨勢也十分明顯。實際上雷達與電子戰二者從誕生之日開始,就是矛盾雙方密不可分的對立統一體。隨著認知技術的出現,認知雷達與認知電子戰將會演繹人工智能領域中的博弈。

1 “認知”與“認知科學”

“認知”是指人們認識活動的過程,即個體對感覺信號接收、檢測、轉換、簡約、合成、編碼、儲存、提取、重建、概念形成、判斷和問題解決的信息加工處理過程,通過心理活動(如形成概念、知覺、判斷或想象)來獲取知識。在漢語詞典中對“認知”一詞的解釋是:認識、思維或知覺的自身發展,包括理解和推理的意識功能或過程,靠它獲得關于感覺或理念的知識。在英文詞典中對“Cognition”一詞的解釋是:認識力、思想過程或認識才能,包括如意識、知覺、推理和判斷等方面。顯然這一詞匯原本是用來描述具有生命特征物種的專用詞匯,如果將其借用于沒有生命特征的物體或機器,其主要動力來源于“人工智能”學科的發展,逐漸給“機器”賦予了一定的生命特征,出現了“人工生命”、“智能機器”這樣的新事物。

“認知科學”是20世紀世界科學標志性的新興研究門類,它作為探究人腦或心智工作機制的前沿性尖端學科,已引起了全世界科學家們的廣泛關注。一般認為認知科學的基本觀點最初散見于上世紀40～50年代一些各自分離的特殊學科之中,60年代以后才得到較大的發展。對“認知科學”范圍的了解,還可以從其研究內容上來看,到目前為止認知科學所涉及的主要內容包括:感知覺、注意、記憶、語言、思維與表象、意識等。這似乎都是心理學家們所關注的問題,但其實也同樣是哲學家、語言學家、計算機科學家、神經生理學家、人類學家所關心的內容。只是不同專業背景的研究者,對這些同一個問題,所采取的具體研究方法不同罷了。認知科學迄今為止所取得的成就是與其跨學科的研究方法緊密聯系在一起的。認知科學是現代心理學、信息科學、神經科學、數學、科學語言學、人類學乃至自然哲學等學科交叉發展的結果。認知科學的興起和發展標志著對以人類為中心的認知和智能活動的研究已進入到新的階段。另一方面,隨著人工智能的快速發展,人的認知能力迅速向機器智能轉化,認知科學已有的大量研究成果在工程技術領域得到了推廣應用。認知無線電、認知雷達和認知電子戰的誕生實際上都是認知科學與工程技術相互結合發展潮流中的必然結果。

2 增強對非平穩高動態電磁環境的認知能力

認知雷達新概念被提出之后,立即成為雷達技術領域的重要研究熱點。認知雷達是指具有感知周圍環境能力的智能、動態閉環的雷達系統。其通過先驗知識以及對環境的交互學習來感知環境,在此基礎上,實時地調整發射機和接收機來適應環境的變化,以有效地、可靠地、穩健地達到預定的目標。認知雷達的概念主要包括三個基本要素:1)智能信息處理。它的主要任務是通過與環境的不斷交互,獲得并提高雷達對環境的認知。2)接收機到發射機的信息反饋。接收機截獲目標散射的雷達信號,經智能信息處理得到目標信息,然后反饋給發射機,使得發射機能夠自適應調整發射信號,以期望提高整機性能。3)雷達回波數據存儲與分析。通過更多雷達回波的積累效果,以提高雷達認知環境的精確程度。認知雷達的閉環反饋結構如圖1所示。

圖1 認知雷達閉環反饋結構示意圖

圖1中的認知雷達模型是目前各類文獻中常用的一個模型,比較全面地反映了認知雷達的主要特點和工作流程。上述模型中的重點環節就是對環境的認知,包含了眾多的要素:地理環境、雜波特性、目標特性、氣象特性等。例如對現代GMTI雷達產生影響的幾種典型環境包括:非同態雜波、密集目標背景、大的離散體、大的人造建筑物等。上述這些因素會造成雷達的虛警增多、靈敏度降低、目標遮蔽、訓練數據缺乏等不利影響,但是在采用認知技術之后,上述影響得到了大大降低,雷達對目標的檢測、跟蹤和識別能力得以增強,關于這一點在目前的大量技術文獻中都有所報道。

但是上述這些因素對電磁環境所帶來的影響是相對比較平穩的,即使有少量的非平穩狀態出現,但大多是隨時間低動態變化的,所以對于雷達的認知速度、范圍和深度的要求相對較弱。在現代戰場中電磁環境的變化除了上述因素之外,最主要的是電子戰對整個電磁環境的影響,其特點主要表現為非平穩、非線性、非高斯、高動態變化,而且干擾信號功率電平相對于目標回波和環境雜波來說高了許多,還具有很強的針對性,另外各種新的干擾方法與干擾樣式也不斷被提出[6-7]。所以對認知雷達來說,還需要從如下幾個方面進一步提升其認知能力,以增強在復雜電磁干擾環境下目標檢測、跟蹤和識別的準確性與及時性。

1)對電磁干擾的信號參數及變化規律進行認知,以實現對干擾信號的識別與分類;

2)對電磁干擾的時空特性和極化特性進行認知,以實現對干擾來波方向和區域的確定;

3)對電磁干擾的模式和樣式規律進行認知,以建立干擾對象目標數據庫;

4)在對電磁干擾進行識別的基礎上,智能化地合成出能抵抗此類干擾的探測信號波形;

5)能夠根據已判斷出的干擾方式和干擾行為規律,智能化地產生出能削弱此類干擾的目標探測控制流程和工作策略等。

認知雷達發展上述幾方面的認知能力難度較大,因為在現代戰場上人為干擾所產生的電磁環境是非平穩、非線性、非高斯、高度復雜、高動態變化的,而這些問題是當前雷達信號處理領域還一直在研究的前沿性課題。另一方面,上述認知能力的產生不僅需要雷達技術領域的專業知識,同時也需要具有人工智能領域的知識背景,只有兩方面的緊密結合才可能在雷達的認知能力上有全面的提升。所以未來認知雷達的強大認知能力將會在如上多個方面得以展現。

3 新的雷達體系結構與功能綜合

傳統意義上,雷達一般都是一個窄帶系統,即使是合成孔徑成像雷達,其工作帶寬相對于傳統的電子戰設備來說仍然不大。因為電子戰設備屬于全面寬開的設備,從天線、微波前端到中頻采樣,從干擾激勵到大功率功放,在頻率上都占據了多個倍頻程,是典型的空域、頻域寬開設備。但是認知雷達的出現將打破這一界限,認知雷達也逐漸向空域、頻域全面寬開的方向發展。因為要實現對電磁環境的全面感知,像認知無線電那樣從中找到在當前條件下最可利用的電磁頻譜,更好地實現目標探測與跟蹤,這就需要接收設備在寬廣的空間與頻譜進行監視與接收。為了在尋找到的“頻譜空洞”上進行工作,同樣要求發射設備也能在寬廣的空間與頻譜進行自適應的電磁輻射,當然天線的寬開是必然的。所以今后電子設備的寬開將不再是電子戰設備所獨有的特點,認知雷達也將具有全面寬開的特性,這將帶來新的雷達體系結構上的變化。

在認知雷達與認知無線電設備向全面寬開的發展進程中,人們會逐漸發現雷達設備的部件模塊與通信設備、電子戰設備的部件模塊十分接近,如果在一個武器平臺上需要同時安裝雷達、通信與電子戰設備時,就會造成大量技術指標基本一致的部件模塊的重復使用,這使得整個平臺上電子設備的體積、重量與功耗遠遠超出了平臺自身的承受能力,當然模塊的小型化與高度集成化是解決這一矛盾的有效手段之一,但是采用部件模塊共用的方式對于簡化整個平臺設計具有重要意義。于是具有“認知”能力的雷達、通信與電子戰設備在部件模塊級將逐漸融合,模塊相互之間的界限將逐漸模糊,模塊功能將逐漸交叉。設備功能的全面綜合與集成將是今后所有電子設備的重要發展方向,這也會產生新的電子信息設備的體系結構,認知技術將是這一發展趨勢的重要推動力量之一。

4 認知雷達與認知電子戰之間的博弈

如前所述,雷達與電子戰天生就是一對矛盾的對立統一體,認知雷達的出現必然伴隨著認知電子戰的產生。認知電子戰的特點主要體現為:環境感知;適應新的威脅;避免自擾;波形多變;協同工作;電子攻擊層次多樣化;具備學習能力。其認知過程為:感知→識別→決策→行動→感知的循環。學習在整個循環過程中的每一個環節中都在發揮作用。認知電子戰重點將研究用于下一代電子戰的網絡使能的協同電子攻擊(Electronic Attack,EA)、電子防御(Electronic Protect,EP)、電子支援(Electronic Support,ES)的策略、架構和波形,開發先進的EA、EP、ES技術,提供閉環的電子戰功能,即能實時反饋和利用動態威脅環境中的情報信息以使電子戰效能最優。

2010年美國空軍啟動了“認知干擾機”項目,這是認知電子戰中的一個典型代表,該項目的目標是:開發節省平均輻射功率的高效干擾技術;開發能夠學習和跟蹤雷達目標波形的干擾技術;研究如何通過學習和運用知識來對抗認知雷達;利用博弈論來優化干擾機的設計,以適應多種雷達波形等。

2012年7月美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了一項為期五年的“自適應雷達對抗”研究項目,也屬于認知電子戰的范疇,主要是尋求研發對抗敵方自適應雷達系統的機載電子戰能力。隨著認知技術在雷達中的應用,雷達將進一步增強感知環境的能力,進而調整其發射波形特征和接收處理算法,優化其性能,其結果是電子戰系統必然會受到自適應雷達的威脅。該項目的主要目的就是研究新的解決方案,使電子戰系統能對新的、未知或不確定的認知雷達信號近實時地實施有效對抗。

由上可見,從認知無線電、認知雷達到認知電子戰,這又引出一個問題:對抗雙方都具備了認知能力,一方要躲避干擾,更有效地利用頻譜,更有效地獲得目標信息;另一方要實施干擾,阻止其發現和跟蹤目標,這好比一場追捕游戲,本質上是對抗雙方在電磁頻譜上的博弈,“認知”將雷達與電子戰引入到了智能博弈階段。這一場在電磁頻譜上的博弈行為,對抗雙方都有獲勝的可能。但這并不僅僅是一個簡單的電子設備戰術使用問題,因為設備的戰術使用是在人的完全參與下,通過人對所處電磁環境的認知來調整設備參數,從而實現有效的對抗。但認知雷達的出現改變了這一情況,就好比人和計算機之間較量各自的數字計算能力一樣,人的數字計算速度和精度是遠遠不如計算機的,但是人的智慧是目前計算機不能比擬的,所以需要電子設備自身具有人的智慧,即人工智能?？梢栽O想,在戰爭中對抗雙方都使用了一個具有“認知能力”的全面寬開、功能綜合的雷達、通信和電子戰一體化平臺系統,雙方都有信號的“跟蹤追捕”與“躲避追捕”的能力,請問:誰會獲得勝利?顯然回答只能是誰都有獲勝的可能,但是技術好的一方獲勝的可能性會大一些。于是這里的技術又主要體現于什么地方呢?除了在天線、射頻、功放、結構等硬件技術指標上的差異之外,最主要的技術體現在機器的智能上。無論是目標信號的自動捕獲、跟蹤與識別,還是干擾樣式的優化與干擾決策選取,都涉及到知識的完整表述,分析推理、求解搜索和決策優化等過程,這都是人工智能的研究范疇。就好比IBM研制的“深藍”計算機在國際象棋大賽中擊敗人類的國際象棋大師一樣,在未來電磁空間的對抗中,誰能研制出具有更高人工智能的電子設備,誰就能占得先機。

這就像目前雷達與電子對抗試驗和訓練中出現的有趣現象,有的雷達設備今天能干擾,對方完善一下雷達設備的功能,干擾又會變得無效,于是對干擾設備進行參數調整與改進,干擾又有效了,緊接著對方又完善雷達設備功能,干擾再次無效,接下來又改進干擾設備的性能……這個循環是一直持續的,所以以某一階段單次對抗試驗的勝敗來評判雷達與電子戰雙方的任何一方都是不合理的?？傊?始終驗證著一句話:“沒有干擾不掉的設備,也沒有抗不了的干擾”。這就是矛盾雙方的辨證統一關系。上面所描述過程循環的終極就是對抗雙方都會逐漸將人工智能引入到電子設備中,“認知雷達”和“認知電子戰”讓上述循環在機器中自動進行,讓機器具有智能,機器自己去“學習”,自己去“完善與改進性能”。最終競爭的目標就是誰開發的人工智能技術更強大,讓機器具有更加強大的自學習和自適應的能力[8]。當然這個目標是長遠的和沒有終結的,因為“認知技術”將雷達與電子戰引入到了智能博弈的階段。

5 結束語

目前認知雷達的研究和應用才剛剛起步,還需要在認知內容、層次和深度上進一步提升,特別是對存在干擾條件下復雜電磁環境的認知將是未來認知雷達發展所面臨的最大挑戰。雖然人工智能取得了前所未有的進展,但是在今后幾十年雷達與電子戰的對抗過程中,人的“認知”能力還是最強的,機器自動“認知”與人比起來還具有一定差距,或許二者可以相互補充。隨著認知雷達與認知電子戰的出現,對抗雙方從某種意義上講,不僅僅是一種“電磁頻譜域”的作戰,還可以說是一種“認知域”的作戰;展望未來,雷達與電子戰在“認知域”都會有更深入的發展。實際上,在電磁頻譜域的作戰也是一種戰爭,古往今來在戰爭中體現的不僅僅是一種技術成分,同時還包括了藝術成分?！罢J知”這一個人性化的要素,實際上既有技術因素,也有藝術因素,技術與藝術的結合也是“認知雷達”與“認知電子戰”共有的重要發展趨勢,這或許是未來“認知雷達與認知電子戰最大的精彩之處”。

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[8]石榮.對電子戰中的“認知”與“認知電子戰”的探討——這同樣是一個認知過程[C]∥認知電子戰論文集,成都:《國際電子戰》編輯部,2012:1-9.