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光子学与认知雷达的未来
时间:2022.05.23

撰稿人 | 朱丹,李思敏,潘时龙

论文题目 光子学与认知雷达的未来

完成单位 | 南京航空航天大学

   一、雷达的“认知”发展趋势以及对光子技术的需求

       自动驾驶汽车、无人机、自主机器人等智能装置需要各种传感器感知周围环境。雷达能够探测周围物体的位置、大小、速度、外部形貌甚至材质,是能在雨雪、雾霾、沙尘等恶劣天气及黑夜工作的成像传感器。为了突破雷达的分辨率等探测能力,研究人员引入光子技术。2014年,意大利Bogoni团队构建并演示了首个微波光子雷达,相关工作在《Nature》上发表;同年,美国海军实验室针对这一进展,在《Nature》上撰写“光子照亮雷达的未来”的评述文章,引发微波光子雷达的研究热潮。如今数年已过,微波光子雷达的研究取得了较好进展,同时也呈现出了新的发展趋势和需求。

图1 美国海军实验室在《Nature》上撰文“光子照亮雷达的未来”

        随着电磁环境日益复杂,以及自动驾驶、“低小慢”目标识别等新应用和新需求的不断出现,宽带微波光子雷达易被外界电磁信号干扰,难以在复杂环境下对多样化目标进行高速探测。面向快速动态变化的环境,雷达迫切需要具有“认知”能力。认知雷达近年来通过控制论、波形多样性和知识辅助信号处理的协同作用的形式出现,作为未来雷达系统的一个新愿景,保证在多任务和多功能下的鲁棒性和高性能。

      “认知”在牛津词典中被定义为“通过思想、经验和感官获得知识和理解的心理活动或过程”。认知神经科学家Joaquin Fuster博士认为,认知是一个互动的过程,作为外部刺激的结果,认知实体以某种方式回应或改变其行为。传统雷达和环境不进行互动,通过发射固定的、预先定义的波形来实现探测。而认知雷达则是将越来越多的人类“认知”能力特征纳入雷达架构,以在动态变化的环境中实现更高的自主性和性能优化。

        认知雷达典型的工作过程可以用如图2所示的“OODA”环路来描述。通过对环境的感知来观测(Observe)环境,结合先验知识,对感知信息进行推论(Orient),做出决策(Decide),并执行(Act)决策,通过动态反馈控制系统实时地调整发射机和接收机来适应环境变化,从而有效地、可靠地、稳健地探测目标。

图2 认知雷达的OODA(Observe, Orient, Decide, Act)工作环路

      实际上,世界各国都极为重视认知雷达的研究,如美国DARPA设置了知识辅助雷达(KA-Radar)等一系列的项目支持该方面的研究。但基于电子技术构建认知雷达在带宽、分辨率和工作频率等方面面临瓶颈和挑战。因此,不少认知雷达的工作目前集中在概念、理论和建模研究。目前已经开展的认知雷达实验,可在整个带宽约1 GHz的频率范围内,在拥挤的频谱环境中实现对单个目标的检测,瞬时工作带宽有限。

      为了突破认知雷达的硬件平台构建,实现认知雷达的宽带、灵活工作,需要在宽带认知雷达系统架构、超宽带电磁频谱的感知、宽带可重构波形产生,以及宽带信号的实时处理方面实现突破。而微波光子频谱感知、微波光子可重构信号产生、微波光子信号处理等技术在这方面具有明显优势,已取得长足的进步,并在微波光子雷达等系统中初步显示出对系统性能的增益。因此,光子学将继续照亮“认知雷达”的未来,在认知雷达未来发展中发挥重要作用。 

二、微波光子认知雷达初探

      2.1 微波光子雷达系统架构

      那么,当光子技术应用于认知雷达,能为其带来哪些突破和技术变革呢?此前,南京航空航天大学微波光子学实验室提出了宽带微波光子认知无线电系统架构,并以高分辨率成像雷达为应用对象进行了初步验证。如图3所示,该系统主要由输入和输出模块(包含宽带射频放大链),微波光子认知无线电平台和无线电人工智能认知处理模块组成。微波光子认知无线电平台主要包括:(1)微波光子频谱感知模块,用于实现对超宽带电磁环境的频谱感知。(2)微波光子信号产生模块,用于自适应产生宽带可重构波形。(3)微波光子信号处理器,用于实现宽带信号的实时处理。

图3 微波光子认知无线电系统架构

      微波光子频谱感知模块对频谱环境进行感知,将信息送至智能认知决策处理模块进行推论和判断;智能认知模块结合先验知识,做出进行何种操作、利用何种频带、使用何种波形等决策;该决策反馈给微波光子认知无线电平台,通过可编程控制系统操控微波光子信号产生模块生成所需要的波形,操控微波光子处理模块对回波信号进行相应的实时处理,实现所决策的雷达功能。基于该“OODA”过程循环往复,微波光子认知雷达系统将形成一个全闭环的自适应运行系统,保证复杂环境下的既定工作目标。

      上述微波光子认知雷达架构充分发挥了光子技术的宽带承载、实时处理以及灵活可重构的优势,有望解决目前认知雷达硬件平台的宽带自适应波形产生、实时宽带频谱感知以及实时处理等关键难题,让雷达系统拥有实现宽带认知的软硬件支撑平台。

      2.2 微波光子雷达在复杂环境下工作性能的初步论证

      南京航空航天大学基于上述微波光子宽带认知无线电系统的概念和架构,构建并研制了微波光子认知雷达的原型实验系统,在存在干扰的情况下,实现自适应抗干扰ISAR成像。图4所示为所获得的实验结果。微波光子雷达产生17.5-21.5 GHz的波形,采用微波光子处理技术进行实时处理,实现对目标的高分辨率成像。雷达成像被干扰,微波光子频谱感知模块实时侦测干扰信号,驱动微波光子雷达自适应选择22-26 GHz的工作频段,再次实现高分辨率成像。

图4 南京航空航天大学微波光子认知雷达在干扰环境下的ISAR成像结果(a)成像目标 (b)雷达工作在17.5-21.5 GHz时的成像结果,(c)17.5-21.5 GHz频段被干扰时的成像结果,(d)微波光子认知雷达基于对环境认知重新选择工作波段时的成像结果

      另一方面,随着电磁频谱环境的日益复杂化,雷达使用场景中存在大量有意或无意的电磁干扰,难以存在连续的宽带空闲频谱。将微波光子技术应用于非连续频带的雷达探测,有望充分使用空闲频谱资源,实现超高分辨率的探测。意大利Bogoni团队通过对双波段微波光子雷达的S波段和X波段进行融合处理,将距离分辨率由单个波段的8 m提升至融合后的4 m。清华大学通过对微波光子雷达S波段1.5 GHz带宽和X波段3 GHz带宽的融合处理,将一维分辨率提高至1.6 cm。南京航空航天大学近期构建了一种基于步进频信号的微波光子成像雷达,可达到8.5 mm的分辨率,并实现了利用不连续频带的目标探测;该雷达通过剔除干扰频段,利用不连续频带进行探测和融合处理,将图5(a)中的目标进行了较好的恢复,如图5(b)所示。

图5 南京航空航天大学微波光子雷达成像(a)探测目标及(b)基于剔除干扰频段的不连续频段信号的结果 

三、光子学将照亮雷达的“认知”未来

       近期的研究进展表明了微波光子认知雷达系统的可行性和优势,微波光子技术不仅可提高雷达成像的分辨率和实时性,还能够让雷达拥有“智力”,通过与环境的交互实现干扰环境下的可靠工作状态。针对微波光子认知雷达系统的未来研究,一是需要从系统架构、控制算法、到网络协同等多方面,结合微波光子技术开展多学科协同研究,二是需要结合迅速发展的集成微波光子技术,推动微波光子认知雷达系统的集成化和小型化。

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