人工智能在雷達(dá)應(yīng)用中的限制和發(fā)展前景

李波 任紅梅 肖志河

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門科學(xué)。雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)是人工智能在裝備領(lǐng)域的重要應(yīng)用，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)識別也在不斷進(jìn)步，從模式識別、機器學(xué)習(xí)到近年來發(fā)展迅猛的深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等在雷達(dá)識別中都有較多研究成果。

傳統(tǒng)雷達(dá)識別方法難以適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境

現(xiàn)有雷達(dá)目標(biāo)識別常采用統(tǒng)計模式識別理論。模式識別是主要利用統(tǒng)計學(xué)、概率論、計算幾何、機器學(xué)習(xí)、信號處理以及算法的設(shè)計等工具從可感知的數(shù)據(jù)中進(jìn)行推理的一門學(xué)科，其中心任務(wù)是找出某類事物的本質(zhì)屬性。對于雷達(dá)目標(biāo)識別而言即首先根據(jù)雷達(dá)所跟蹤目標(biāo)的運動、回波等信息，提取目標(biāo)穩(wěn)定的且具有標(biāo)志性的特征，稱為“識別特征模板”，然后把待識別的模式劃分到各自模式類中。對于給定一個模式的識別/分類將面臨兩類任務(wù)：監(jiān)督分類和無監(jiān)督分類，其中有監(jiān)督分類把模式劃分已有的類別中，而無監(jiān)督分類把模式劃分到未知的類別中。

現(xiàn)有雷達(dá)常用識別方法在下文中稱為“傳統(tǒng)雷達(dá)識別技術(shù)”。特征提取是傳統(tǒng)雷達(dá)識別技術(shù)重要環(huán)節(jié)，雷達(dá)識別特征強烈依賴于用人的先驗知識和專業(yè)技能，雷達(dá)目標(biāo)識別算法的設(shè)計需要較深的目標(biāo)特性、特征提取的研究背景。

傳統(tǒng)雷達(dá)目標(biāo)識別依據(jù)所采用的特征不同而分為窄帶RCS特征識別、高分辨距離像特征識別、ISAR特征識別和運動特征識別、微動特征識別等技術(shù)途徑。

傳統(tǒng)雷達(dá)目標(biāo)識別通常是接收雷達(dá)傳感器固定信息進(jìn)行數(shù)字信號處理提取出待識別目標(biāo)的特征，利用已有的特征模板對提取的特征進(jìn)行分類，對照隸屬度對目標(biāo)進(jìn)行識別。傳統(tǒng)目標(biāo)識別存在的主要問題是按照預(yù)先設(shè)定的識別模式工作，不具備隨目標(biāo)和環(huán)境變化而自動改變識別模式的能力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，僅僅依靠被動的特征提取、分類已難以獲得理想的效果，對目標(biāo)和環(huán)境的適應(yīng)能力不足。面對日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境及密集雜波、多目標(biāo)背景等挑戰(zhàn)，為滿足當(dāng)前特別是未來作戰(zhàn)需求，識別技術(shù)必須進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展以不斷提升識別模式、識別性能，才能適應(yīng)日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境。

深度學(xué)習(xí)識別對大樣本需求限制了在實時對抗中的應(yīng)用

傳統(tǒng)雷達(dá)目標(biāo)識別難點主要集中在對待識別目標(biāo)的差異性規(guī)律、識別機理等基礎(chǔ)問題掌握不全面，解決識別問題的前提是目標(biāo)特性的深入分析，是一個長期的研究過程。但武器系統(tǒng)智能化發(fā)展速度迅猛，武器裝備的智能作戰(zhàn)能力提升對雷達(dá)識別技術(shù)提出了更高的要求，不可能等目標(biāo)特性機理完全清楚了，再去研究雷達(dá)識別技術(shù)。

隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等人工智能在軍事領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)也受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，許多專家、學(xué)者均提出了采用智能識別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)和環(huán)境特征提取和模式識別等任務(wù)，實現(xiàn)雷達(dá)對非合作目標(biāo)的有效識別。美國國防部國防創(chuàng)新試驗小組也明確指出人工智能關(guān)注重點：能夠提供實時對抗服務(wù)。

目前，基于深度學(xué)習(xí)方法對不同形式雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對不同雷達(dá)成像原理集信號處理方法，可以得到不同形式的雷達(dá)數(shù)據(jù)。如合成孔徑雷達(dá)圖像、高分辨距離像（HRRP）、微多普勒圖譜以及距離多普勒圖譜等。主流的研究思路主要基于生成各種不同雷達(dá)圖像，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對圖像進(jìn)行處理。

利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的思路主要是在宏觀角度的闡述，深度學(xué)習(xí)與常規(guī)雷達(dá)識別技術(shù)最主要差異在于采用特征的不同，技術(shù)途徑也因特征提取的方法不同而具有一定的差異。

常規(guī)雷達(dá)識別區(qū)別于深度學(xué)習(xí)，最主要的差異在于采用的特征不同。常規(guī)雷達(dá)識別借助專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗進(jìn)行特征提取，采用窄帶統(tǒng)計特征、寬帶散射中心、微動等反映了目標(biāo)散射機理的特征，具有一定的物理含義，稱為物理特征。物理特征主要通過專業(yè)人員對數(shù)據(jù)的深入分析后進(jìn)行特征提取，從而建立識別特征庫，但在有限樣本情況下對復(fù)雜函數(shù)的表示能力有限，針對復(fù)雜問題泛化能力受到一定的限制。

而深度學(xué)習(xí)的實質(zhì)，是通過構(gòu)建具有很多隱層的機器學(xué)習(xí)模型和海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，來學(xué)習(xí)更有用的特征，從而最終提升分類或預(yù)測的準(zhǔn)確性。通過計算機自動的逐層特征變換，可以學(xué)習(xí)到輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征，使得分類識別更加容易，同時模型結(jié)構(gòu)的深度化也使得對復(fù)雜函數(shù)的特征表示能力更。深度學(xué)習(xí)識別最主要的特點是自動提取特征，減少了技術(shù)人員對專業(yè)知識的依賴程度。

深度學(xué)習(xí)識別最大的缺點是需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，充分利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)的信息，才能形成分類約束條件，而目前限制人工智能在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題就在于：短時間、強對抗的交戰(zhàn)環(huán)境能夠提供的機器學(xué)習(xí)樣本數(shù)量太少，導(dǎo)致人工智能難以在對抗環(huán)境中施展；并且深度學(xué)習(xí)獲得的隱層特征物理含義不明確，武器系統(tǒng)出現(xiàn)問題后難以定位。因此直接在武器裝備中采用深度學(xué)習(xí)等人工智能識別技術(shù)與裝備特點不相適應(yīng)，需要進(jìn)一步挖掘新的人工智能途徑，研究人工智能在武器裝備應(yīng)用的模式。

認(rèn)知學(xué)識別在實時對抗復(fù)雜環(huán)境下或大有可為

認(rèn)知學(xué)識別的定義和本質(zhì)仍是科學(xué)界正在努力探索研究尚未完全解決的問題，當(dāng)前國內(nèi)外還沒有關(guān)于認(rèn)知學(xué)識別的明確定義。從工程技術(shù)角度看，可以狹義地將認(rèn)知識別理解為深度強化學(xué)習(xí)，是帶真正推理、反饋能力的強人工智能。通過對歷史和當(dāng)前環(huán)境的檢測和分析，對目標(biāo)學(xué)習(xí)和推理，利用相應(yīng)結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整識別系統(tǒng)的各項參數(shù)，在對目標(biāo)有效、可靠且穩(wěn)健的感知的基礎(chǔ)上，快速完成認(rèn)知、反饋、調(diào)整策略、進(jìn)行決策，并在時間、空間、頻率和極化等多個維度實現(xiàn)復(fù)雜干擾條件下的智能化博弈，從而大幅度提高系統(tǒng)的識別性能。針對目前人工智能在裝備應(yīng)用中存在的問題，主要分為兩個方面：一是深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)隱層參數(shù)物理解釋問題；二是帶有反饋機制的強人工智能網(wǎng)絡(luò)的建立。

為了解決深度學(xué)習(xí)獲得的隱層特征物理含義不明確問題，需要對深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)隱層參數(shù)物理含義進(jìn)行解析，并通過對目標(biāo)微動特性的研究，建立微動參數(shù)與深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對進(jìn)動目標(biāo)的雷達(dá)回波測試數(shù)據(jù)的寬窄帶數(shù)據(jù)進(jìn)行空間變換，得到不同變換空間下的微動特征并建立目標(biāo)進(jìn)動特征庫。基于進(jìn)動特征庫數(shù)據(jù)對深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)得到的訓(xùn)練結(jié)果與目標(biāo)進(jìn)動參數(shù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終通過這種關(guān)聯(lián)關(guān)系對網(wǎng)絡(luò)隱層參數(shù)進(jìn)行物理解釋。

以上闡述了目前智能識別技術(shù)能夠達(dá)到的效果，對于帶真正推理、反饋能力的強人工智能的實現(xiàn)還需要對識別流程框架進(jìn)一步優(yōu)化。為構(gòu)建基于反饋機制認(rèn)知技術(shù)在雷達(dá)識別應(yīng)用中的初步框架，應(yīng)充分利用目標(biāo)飛行階段、關(guān)鍵事件等時間軸上的先驗信息和知識，在雷達(dá)實際跟蹤目標(biāo)的過程中，對飛行階段、關(guān)鍵事件進(jìn)行判斷，將判斷結(jié)果實時反饋到知識庫中，結(jié)合時間軸上的先驗信息和知識，通過反饋機制對知識庫進(jìn)行實時更新，從而更精準(zhǔn)地識別出目標(biāo)。

針對目前在雷達(dá)識別應(yīng)用領(lǐng)域中的難點技術(shù)，尤其是非合作外軍目標(biāo)由于先驗知識的匱乏、訓(xùn)練樣本少等問題，建議采用強人工智能的認(rèn)知學(xué)識別方法，深入挖掘其對電磁環(huán)境的認(rèn)知、推理能力，通過多傳感器資源、信息的共享、協(xié)作、推理以及算法反饋機制，形成人工智能在武器裝備應(yīng)用的一種新模式，以達(dá)到非合作目標(biāo)智能識別的目的。