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適應性記憶（AC）是作為一種查找表（LUT）通用技術新推出的。它由一系列生成模型組成，其設計方式是學習每種算法的輸出。在本報告中，我們重點介紹基于條件生成對抗網絡（cGAN）的 AC 改進版。與之前的結構相比，新開發的生成式結構具有多項優勢。從本質上講，它不需要生成模型陣列。相反，兩個適當制作的生成模型就足夠了，從而大大縮短了整體寫入時間。此外，它還能在感興趣的區域提供更好的抑制水平。最后，它還能在抑制水平性能和損失函數衡量的生成保真度之間做出選擇。

認知雷達（CR）是當前雷達理論研究中一個引人注目的趨勢。盡管不同學者對這一概念的定義大相徑庭[11]，但這些定義都有其主要內容。例如，[12]、[10]和[6]認為從環境和經驗中學習是認知雷達的主要特征，而[10]則認為具有適應復雜情況的能力。認知雷達與完全自適應雷達的區別還在于，認知雷達應 "學會調整操作和處理參數，并能在較長時間內做到這一點"[1]。因此，學習和存儲知識是一個必備要素[13, 15]。

與此同時，Gurbuz 等人[11] 綜述了與認知雷達有關的 83 種期刊和 238 篇會議論文。他們發現，大多數研究至少涉及某種形式的波形選擇、優化或設計。在這些研究中，通常使用收集到的認知來決定哪種波形適合當前環境。一種突出的方法是利用在時頻觀察到的雜波認知[5, 21,18, 20]。由于雷達界廣泛使用模糊函數（AF）來表示時頻景觀，因此幾乎所有此類研究都涉及設計或塑造發射波形的模糊函數。在本報告中，我們給出了一種基于 AF 塑造研究的深度學習方法，它可以復制任何迭代算法的結果。我們首先在文獻[7]中以容納記憶（AM）的名稱引入了這一概念，然后在本報告中對其進行了優化和改進。

下面，我們首先回顧一下它在學習方面提出的條件生成對抗網絡。接著，我們在第 2 節中提出了認知接收波形，并觀察到為了最小化總干擾功率（PTD），應基于雜波認知設計離散時間模糊函數。然后，我們提出了一種基于 cGAN 的雙生成深度結構，它可以學習信號-AF 對并對其進行再生。這里我們將最小平方損失函數和 Wasserstein 損失函數作為模型損失函數。第 3 節專門報告給定方法的實證結果，其中我們研究了名為條件部分的特定結構超參數的影響。最后。第 4 節是本報告的結尾。

根據項目工作計劃，本進度報告概述了項目第二年開展的技術活動。更具體地說，它包括

• 回顧全偏振三維InISAR 算法及其通過偽代碼的實現。

• 3D InISAR 算法的性能分析。在這方面，提出并比較了兩種不同的方法，即基于相干的方法和基于跨度的方法。利用模擬數據和真實數據強調了這兩種方法的優缺點。事實上，模擬數據可以對三維重建精度進行數值量化，但也有一定的局限性，因為模擬數據無法忠實再現不同角度下的偏振目標散射機制。另一方面，真實數據是真實的（即使是在受控幾何條件下獲取的），但不能用于對重建精度進行數值量化。

• 兩種 ATR 算法的設計和初步實施（用于初步驗證），將在項目的第三年進行全面測試。

圖 2.1： 使用基于 Pol-InISAR 的擬議方法進行三維目標形成的總體框圖。

該項目正在按照工作計劃進行。提出并比較了利用全偏振數據估算目標高度的兩種方法。通過定義合適的指標，對已實施的方法進行了仔細深入的分析。結果表明，與單偏振算法相比，在形成三維 InISAR 圖像時使用偏振信息非常有效。這些算法在模擬數據和真實數據上都進行了測試。通過模擬數據，我們可以對所建議方法的準確性進行數值量化。真實數據證明了算法在真實數據上的有效性，并證明了基于 SPAN 的算法相對于基于相干性的算法的局限性。最后，我們提出并初步實施了兩種 ATR 算法，以驗證其可行性。其中一個屬于模板匹配方法的分支，第二個屬于機器學習的分支。這項工作將繼續進行，最終實施和完善分類算法及其性能評估。

監視和通信中繼任務對無人駕駛飛機的可用能源供應提出了要求。自主飛行算法和太陽能光伏系統都提供了一種從環境中（分別從熱上升氣流和太陽輻射中）提取能量的方法，以延長飛機儲存能量極限之外的續航時間。此外，多架飛機可以通過共享信息提高飛行成功率。本報告介紹了一個由多架協調飛行器組成的演示系統，每架飛機都具有自主飛行算法和集成的太陽能光伏發電系統。計劃用兩架飛機進行飛行測試，以量化同時使用自主飛行和太陽能系統時的任務性能。

本報告記錄了通過利用深度學習（DL）和模糊邏輯在空間和光譜領域之間整合信息，來加強多模態傳感器融合的研究成果。總的來說，這種方法通過融合不同的傳感器數據豐富了信息獲取，這對情報收集、數據傳輸和遙感信息的可視化產生了積極的影響。總體方法是利用最先進的數據融合數據集，為并發的多模態傳感器數據實施DL架構，然后通過整合模糊邏輯和模糊聚合來擴展這些DL能力，以擴大可攝入信息的范圍。這項研究取得的幾項進展包括：

• 將DL模型實施到片上系統（SoC）硬件中
• 高光譜圖像（HSI）數據的DL
  • 1.在HSI上建立DL，以獲得水的特性和底層深度
  • 2.在HSI上使用開放集識別方法
• 框架內融合方法的消融研究
• 使用DL和模糊聚合的HSI和LiDAR多模態傳感器融合的新框架
• 探討神經模糊邏輯在遙感數據中復雜場景的不確定性下自動推理的作用和實用性

出版物[1, 2, 3, 4, 5]進一步詳細介紹了取得的進展。

美國陸軍CCDC C5ISR中心的夜視和電子傳感器局（NVESD）的任務是開發低光和紅外傳感器技術，其形式包括空中/車載傳感器、步兵武器傳感器、頭戴式傳感器和顯示器。本文討論了NVESD最近獲得的一個沉浸式測試環境，它能夠為不同的傳感器系統進行虛擬原型設計練習，同樣也能夠作為一個沉浸式環境，檢驗AR顯示的變化以及向人類操作者展示AR信息的方法。該沉浸式環境包括一個 "綠色房間"，由有機玻璃板組成，通過可控的電致發光帶發出綠光。一對攝像機與Vive虛擬現實頭盔（HTC公司）配對，用于形成真實物體和虛擬覆蓋的復合視圖；在沉浸式測試環境中觀察到的任何物體對用戶來說都是可見的，但開放的綠色空間被虛擬環境取代。我們描述了傳感器和AR技術的新系統和模擬用例，描述了這種模擬技術如何能夠嚴格控制經驗場景，對設備特性進行有力的評估。最終，這種模擬將允許士兵在第一個物理原型建造之前體驗傳感器的特性和AR顯示，在采購生命周期的設計階段早期征求寶貴的用戶反饋。

引言

專門用于下馬士兵系統的國防資金是有限的，而且必須在多個部分之間進行分配。決定正確的組合可能是困難的--一些技術提高了殺傷力和保護力，另一些則提高了安全性能。同時，這些技術可能會增加認知和身體負荷。本報告提出了一種方法來進行跨越這一明顯的鴻溝，并找到技術的最佳組合。提出了一個數學戰斗模型，該模型考慮了態勢感知、殺傷力和保護設備在預期挽救生命方面的聯合效應。因此，該模型可以用來設計一個最佳的下馬士兵系統，一個可以拯救人生命的系統。

模型

本方法依賴于在任何時候都將決策者表現為一個最佳的決策者。然而，該決策者必須在不確定性和時間限制下做出決定。隨著認知負擔的增加，模型中可能會發生幾個變化：決策之間的時間可能會增加，每個決策中考慮的信息量可能會減少，或者規劃范圍可能會縮短，導致更多的短視決策。模型中的每一個杠桿都能靈活地代表決策的退化，以及SA，同時仍然假設指揮官是在做出盡可能好的決策，但在困難的約束下。在技術上，我們的模型是基于兩個支柱。首先，戰斗被建模為連續時間馬爾可夫鏈（CTMC）。其次，指揮官被模擬為部分觀測馬爾可夫決策過程（POMDP）中的決策者。POMDP是通過動態規劃解決的順序決策問題。它們很難解決，因為與完全可觀察的馬爾可夫決策過程（MDPs）相反，一些狀態變量是隱藏的。幸運的是，先進的計算方法已經被開發出來以解決它們。

結果

本文實施了一個概念驗證，基于一個下馬的戰斗場景，其中一個由12名士兵組成的小組必須確保一個隧道的入口。在任何時候，指揮官都可以根據當時的信息改變路線，或放棄行動。在這個場景中，還包括一個區域傳感器，例如，它可以是一個無人駕駛飛行器（UAV）。展示了如何在增加士兵的傳感能力和增加無人機的能力之間找到最佳權衡。還展示了如何在增加士兵的感知能力和增加他們的殺傷力和個人保護設備之間找到最佳的平衡。最后，展示了如何通過增加模型中決策的時間間隔，來模擬認知負擔的增加，從而增加預期的生命風險。

結論

該模型在采購、能力發展、國防科技和學術領域具有開發潛力。這種廣泛的潛力要歸功于POMDPs的靈活性，它可以根據需要做得很抽象，或者很詳細。提出了幾個擴展模型實現的途徑：整合貝葉斯信念網絡（在CTMC和/或觀察模型中），結合情景階段的序列，并探索其他表示認知負擔的方法。

圖 2-1：戰斗中SA的概念概述。

本論文探討了區塊鏈與互聯網協議第六版（IPv6）數據包信息的使用，以支持與無人駕駛飛行器（UAVs）智能蜂群的安全、高性能和可擴展的通信。在這篇論文中，我們研究了三種情況下的加密數據包的交換，即點對點、點對多和多對點。我們模擬了每個場景下的蜂群行為，并在模擬運行中改變了蜂群中無人機的數量。基于仿真的結果顯示，對于點對點場景和多對多場景，即使在多對多場景中，交互節點的數量增加，延遲也沒有明顯增加。相反，在點對多的情況下，延遲會增加。需要進行更多的研究來評估本論文中提出的區塊鏈-IPv6方法的安全性和可擴展性。

圖. 使用區塊鏈技術的無人機群智能中的塊生成概念

引言

越來越多的無人機被用于軍事目的，再加上自動化方面的進步，如為無人駕駛飛行器（UAV）配備不同程度的自主權和群集智能，使得這些飛行器成為敵對勢力的誘人目標。為了獲得競爭優勢，對手將試圖找到無人機的飛行控制器、接收器或發射器的可利用的物理和網絡漏洞，然后應用動能、網絡或某種動能和網絡攻擊機制的組合來操縱無人機的行為，例如使無人機墜毀或泄露敏感數據。

攻擊軍用無人機的一個途徑是操縱無人機使用的通信機制，無論是無人機與無人機之間的通信還是無人機與人類操作員之間的通信。例如，對手可以修改或阻止無人機群之間的數據交換，以降低無人機群的行動效率。重要的是，為軍事單位提供的無人機已經過動能和網絡脆弱性評估，與這些脆弱性相關的風險在無人機的操作使用之前就已經得到緩解，并且在無人機的使用壽命內對無人機系統進行修改時，也要進行風險評估和緩解。

安全風險管理也要在一個框架中進行規范，美國國家標準與技術研究所（NIST）就是這樣做的，它發布了一個風險管理框架。多種技術可用于實施降低安全風險的措施。例如，Vikas Hassija和Vinay Chamola[1]斷言。"當務之急是保持無人機和其他用戶之間交易的安全性、成本效益和隱私保護。區塊鏈技術是一個非常有前途的解決方案，可用于部署實時無人機應用"。

A. 問題陳述

科學技術的創新和進步之間存在著一種共生關系。諸如自動駕駛汽車、自主無人駕駛飛行器（UAV）和智能家用電器等能力，一度被認為是科幻小說的范疇，或者在技術上太難實現，現在已經很普遍了。

無人機的概念最早出現在1783年，當時約瑟夫-米歇爾和他的伙伴雅克-艾蒂安-蒙戈爾費埃公開展示了一種當時可以說是無人機或無人駕駛飛機的交通工具[2]，其形式是1849年在法國一個叫安諾奈的地方的熱氣球，在那次戰爭中，由奧地利中尉弗朗茨-馮-烏沙提斯創造的氣球炸彈被用來攻擊威尼斯市。雖然這次攻擊只造成了輕微的損失，但它可以被稱為成功，因為兩天后威尼斯就投降了[3]。尼古拉斯-特斯拉在1898年獲得了遙控（RC）的專利，大約20年后，一家名為拉斯頓-普羅克特空中目標的公司在特斯拉之前獲得專利的遙控技術基礎上發明了第一架無翼飛機[4]。

從那時起，無人機技術和它的應用已經穩步增長。它們已被用于科學研究，如收集有關火山活動的數據，在這些地方使用駕駛飛機會太危險或太昂貴。在20世紀90年代，亞伯拉罕-卡雷姆推出了 "捕食者"，這是一種配備了攝像頭和其他傳感器的無人機，用于監視。國防界為 "捕食者 "配備了武器裝備，包括導彈[5]。掠奪者本身已被用于一些沖突，如在阿富汗、巴基斯坦、波斯尼亞、前南斯拉夫、伊拉克、也門、利比亞、敘利亞和索馬里的沖突[6]。在2022年，它們也被烏克蘭和俄羅斯武裝部隊廣泛用于戰斗。

無人機技術的一個重大進步是應用了蜂群智能，一群無人機模仿大量同質動物的智能行為，如蟻群、鳥群和蜜蜂群。蜂群通過蜂群成員之間的協調表現出集體行為。蜂群的行為可以被編碼為算法，而這些算法又可以通過軟件實現，在計算機上執行，比如無人機中使用的嵌入式計算機[7]。蜂群行為甚至被用來進行基于無人機的燈光表演，例如在2020年東京奧運會的開幕式上。

在蜂群中，蜂后是控制器，同樣地，在蜂群智能無人機中，系統中有一個控制中心，典型的控制器名為地面控制站（GCS）。無人機的工作方式很直接，這涉及到無人機和GCS之間的數據交換，然后GCS可以連接到衛星，或者衛星可以直接連接到無人機，一切都在實時發生。圖1說明了無人機和其基礎設施的一種通信方式。至少，通信需要是低延遲和安全的[8]。

有兩種技術可以在GCS和無人機之間進行通信。第一種技術是基于蜂群基礎設施的GCS，第二種是飛行Ad-Hoc網絡（FANET）。基于蜂群基礎設施的GCS本身有一個GCS，用于集中式通信。所有的無人機群都將與GCS進行通信，以便群組能夠運作。然而，這種技術的一個缺點是，它依賴于GCS的可用性和正確運作。如果GCS受到干擾，整個無人機群也會受到干擾。相比之下，FANET使用一個發射器向某個無人機發送命令，然后該無人機將這些命令轉發給第二個無人機。然后這些命令將以串行或并發的方式分發給其他無人機。所有的無人機將進行通信，并擁有發射器給出的命令列表，這樣，如果這個發射器發生故障，所有的無人機仍然可以執行命令，因為每個無人機都有一個有效的命令列表。最后，通過使用這種FANET技術，每個無人機將具有冗余性，而不完全依賴通信基礎設施。然而，這種技術也有缺點。例如，一個入侵者或一個未知的無人機可以進入并破壞無人機群。再比如，無人機群的授權成員無法檢測到，所以入侵者（即未經授權的參與者）的無人機，從而可以獲得將由授權無人機執行的命令列表[9]。

為了克服入侵者無人機的問題，也許可以應用區塊鏈來防止未經授權的無人機使用無人機群命令來獲取列表。區塊鏈本身已被廣泛用于金融領域，目的是在每筆交易的驗證過程中消除第三方。

在區塊鏈中，當數據被分發時，將很難被黑客攻擊并獲得完整的數據，因為它是由一個使用加密手段的網絡驗證的。每個區塊由前一個區塊的哈希值，驗證哈希值的隨機數，或稱nonce，以及時間戳組成。完整性的保證是由區塊鏈為第一個區塊的形成提供的，這個區塊是由一個經過驗證的交易形成的結果，稱為創世區塊。由于哈希值是不可預測的或唯一的，欺詐或復制行為將被發現。每個經過驗證的區塊都有其哈希值，對該區塊的任何改變都會對其他區塊產生影響。如果所有或大多數節點給予許可或同意，該區塊就會被添加到鏈上，因為共識機制安排交易的有效性在某個區塊的有效性。

區塊鏈上的這種共識機制可以通過三種方式進行，那就是工作證明、股權證明和投票，實用拜占庭容錯。在加密貨幣的世界里，工作證明被用于采礦。它的工作原理是在每個節點上進行數學方程的計算，然后每個首先完成計算的節點將有權將最新的區塊輸入區塊鏈。使用權益證明，只有合法的節點可以進行計算以達成共識。另一方面，實用拜占庭容錯是基于投票的，要求至少有三分之一的授權節點是拜占庭的。

認證過程是通過生成具有偽隨機函數的一次性密碼（OTP）來進行的。無人機在區塊鏈中注冊，每架無人機根據存儲在區塊鏈節點中的關系，確定它能夠認證的最近的無人機。認證請求從無人機發送至相關的無人機，后者在區塊鏈中觀察并檢查該無人機是否有關系，并能對其進行認證。這個方案能夠挫敗外部惡意無人機的攻擊或第三方攻擊，即使對手知道第一個令牌。

B. 方法

在本論文中，我們研究了使用IPv6（互聯網協議版本6）在無人機之間進行通信的方式。與IPv4（互聯網協議版本4）相比，IPv6有很多優點，即速度更快，更有效，因為它的路由表比IPv4少，所以路由過程將更有組織和有效，而且更安全，因為它配備了交換數據的加密功能。帶寬更有效，因為IPv6支持組播。配置更容易，因為它自動運行。總的來說，IPv6更適合無人機等移動設備，因為不需要通過網絡地址表（NAT），因此延遲低。IPv6將使用區塊鏈與權益證明共識相結合。

與加密貨幣一樣，區塊鏈上的每個節點都必須進行支付。在這項研究中，支付被替換成OTP。每個節點產生相同或同步的OTP。區塊鏈和OTP在這里的使用是為了檢測未經授權的無人機，并防止他們讀取或更新無人機群使用的命令列表。此外，我們探索了區塊鏈、智能合約共識（SCC）和分布式賬本技術在蜂群通信方面的能力。此外，還根據提出的無人機群智能通信架構的概念進行了模擬。

C. 范圍

本論文的范圍僅限于探索區塊鏈技術和OTP的聯合使用，這兩種技術在IPv6數據包中都有填充。

D. 研究結果總結

在進行了模擬物理無人機在點對點、點對多、多對點場景下的運行，并使用1-10000次迭代或交易的實驗后，得到了各場景的延遲比較結果。從這些結果可以得出結論，對于點對點方案和多對多方案，即使在多對多方案中，交互節點的數量增加，延遲也沒有顯著增加。而在點對多的情況下，一個節點以廣播信息的形式同時向幾個節點進行交易，這導致了延遲的增加。第四章和第五章解釋了仿真結果和這些結論的總結。此外，第五章還討論了與本論文中的事項有關的未來工作的可能性和建議。

E. 論文組織

第二章介紹了無人機群智能通信區塊鏈功能的背景，并利用它作為無人機群智能的通信手段。它還對IPv6結構格式進行了概述。第三章討論了基于IPv6區塊鏈的通信數據傳輸的分析。具體而言，分析了IPv6區塊鏈數據包的場景、保密性、完整性和可用性。第四章闡述了IPv6區塊鏈在無人機蜂群智能中實現的可能性和挑戰的研究成果。第五章提供了結論和對未來研究的建議。

本報告是在 FA9453-19-1-0078 資助下編寫的。首先，提出了兩種數值方法來解決通信和導航中產生的非線性優化問題。其次，開發了兩個關于機器學習模型的解決方案質量和安全性的結果。

該研究項目的目標是開發高效的大規模非線性優化算法，以解決通信和導航方面的數據分析問題。這些問題被公認為在數學上具有挑戰性，并與空軍的利益直接相關。

在資助期間，我們成功研究了兩個研究方向。首先，我們設計了大規模非線性優化問題的最佳一階方法。在這個方向上，我們提出了兩個一階方法，可以對決策變量進行近似梯度更新。這兩種方法都可以解決分散通信的多Agent優化所產生的非線性優化問題。通過將多代理優化重新表述為約束性問題，我們開發的方法可以以最佳梯度/操作者評估復雜度來解決問題。我們開發的方法也可用于解決圖像重建問題。

第二，我們分析了機器學習模型中的解決方案質量和安全問題。在這個方向上，我們完成了兩個研究結果。我們的第一個成果是關于在多集群環境下，從二元結果的條件邏輯回歸模型中計算出來的估計值的屬性。我們表明，當每個單獨的數據點被無限次復制時，來自該模型的條件最大似然估計值漸進地接近最大似然估計值。我們的第二個結果是關于安全的矩陣乘法問題，我們設計了一種準確和安全地進行分布式矩陣乘法的方法。我們的安全協議可以確保在進行這種矩陣乘法的通信過程中沒有任何信息被泄露。

本文介紹了在卡勒獎學金第一年內進行的研究，研究如何自主控制檢查平臺向故障平臺行駛以完成檢查相關任務。這項研究的目的是開發一個有限時間的相對位置控制框架，使檢查衛星能夠安全地接近發生故障的平臺，因為平臺的通信能力受到阻礙，導致其在接近過程中根本無法通信。故障平臺導致獨特的挑戰，即平臺的狀態被認為是先驗未知的，檢查器可能無法從故障平臺提供的準確和連續的信息中受益；故障平臺也可能受到機動和干擾。

在該獎學金的第一期內，使用 MATLAB 和 Simulink 開發了仿真軟件，以演示檢查平臺與故障平臺執行會合操作。首先引入基于視線的相對運動模型，直接使用導航信息，然后以自適應非奇異終端滑模控制器的形式開發魯棒控制框架，以確保閉環系統穩定并保證有限時間收斂到所需的狀態。然后在最終討論未來的工作和目標之前展示和討論模擬結果。

本報告總結了網絡科學實驗方法項目期間的研究成果，大約涵蓋2017-2020年。該項目重點關注兩個主要議題：彈性網絡的上下文感知網絡和網絡安全。上下文感知網絡旨在改善戰術網絡及其支持服務的性能，使用上下文感知來加強目前的實踐方法，這些方法不一定考慮環境的動態和資源有限的邊緣設備和網絡的限制。彈性網絡的網絡安全旨在加強戰術網絡在動態和復雜對手面前的安全性。

參與本項目的美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的研究人員在相關主題的多個外部合作伙伴計劃的形成和合作中具有重要影響。這些項目的成果被納入任務資助的項目。這些合作伙伴計劃包括美國-英國分布式分析和信息科學國際技術聯盟（DAIS ITA）、戰場物聯網合作研究聯盟（IoBT CRA）、技術合作計劃（TTCP）和北約科學和技術組織信息系統技術（NATO STO IST）小組。

這項研究的影響包括：網絡模擬實驗驗證了支持理論結果的算法和技術的可行性，在網絡和通信研究界對研究成果進行了大量報道，并對陸軍概念科技（S&T）文件做出了貢獻。下文中總結的重點包括：利用沙堆模型開發網絡控制中的級聯故障的最佳控制，并確定可以防止級聯故障的條件；將密匙壽命提高一個數量級的物理層安全認證協議；以及對指揮與控制（C2）、火災和網絡科技概念文件的貢獻。

圖 1 包含理解、適應和執行周期的上下文感知網絡示意圖