一种快速相控阵雷达时间-能量资源联合管理方法技术

本发明专利技术属于相控阵雷达技术领域，具体提供一种快速相控阵雷达时间‑能量资源联合管理方法，用以克服现有基于误差协方差的相控阵雷达时间‑能量资源管理方法计算量大、运算数度慢、系统计算资源消耗大的缺陷。本发明专利技术首先建立目标机动参数离线库，在此基础上，基于对目标机动参数进行实时估计，同时对雷达波形库中的每种波形的量测位置误差方差与跟踪精度进行预测，然后根据公式法快速计算得到每个波形对应的采样周期，最后从所有波形中选择最节省雷达资源的波形；有效避免计算所有参数组合的误差协方差矩阵；从而大大降低计算量，显著提高计算速度，有效节省雷达计算资源；并且该方法能够通过调整期望的位置误差方差来控制算法的跟踪精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于相控阵雷达
，具体设计一种快速相控阵雷达时间-能量资源联合管理方法。
技术介绍
相控阵雷达是目前广泛研究和应用的雷达，由于其波束可以任意指向，并能够在微秒级内进行捷变，因而具有多功能和高度自适应能力，灵活性极大。为有效分配相控阵雷达的各类资源，使得雷达系统资源和整个任务负载相匹配，以充分发挥其性能，就需要对相控阵雷达实施有效的资源管理；相控阵雷达资源管理主要分为三个部分：搜索管理、跟踪管理和任务调度(见文献：S.L.C.Miranda,C.J.Baker,K.Woodbridge,et al.Knowledge-based resource management for multifunction radar[J].IEEE Signal Processing Magazine,2006,(6):66-76)，其中跟踪管理是相控阵雷达资源管理中相对比较复杂的部分。跟踪管理一方面要对系统获得的跟踪驻留回波数据进行数据处理，以提取各目标的状态信息；另一方面，它要根据已获取的目标状态信息确定后期跟踪任务的执行参数以形成跟踪任务请求。跟踪任务的执行参数包括采样周期、发射波形等，其中对与时间相关参数的控制称为时间资源管理，对与能量相关参数的控制称为能量资源管理。时间资源的优化分配是通过对各跟踪任务设置合理的跟踪采样周期来实现的。在自适应采样周期策略方面，Van Keuk首先得到了Singer模型下采样周期的解析表达式(见文献：Adapative controlled target tracking with a phased array radar[J].Van keuk,G.IEEE International Radar Conference.April 21-23,1975,429-432)，称之为公式法，该方法中采样周期与Singer模型的机动参数有关。随着目标机动性能的提升，出现了基于多模型的交互多模型(Interacting Multiple Model,IMM)的自适应采样周期算法，Watson和Blair提出了一种基于协方差门限判决的预测误差协方差门限法来选择采样周期(见文献：Watson G A,Blair W D.Tracking performance of a phased array radar with revisit time controlled using the IMM algorithm.[C]Radar Conference,1994,Record of the 1994IEEE National.IEEE,1994:160-165.)。H.Benoudnin等提出了一种基于IMM的快速自适应采样周期方法(Fast Adaptive update rate control in the IMM Algorithm,FAIMM)(见文献：Fast adaptive update rate for phased array radar using IMM target tracking algorithm.H.Benoudnine,M.Keche,A.Ouamri,M.S.Woolfson.IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology,2006)。在时间-能量资源联合优化分配方面，W.H.Gilson在充分考虑了目标机动特性的前提下，给出了跟踪方式下雷达所消耗的最小功率与目标跟踪精度、跟踪采样周期以及信噪比之间的函数关系(见文献：W.H.Gilson.Minimum power requirements for tracking[C].IEEE International Radar Conference,New York,1990:417-421)。Kirubarajan等人研究了在虚警和电子干扰环境下雷达跟踪时的资源管理问题(见文献：T.Kirubarajan,Y.Bar-Shalom,W.D.Blair,et al.IMMPDF for radar management and tracking benchmark with ECM[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1998,34(4):1115-1134)，文中利用预测的角度量测误差方差和预测信噪比自适应选择采样周期和具有不同发射能量的波形。对于多目标情况下自适应波形的选择，我国学者卢建斌等提出了一种基于协方差控制思想的联合波束波形自适应调度算法(见文献：卢建斌,肖慧,席泽敏,等.相控阵雷达波束波形联合自适应调度算法[J].系统工程与电子技术,2011,33(1):84-88)，基于协方差控制的方法，针对每个时刻自适应选择跟踪目标序号以及相应的波形，从而实现各个目标采样周期和波形的自适应选择。从上述文献可见，对于各跟踪目标的时间-能量资源联合管理，常用的方法是：通过使预测误差协方差小于门限实现对采样周期的控制，通过使预测信噪比小于门限实现对波形的选择。假设采样周期的可能取值个数为M，待选波形的个数为N，则该方法需要对M×N个参数组合计算协方差矩阵，确定满足条件的可行参数组合，并从中选择最节省雷达资源的组合；由于需要对所有参数组合计算误差协方差矩阵，判断其是否满足约束条件，致使此类方法计算量大，运算速度慢，系统计算资源消耗大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种基于目标机动参数估计的快速相控阵雷达时间-能量资源联合管理方法，该方法对目标机动参数进行实时估计，同时对雷达波形库中的每种波形的量测位置误差方差与跟踪精度进行预测，然后根据公式法快速计算得到每个波形对应的采样周期，最后从所有波形中选择最节省雷达资源的波形，并且该方法能够通过调整期望的位置误差方差来控制算法的跟踪精度。为了快速计算得到采样周期，本专利技术首先建立目标机动参数离线库，在实时跟踪中，只需在离线库中查找与当前时刻模型概率匹配的机动参数，即可按照公式法快速地确定采样周期。首先对本专利技术常用的几个概念进行解释：Singer模型：Singer模型将目标加速度a(t)作为具有指数自相关的零均值随机过程建模，R(ε)表示目标加速度的自相关函数：R(ε)＝E[a(t)a(t+ε)]＝σ2e-α|ε| (1)其中，ε为相关时间；{α,σ2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速相控阵雷达时间‑能量资源联合管理方法，包括以下步骤：建立机动参数离线库：步骤一：设定IMM滤波器中有N个Singer模型进行交互，每个模型的机动参数为：{αi,σi2},i=1,2,...,N]]>对模型概率取值空间[0,1]进行离散化，假设离散化后可行的概率组合共M个，则概率组合集合U为：U＝{U1,U2,…,UM}其中，集合U的任一元素Uj为：Uj＝{μ1j,μ2j…,μNj},1≤j≤M对于Uj＝{μ1j,μ2j…,μNj}，μij表示概率组合Uj中的第i个元素，μij需要满足：0≤μij≤1Σi=1Nμij=1]]>步骤二：在每个可行的概率组合Uj，j＝1,2,…,M下，估计目标的加速度自相关函数R^j(ϵ)=Σi=1Nμijσi2e-αi|ϵ|]]>计算的主要取值区间边界点使：R^j(|ϵ~j|)=λR^j(0)]]>其中，λ为常数因子且0＜λ＜1，对区间进行离散化，离散后的取值集合表示为：{|ϵ1j|,|ϵ2j|,...,|ϵrj|},r>>2;]]>步骤三：在概率组合Uj下，计算向量的值：x^j=(AjHAj)-1AjHbj]]>其中：Aj=1-|ϵ1j|1-|ϵ2j|......1-|ϵrj|,bj=ln(Σi=1Nμijσi2e-αi|ϵ1j|)ln(Σi=1Nμijσi2e-αi|ϵ2j|)...ln(Σi=1Nμijσi2e-αi|ϵrj|)]]>步骤四：计算概率组合Uj下目标机动参数的估计值：α^j=x^j---(1)]]>σ2^j=exp(x^j(2))]]>其中，表示向量的第一个元素，表示向量的第二个元素；将概率组合Uj与其对应的机动参数存入机动参数离线库；步骤五：建立目标机动参数离线库，其中包含可行概率组合集合U，以及对应的目标机动参数集合C；目标机动参数集合C表示如下：C＝{C1,C2,…,CM}其中，j＝1,2,…,M；实时时间‑能量资源联合管理：步骤一：对下一个采样时刻进行预测：tk-=tk-1+T(tk-1)]]>其中，为对第k个采样时刻的预测，tk‑1为第k‑1个采样时刻，T(tk‑1)为第k‑1个采样间隔；步骤二：利用IMM滤波器的输出结果，计算时刻的预测距离值以及方位角的预测误差方差步骤三：假设相控阵雷达波形库中有W种波形，分别为wl,l＝1,2,…,W，在波形wl下，计算其对应的预测信噪比步骤四：在波形wl下，预测的目标径向距离、方位角以及俯仰角的量测标准差分别为以及将量测误差转换至直角坐标系下，则波形wl对应的量测协方差矩阵为：Rl(tk-)=J·diag(σrl(tk-)2,σbl(tk-)2,σel(tk-)2)·JT]]>其中，J为从球坐标到直角坐标系的Jacobian转换矩阵；则波形wl对应的目标的量测位置误差方差为：σ0l2(tk-)=Rl(tk-)1,1+Rl(tk-)2,2+Rl(tk-)3,3]]>步骤五：确定期望的目标预测位置误差方差计算波形wl对应的跟踪精度v0l2(tk-)=σρDES2/σ0l2(tk-)]]>步骤六：利用IMM滤波器预测时刻的模型概率在目标机动参数离线库中查找与其匹配度最高的模型概率组合即求：U~(tk-)=argmin1≤j≤Mf(Uj,U(tk-))]]>对应查找与对应的目标机动参数步骤七：利用公式法计算波形wl对应的采样周期Tl(tk)：Tl(tk)=0.4[σ0l2(tk-)α^-0.5(tk-)σ^(tk-)]0.4v0l2.4(tk-)1+0.5v0l2(tk-)]]>步骤八：计算每种波形的雷达资源消耗代价函数：CR(tk,l)=c1Elmaxl∈{1,2,...W}El+c2Tl(tk)maxl∈{1,2,...W}Tl(tk)]]>其中，El,(l＝1,2,…,W)为相控阵雷达工作在每一种波形上所消耗的能量，c1与c2为能量资源与时间资源的加权系数，0≤c1≤1，0≤c2≤1且c1+c2＝1；则最优波形下标为：lopt(tk)=argminl∈{1,2,...W}CR(...

【技术特征摘要】
1.一种快速相控阵雷达时间-能量资源联合管理方法，包括以下步骤：建立机动参数离线库：步骤一：设定IMM滤波器中有N个Singer模型进行交互，每个模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：程婷，张洁，张宇轩，李姝怡，王栋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51