同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法技术

本发明专利技术属于雷达目标跟踪领域，具体涉及一种同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法。本发明专利技术中共址MIMO雷达处于同时多波束工作模式，在该工作模式下，每个子阵可以发射不同指向的波束去跟踪不同的目标；在进行波束接收时，运用数字波束形成技术来得到多个窄接收波束，以覆盖发射波束的探测区域。在目标跟踪过程中，自适应调整子阵划分个数、波束指向、发射功率和工作模式，其中引入了虚拟目标的概念，将能够被同一波束所探测到的多个目标称为一个虚拟目标。本发明专利技术在保证目标跟踪精度的基础上，最大限度地节约系统功率资源的消耗量。

Multi-Target Tracking Resource Management Method for Simultaneous Multi-Beam Co-Address MIMO Radar

The invention belongs to the field of radar target tracking, and specifically relates to a multi-target tracking resource management method for MIMO radar with simultaneous multi-beam co-address. In the present invention, the co-address MIMO radar is in a simultaneous multi-beam mode, in which each sub-array can transmit beams with different directions to track different targets; when receiving beams, the digital beamforming technology is used to obtain multiple narrow receiving beams to cover the detection area of the transmitting beams. In the process of target tracking, the number of subarrays, beam pointing, transmitting power and working mode are adaptively adjusted. The concept of virtual target is introduced, and multiple targets that can be detected by the same beam are called a virtual target. On the basis of guaranteeing the target tracking accuracy, the invention can maximize the consumption of power resources of the system.

【技术实现步骤摘要】
同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法
本专利技术属于雷达目标跟踪领域，具体涉及一种同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法。
技术介绍
MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)雷达作为一种新型雷达体制，在21世纪初正式被提出后，引起了国内外众多学者及研究机构的广泛关注和研究。总的说来，MIMO雷达可以分为分布式MIMO雷达和共址MIMO雷达。在分布式MIMO雷达中，发射天线之间的距离很远，该结构使得分布式MIMO雷达在实际应用中存在多站同步、信道矩阵估计方面的困难。共址MIMO雷达是传统相控阵雷达的扩展，其系统结构是一种更具实际应用价值的系统结构。共址MIMO雷达中，各个子阵之间发射相互正交的波形，在空域形成更宽的低增益波束，并且各子阵波束可指向空域不同方向。在该同时多波束工作模式下，多目标跟踪的灵活性更大。分布在空域不同位置的多个目标可能被同时发射的不同指向多波束探测，而在空域位置接近的多个目标也可能被一个子阵的宽发射波束同时探测。故在共址MIMO雷达中，通过控制子阵划分个数，可实现系统发射能量在空域的有效分配。可见，相对于传统相控阵雷达，共址MIMO雷达资源管理的自由度更大。在MIMO雷达资源管理方面，严俊坤等人在雷达系统资源量一定的情况下，提高跟踪效果最差的目标的跟踪精度，最终实现多目标整体跟踪精度最大程度的提高。针对非理想检测的情况，严俊坤提出了一种杂波环境下的共址MIMO雷达功率分配算法，在给定各个时刻发射总功率的情况下，自适应分配各个波束上的发射功率，来使得跟踪性能最差的目标的跟踪精度最好。此外，在组网雷达系统中，严俊坤等人在各个时刻总发射功率一定的情况下，最大程度地提高了多目标的总体跟踪精度。Godrich等人提出了MIMO雷达在提高目标定位能力时的系统功率资源分配算法，在给定总发射功率的前提下，设计了使得目标定位精度最高的功率分配方案。目前，对于同时多波束模式的共址MIMO雷达的多目标跟踪资源管理方法中，并未考虑共址MIMO雷达一个宽波束可以照射多个目标的能力，并且是将有限的雷达资源消耗完，来获得目标跟踪精度的最大程度提高。然而在实际工程中，各目标均存在一个期望的跟踪精度，因此如何在保证各个目标不同期望跟踪精度的同时最小化系统资源消耗更具实际意义。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为实现在保证各个目标不同期望跟踪精度的同时最小化系统资源消耗，本专利技术提供了同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法，在保证各个目标跟踪精度的前提下，实现了有限雷达资源的合理分配，减小了系统资源的消耗。具体技术方案如下：步骤1：设共址MIMO雷达总的阵元数为M，则其可能划分的子阵个数为Ki＝2i-1，i＝1,2,…,(log2M+1)；发射功率库中的待选功率表示为pj,j＝1,2,...,P，其中P为待选发射功率集合中的个数；雷达的工作模式为Ig；假设当前分析时刻为tk，当前跟踪目标个数为D，tk之前所有目标的状态为{tk(o),X(tk(o)),P(tk(o))}，其中tk(o)为第o个目标的更新时刻，且tk(o)≤tk，o＝1,2,…,D；X(tk(o))为第o个目标在tk(o)的状态向量，P(tk(o))为第o个目标的在tk(o)时刻的状态误差协方差矩阵。针对各子阵划分的个数Ki＝2i-1，i＝1,2,…,(log2M+1)，确定虚拟目标的个数VD(Ki)；对于每一个可能的子阵划分个数，根据各个目标预测位置upre,o与对应的半功率波束宽度φ(Ki)之间的关系判断虚拟目标的个数。首先，将各个目标的预测位置进行升序排序，形成向量upre_sort。然后，将向量upre_sort中的最大元素upre_sort(D)分别与upre_sort(m),m＝1,2,...,D-1作差，得到的差值的绝对值记为|Δupre|Dm，并与对应的半功率波束宽度φ(Ki)进行比较，将第一个使得式(1)成立的upre_sort(m)与upre_sort(D)之间对应的所有目标抽象地看作一个虚拟目标，表示这些目标可以同时被一个波束所覆盖；对于剩下的upre_sort(1)～upre_sort(m-1)之间的m-1个目标利用类似的方法进行判断，直到将所有目标都进行了划分，记虚拟的目标个数为VD(Ki)；步骤2：对于每一个可能选取的发射功率pj，结合虚拟目标个数VD(Ki)与子阵划分个数，分别计算各工作模式下各目标的预测信噪比；已知当前的虚拟目标的个数VD(Ki)，将每个虚拟目标中实际的目标个数记为Nq,q＝1,2,...,VD(Ki)；根据虚拟目标的个数与子阵划分个数的关系，存在以下两种情况：a)当子阵划分个数大于等于虚拟目标的个数时，每个目标的预测信噪比的计算公式为：b)当子阵划分个数小于虚拟目标个数时，则会出现种工作模式，即需要从VD(Ki)个目标中选出Ki个虚拟目标进行跟踪；在每种可能的工作模式下，对于被探照到的目标的预测信噪比的计算公式为：其中，其中表示tk+1时刻预测的量；pj表示阵元的发射功率，M代表阵元总数，Ki代表子阵划分个数，λ为信号波长，τ为波形脉宽，rpre,o为第o个目标距离雷达的径向距离，为目标的平均RCS估计值，N0表示高斯噪声功率谱密度，且满足表示雷达的增益方向图，满足如下计算公式：其中常数项c0＝-2ln2，表示第o个目标的预测位置，φ(Ki)表示半功率波束宽度，表示在tk+1时刻探测相应虚拟目标的波束的预测指向，其计算公式为：其中，uprei代表与第o个目标形成同一虚拟目标的实际目标的预测角度。步骤3：计算各子阵划分个数下，相应的工作模式下取相应的发射功率pj时被探测目标的检测概率，计算公式如下：步骤4：设检测概率门限为Pd_th，筛选出检测概率超过检测门限的参数组合vh＝{Ki,pj,Ig}，将其构成可行参数组合集合；其中h＝1,2,...Nx，Nx为可行参数组合的个数。步骤5：针对每一组可行参数组合vh，计算目标实际跟踪精度与期望跟踪精度之间的差异度：其中，Po表示第o个目标预测的估计误差协方差向量，表示第o个目标期望的误差协方差向量，函数f(A,B)用于衡量AB之间的差异程度，可以根据需要选取多种不同的具体表现形式。其计算公式如下：其中，o∈Ig表示第o个目标在工作模式Ig下，表示第o个目标在工作模式Ig下；表示第o个目标的采样间隔。表示第o个目标的状态转移矩阵，Po(tk(o))表示第o个目标在tk(o)时刻的估计误差协方差，代表第o个目标的输入矩阵，Qo(tk(o))为噪声协方差矩阵。上式中K(νh)表示卡尔曼增益矩阵，其数学表达式如下：其中，Ho表示量测矩阵，R(νh)表示量测噪声协方差矩阵，可由下式计算得到：上式中σr(νh)为径向距离量测的标准差，σb(νh)为方位角量测的标准差，二者的计算表达式如下所示：其中，Δr(νh)表示距离分辨力，表示双程波束宽度，c为常数，J为雅克比坐标转换矩阵，如下所示：步骤6：针对每组可行参数组合vh计算：上式中ψ{x}表示归一化函数，系数α和β分别表示系统对跟踪精度项以及功率资源消耗项的加权系数，且满足0≤α≤1，0≤β≤1，α+β＝1。则最优的子阵划分个数、发射功率和工作模式所构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法，具体步骤如下：步骤1：设共址MIMO雷达总的阵元数为M，则其可能划分的子阵个数为Ki＝2i‑1，i＝1,2,…,(log2M+1)；发射功率库中的待选功率表示为pj,j＝1,2,...,P，其中P为待选发射功率集合中的个数；雷达的工作模式为Ig；假设当前分析时刻为tk，当前跟踪目标个数为D，tk之前所有目标的状态为{tk(o),X(tk(o)),P(tk(o))}，其中tk(o)为第o个目标的更新时刻，且tk(o)≤tk，o＝1,2,…,D；X(tk(o))为第o个目标在tk(o)的状态向量，P(tk(o))为第o个目标的在tk(o)时刻的状态误差协方差矩阵；针对各子阵划分的个数Ki＝2i‑1，i＝1,2,…,(log2M+1)，确定虚拟目标的个数VD(Ki)；对于每一个可能的子阵划分个数，根据各个目标预测位置upre,o与对应的半功率波束宽度φ(Ki)之间的关系判断虚拟目标的个数；首先，将各个目标的预测位置进行升序排序，形成向量upre_sort；然后，将向量upre_sort中的最大元素upre_sort(D)分别与upre_sort(m),m＝1,2,...,D‑1作差，得到的差值的绝对值记为|Δupre|Dm，并与对应的半功率波束宽度φ(Ki)进行比较，将第一个使得式(1)成立的upre_sort(m)与upre_sort(D)之间对应的所有目标抽象地看作一个虚拟目标，表示这些目标可以同时被一个波束所覆盖；对于剩下的upre_sort(1)～upre_sort(m‑1)之间的m‑1个目标利用类似的方法进行判断，直到将所有目标都进行了划分，记虚拟的目标个数为VD(Ki)；...

【技术特征摘要】
1.同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法，具体步骤如下：步骤1：设共址MIMO雷达总的阵元数为M，则其可能划分的子阵个数为Ki＝2i-1，i＝1,2,…,(log2M+1)；发射功率库中的待选功率表示为pj,j＝1,2,...,P，其中P为待选发射功率集合中的个数；雷达的工作模式为Ig；假设当前分析时刻为tk，当前跟踪目标个数为D，tk之前所有目标的状态为{tk(o),X(tk(o)),P(tk(o))}，其中tk(o)为第o个目标的更新时刻，且tk(o)≤tk，o＝1,2,…,D；X(tk(o))为第o个目标在tk(o)的状态向量，P(tk(o))为第o个目标的在tk(o)时刻的状态误差协方差矩阵；针对各子阵划分的个数Ki＝2i-1，i＝1,2,…,(log2M+1)，确定虚拟目标的个数VD(Ki)；对于每一个可能的子阵划分个数，根据各个目标预测位置upre,o与对应的半功率波束宽度φ(Ki)之间的关系判断虚拟目标的个数；首先，将各个目标的预测位置进行升序排序，形成向量upre_sort；然后，将向量upre_sort中的最大元素upre_sort(D)分别与upre_sort(m),m＝1,2,...,D-1作差，得到的差值的绝对值记为|Δupre|Dm，并与对应的半功率波束宽度φ(Ki)进行比较，将第一个使得式(1)成立的upre_sort(m)与upre_sort(D)之间对应的所有目标抽象地看作一个虚拟目标，表示这些目标可以同时被一个波束所覆盖；对于剩下的upre_sort(1)～upre_sort(m-1)之间的m-1个目标利用类似的方法进行判断，直到将所有目标都进行了划分，记虚拟的目标个数为VD(Ki)；步骤2：对于每一个可能选取的发射功率pj，结合虚拟目标个数VD(Ki)与子阵划分个数，分别计算各工作模式下各目标的预测信噪比；已知当前的虚拟目标的个数VD(Ki)，将每个虚拟目标中实际的目标个数记为Nq,q＝1,2,...,VD(Ki)；根据虚拟目标的个数与子阵划分个数的关系，存在以下两种情况：a)当子阵划分个数大于等于虚拟目标的个数时，每个目标的预测信噪比的计算公式为：b)当子阵划分个数小于虚拟目标个数时，则会出现种工作模式，即需要从VD(Ki)个目标中选出Ki个虚拟目标进行跟踪；在每种可能的工作模式下，对于被探照到的目标的预测信噪比的计算公式为：其中，其中表示tk+1时刻预测的量；pj表示阵元的发射功率，M代表阵元总数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程婷，魏雪娇，苏洋，彭瀚，李茜，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51