共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法技术方案

本发明专利技术提供了一种共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法。该方法通过目标成功照射限制和目标有效检测概率限制选择可行系统子阵划分个数集、采样间隔、变量χ

An adaptive resource management method for a common access MIMO radar network system

【技术实现步骤摘要】
共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法
本专利技术属于雷达目标跟踪领域，具体涉及一种共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法。
技术介绍
随着国防装备和科学技术的不断发展，作战环境越来越复杂，因此对现代雷达的性能和工作方式提出了更高的要求，雷达组网便应运而生。组网雷达系统相对于单站雷达有很多优势，比如更大的探测范围，明显地改善对抗和生存能力等，因此，在近年受到了广泛关注。(见文献：周文辉.相控阵雷达及组网跟踪系统资源管理技术研究[D].国防科学技术大学,2004)。雷达组网的研究开始于20世纪90年代，最早的是基于传统机械扫描雷达的组网。随着相控阵雷达的出现，由于其具有多功能、跟踪多目标、响应时间快、数据率高、可靠性高和适应性强等特点，基于相控阵雷达的组网系统成为研究热点。MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)雷达作为21世纪初出现的一种新型雷达体制，相对于传统的相控阵雷达，在目标检测、参数估计以及抗截获方面具有更多的优势。根据发射和接收天线各单元的间距大小,可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和共址MIMO雷达两类。(见文献：A.M.Haimovich,R.S.Blum,andL.J.Cimini,“MIMOradarwithwidelyseparatedantennas,”IEEESignalProcess.Mag.,vol.25,no.1,pp.116–129,Jan.2008；J.LiandP.Stoica,MIMORadarSignalProcessing.Hoboken,NJ,USA:Wiley,2009)。共址MIMO雷达是传统相控阵雷达的扩展，其系统结构更具实际应用价值。共址MIMO雷达的收发天线各单元相距较近,各个天线单元对目标的视角近似相同,每个子阵可以发射相互正交的信号波形,形成不同于传统相控阵的窄波束，而是更宽的低增益波束，从而不同的目标可能被一个宽发射波束同时照射。因此，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，将共址MIMO雷达应用于组网系统资源管理中有较大研究价值。对于相控阵雷达组网资源管理，易伟等人在非集中式组网系统中提出一种多目标跟踪的联合节点和功率分配策略，实现在自适应分配功率(消耗完系统资源)的情况下极小化系统的PC-CRLB(predictedconditionalCramer–Raolowerbound)(见文献M.Xie,W.Yi,T.Kirubarajan,L.Kong,"Jointnodeselectionandpowerallocationstrategyformultitargettrackingindecentralizedradarnetworks",IEEETrans.SignalProcess.,vol.66,no.3,pp.729-743,Feb.2018)。严俊坤提出一种联合目标配置和驻留时间分配算法，通过自适应目标的传感器配置和传感器驻留时间极小化worst-case(归一化)PCRLB(见文献J.Yan,W.Pu,H.Liu,etal.,Cooperativetargetassignmentanddwellallocationformultipletargettrackinginphasedarrayradarnetwork,SignalProcessing，2017,141:74-83)。接着，相似的工作被扩展到杂波环境下，严俊坤提出一种目标跟踪的联合检测和功率分配框架，通过自适应选择每个雷达的功率和目标虚警概率，极小化目标的PCRLB(见文献J.Yan,W.Pu,S.Zhou,etal.,Collaborativedetectionandpowerallocationframeworkfortargettracking,SignalProcessing，2019,55:173-183)。针对于共址MIMO雷达组网系统，严俊坤提出了联合控制波束数选取和功率分配的多目标跟踪算法，即利用最优化技术控制每个共址MIMO雷达发射的波束数和发射功率实现有效的多目标跟踪(见文献JYan,LiuH,PuW,etal.JointBeamSelectionandPowerAllocationforMultipleTargetTrackinginNettedCollocatedMIMORadarSystem.IEEETransactionsonSignalProcessing,2016,64(24):6417-6427)。鲁彦希提出一种多目标跟踪的联合调度和功率分配(JPSA)方法，通过自适应分配波束和功率实现在达到一定跟踪要求的基础上最小化能量消耗(见文献YLu,CHan,ZShu,"AdaptiveJSPAindistributedcolocatedMIMOradarnetworkformultipletargetstracking",IETRadar,Sonar&Navigation,2019,13(3):410-419.)。以上资源管理算法都是将系统资源消耗完极小化跟踪精度，然而在实际的系统中，在保证目标一定跟踪精度的情况下最小化资源量更有价值(见文献TCheng,SLi,JZhang,"Adaptiveresourcemanagementinmultipletargetstrackingforco-locatedmultipleinputmultipleoutputradar",IETRadar,Sonar&Navigation,2018)，但该文献仅针对于单站共址MIMO雷达进行资源管理，没有考虑共址MIMO雷达组网系统的资源管理。除此之外，对于共址MIMO雷达，现有资源管理算法仅考虑一个波束照射一个目标，忽略了一个宽波束同时照射多目标的能力，且未在共址MIMO雷达组网系统中综合考虑传感器选择、驻留调度与时间资源的管理。针对上述存在的问题或不足，为实现组网共址MIMO雷达系统资源在多目标跟踪过程中的高效分配，本专利技术提供了一种共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法。
技术实现思路
本专利技术提供的一种共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法，具体技术方案为：设总的雷达数为N,各雷达分别被标记为1,2,…,N，各雷达之间同步；总的目标数是D，各目标分别被标记为1,2,…,D，当前时刻为tk-1，tk-1之前所有目标的状态为其中tk-1(q)为第q个目标的更新时刻，且tk-1(q)≤tk-1；为第q个目标在tk-1(q)的状态向量，Pq(tk-1(q))为第q个目标的在tk-1(q)时刻的状态误差协方差矩阵。本专利技术主要实现满足期望跟踪精度时最佳分配系统资源达到节约系统资源的目的，包括：(1)参与探测的传感器组合以及与目标之间的对应关系；(2)系统探测时刻，即系统探测时间间隔；(3)各个共址MIMO雷达的子阵划分个数；(4)各个共址MIMO雷达的波束指向。对于各个自适应参数的选取范围，本专利技术在以下集合中进行选取：(1)对于参与探测的传感器组合以及与目标之间的对应关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法，具体技术方案为：/n设总的雷达数为N,各雷达分别被标记为1,2,…,N，各雷达之间同步；总的目标数是D，各目标分别被标记为1,2,…,D，当前时刻为t

【技术特征摘要】
1.共址MIMO雷达组网系统的自适应资源管理方法，具体技术方案为：
设总的雷达数为N,各雷达分别被标记为1,2,…,N，各雷达之间同步；总的目标数是D，各目标分别被标记为1,2,…,D，当前时刻为tk-1，tk-1之前所有目标的状态为其中tk-1(q)为第q个目标的更新时刻，且tk-1(q)≤tk-1；为第q个目标在tk-1(q)的状态向量，Pq(tk-1(q))为第q个目标的在tk-1(q)时刻的状态误差协方差矩阵；本发明主要实现满足期望跟踪精度时最佳分配系统资源达到节约系统资源的目的，包括：(1)参与探测的传感器组合以及与目标之间的对应关系；(2)系统探测时刻，即系统探测时间间隔；(3)各个共址MIMO雷达的子阵划分个数；(4)各个共址MIMO雷达的波束指向；
对于各个自适应参数的选取范围，本发明在以下集合中进行选取：(1)对于参与探测的传感器组合以及与目标之间的对应关系，这里通过引入变量来表示雷达与目标之间的对应关系，表示第i个雷达跟踪目标q，则表示第i个雷达没有跟踪目标q；(2)系统探测时间间隔T从预设的采样间隔集合中选取，其中T＝tk-tk-1；(3)设每个共址MIMO雷达总的阵元数为M，其可能划分的子阵个数为Kj＝2j-1，j＝1,2,…,(log2M+1)，则每个雷达子阵选择集为(4)每个共址MIMO雷达的波束指向用μi表示；各个自适应参数的可选集可根据实际情况进行不同设计；基于以上阐述，本发明主要实现共址MIMO雷达组网系统子阵划分个数K、系统采样间隔T、变量χi和波束指向u的自适应选择,K和u分别表示组网系统的子阵划分个数和波束指向,其向量形式分别为K＝(K1,K2,…,Ki,…,KN)，u＝(u1,u2,…,ui,…,uN)；
步骤1：在每个可能的采样间隔下，由于每个雷达对各目标均可能存在探测和不探测两种可能，因此可以给出各雷达所有可能的目标探测模式，其中各模式可以采用来表示,共有2Q种探测模式。对于每个雷达的各种探测模式，决定波束指向集；将的目标的预测位置组成一个集合upre，波束指向位置应该在集合[minupre,maxupre]中进行选择；该集合以Δu的步长进行离散得到最终的波束指向集如下：



其中表示第i个雷达针对于模式o的波束指向集；
步骤2：联合子阵划分个数，对于每个可能的共址MIMO雷达组网系统子阵划分个数、系统采样间隔、变量和波束指向参数组合(K,Tl,χ1,χ2,…,χi，…,χN,u)；保存满足目标成功照射条件的参数对，建立可行的组网系统子阵划分个数、系统采样间隔、变量和波束指向参数库
目标成功照射条件：



其中ui为第i个雷达波束指向，uq为目标q的方向，φ(Ki)为第i个雷达发射波束宽度，计算如下：



步骤3：选择最终可行的共址MIMO雷达组网系统子阵划分个数、系统采样间隔、变量和波束指向参数组合；
步骤3.1：基于步骤2所得的组网系统子阵划分个数、系统采样间隔、变量和波束指向参数组合计算雷达i针对于目标q的检测概率



其中雷达i针对于目标q的预测回波信噪比为：



其中，Bw为波束指向位置处方位的双程波束宽度，Bw＝1.76/M，为预测方位角误差方差，为雷达i针对于目标q波束指向方向的预测信噪比：



其中，M为雷达阵元数，e为发射波形能量，ηA为天线有效面积占空比，为雷达i针对于目标q的平均RCS估计值，λ为波长，为雷达i针对于目标q的径向距离，N0为...

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