基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法技术

本发明专利技术属于雷达目标跟踪技术领域，特别涉及一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，包含：以多目标位置估计误差最大值作为跟踪精度误差，使其小于给定位置精度，建立给定位置精度要求下的最少阵元选取优化模型；对MIMO雷达系统发射和接收阵元分别按照信号衰减从小到大进行排序，依据系统精度误差和给定位置精度，求解最少阵元选取优化模型，以确定选取阵元。本发明专利技术能够避免现有目标跟踪盲目选取阵元所带来的计算复杂度的增加，在保证多目标跟踪性能的情况下大幅降低计算量，实现对目标的快速追踪，与现有对比算法相比，计算量降幅能够达到近80％以上，以提高雷达系统目标跟踪精度和效率，具有较好的实际应用价值。

Fast extraction of minimum array elements for distributed MIMO Radar Based on multitarget tracking

【技术实现步骤摘要】
基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法
本专利技术属于雷达目标跟踪
，特别涉及一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法。
技术介绍
多输入多输出(multipleinputmultipleoutput，MIMO)雷达的概念自提出以来，因其所具有的空间分集和波形分集等特点使其在目标检测、跟踪、识别和参数估计等的性能上表现出特有的优势而得到了极大的关注。其中，MIMO雷达系统的资源分配研究是一个重要方面，在广义上，阵元、功率、波形、频率、带宽、时宽等都可视为系统资源。特别是对于分布式MIMO雷达系统，如何在资源有限的约束下使系统性能达到最优，在军用和民用上都具有重要意义。资源的合理分配问题是MIMO雷达系统必须要考虑的问题，在资源分配方面的研究主要集中在针对系统结构优化的分配方式和针对发射信号参数配置的分配方式两个方面。目标跟踪是雷达系统的重要应用，在分布式MIMO雷达系统对目标跟踪的资源分配方面的研究，跟踪性能可以用跟踪误差的误差下界衡量，在信噪比较高的情况下，克拉美罗下界(Cramer-RaoLowbound,CRLB)提供了误差的下界。分布式MIMO雷达系统中，对于静止目标的位置估计，利用估计误差的克拉美罗下界；对于运动目标跟踪时，利用位置和速度估计误差的贝叶斯克拉美罗下界(BayesianCramer-RaoLowbound,BCRLB)。并进一步利用跟踪目标的位置和速度联合估计的问题，可以推导两者联合估计的CRLB。在系统结构优化资源分配方面的研究主要为阵元的智能选取和阵元位置的合理布置。一个重要的研究方向是如何在保证一定跟踪性能的条件下使用到的阵元集合最小，在系统阵元数量有限的情况，具有重要的实际应用价值。现有技术中，针对资源分配的阵元选取问题，可利用阵元选择的启发式算法，以降低计算的复杂度；针对多目标位置估计问题进行阵元分组，可将阵元按照目标个数进行聚类分组，每个目标只由对应的阵元子集跟踪，以降低系统的计算复杂度；针对单目标跟踪问题，考虑了两种情况，一是给出了单目标给定定位精度下最小阵元子集选取策略，二是给定阵元子集大小下最高定位精度的子集选取策略。在阵元选取上方法上，可利用贪婪多起点搜索(GreedyMulti-startLocalSearch,GMLS)算法和公平多起点搜索(FairMulti-startLocalSearch,FMLS)算法。GMLS算法在计算复杂度上进一步降低，但不能保证最好的估计精度；FMLS算法，虽然跟踪精度很高，但不能有效的降低计算量。针对分布式MIMO雷达在多任务模式下对目标快速跟踪的需求，可利用基于多目标位置跟踪的收发阵元选取算法，在指定的位置估计精度的约束下，建立最少阵元选取的优化模型；在GMLS算法的基础上，通过改进的GMLS(ModifiedGMLS,MGMLS)算法进行阵元选取，在保证跟踪性能的基础上使算法复杂度进一步降低；另，在提高多目标跟踪精度的同时，以降低系统的代价损耗，更加符合实际情况，但并没有进一步降低计算量，反而有所增加。在分布式MIMO雷达对目标跟踪的阵元选取算法的现有研究中，为了达到最优，对于阵元的选取几乎都采取了遍历的方法，具有一定的盲目性，虽然能够带来跟踪性能的提高，但同时也带来了系统计算复杂度的提高。
技术实现思路
为此，本专利技术提供一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，避免现有技术中通过盲目选取阵元所带来的计算复杂度的增加，在保证多目标跟踪性能的情况下大幅降低计算量，实现对目标的快速追踪，具有较强的应用前景。按照本专利技术所提供的设计方案，提出一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，以多目标位置估计误差最大值作为跟踪精度误差，使其小于给定位置精度，建立给定位置精度要求下的最少阵元选取优化模型；对MIMO雷达系统发射和接收阵元分别按照信号衰减从小到大进行排序，依据系统精度误差和给定位置精度，求解最少阵元选取优化模型，以确定最终最小阵元集。作为本专利技术中分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，进一步地，依据MIMO雷达系统跟踪集群目标数量和观测过程中目标位置估计误差，获取多目标位置估计误差最大值。作为本专利技术中分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，进一步地，MIMO雷达系统多目标位置估计误差最大值表示为：，其中，qt、qr分别表示为雷达系统发射、接收阵元选取变量，表示第k次观测过程中第q个目标位置估计误差，Q表示雷达系统跟踪集群目标数量，表示第k次观测过程中第q个目标横坐标。作为本专利技术中分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，进一步地，依据雷达系统发射阵元数量、接收阵元数量及跟踪精度误差小于给定位置精度的条件，构建使发射和接收阵元数量最小化的目标函数，并建立给定位置精度要求下的最少阵元选取优化模型。作为本专利技术中分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，进一步地，最少阵元选取优化模型表示为：，其中，qt、qr分别表示为雷达系统发射、接收阵元选取变量，Gk(qt,qr)表示第k次观测过程中多目标位置估计误差最大值，M、N分别表示雷达系统发射阵元、接收阵元数目，分别表示阵元选取变量中发射阵元m、接收阵元n阵元选取结果，其中，0为舍弃，1为选择，η为给定位置精度，(qt,qr)为达到给定位置精度要求的最小阵元集。作为本专利技术中分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，进一步地，模型求解中，按信号衰减排序获取所有发射阵元集和所有接收阵元集；从发射阵元集和接收阵元集中选取阵元，确定初始最少阵元集合；并依据初始最少阵元集合，求解最少阵元选取优化模型，若有解且满足系统精度误差，则初始最少阵元集合即为所求最小有效阵元集，退出；否则，从发射阵元集和接收阵元集中去除已选取阵元，迭代对模型求解，选取对跟踪性能贡献大的阵元，添加至最少阵元集合中，并依据系统精度误差，确定最终所求最小有效阵元集。本专利技术的有益效果：针对分布式MIMO雷达对目标跟踪资源分配中的阵元选取问题，现有方法普遍存在计算复杂度高等问题，本专利技术中通过基于信号衰减排序的最少阵元选取，将最小的阵元集合选为代价函数，建立优化模型，用衰减排序的方法将涉及到的阵元进行排序，避免盲目选取所带来的计算复杂度的增加，在保证多目标跟踪性能的情况下大幅降低计算量，实现对目标的快速追踪。并进一步通过仿真结果表明，本专利技术能够在保证给定跟踪性能的同时有效降低系统的计算量，与现有对比算法相比，计算量降幅能够达到近80％以上，提高雷达系统目标跟踪精度和效率，具有较好的实际应用价值。附图说明：图1为实施例中阵元快速提取流程示意图；图2为实施例中雷达与目标空间位置关系及目标的运动轨迹示意图；图3为实施例中穷举算法最优阵元选取示意；图4为实施例中MGMLS算法最优阵元选取示意；图5为实施例中衰减排序算法最优阵元选取示意；图6为实施例中位置估计精度相对误差示意；图7为实施例中计算复杂度比较示意。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，其特征在于，包含如下内容：/n以多目标位置估计误差最大值作为跟踪精度误差，使其小于给定位置精度，建立给定位置精度要求下的最少阵元选取优化模型；/n对MIMO雷达系统发射和接收阵元分别按照信号衰减从小到大进行排序，依据系统精度误差和给定位置精度，求解最少阵元选取优化模型，以确定最终最小阵元集。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，其特征在于，包含如下内容：
以多目标位置估计误差最大值作为跟踪精度误差，使其小于给定位置精度，建立给定位置精度要求下的最少阵元选取优化模型；
对MIMO雷达系统发射和接收阵元分别按照信号衰减从小到大进行排序，依据系统精度误差和给定位置精度，求解最少阵元选取优化模型，以确定最终最小阵元集。


2.根据权利要求1所述的基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，其特征在于，依据MIMO雷达系统跟踪集群目标数量和观测过程中目标位置估计误差，获取多目标位置估计误差最大值。


3.根据权利要求1或2所述的基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，其特征在于，MIMO雷达系统多目标位置估计误差最大值表示为：

，
其中，qt、qr分别表示为雷达系统发射、接收阵元选取变量，表示第k次观测过程中第q个目标位置估计误差，Q表示雷达系统跟踪集群目标数量，表示第k次观测过程中第q个目标横坐标。


4.根据权利要求1所述的基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达最少阵元快速提取方法，其特征在于，依据雷达系统发射阵元数量、接收阵元数量及跟踪精度误差小于给定位置精度的条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：王盛，蒋春启，陈松，郑娜娥，张靖志，吕品品，田英华，岳嘉颖，张龙，任修坤，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南;41