CN105116381A - 多波束雷达时间功率资源联合分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束相控阵雷达的时间资源联合分配的方法，主要解决现有技术在进行雷达时间功率分配时没考虑目标跟踪误差，导致跟踪目标数少的问题。其实现方案是：先对待跟踪目标进行分组，按目标回波信噪比的大小给目标按比例分配发射功率和驻留时间，并使各个目标的跟踪误差方差满足设定的门限要求；然后采用动态规划方法，对雷达有限的时间功率资源进行分配，使雷达对更多目标进行跟踪。本发明能在不改变雷达硬件设施，不改变雷达消耗时间和功率资源的情况下，提高多波束雷达的跟踪目标数量，可用于需要面对大量目标的多波束火控相控阵雷达。

Description

多波束雷达时间功率资源联合分配方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及多波束雷达驻留时间与功率分配，以在保证跟踪精度的前提下节约雷达资源，可用于对需要面对大量目标的多波束火控相控阵雷达。

技术背景

近年来，相控阵雷达技术已经取得了广泛的应用。这种雷达可以同时生成多个波束并对多个目标进行照射，并可以灵活地调整每个波束的指向与其发射功率的大小。由于多波束相控阵雷达的这些灵活的特性，提供了对雷达资源进行分配的可能性。通过对多个目标进行组合，调整发射功率，调整照射某个目标的驻留时间，可达到不同的跟踪效果。根据目标场景与不同雷达的需求，通过设定不同的优化目标，达到诸如节约时间资源、节约功率资源、增加跟踪目标的个数等优化效果。

目前已有的关于雷达资源分配的研究工作主要是对雷达照射目标的发射功率或驻留时间进行自适应的管理，而对于雷达发射功率资源的分配则集中在采用跟踪滤波的协方差作为评价函数，利用最优化方程的方法对雷达的功率资源进行优化与分配，且对于时间资源的管理则是集中在调节雷达照射目标的驻留时间方面。例如在雷达时间资源有限的条件下，按照目标的优先级与威胁程度，对时间资源进行调整，或者以雷达对目标的跟踪精度作为评价函数，进而调整驻留时间，或者根据信噪比的变化与多个目标之间的信噪比比例，综合调整驻留时间、发射功率等参数，保证回波的信噪比情况。

上述现有的研究工作，通常没有考虑到速度量测对最终跟踪误差的影响。在雷达测距误差方差的克拉美罗界或跟踪的协方差公式中，大多仅仅考虑测距精度与重访时间间隔的影响，而没有考虑雷达照射目标的驻留时间长度对测速精度的影响,没能准确、完善地对跟踪误差进行描述，进而限制了雷达的跟踪目标数量。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于动态规划的多波束雷达时间功率资源联合分配方法，以在不改变雷达硬件设施，不改变雷达消耗时间、功率资源的情况下，通过学习场景，获取目标信息，调节、管理雷达资源，提高多波束雷达的跟踪目标数量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)对目标进行分组：

(1a)对N个目标进行跟踪，获取每个目标的位置估计值速度估计值以及目标回波的信噪比，按照目标回波信噪比从大到小给目标进行排序和编号；

(1b)根据雷达一次可跟踪的目标数B，将N个目标分成M组，M＝N/B，并按照目标的编号将可跟踪的目标依次加入到1到M组中，每组容量为B；

(2)设置目标的跟踪误差方差门限值0≤Thr≤15，按照各组中目标信噪比的大小比例，给组内目标分配相应的发射功率P_n和驻留时间τ_n，计算目标的跟踪误差方差f(P_n,τ_n)，n为目标编号，n∈{1,2,...,N}，并使f(P_n,τ_n)≤Thr；

(3)采用交换策略，将第i组的目标n₁和第j组的目标n₂进行交换，重新给两个组内目标分配相应的发射功率P′_n与驻留时间τ'_n,其中i∈{1,2,...,M}，j∈{1,2,...,M}且i≠j，n₁、n₂为目标编号，n₁∈{1,2,...,N}，n₂∈{1,2,...,N}且n₁≠n₂；

(4)计算交换前目标的时间总消耗τ_all和交换后的目标的时间总消耗τ'_all，并将交换后目标的驻留时间的总消耗τ'_all与交换前目标的驻留时间的总消耗τ_all进行比较，若τ'_all＜τ_all，则按交换后的分组结果，重新给目标分配相应的发射功率与驻留时间，执行步骤(6)，否则，执行步骤(5)；

(5)对一个目标进行L次交换，其中B≤L≤B²-B，若连续L次交换均没有获得更短的总消耗时间，则交换多个目标，并计算多次交换后的目标的时间总消耗结果，返回步骤(4)；

(6)对交换次数进行计数，若当前交换次数达到L次或目标消耗完总的雷达时间资源，则结束交换，否则，返回步骤(3)。

本发明由于先对目标进行分组，给目标分配相应的发射功率与驻留时间，再将不同组的目标进行交换，重新给目标分配相应的发射功率与驻留时间，不仅能在保证雷达对目标跟踪精度的前提下节约雷达资源，而且在对雷达有限的时间、功率资源进行管理后，能有效提高雷达的跟踪性能，增加可跟踪目标的数量，使雷达能够跟踪更多的目标。

以下结合附图对发明实例进行详细描述：

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是仿真场景中的目标轨迹图；

图3是仿真场景中每个目标的平均信噪比图；

图4是采用现有单波束自适应分配方法对图2中每个目标的最大跟踪误差图；

图5是采用现有多波束自适应分配方法对图2中每个目标的最大跟踪误差图；

图6是采用本发明对图2中每个目标的最大跟踪误差图；

图7分别采用本发明和现有两种三种方法得到的跟踪目标数量比较图；

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，对目标进行分组。

(1a)有N个待跟踪目标进行跟踪，获取每个待跟踪目标的位置估计值速度估计值以及回波的信噪比，按照回波信噪比从大到小给待跟踪目标进行排序和编号；

(1b)根据雷达一次可跟踪的目标数B，将N个目标分成M组，M＝N/B，并按照目标的编号将可跟踪的目标依次加入到1到M组中，且一个目标只能被分到一组，每组的目标数为B。

步骤2，设置目标的跟踪误差方差门限值0≤Thr≤15，计算各个目标的跟踪误差方差f(P_n,τ_n)。

(2a)按照各组中目标信噪比的大小比例，给组内各个目标按如下比例分配发射功率P_n和驻留时间τ_n：

n为目标编号，n∈{1,2,...,N}；

(2b)根据给各个目标分配的发射功率P_n和驻留时间τ_n，计算各个目标的跟踪误差方差其中为跟踪后得到的位置的估计值的方差，且保证各个目标的跟踪误差方差f(P_n,τ_n)≤Thr。

步骤3，采用交换策略，将第i组的目标n₁和第j组的目标n₂进行交换，重新给两个组内目标分配发射功率P′_n与驻留时间τ'_n,其中i∈{1,2,...,M}，j∈{1,2,...,M}且i≠j，n₁、n₂为目标编号，n₁∈{1,2,...,N}，n₂∈{1,2,...,N}且n₁≠n₂。

步骤4，根据雷达发射功率之和P_all，计算交换前目标的时间总消耗τ_all和交换后的目标的时间总消耗τ'_all：

${\mathrm{\τ}}_{all}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n,{\mathrm{\τ}}_n}{M\·P_{all}},$

${\mathrm{\τ}}_{all}^{\′}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n^{\′},{\mathrm{\τ}}_n^{\′}}{M\·P_{all}}.$

步骤5，将交换后目标的驻留时间的总消耗τ′_all与交换前目标的驻留时间的总消耗τ_all进行比较，若τ'_all＜τ_all，则按交换后的分组结果，重新给目标分配相应的发射功率与驻留时间，执行步骤7，否则，执行步骤6。

步骤6，对一个目标进行L次交换，其中B≤L≤B²-B，若连续L次交换均没有获得更短的总消耗时间，则交换多个目标，并查看多次交换后的目标的时间总消耗结果，返回步骤5。

步骤7，对交换次数进行计数，若当前交换次数达到L次或目标消耗完总的雷达时间资源，则结束交换，否则，返回步骤3。

本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明：

1.实验场景：

在雷达的视线范围内，存在20个飞行的目标，所有的目标的速度在400km/h到800km/h之间。仿真中采用多波束相控阵雷达，同时可以发射最多三个波束照射三个不同的目标，并且可以即时调整发射方向、照射目标的驻留时间与每个波束的发射功率。设定雷达跟踪时间为300ms，跟踪误差门限Thr设为10m。

2.仿真方法：

为了验证本发明采用的动态规划的方法，对发射功率与驻留时间进行联合分配产生的效果，在仿真过程中将采用本发明和两种现有的时间功率资源分配方法，对跟踪后的结果进行比较。

现有方法1：单波束自适应分配方法，该方法采用单波束照射目标的方法，即雷达在同一时间只生成单个波束，用全部功率对某个目标进行照射，同时根据目标的状态对驻留时间进行调整。

方法2：多波束自适应分配方法，该方法最多可以同时生成三个波束并对三个目标进行跟踪，在跟踪过程中，按照预测的目标信噪比的大小进行排序，从大到小依次将三个目标组合并进行照射，发射功率大小按照三个目标信噪比的比值进行分配，并分配合适的驻留时间保证所有目标的跟踪误差小于门限要求。依次进行时间资源的分配，直到这一段时间内用于跟踪的时间资源消耗完全。

本发明方法：最多可以同时生成三个波束并对三个目标进行跟踪。在跟踪过程中，根据动态规划方法进行时间资源、功率资源的分配与跟踪目标的选定。

3.仿真内容

仿真1，用现有方法1对仿真场景中的20个目标建立跟踪，最大跟踪误差结果如图4

仿真2，用现有方法2对仿真场景中的20个目标建立跟踪，最大跟踪误差结果如图5

仿真3，用本发明方法对仿真场景中的20个目标建立跟踪，最大跟踪误差结果如图6

仿真4，将仿真1、仿真2和仿真3的跟踪目标数目进行对比，结果如图7

3.实验结果分析

由图4可以看到，采用现有方法1，雷达可以跟踪15个目标，但是其中对三个目标的跟踪存在问题：即跟踪误差过大，超过了可跟踪的门限；或只有一段时间进行了跟踪，并非全时段的跟踪，在此称为不完全跟踪，因此该方法实际只对12个目标进行了完全的跟踪。

由图5可以看到，采用现有方法2，可以对15个目标进行有效的跟踪。

由图6可以看到，采用本发明的方法，可以有效地对17个目标进行跟踪。

通过图7所示，三种资源管理方法相比之下，采用本发明的方法，能够有效提高雷达性能，增加可跟踪的目标的数量，同时也证明了在照射目标能量不变的条件下，延长了驻留时间，降低了发射功率，对于提高测速精度，进而提高跟踪精度的方法，具有一定的效果。

仿真实验表明，本文提出的基于动态规划的时间功率资源分配方法，能有效提高雷达的跟踪性能，增加可跟踪目标的数量，这种方法对于需要面对大量目标的多波束火控相控阵雷达具有重要的意义。

Claims (4)

1.一种基于动态规划方法的多波束雷达时间功率资源联合分配方法，包括以下步骤：

(1)对目标进行分组：

(1a)对N个目标进行跟踪，获取每个目标的位置估计值速度估计值以及目标回波的信噪比，按照目标回波信噪比从大到小给目标进行排序和编号；

(1b)根据雷达一次可跟踪的目标数B，将N个目标分成M组，M＝N/B，并按照目标的编号将可跟踪的目标依次加入到1到M组中，每组容量为B；

(2)设置目标的跟踪误差方差门限值0≤Thr≤15，按照各组中目标信噪比的大小比例，给组内目标分配相应的发射功率P_n和驻留时间τ_n，计算目标的跟踪误差方差f(P_n,τ_n)，n为目标编号，n∈{1,2,...,N}，并使f(P_n,τ_n)≤Thr；

(3)采用交换策略，将第i组的目标n₁和第j组的目标n₂进行交换，重新给两个组内目标分配相应的发射功率P′_n与驻留时间τ'_n,其中i∈{1,2,...M,}，j∈{1,2,...,M}且i≠j，n₁、n₂为目标编号，n₁∈{1,2,...,N}，n₂∈{1,2,...,N}且n₁≠n₂；

(4)计算交换前目标的时间总消耗τ_all和交换后的目标的时间总消耗τ'_all，并将交换后目标的驻留时间的总消耗τ'_all与交换前目标的驻留时间的总消耗τ_all进行比较，若τ′_all＜τ_all则按交换后的分组结果，重新给目标分配相应的发射功率与驻留时间，执行步骤(6)，否则，执行步骤(5)；

(5)对一个目标进行L次交换，其中B≤L≤B²-B，若连续L次交换均没有获得更短的总消耗时间，则交换多个目标，并计算多次交换后的目标的时间总消耗结果，返回步骤(4)；

(6)对交换次数进行计数，若当前交换次数达到L次或目标消耗完总的雷达时间资源，则结束交换，否则，返回步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的基于动态规划方法的多波束雷达时间功率资源联合分配方法，其中所述步骤(2)中给组内各个目标分配相应的发射功率P_n和驻留时间τ_n，按如下比例进行：

即给信噪比大的目标分配大的发射功率P_n和驻留时间τ_n，给信噪比小的目标分配小的发射功率P_n和驻留时间τ_n。

3.根据权利要求1所述的基于动态规划方法的多波束雷达时间功率资源联合分配方法，其中所述步骤(2)中目标的跟踪误差方差f(P_n,τ_n)，是对每个目标的位置估计值取方差，即其中D表示取方差符号。

4.根据权利要求1所述的基于动态规划方法的多波束雷达时间功率联合分配方法，其中所述步骤(4)中计算交换前目标的时间总消耗τ_all和交换后的目标的时间总消耗τ'_all，通过下式计算：

${\mathrm{\τ}}_{all}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n,{\mathrm{\τ}}_n}{M\·P_{all}},$

${\mathrm{\τ}}_{all}^{\′}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n^{\′},{\mathrm{\τ}}_n^{\′}}{M\·P_{all}}$

其中P_all为雷达发射功率之和，P′_n为第i组的目标n₁与第j组的目标n₂交换后重新分配给目标n的功率，τ'_n为第i组的目标n₁与第j组的目标n₂交换后重新分配给目标n的驻留时间。