CN107064882B - 无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法 - Google Patents

Abstract

本明公开一种无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法，设定表征目标跟踪精度门限的期望协方差矩阵P_d和目标检测信噪比门限SNR_min后，建立雷达组网资源控制数学模型；根据计算得到的P_d与预测目标协方差矩阵之差，判断预测目标跟踪精度是否满足要求；若满足要求，下一时刻组网***中雷达发射机关机，采用TDOA无源传感器协同对目标进行跟踪；否则，下一时刻组网***中雷达发射机开机，对目标进行跟踪；获取并预测目标状态信息后，确定下一时刻雷达发射机的驻留时间和辐射功率；以此循环，直到跟踪过程结束。基于该方法，可通过无源传感器协同优化雷达发射机的开/关机状态、驻留时间和辐射功率，提高雷达组网***的射频隐身性能。

Description

无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理的技术领域，具体提出一种无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法。

背景技术

雷达射频隐身技术指的是雷达对抗敌方无源探测***截获、分选、识别、跟踪的隐身技术，以降低无源探测***对雷达的截获距离、截获概率为目标，能够进一步提高雷达及其搭载平台的战场生存能力和作战效能。当雷达及雷达组网***对目标进行跟踪时，在不影响目标跟踪性能的情况下，减少雷达发射机的发射次数、辐射功率和驻留时间，可以有效地提高雷达及雷达组网***的射频隐身性能。

现有的基于射频隐身的雷达组网***资源分配方式大体分为两种，一种是基于***组成结构的分配方式，即在达到预先设定的***性能的条件下，使用最少数目的雷达对目标进行探测；一种是基于发射参数的分配方式，即在满足一定***性能需求的前提下，通过合理分配发射功率，从而最小化***发射总功率，提升雷达组网***的射频隐身性能。

上述方法虽然提出了基于射频隐身的雷达组网***功率控制的思想，提高了雷达组网***的射频隐身性能，但这些方法均未考虑无源传感器协同对***射频隐身性能的影响。

而无源传感器由于自身不辐射电磁信号，只接收目标自身电子设备的辐射信号，故与有源雷达相比，具有作用距离远、隐蔽性强、不易被对方发现等优点。但，无源传感器存在的致命弱点是对目标的跟踪完全依赖于目标的电磁辐射，当目标保持无线电寂静时，无源传感器将无法正常工作；另外，无源传感器在跟踪精度上与有源雷达相比误差较大。因此，无源传感器只能作为有源雷达工作的补充与有源雷达协同工作，从而在满足目标跟踪精度的前提下，尽可能地减少有源雷达的开机次数，提升***的射频隐身性能。

因此，在到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)无源传感器协同下，如何确定雷达组网***目标跟踪时的资源控制策略，即如何自适应控制雷达发射机的开/关机状态、驻留时间和辐射功率是现有技术亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法，通过TDOA无源传感器协同，自适应地控制雷达发射机的开/关机状态、驻留时间和辐射功率来完成雷达组网***的资源控制。

为实现上述发明目的，本发明公开一种无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法，包含以下步骤：

步骤1：设定表征目标跟踪精度门限的期望协方差矩阵P_d和目标检测信噪比门限SNR_min；

步骤2：根据设定的期望协方差矩阵P_d和目标检测信噪比门限SNR_min，建立无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制数学模型：

式中，p_I(k)为k时刻雷达组网***的截获概率，△T(k+1)为k时刻的预测采样间隔；SNR(k)为k时刻的目标检测信噪比，为k时刻的预测目标协方差矩阵，和分别为k时刻雷达发射机辐射功率P_t(k)的上、下限，T_d(k)为k时刻的雷达发射机驻留时间，T_r为雷达脉冲重复间隔，为雷达发射机驻留时间上限；

步骤3：计算k时刻的预测目标协方差矩阵

步骤4：根据期望协方差矩阵P_d与k时刻的预测目标协方差矩阵之差，判断预测目标跟踪精度是否满足要求；

步骤5：若满足要求，下一时刻组网***中雷达发射机关机，采用TDOA无源传感器协同对目标进行跟踪，获取并预测目标状态信息；否则，下一时刻组网***中雷达发射机开机，对目标进行跟踪，获取并预测目标状态信息，然后确定下一时刻雷达发射机的驻留时间和辐射功率；

步骤6：返回步骤3，直到跟踪过程结束。

进一步的，采用交互式多模型扩展卡尔曼滤波方法对目标进行跟踪滤波，得到k时刻的预测目标协方差矩阵，即交互式预测协方差矩阵。

进一步的，步骤3所述的k时刻的预测协方差矩阵为：

式中，Pⁱ(k+1|k)为模型i的预测状态协方差矩阵，为k时刻模型i的目标状态预测，为k时刻的预测目标状态，上标T表示矩阵转置；

其中，k时刻的预测目标状态为：

式中，uⁱ(k+1|k)为相应的预测模型概率。

进一步的，步骤4中的预测目标跟踪精度需满足的要求是指期望协方差矩阵P_d与预测目标协方差矩阵之差为半正定矩阵，即：

进一步的，步骤5中的预测目标状态信息包含目标位置和速度。

进一步的，步骤5中的下一时刻雷达发射机的驻留时间T_d为：

式中，p_I为雷达发射机的截获概率，p_I(T_τ)表示雷达脉冲重复间隔T_r对应的截获概率，表示雷达发射机驻留时间上限对应的截获概率；其中，目标跟踪状态下，雷达发射机的截获概率p_I为：

式中，T_I为截获接收机的扫描时间，p'_fa为截获接收机的虚警概率，P_t为雷达发射机的辐射功率，G_t为达发射机的发射天线增益，G_i为截获接收机在雷达发射机方向上的接收天线增益，λ为雷达发射机的波长，G_IP为截获接收机处理器净增益，R_t为雷达发射机与目标之间的距离，k₀为玻尔兹曼常数，T_o为截获接收机的噪声温度，B_I为截获接收机***带宽，F_I为截获接收机噪声系数；

其中，erfc(·)是误差补函数，其计算公式为：

进一步的，步骤5中的下一时刻雷达发射机的辐射功率是根据雷达方程在已知目标位置和目标雷达散射截面的情况下求出；其中，目标雷达散射截面由先验信息获得。

雷达发射机辐射功率P_t为：

式中，B_r是雷达接收机匹配滤波器的带宽，R_rj是目标与第j部雷达接收机之间的距离，σ_t是目标RCS，是发射机波束指向与雷达阵面法线方向的夹角；

其中，C₁为与雷达***有关的常数，

式中，η为天线效率，N为天线阵元数目，G_RP为雷达接收机处理器净增益，F_r是雷达接收机噪声系数，k₀为玻尔兹曼常数。

有益效果：

本发明是在雷达组网目标跟踪时，通过TDOA无源传感器协同，可以在保证目标跟踪精度的前提下，通过期望协方差矩阵P_d与预测目标协方差矩阵之差的判断优化雷达发射机的开/关机状态，最大限度地减小雷达发射机开机次数；并在此基础上，优化雷达发射机的驻留时间和辐射功率，最小化雷达组网***的截获概率，从而提升无源协同下的雷达组网资源控制***的射频隐身性能。

附图说明

图1为雷达组网资源控制***模型图。

图2为本发明所公开的雷达组网资源控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和图2以及具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

考虑具有一部雷达发射机和N_r部接收机的雷达组网***，***模型如图1所示。

如图2所示，具体实施方式如下：

步骤1：根据目标跟踪任务的要求，设定表征目标跟踪精度门限的期望协方差矩阵P_d和目标检测SNR门限SNR_min。其中，期望协方差矩阵和目标检测信噪比门限可根据实际对目标跟踪性能的要求设定两个数值。

目标精度门限表示预先设定的目标跟踪精度要求，在此，采用预先设定初值的期望协方差矩阵表示目标跟踪精度门限。协方差矩阵现已在目标跟踪中得到广泛应用。期望协方差矩阵越大，表示要求达到的目标跟踪精度越低，反之亦然。故，设定一个期望协方差矩阵值，可以保证目标跟踪性能。

目标跟踪过程中需要对目标进行检测。预先设定的目标检测信噪比门限越高，表示跟踪过程中的目标检测性能越好。故，设定一个信噪比门限，可以保证跟踪过程中的目标检测性能。

步骤2：根据指定的期望协方差矩阵P_d和目标检测信噪比门限SNR_min，建立无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制数学模型：

式中，p_I(k)为k时刻雷达组网***的截获概率，△T(k+1)为k时刻的预测采样间隔，SNR(k)为k时刻的目标检测信噪比，为k时刻的预测协方差矩阵，和分别为k时刻雷达发射机辐射功率P_t(k)的上、下限，T_d(k)为k时刻的雷达发射机驻留时间，T_r为雷达脉冲重复间隔，为雷达发射机驻留时间上限。

基于此模型，通过后续步骤来优化雷达发射机的开/关机状态，雷达发射机的驻留时间和辐射功率，以获得雷达组网***的最小截获概率。

步骤3：计算预测目标协方差矩阵，

本发明采用交互式多模型扩展卡尔曼滤波(Interacting Multiple ModelExtended Kalman Filter)方法对目标进行跟踪滤波。

雷达信号处理中，交互多模型算法采用多个模型对目标进行跟踪，i表示模型的编号。令为k时刻模型i的目标状态预测，uⁱ(k+1|k)为相应的预测模型概率，Pⁱ(k+1|k)为模型i的预测状态协方差矩阵，可以得到k时刻的交互式预测目标状态为：

k时刻的交互式预测协方差矩阵为：

步骤4：根据期望协方差矩阵P_d与预测目标协方差矩阵之差，判断预测目标跟踪精度是否满足要求。当期望协方差矩阵与预测目标协方差矩阵之差为半正定矩阵，即，两个矩阵之差大于等于零即表示两者之差为半正定矩阵，如下式所示。

步骤5：当预测目标跟踪精度满足要求，即期望协方差矩阵与预测目标协方差矩阵之差为半正定矩阵时，下一时刻组网***中雷达发射机关机，采用TDOA无源传感器协同对目标进行跟踪；否则，下一时刻雷达发射机开机对目标进行跟踪，获取并预测目标状态信息，根据预测目标运动状态确定下一时刻雷达发射机的驻留时间和辐射功率。

S51、确定下一时刻雷达发射机的驻留时间T_d：

目标跟踪状态下雷达发射机的截获概率为：

式中，T_I为截获接收机的扫描时间，p'_fa为截获接收机的虚警概率，P_t为雷达发射机的辐射功率，G_t为达发射机的发射天线增益，G_i为截获接收机在雷达发射机方向上的接收天线增益，λ为雷达发射机的波长，G_IP为截获接收机处理器净增益，R_t为雷达发射机与目标之间的距离，k₀为玻尔兹曼常数，T_o为截获接收机的噪声温度，B_I为截获接收机***带宽，F_I为截获接收机噪声系数。erfc(·)是误差补函数，其计算公式为：

确定使得式(7)中截获概率最小的值为下一时刻雷达发射机的驻留时间，即：

式中，p_I为雷达发射机的截获概率，p_I(T_τ)表示雷达脉冲重复间隔T_r对应的截获概率，表示雷达发射机驻留时间上限对应的截获概率；

S52、确定下一时刻雷达发射机的驻留时间T_d：

根据雷达方程，在已知目标位置和目标雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)的情况下，其中，目标雷达散射截面由先验信息获得，先验信息，即事先获得的关于目标雷达散射截面的军事情报或者经电磁建模计算得到的雷达散射截面数值。从而，得到雷达发射机辐射功率P_t：

式中，B_r是雷达接收机匹配滤波器的带宽，R_rj是目标与第j部雷达接收机之间的距离，σ_t是目标RCS，是发射机波束指向与雷达阵面法线方向的夹角。

C₁为与雷达***有关的常数，

其中，η为天线效率，N为天线阵元数目，G_RP为雷达接收机处理器净增益，F_r是雷达接收机噪声系数。

步骤6：返回步骤3，直到跟踪过程结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：设定表征目标跟踪精度门限的期望协方差矩阵P_d和目标检测信噪比门限SNR_min；

步骤2：根据设定的期望协方差矩阵P_d和目标检测信噪比门限SNR_min，建立无源协同下基于射频隐身的雷达组网资源控制数学模型：

式中，p_I(k)为k时刻雷达组网***的截获概率，△T(k+1)为k时刻的预测采样间隔；SNR(k)为k时刻的目标检测信噪比，为k时刻的预测目标协方差矩阵，和分别为k时刻雷达发射机辐射功率P_t(k)的上、下限，T_d(k)为k时刻的雷达发射机驻留时间，T_r为雷达脉冲重复间隔，为雷达发射机驻留时间上限；

步骤3：计算k时刻的预测目标协方差矩阵

步骤4：根据期望协方差矩阵P_d与k时刻的预测目标协方差矩阵之差，判断预测目标跟踪精度是否满足要求；

步骤5：若满足要求，下一时刻组网***中雷达发射机关机，采用TDOA无源传感器协同对目标进行跟踪，获取并预测目标状态信息；否则，下一时刻组网***中雷达发射机开机，对目标进行跟踪，获取并预测目标状态信息，然后确定下一时刻雷达发射机的驻留时间和辐射功率；

步骤6：返回步骤3，直到跟踪过程结束。

2.如权利要求1所述的雷达组网资源控制方法，其特征在于：

采用交互式多模型扩展卡尔曼滤波方法对目标进行跟踪滤波，得到k时刻的预测目标协方差矩阵

3.如权利要求2所述的雷达组网资源控制方法，其特征在于：步骤3所述的k时刻的预测协方差矩阵为：

式中，Pⁱ(k+1|k)为模型i的预测状态协方差矩阵，为k时刻模型i的目标状态预测，为k时刻的预测目标状态，上标T表示矩阵转置；

其中，k时刻的预测目标状态为：

式中，uⁱ(k+1|k)为相应的预测模型概率。

4.如权利要求1所述的雷达组网资源控制方法，其特征在于：步骤4中所述的预测目标跟踪精度需满足的要求是指期望协方差矩阵P_d与预测目标协方差矩阵之差为半正定矩阵，即：

5.如权利要求1所述的雷达组网资源控制方法，其特征在于：步骤5中所述的预测目标状态信息包含目标位置和速度。

6.如权利要求5所述的雷达组网资源控制方法，其特征在于：步骤5中所述的下一时刻雷达发射机的驻留时间T_d为：

式中，p_I为雷达发射机的截获概率，p_I(T_τ)表示雷达脉冲重复间隔T_r对应的截获概率，表示雷达发射机驻留时间上限对应的截获概率；

其中，目标跟踪状态下，雷达发射机的截获概率p_I为：

式中，T_I为截获接收机的扫描时间，p'_fa为截获接收机的虚警概率，P_t为雷达发射机的辐射功率，G_t为达发射机的发射天线增益，G_i为截获接收机在雷达发射机方向上的接收天线增益，λ为雷达发射机的波长，G_IP为截获接收机处理器净增益，R_t为雷达发射机与目标之间的距离，k₀为玻尔兹曼常数，T_o为截获接收机的噪声温度，B_I为截获接收机***带宽，F_I为截获接收机噪声系数；

其中，erfc(·)是误差补函数，其计算公式为：

7.如权利要求5所述的雷达组网资源控制方法，其特征在于：步骤5中所述的下一时刻雷达发射机的辐射功率是根据雷达方程在已知目标位置和目标雷达散射截面的情况下求出；其中，所述目标雷达散射截面由先验信息获得；所述雷达发射机辐射功率P_t为：

式中，B_r是雷达接收机匹配滤波器的带宽，R_rj是目标与第j部雷达接收机之间的距离，σ_t是目标RCS，是发射机波束指向与雷达阵面法线方向的夹角；

其中，C₁为与雷达***有关的常数，

式中，η为天线效率，N为天线阵元数目，G_RP为雷达接收机处理器净增益，F_r是雷达接收机噪声系数，k₀为玻尔兹曼常数。