CN108732543A - 一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，本属于雷达信号处理的技术领域，该方法针对由多部机载雷达发射机和多部机载接收机组成的机载组网雷达***，获取目标RCS及其相对于各雷达发射机和接收机之间的距离，以最小化机载组网雷达射频隐身性能表征指标为目标，以目标跟踪误差、检测性能及雷达辐射参数为约束条件，建立基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型，对雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率等辐射参数进行联合优化，利用本发明方法的模型所得最优雷达辐射参数可以在满足一定目标跟踪精度和目标检测性能的条件下，有效提升目标跟踪模式下机载组网雷达***的射频隐身性能。

Description

一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理的技术领域，具体是一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法。

背景技术

飞机射频(Radio Frequency，RF)隐身技术作为一种重要的有源隐身技术，是对抗敌方无源探测***，保障战斗机及其编队先敌发现、先敌打击、先敌摧毁的重要手段。具体来说，飞机射频隐身技术是指机载雷达、数据链、高度表等机载有源电子设备抵御敌方无源探测***截获、分选、识别的隐身技术，以降低无源探测***的截获概率、截获距离为目标，从而提升飞机的战场生存能力和突防能力。飞机射频隐身技术与雷达隐身、红外隐身等技术不同，需要在满足***性能和作战任务的前提下最大限度地减小机载电子设备的射频辐射特征。

在当今战场环境中，雷达辐射参数优化是军事行动中的重要部分，也是实现射频隐身的重要技术途径。因此，在设计雷达***时必须考虑到功率参数和时间参数限制。在过去的几十年中，雷达***的辐射参数优化问题引起了相当的重视。

近些年来，随着组网雷达***在航空、航天、军事等行业中日益的广泛应用，其广阔的应用前景也受到了越来越多的关注。从雷达辐射参数的类型上来说，现有的基于射频隐身的组网雷达***辐射参数优化方式大致分为两种，一种是基于发射功率分配的优化方式，一种是基于雷达传感器选择的优化方式。针对基于发射功率分配的辐射参数优化问题，是在达到给定目标跟踪精度的条件下，通过优化各雷达间功率分配，最小化雷达发射功率的最大值，从而提升机载组网雷达***的射频隐身性能。针对基于雷达传感器选择的辐射参数优化方式，是将雷达的时间消耗或功率消耗等作为传感器选择的代价函数，目的是在保证目标跟踪性能的前提下，合理控制***的发射时间或发射功率，并选择下一时刻时间或功率消耗最少的雷达完成目标跟踪。

目前，已有的研究成果虽然均涉及机载组网雷达***目标跟踪时的辐射参数优化，在一定程度上提升了***的射频隐身性能，但已有成果都未全面考虑所有雷达辐射参数的优化，并且未采用射频隐身表征指标对提出方法的射频隐身性能进行综合衡量，具有一定的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，该方法从实际工程应用需求出发，通过对雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间及发射功率辐射参数进行联合优化，提升了机载组网雷达在目标跟踪模式下的射频隐身性能。

本发明是这样实现的：

一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述的方法如下：

步骤一：首先由N_r部机载雷达发射机和N_r部机载接收机组成的机载组网雷达***，确定目标雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)以及目标雷达散射截面相对于各雷达发射机和接收机之间的距离；

步骤二：定义目标函数表征机载组网雷达***的射频隐身性能；

步骤三：根据预先设定的目标跟踪误差门限P_th、目标检测性能信噪比

(Signal-to-Noise Ratio，SNR)门限SNR_min，建立基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型；

步骤四：采用自适应采样间隔选择方法，确定目标跟踪采样间隔ΔT(k)；

步骤五：确定雷达发射机驻留时间T_d,i(k)；

步骤六：选择具有最小辐射功率的雷达发射机对目标进行跟踪。

进一步，所述的步骤二具体为：定义目标函数L(k)用以表征机载组网雷达***的射频隐身性能：

式中，w₁和w₂为权重系数(0≤w₁,w₂≤1)；p_I(k)为k-1时刻预测k时刻的机载组网雷达截获概率；P_t,i(k)为k时刻第i部雷达发射机的辐射功率；u_i(k)为雷达发射机二元选择变量；当u_i(k)＝1时，表示选择第i部雷达发射机对目标进行跟踪，当u_i(k)＝0时，表示不选择第i部雷达发射机对目标进行跟踪。

进一步，所述的步骤二中p_I(k)表示如下：

其中，

式中，T_d,i(k)为k时刻第i部雷达发射机的驻留时间，ΔT(k)为根据k-1时刻量测信息得到的下一时刻采样间隔，τ_I为截获接收机在每个步进带宽上的搜索时间，T_I为截获接收机搜索总时间，p'_fa为截获接收机虚警概率，G_t,i为第i部雷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为雷达发射机波长，G_IP为截获接收机处理增益，R_t,i(k|k-1)为第i部雷达发射机与截获接收机之间的距离预测值，k_B为玻尔兹曼常数，T_o为雷达接收机噪声温度，B_I为截获接收机***带宽，F_I为截获接收机噪声系数。

进一步，所述的步骤三具体为：

3.1，设定采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}；

3.2，基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型为：

式中，第i部雷达发射机辐射功率P_t,i(k)的最大值为最小值为驻留时间T_d,i(k)的最大值为最小值为T_r；

3.3，下一时刻的采样间隔ΔT(k)从预先设定的采样间隔集合Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}中进行选择，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_Q；

A为辅助矩阵，表示为：

式中，上标T表示矩阵转置运算；

表示k时刻的交互式预测协方差矩阵，表示为：

式中，q_j(k|k-1)为k-1时刻模型j的预测概率，P_j(k|k-1)为k-1时刻模型j的预测状态协方差矩阵，为k-1时刻模型j的目标状态预测，为k时刻的交互式预测目标状态，表示为：

进一步，所述的步骤四具体为：

4.1，采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_Q；

4.2，采样间隔根据预测目标跟踪误差的值进行选择；

第i部雷达发射机对目标进行照射前，按照从大到小的顺序从集合Ω中搜索，并估计预测目标跟踪误差的值，当的值在设定的跟踪误差门限之下时，立即停止搜索；

进一步，所述步骤五中满足约束条件的雷达发射机驻留时间T_d,i(k)为：

式中，驻留时间T_d,i(k)的最大值为为最大化发射机采样间隔。

进一步，所述步骤六具体为选择具有最小辐射功率的雷达发射机对目标进行跟踪，也即选择最优雷达发射机对目标进行跟踪：

式中，u_i(k)P_t,i(k)可由下式得到：

式中，σ_t,j为第i部雷达发射机和第j部雷达接收机之间的目标雷达散射截面，R_r,j(k|k-1)为第j部雷达接收机与目标之间的距离预测值；G_r,j为第j部雷达接收机的接收天线增益，F_r,j为第j部雷达接收机的噪声系数。

通过求解该优化模型，选取在满足目标跟踪误差、检测性能及雷达辐射参数约束的条件下，使得***射频隐身性能最优的雷达发射机选择u_i(k)、采样间隔ΔT(k)、驻留时间T_d,i(k)、发射功率P_t,i(k)作为最优解，将上述参数代入式(1)中，即可得到符合约束条件的机载组网雷达射频隐身辐射参数优化结果。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1)本发明方法是考虑由多部机载雷达发射机和多部机载接收机组成的机载组网雷达***，在满足一定目标跟踪误差、检测性能及雷达辐射参数约束的条件下，通过对雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间及发射功率等辐射参数进行联合优化，最小化机载组网雷达射频隐身性能表征指标，从而提升目标跟踪模式下机载组网雷达***的射频隐身性能；

2)该方法既保证了目标跟踪精度和目标检测性能，而且还对机载组网雷达的发射机选择、采样间隔、驻留时间及发射功率等辐射参数进行联合优化，最大限度地减小了机载组网雷达射频隐身性能表征指标，提升了目标跟踪模式下机载组网雷达***的射频隐身性能；

3)本发明设计了一个机载组网雷达***射频隐身性能表征指标，该指标融合了雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率等辐射参数。在此基础上，将该指标作为目标函数，在满足一定目标跟踪误差、检测性能及雷达辐射参数约束的条件下，建立基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型，对雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率等辐射参数进行联合优化。该模型所得最优雷达辐射参数可以在满足一定目标跟踪精度和目标检测性能的条件下，有效提升目标跟踪模式下机载组网雷达***的射频隐身性能。

附图说明

图1为本发明机载组网雷达辐射参数优化模型图；

图2为自适应采样间隔流程图。

图3为本发明实施例中目标跟踪轨迹图；

图4为本发明实施例中跟踪过程中目标相对各雷达接收机距离；

图5为本发明实施例中目标跟踪RMSE；

图6为本发明实施例中雷达照射标记与采样间隔；

图7为本发明实施例中雷达驻留时间和发射功率；

图8为本发明实施例中不同方法的雷达发射功率对比；

图9为本发明实施例中不同方法的截获概率对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1、确定目标RCS及其相对于各雷达发射机和接收机之间的距离：

如图1所示，考虑由N_r部机载雷达发射机和N_r部机载接收机组成的机载组网雷达***，假设截获接收机装在于被跟踪目标之上。根据实际战场环境的先验知识和目标跟踪量测信息，获取目标雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)以及目标相对于各雷达发射机和接收机之间的距离。

2、定义机载组网雷达射频隐身性能表征指标：

定义目标函数L(k)用以表征机载组网雷达***的射频隐身性能，如下所示：

式中，w₁和w₂为权重系数(0≤w₁,w₂≤1)，p_I(k)为k-1时刻预测k时刻的机载组网雷达截获概率，P_t,i(k)为k时刻第i部雷达发射机的辐射功率。u_i(k)为雷达发射机二元选择变量，当u_i(k)＝1时，表示选择第i部雷达发射机对目标进行跟踪；当u_i(k)＝0时，表示不选择第i部雷达发射机对目标进行跟踪。p_I(k)可以表示如下：

其中，

式中，T_d,i(k)为k时刻第i部雷达发射机的驻留时间，ΔT(k)为根据k-1时刻量测信息得到的下一时刻采样间隔，τ_I为截获接收机在每个步进带宽上的搜索时间，T_I为截获接收机搜索总时间，p'_fa为截获接收机虚警概率，G_t,i为第i部雷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为雷达发射机波长，G_IP为截获接收机处理增益，R_t,i(k|k-1)为第i部雷达发射机与截获接收机之间的距离预测值，k_B为玻尔兹曼常数，T_o为雷达接收机噪声温度，B_I为截获接收机***带宽，F_I为截获接收机噪声系数。

3、确定目标跟踪误差门限P_th、检测性能SNR门限SNR_min，并建立优化模型：

根据预先设定的目标跟踪误差门限P_th、目标检测性能信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)门限SNR_min，建立基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型：

式中，第i部雷达发射机辐射功率P_t,i(k)的最大值为最小值为驻留时间T_d,i(k)的最大值为最小值为T_r。下一时刻的采样间隔ΔT(k)从预先设定的采样间隔集合Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}中进行选择，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_Q。A为辅助矩阵，可表示为：

上标T表示矩阵转置运算。表示k时刻的交互式预测协方差矩阵，可表示为：

式中，q_j(k|k-1)为k-1时刻模型j的预测概率，P_j(k|k-1)为k-1时刻模型j的预测状态协方差矩阵，为k-1时刻模型j的目标状态预测，为k时刻的交互式预测目标状态，可表示为：

4、采用自适应采样间隔选择方法确定目标跟踪采样间隔ΔT(k)：

设采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}。采样间隔根据预测目标跟踪误差的值进行选择。第i部雷达发射机对目标进行照射前，按照从大到小的顺序从集合Ω中搜索，并估计预测目标跟踪误差的值，当其值在设定的跟踪误差门限之下时，立即停止搜索，从而保证在满足一定目标跟踪性能的前提下，最大化发射机采样间隔。具体的自适应采样间隔选择流程图如图2所示。

5、确定雷达发射机驻留时间T_d,i(k)：

利用式(8)，确定满足约束条件的雷达发射机驻留时间T_d,i(k)：

6、选择最优雷达发射机对目标进行跟踪：

利用式(9)，选择具有最小辐射功率的雷达发射机对目标进行跟踪：

式中，u_i(k)P_t,i(k)可由下式得到：

式中，σ_t,j为第i部雷达发射机和第j部雷达接收机之间的目标RCS，R_r,j(k|k-1)为第j部雷达接收机与目标之间的距离预测值，

式中，G_r,j为第j部雷达接收机的接收天线增益，F_r,j为第j部雷达接收机的噪声系数。

7、利用本发明方法的仿真结果

假设第1步与第3步中的***参数分别如表1和表2所示。

表1机载组网雷达***仿真参数设置

表2截获接收机***仿真参数设置

目标运动轨迹如图3所示，目标与雷达发射机和各接收机之间的距离变化如图4所示。跟踪过程持续时间为120s。雷达发射机的采样间隔集合设为Ω＝{5s,4.75s,4.5s,4.25s,…,0.25s}。设目标跟踪精度门限P_th为2500m²。

图5给出了目标跟踪最小均方误差(Root Mean Square Error，RMSE)值。从图5中可以看出，所提方法可通过优化雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率，维持设定的目标跟踪精度。

图6给出了P_th＝2500m²时所提方法的雷法发射机照射标记和采样间隔。需要说明的是，恒定辐射参数方法中采样间隔设为1s。从图6中可以看出，***根据目标运动状态在每一步选择不同的采样间隔对目标进行跟踪。在目标非机动期间，采样间隔最大可以达到5s，而且，在整个目标跟踪过程中，大部分时间采样间隔均大于1s。在同样的目标跟踪精度下，所提方法的雷达辐射次数可比固定采样间隔方法减少了52.5％，从而降低了目标跟踪的时间资源消耗。

图7给出了某次蒙特卡洛仿真中的雷达发射机驻留时间和辐射功率。从图7中可以看出，雷达发射机根据目标实时运动信息，动态选择最小功率策略或最小驻留策略对目标进行跟踪，以提升机载雷达组网的射频隐身性能。

图8给出了不同方法的雷达发射功率对比。从图8中可以看出，所提方法通过优化雷达发射机选择，具有比未优化雷法发射机选择更小的发射功率。

图9给出了不同方法的截获概率对比。从图9可以看出，相比9(b)恒定辐射参数方法，9(a)方法中的雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率等辐射参数随着目标运动状态的变化而自适应地调整，从而最小化机载组网雷达***的截获概率，使其具有更优的射频隐身性能。

由上述仿真结果可知，基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，在满足一定目标跟踪误差、检测性能及雷达辐射参数约束的条件下，以最小化机载组网雷达射频隐身性能表征指标为目标，建立基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型，对雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率等辐射参数进行联合优化。该方法不仅保证了给定的目标跟踪精度和目标检测性能，而且对雷达发射机选择、采样间隔、驻留时间和发射功率等辐射参数进行联合优化，有效提升了目标跟踪模式下机载组网雷达***的射频隐身性能。

Claims (7)

1.一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述的方法如下：

步骤一：首先由N_r部机载雷达发射机和N_r部机载接收机组成的机载组网雷达***，确定目标雷达散射截面以及目标雷达散射截面相对于各雷达发射机和接收机之间的距离；

步骤二：定义目标函数表征机载组网雷达***的射频隐身性能；

步骤三：根据预先设定的目标跟踪误差门限P_th、目标检测性能信噪比门限SNR_min，建立基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型；

步骤四：采用自适应采样间隔选择方法，确定目标跟踪采样间隔ΔT(k)；

步骤五：确定雷达发射机驻留时间T_d,i(k)；

步骤六：选择具有最小辐射功率的雷达发射机对目标进行跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：定义目标函数L(k)用以表征机载组网雷达***的射频隐身性能：

式中，w₁和w₂为权重系数(0≤w₁,w₂≤1)；p_I(k)为k-1时刻预测k时刻的机载组网雷达截获概率；P_t,i(k)为k时刻第i部雷达发射机的辐射功率；u_i(k)为雷达发射机二元选择变量；当u_i(k)＝1时，表示选择第i部雷达发射机对目标进行跟踪，当u_i(k)＝0时，表示不选择第i部雷达发射机对目标进行跟踪。

3.根据权利要求2所述的一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述的步骤二中p_I(k)表示如下：

其中，

式中，T_d,i(k)为k时刻第i部雷达发射机的驻留时间，ΔT(k)为根据k-1时刻量测信息得到的下一时刻采样间隔，τ_I为截获接收机在每个步进带宽上的搜索时间，T_I为截获接收机搜索总时间，p'_fa为截获接收机虚警概率，G_t,i为第i部雷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为雷达发射机波长，G_IP为截获接收机处理增益，R_t,i(k|k-1)为第i部雷达发射机与截获接收机之间的距离预测值，k_B为玻尔兹曼常数，T_o为雷达接收机噪声温度，B_I为截获接收机***带宽，F_I为截获接收机噪声系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

3.1，设定采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}；

3.2，基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数优化模型为：

式中，第i部雷达发射机辐射功率P_t,i(k)的最大值为最小值为驻留时间T_d,i(k)的最大值为最小值为T_r；

3.3，下一时刻的采样间隔ΔT(k)从预先设定的采样间隔集合Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}中进行选择，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_Q；

A为辅助矩阵，表示为：

式中，上标T表示矩阵转置运算；

表示k时刻的交互式预测协方差矩阵，表示为：

式中，q_j(k|k-1)为k-1时刻模型j的预测概率，P_j(k|k-1)为k-1时刻模型j的预测状态协方差矩阵，为k-1时刻模型j的目标状态预测，为k时刻的交互式预测目标状态，表示为：

5.根据权利要求1所述的一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：

4.1，采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_Q}，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_Q；

4.2，采样间隔根据预测目标跟踪误差的值进行选择；

第i部雷达发射机对目标进行照射前，按照从大到小的顺序从集合Ω中搜索，并估计预测目标跟踪误差的值，当的值在设定的跟踪误差门限之下时，立即停止搜索；

6.根据权利权利要求1所述的一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述步骤五中满足约束条件的雷达发射机驻留时间T_d,i(k)为：

式中，驻留时间T_d,i(k)的最大值为为最大化发射机采样间隔。

7.根据权利权利要求1所述的一种基于射频隐身的机载组网雷达辐射参数联合优化方法，其特征在于，所述步骤六选择具有最小辐射功率的雷达发射机对目标进行跟踪，也即选择最优雷达发射机对目标进行跟踪：

式中，u_i(k)P_t,i(k)可由下式得到：

式中，σ_t,j为第i部雷达发射机和第j部雷达接收机之间的目标雷达散射截面，R_r,j(k|k-1)为第j部雷达接收机与目标之间的距离预测值；G_r,j为第j部雷达接收机的接收天线增益，F_r,j为第j部雷达接收机的噪声系数。