[发明专利]同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法

摘要

本发明属于雷达目标跟踪领域，具体涉及一种同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法。本发明中共址MIMO雷达处于同时多波束工作模式，在该工作模式下，每个子阵可以发射不同指向的波束去跟踪不同的目标；在进行波束接收时，运用数字波束形成技术来得到多个窄接收波束，以覆盖发射波束的探测区域。在目标跟踪过程中，自适应调整子阵划分个数、波束指向、发射功率和工作模式，其中引入了虚拟目标的概念，将能够被同一波束所探测到的多个目标称为一个虚拟目标。本发明在保证目标跟踪精度的基础上，最大限度地节约系统功率资源的消耗量。

主权项

1.同时多波束共址MIMO雷达多目标跟踪资源管理方法，具体步骤如下：步骤1：设共址MIMO雷达总的阵元数为M，则其可能划分的子阵个数为Ki＝2i‑1，i＝1,2,…,(log2M+1)；发射功率库中的待选功率表示为pj,j＝1,2,...,P，其中P为待选发射功率集合中的个数；雷达的工作模式为Ig；假设当前分析时刻为tk，当前跟踪目标个数为D，tk之前所有目标的状态为{tk(o),X(tk(o)),P(tk(o))}，其中tk(o)为第o个目标的更新时刻，且tk(o)≤tk，o＝1,2,…,D；X(tk(o))为第o个目标在tk(o)的状态向量，P(tk(o))为第o个目标的在tk(o)时刻的状态误差协方差矩阵；针对各子阵划分的个数Ki＝2i‑1，i＝1,2,…,(log2M+1)，确定虚拟目标的个数VD(Ki)；对于每一个可能的子阵划分个数，根据各个目标预测位置upre,o与对应的半功率波束宽度φ(Ki)之间的关系判断虚拟目标的个数；首先，将各个目标的预测位置进行升序排序，形成向量upre_sort；然后，将向量upre_sort中的最大元素upre_sort(D)分别与upre_sort(m),m＝1,2,...,D‑1作差，得到的差值的绝对值记为|Δupre|Dm，并与对应的半功率波束宽度φ(Ki)进行比较，将第一个使得式(1)成立的upre_sort(m)与upre_sort(D)之间对应的所有目标抽象地看作一个虚拟目标，表示这些目标可以同时被一个波束所覆盖；对于剩下的upre_sort(1)～upre_sort(m‑1)之间的m‑1个目标利用类似的方法进行判断，直到将所有目标都进行了划分，记虚拟的目标个数为VD(Ki)；步骤2：对于每一个可能选取的发射功率pj，结合虚拟目标个数VD(Ki)与子阵划分个数，分别计算各工作模式下各目标的预测信噪比；已知当前的虚拟目标的个数VD(Ki)，将每个虚拟目标中实际的目标个数记为Nq,q＝1,2,...,VD(Ki)；根据虚拟目标的个数与子阵划分个数的关系，存在以下两种情况：a)当子阵划分个数大于等于虚拟目标的个数时，每个目标的预测信噪比的计算公式为：b)当子阵划分个数小于虚拟目标个数时，则会出现种工作模式，即需要从V_D(K_i)个目标中选出K_i个虚拟目标进行跟踪；在每种可能的工作模式下，对于被探照到的目标的预测信噪比的计算公式为：其中，其中表示t_k+1时刻预测的量；p_j表示阵元的发射功率，M代表阵元总数，K_i代表子阵划分个数，λ为信号波长，τ为波形脉宽，r_pre,o为第o个目标距离雷达的径向距离，为目标的平均RCS估计值，N₀表示高斯噪声功率谱密度，且满足N₀＝kT₀F₀，表示雷达的增益方向图，满足如下计算公式：其中常数项c₀＝‑2ln 2，表示第o个目标的预测位置，φ(K_i)表示半功率波束宽度，表示在t_k+1时刻探测相应虚拟目标的波束的预测指向，其计算公式为：其中，uprei代表与第o个目标形成同一虚拟目标的实际目标的预测角度；步骤3：计算各子阵划分个数下，相应的工作模式下取相应的发射功率pj时被探测目标的检测概率，计算公式如下：步骤4：设检测概率门限为Pd_th，筛选出检测概率超过检测门限的参数组合vh＝{Ki,pj,Ig}，将其构成可行参数组合集合；其中h＝1,2,...Nx，Nx为可行参数组合的个数；步骤5：针对每一组可行参数组合vh，计算目标实际跟踪精度与期望跟踪精度之间的差异度：其中，P^o表示第o个目标预测的估计误差协方差向量，表示第o个目标期望的误差协方差向量，函数f(A,B)用于衡量AB之间的差异程度，计算公式如下：其中，o∈I_g表示第o个目标在工作模式I_g下，表示第o个目标在工作模式I_g下；表示第o个目标的采样间隔，表示第o个目标的状态转移矩阵，P^o(t_k(o))表示第o个目标在t_k(o)时刻的估计误差协方差，代表第o个目标的输入矩阵，Q^o(t_k(o))为噪声协方差矩阵；上式中K(ν_h)表示卡尔曼增益矩阵，其数学表达式如下：其中，Ho表示量测矩阵，R(νh)表示量测噪声协方差矩阵，可由下式计算得到：上式中σr(νh)为径向距离量测的标准差，σb(νh)为方位角量测的标准差，二者的计算表达式如下所示：其中，Δr(ν_h)表示距离分辨力，表示双程波束宽度，c为常数，J为雅克比坐标转换矩阵，如下所示：步骤6：针对每组可行参数组合vh计算：上式中ψ{x}表示归一化函数，系数α和β分别表示系统对跟踪精度项以及功率资源消耗项的加权系数，且满足0≤α≤1，0≤β≤1，α+β＝1；则最优的子阵划分个数、发射功率和工作模式所构成的参数组合表示为：步骤7：确定下一个时刻为：tk+1＝tk+T(tk+1)      (15)则tk+1时刻的发射功率为popt，并将MIMO雷达划分为Kjopt个子阵，采样的工作模式为Iopt对目标进行跟踪；确定tk+1时刻的最优参数集合ν(tk+1)opt＝(Kopt,popt,Iopt)；步骤8：重复以上步骤1‑7，直到达到跟踪时间为止。