CN104035100B - 基于目标特性融合的协同探测系统最优拓扑结构生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于目标特性融合的协同探测系统最优拓扑结构生成方法，利用了典型目标电磁仿真RCS数据并对典型RCS数据进行了基于最坏情况准则的融合，即取每一个观测方向上各典型目标的RCS值中的最小值作为在该观测方向的RCS值，兼顾了针对性和普适性；再根据RCS值、传播距离遍历所有系统部署组合计算相应的系统优化目标指标；根据计算结果寻优得到系统最优拓扑结构，解决了传统雷达方程不适用于分析协同探测系统威力范围的问题。

Description

基于目标特性融合的协同探测系统最优拓扑结构生成方法

技术领域

本发明涉及雷达检测技术，属于雷达信号处理领域，具体涉及一种基于最坏情况设计准则及MIMO雷达检测技术的协同探测雷达系统拓扑结构优化算法。

背景技术

采用多部雷达组网后进行协同探测，可以从多角度同时观测目标，具有良好的检测性能。但在对由多部雷达组成的协同探测系统中，系统威力覆盖范围情况不能由传统雷达方程推导得到，每个检测单元是否在威力范围之内需要根据系统具体采用的检测器并通过数值仿真或者进行实际测试得到，过程繁琐复杂，不利于优化及实时调整。而协同探测系统调用资源量远多于传统雷达，如果不能对其进行优化则势必造成资源的浪费，降低系统可用性。

目前的组网雷达系统威力范围分析主要是将传统单站雷达范围进行组合拼接得到组网雷达系统的威力范围，该方法简单直接，但不适用于协同探测系统的信号处理，事实上协同探测系统中各节点雷达回波可以彼此共享，故在此情况下实际威力范围是单站雷达威力范围、双基地雷达威力范围或多基地雷达威力范围的叠加；同时在协同探测系统中点目标的假设也不再成立，目标回波特性更多情况下满足非独立同分布关系，因此采用传统swerling点目标回波模型进行分析会与实际情况产生较大误差，对协同探测系统设计与部署的辅助作用较为有限。

因此，传统单站雷达的性能分析尤其是威力范围分析理论已经不适用于多雷达构成的协同探测系统威力范围分析，性能分析不准确同时耗时巨大，无法对协同探测系统及类似系统提供有效的设计分析理论。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种有效的同探测系统最优拓扑结构生成方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于目标特性融合的协同探测系统最优拓扑结构生成方法，包括以下步骤：

步骤1通过电磁仿真得到各典型目标的雷达散射截面RCS数据；

步骤2取每一个观测方向上各典型目标的RCS值中的最小值作为在该观测方向的RCS值；所述观测方向由发射节点与接收节点相对于目标的方向，以及目标进入角度确定；

步骤3设置协同探测系统部署的节点数，观测区域范围以及所有可能的节点坐标组合，设置典型目标后向散射面积、节点最大作用距离，设置目标进入角度变化范围以及系统优化目标；所述系统优化目标为信噪比或检测概率；

步骤4、在所有可能的节点坐标组合中取一组节点坐标组合作为当前节点坐标组合，利用相应观测方向的RCS值计算当前节点坐标组合下检测区域对应的系统优化目标指标；

步骤6、是否遍历完毕所有可能的节点坐标组合，如是，选取系统优化目标指标最大的节点坐标组合作为系统最优拓朴，如否返回步骤4；

所述步骤4中，利用相应观测方向的RCS值计算当前节点坐标组合下检测区域对应的系统优化目标指标具体为：

计算当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元在目标进入角度范围内各角度下第ij通道的对应的信噪比D_ij(θ_s)：

$D_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\θ}}_s\right)=D_0\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\θ}}_s\right)\·{\left(R_{\max }\right)}^4}{\mathrm{\σ}\·{\left(R_{\mathrm{ti}}{R}_{\mathrm{rj}}\right)}^2}$

其中，第ij通道为发射节点i与接收节点j对应的收发通道，D₀为系统节点单独工作时的检测因子，σ_ij(θ_s)为当前观测方向的RCS值，R_max为节点最大作用距离，σ为典型目标后向散射面积，R_ti、R_rj分别为发射节点和接收节点到检测单元的传播距离；i＝1,…,N，j＝1,…,N，N为协同探测系统部署的节点总数；

对各角度下对应的信噪比D_ij(θ_s)进行平均得到当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元在第ij通道的对应的信噪比D_ij；

对各通道对应的信噪比进行求和后得到当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元的信噪比SNR_l；

将检测区域内所有待检测单元对应的信噪比SNRl进行平均后得到的值作为当前节点坐标组合对应的信噪比SNR；

当系统优化目标为检测概率时，通过当前节点坐标组合对应的信噪比SNR计算检测概率P_d，其中，γ_T为门限值，为马库姆MarcumQ函数。

本发明相比于传统点目标假设，利用了典型目标电磁仿真RCS数据并对典型RCS数据进行了基于最坏情况(worst case)准则的融合，即取每一个观测方向上各典型目标的RCS值中的最小值作为在该观测方向的RCS值，兼顾了针对性和普适性；再根据RCS值、传播距离遍历所有系统部署组合(节点坐标组合)计算相应的的系统优化目标指标；根据计算结果寻优得到系统最优拓扑结构，解决了传统雷达方程不适用于分析协同探测系统威力范围的问题。

本发明的有益效果是，基于融合的目标电磁仿真特征信息的优化算法更为贴近实际情况，在针对性与普适性之间取得了很好的平衡，算法实用性强且优化性能稳定，可以为协同探测系统及相关类似系统的设计及部署提供有力的技术支持。

附图说明

图1为实施例仿真场景；

图2为不同布站策略平均检测性能示意图；

图3为最优拓扑结构与非最优拓扑结构平均检测性能对比示意图。

具体实施方式

实施例包括以下步骤：

步骤1首先通过电磁仿真得到协同探测系统针对的各种典型目标RCS数据；

步骤2根据最坏情况worst-case准则对RCS数据进行融合，将任一观测方向上各种典型目标RCS值中的最小值作为融合后在该观测方向的RCS数值；

步骤3系统及目标参数设置：

步骤3.1设定系统参数：包括节点数N，观测区域，可部署区域(即所有可能的节点坐标组合)；

步骤3.2设定节点性能参数：典型目标后向散射面积为σ，满足一定检测概率Pd和虚警概率P_fa情况下的最大作用距离R_max；

比如，假设某段水平海岸线，系统节点沿海岸线部署，观测区域距离海岸线250km(R_min＝250km)，观测区域大小为10km×10km，设区域网格化后有100个检测网格单元，系统有三个节点，坐标依次为((0,x₁₂),(0,0),(0,-x₂₃))，系统节点性能参数设置为对RCS面积为2㎡的目标，检测概率为0.8，虚警概率为10^-4情况下作用距离R_max为400km。

步骤3.3目标进入角度变化范围θ_s∈(-θ,θ)偏离角度θ＝1°,2°,...,10°；

步骤3.4确定系统优化目标为检测概率或信噪比；本实施例使用检测概率作为系统优化目标；

步骤4计算3节点协同探测系统的信噪比与检测概率对应关系，在某种节点坐标组合下，依次计算区域内各个单元中的目标在不同来袭角度范围内的平均检测概率，继而根据各单元的平均检测概率得到对该区域的平均检测概率：

步骤4.1根据设定的雷达参数，得到系统节点单独工作时的检测因子D₀；

步骤4.2选取监测区域中某单元，在来袭角度范围中选取一个角度，在可部署区域选取一种部署方案，确定各节点位置，计算该单元到所有节点传播距离；

步骤4.3计算当前节点坐标组合(部署方案)下检测区域内的各检测单元在目标进入角度范围内各角度下第ij通道的对应的信噪比D_ij(θ_s)：

$D_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\θ}}_s\right)=D_0\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\θ}}_s\right)\·{\left(R_{\max }\right)}^4}{\mathrm{\σ}\·{\left(R_{\mathrm{ti}}{R}_{\mathrm{rj}}\right)}^2}$

其中，第ij通道为发射节点i与接收节点j对应的收发通道，D₀为系统节点单独工作时的检测因子，σ_ij(θ_s)为当前观测方向的RCS值，R_max为节点最大作用距离，σ为典型目标后向散射面积，R_ti、R_rj分别为发射节点和接收节点到检测单元的传播距离；i＝1,…,N，j＝1,…,N，N为协同探测系统部署的节点总数；对于系统中自发自收的通道，即i＝j，R_ti＝R_rj；

步骤4.5对各角度下对应的信噪比D_ij(θ_s)进行平均得到当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元在第ij通道的对应的信噪比Dij；

步骤4.6对各通道对应的信噪比进行求和后得到当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元的信噪比SNR_l，即l＝1,…,L，L为检测区域内的检测单元总数；

步骤4.7将检测区域内所有待检测单元对应的信噪比SNR_l进行平均后得到的值作为当前节点坐标组合对应的信噪比SNR，再通过当前节点坐标组合对应的信噪比SNR计算检测概率Pd，其中，γ_T为门限值，为马库姆MarcumQ函数步骤5遍历检测区域内所有待检测单元，得到所有单元平均(总信噪比)检测概率，对它们进行平均得到对监测区域(总信噪比)检测概率平均值；

门限值γ_T通过以下方式计算得到：

$P_{\mathrm{fa}}=e^{-{\mathrm{\γ}}_T}{\mathrm{\Σ}}_{t=0}^{N^2-1}{\mathrm{\γ}}_T^t/t!$

其中，P_fa为预设的虚警概率，t为节点数变量，！表示连乘。

步骤5遍历所有可能的系统部署组合，选取系统优化目标指标最大的节点坐标组合作为系统最优拓扑形态，算法流程结束。

实施例

下面通过某种飞行器RCS电磁仿真数据给出一个实施例。

第一步，利用电磁仿真得到多个RCS数据(观测角度变化步长设为1°)，继而根据最坏情况设计准则将这些数据进行融合，任一观测方向上各种典型目标RCS值中的最小值作为融合后在该观测方向的RCS数值，遍历所有观测方向后得到融合后的RCS数据(电磁仿真频段为P波段)。

第二步，划定需要关注的监测区域，假设某段水平海岸线，系统节点沿海岸线部署，观测区域距离海岸线250km(R_lmin＝250km)，区域大小为10km×10km(x_lmax-x_lmin＝10km)，设区域网格化后有100个检测网格单元，来袭角度为θ_s∈(-θ,θ)偏离角度θ＝1°,2°,...,10°，系统有三个节点，坐标依次为((0,x₁₂),(0,0),(0,-x₂₃))，系统节点性能参数设置为对RCS面积为2㎡的目标，检测概率为0.8，虚警概率为10-4情况下作用距离为400km，仿真场景如图1所示。

第三步，计算3节点协同探测系统的信噪比与检测概率对应关系，在某种节点坐标组合下，依次计算区域内各个单元中的目标在不同来袭角度范围内的平均检测概率，继而根据各单元的平均检测概率得到对该区域的平均检测概率。

第四步，遍历所有可能坐标组合，区域平均检测概率最大时对应的坐标组合即为最佳坐标组合，即为最佳节点拓扑结构。

第五步，选取3个坐标组合，分别对应来袭角度0°，正负5°，正负10°情况，仿真3种坐标组合下对该区域平均检测概率，结果如图2所示。

从图2看出，在来袭角度为0°时，针对0°进行最优布站的协同探测系统对监测区域平均检测概率最大，在来袭角度为±5°时，针对±5°进行布站的协同探测系统对监测区域平均检测概率最大，同样的在在来袭角度为±10°时，针对±10°进行布站的协同探测系统对监测区域平均检测概率最大。

第六步，对上述仿真结论进行验证，类似前述划定一片监测区域，该区域距离海岸线R_lmin＝200kmR_lmax＝250km，区域大小为50km×900km(x_lmax-x_lmin＝900km)，设区域网格化后有45000个检测网格单元，来袭角度范围互为(-10°,10°)，系统有三个节点，坐标依次为((0,x₁₂),(0,0),(0,-x₂₃))，其他条件设置与前述一致。

第七步，在针对来袭角度范围为±10°的最优(x₁₂＝x₂₃＝220km)及非最优(x₁₂＝x₂₃＝180km)坐标组合下，依次计算区域内各个单元中的目标在不同来袭角度范围内的平均检测概率，统计平均检测概率大于0.5的区域并将其标注出来，得到最优拓扑及非最优拓扑情况下的监测区域覆盖情况，结果如图3所示。

从图3看出，两幅仿真图左侧五个白色点为五部雷达位置，而在每幅图右侧的矩形监视区域中，白色区域表示该区域内目标检测概率大于0.5，黑色区域表示目标检测概率小于0.5。可见最优拓扑结构下，协同探测系统可以更为有效对监测区域进行覆盖，有效性得到了验证。

Claims (2)

1.基于目标特性融合的协同探测系统最优拓扑结构生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过电磁仿真得到各典型目标的雷达散射截面RCS数据；

步骤2、取每一个观测方向上各典型目标的RCS值中的最小值作为在该观测方向的RCS值；所述观测方向由发射节点与接收节点相对于目标的方向，以及目标进入角度确定；

步骤3、设置协同探测系统部署的节点数，观测区域范围以及所有可能的节点坐标组合，设置典型目标后向散射面积、节点最大作用距离，设置目标进入角度变化范围以及系统优化目标；所述系统优化目标为信噪比或检测概率；

步骤4、在所有可能的节点坐标组合中取一组节点坐标组合作为当前节点坐标组合，利用相应观测方向的RCS值计算当前节点坐标组合下检测区域对应的系统优化目标指标；

步骤5、是否遍历完毕所有可能的节点坐标组合，如是，选取系统优化目标指标最大的节点坐标组合作为系统最优拓扑，如否返回步骤4；

所述步骤4中，利用相应观测方向的RCS值计算当前节点坐标组合下检测区域对应的系统优化目标指标具体为：

4-1计算当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元在目标进入角度范围内各角度下第ij通道的对应的信噪比D_ij(θ_s)：

其中，第ij通道为发射节点i与接收节点j对应的收发通道，D₀为系统节点单独工作时的检测因子，σ_ij(θ_s)为当前观测方向的RCS值，R_max为节点最大作用距离，σ为典型目标后向散射面积，R_ti、R_rj分别为发射节点和接收节点到检测单元的传播距离；i＝1,…,N，j＝1,…,N，N为协同探测系统部署的节点总数；

4-2对各检测单元在目标进入角度范围内各角度下第ij通道的对应的信噪比D_ij(θ_s)进行平均得到当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元在第ij通道的对应的信噪比D_ij；对各检测单元在第ij通道的对应的信噪比D_ij进行求和后得到当前节点坐标组合下检测区域内的各检测单元的信噪比SNR_l，

4-3将各检测单元的信噪比SNR_l进行平均后得到的值作为当前节点坐标组合对应的信噪比SNR；当系统优化目标为信噪比时，当前节点坐标组合下检测区域对应的系统优化目标指标计算完毕；当系统优化目标为检测概率时，还通过当前节点坐标组合对应的信噪比SNR计算检测概率P_d，其中，γ_T为门限值，为马库姆MarcumQ函数。

2.如权利要求1所述基于目标特性融合的协同探测系统最优拓扑结构生成方法，其特征在于，所述门限值γ_T通过以下方式计算得到：

其中，P_fa为预设的虚警概率，t为t次幂，表示通道数变量，！表示连乘。