CN106842184B - 一种基于波束调度的多目标探测与跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于波束调度的多目标探测与跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：以雷达扫描方位中心为0度，将整个雷达扫描的方位角范围Ang_ScanWidth,按照波束宽度bw进行方位角度的划分，共划分为N个子区域，其中，表示向上取整；根据当前k‑1时刻雷达天线阵面法线方向，计算下一个雷达帧k时刻波束可捷变的角度范围[θ₁,θ₂]，令θ＝(θ₂‑θ₁)/2，θ一般取±60度，表示相控阵天线最大捷变的角度范围。

Description

一种基于波束调度的多目标探测与跟踪方法

技术领域

本发明涉及具有相控阵体制雷达的资源管理技术领域，特别涉及大容量目标探测与跟踪调度时的时间资源配置优化技术，适用于机载/舰载海面目标监视、搜索与跟踪雷达。

背景技术

传统的海面目标搜索雷达大部分采用机械扫描雷达，它是依靠安装在转台上的天线转动实现TWS(边扫描边跟踪)工作方式，具有探测范围广的优点，然而它无法做到时间资源的有效管理，无法对一些普通目标和重点目标进行数据率差异化的控制，因而是一种开环式探测与跟踪系统。

随着现代军事需求的发展，对雷达在密集海杂波背景下海面目标的探测与跟踪性能提出了更高的要求。相控阵体制雷达具有特殊优势，它能灵活的控制波束指向，TAS(跟踪加搜索)工作方式下可实现快速波束捷变，可同时对空中和海面目标在空间、时间和能量上进行统一调度，相比于机械扫描雷达更受用户青睐。因而研究相控阵雷达资源管理方法，对海面目标探测与跟踪能力的提升具有重要意义。

海面目标任务调度面临的主要难题是跟踪目标个数多，通常多达成百上千，称之为大容量目标跟踪。而雷达资源有限，难以建立一种有效方法实现雷达对如此多的目标的跟踪调度。本发明在研究了海面目标跟踪面临的探测率低，跟踪目标数目多等难题的基础上，提出了一种基于波束调度的多目标探测与跟踪方法，根据区域目标重要性对波束驻留时间差异化控制，在保证大容量目标搜索与跟踪的同时，提高了重点海域重点目标的跟踪数据率，从而提高了海面目标雷达跟踪性能，为海面目标探测跟踪的雷达资源调度提供了一种有效的参考方法。

发明内容

现有的相控阵雷达时间资源调度技术是对跟踪目标进行调度跟踪，受跟踪目标个数限制，难以应用于海面密集杂波环境下大容量目标探测与跟踪。本发明采用波束调度方法，采用海面波束探测区域划分法，将波束区域代替真实的目标作为“区域目标”进行调度探测，解决了跟踪目标数目过多雷达调度不及时，从而目标数据率下降而导致目标跟踪性能较差的难题。优化了雷达时间资源配置，在维持海面大容量目标跟踪的同时，提高重点海域重点目标的跟踪精度，提高了雷达总体跟踪性能。

本发明以相控阵雷达海面目标搜索和跟踪任务调度的时间资源管理为研究对象，为了解决大容量跟踪目标下高跟踪精度而雷达资源有限的矛盾，提出了一种基于波束调度的多目标探测与跟踪方法。本方法包括以下步骤：

1)以雷达扫描方位中心为0度，将整个雷达扫描的方位角范围Ang_ScanWidth,按照波束宽度bw进行方位角度的划分，共划分为N个子区域。

其中，表示向上取整。

2)根据当前k-1时刻雷达天线阵面法线方向，计算下一个雷达帧k时刻波束可捷变的角度范围[θ₁,θ₂]，令θ＝(θ₂-θ₁)/2，θ一般取±60度，表示相控阵天线最大捷变的角度范围。

3)预测k时刻雷达波束捷变范围内的所有存在目标航迹的子区域A_n(k)＝[A₁,A₂,…,A_n]，将方位上在一个波束宽度内的子区域内的所有目标作为一个“区域目标”进行跟踪调度。因此，k-1时刻雷达调度所需要处理的目标个数最大为从而使得调度目标个数大大减少。这里，|*|表示取绝对值。

4)根据步骤(3)将孤立的单一目标融合为一个“区域目标”的设计思想，给出计算“区域目标”调度回访时间的方法：

a)采用多假设贝叶斯法计算航迹分数

设定航迹起始分数为：

其中，β_N是新目标存在空间密度，β_FA是虚警或杂波密度。航迹有测量落入波门进行更新和航迹无量测落入波门进行外推时航迹分数计算如下：

其中，P_D是检测概率，P_FA为虚警概率，M为测量维数，S为信息协方差，d是测量与预测值的残差，如果假设量测数据帧与帧之间似然比的计算是相互独立的，可得到，

L_LR(k)＝L_LR(k-1)+△L_LR(k) (4)

其中△L_LR(k)是k时刻航迹分数变化量，由式(3)给出，L_LR(k-1)是航迹k-1时刻分数。

由该递推式，可计算出k时刻目标航迹的航迹分数。

b)计算航迹来源于真实目标的全局生存概率

其中，表示第k个“区域目标”的融合协方差，p_k,i表示区域内第i个目标的全局生存概率，可用如下公式表示：

其中，N是划分子区域的个数，m_TotalNum表示第m个子区域内目标航迹个数，L_m,LR(i)表示第m个子区域第i个目标航迹的航迹分数。

c)分区法计算“区域目标”的回访时间

Van Kuek公式法计算第i个目标探测周期T_rtn,i的近似值为：

其中，为量测误差协方差，一般恒定。τ_m,i是机动时间常数，v_0,i是预测控制精度，可根据实际人为调节。

为第i个目标预测状态误差协方差，可由下式计算而来：

其中，Px是x位置状态协方差，Py是y位置状态协方差。k1,k2是调节系数，为常量。

将式(6)和式(8)代入式(5)，得到的结果代入式(7)，即可计算每个“区域目标”的回访时间。

5)根据步骤(4)计算的各“区域目标”的回访时间，计算第i个区域目标调度优先级Pr(i)，则k时刻雷达执行的任务由下式给出：

Task(k)＝max{Pr(T_s),max(Pr(i)),Pr(T_t)},i＝1,2,…,N (9)

其中，Task(k)表示k时刻雷达要执行的任务，Pr(T_s)表示搜索任务的优先级；Pr(i)调度第i个区域目标任务优先级；Pr(T_t)表示区域目标的雷达波束驻留任务，一般为最高。

6)为了减少海杂波的影响，对第i(i＝1,2,…,N)个子区域进行跟踪调度时采用波束内目标相关逻辑。设置电扫描波束跃度是基础波束跃度，k根据区域目标的重要性和目标数自适应取不同值，由下式确定：

其中，ω是区域的重要性属性，取0或1，m是子区域内目标个数。因此，k∈[0.5,1]，从而确定一个波束在子区域驻留的帧数m，由下式计算：

发明创造的优点和用途

本发明突破了传统的雷达资源调度方法被跟踪目标个数所局限的应用限制，解决了在高精度跟踪大容量目标的情况下雷达调度不及时的难题，优化了雷达波束资源配置，提高了雷达的总体跟踪性能，使得雷达具备海面大容量目标高效搜索与跟踪的能力。本发明可用于执行海面舰船等目标监视与搜救或巡逻与执法任务的机载和舰载雷达，实现搜索与跟踪任务调度资源的优化配置。

具体实施方式

一种相控阵雷达基于波束调度的海面目标探测与跟踪方法，下面用具体的实施例说明本方法。

设定机载雷达对海方位扫描范围θ∈[-60°,60°]，机头方向为扫描中心0度方向，方位波束宽度△θ_3dB＝3度，波束跃度为1度。

1)根据扫描范围和波束宽度，可将扫描范围划分为N＝40个子区域，以扫描中心为分界，3度为1个间隔，左侧[-60°,0°]包含20个子区域，右侧[0°,60°]也包含20个子区域。编号i从最左侧开始，i＝1,2,…,40。

2)一般而言，相控阵雷达天线为固定安装，无法旋转。当前k时刻，雷达天线法线方向正对机头，则波束可捷变范围为机头左右两侧±60度。

3)若k时刻目标航迹数目为500条，分布在方位角范围[-60°，-45°]内。统计雷达波束捷变范围内的所有子区域，存在目标航迹的区域为A(k)＝[A₁,A₂,…,A₅]。因此，当帧所要调度的“区域目标”个数为5。

4)计算各个区域目标的回访时间

a)采用多假设贝叶斯法计算航迹分数

假设5个区域内航迹个数分别为50,100,150,100,100。每条航迹的上一时刻分数都为10。则各个子区域的分数分别为L_A1(k-1)＝500，L_A2(k-1)＝1000，L_A3(k-1)＝1500，L_A4(k-1)＝1000，L_A5(k-1)＝1000。由式(3)计算当前时刻5个区域内每个目标的航迹分数增量分别为△_A1＝-0.1，△_A2＝0.1，△_A3＝0.2，△_A4＝0.1，△_A5＝-0.2。则当前k时刻各个子“区域目标”的分数分别为L_A1(k)＝495，L_A2(k-1)＝1010，L_A3(k-1)＝1530，L_A4(k-1)＝1010，L_A5(k-1)＝980。

b)计算航迹来源于真实目标的全局生存概率

根据上一步骤a)中假定，按照式(6)计算各个区域中单个目标的全局生存概率P_t,Am分别为：P_t,A1＝0.00197，P_t,A2＝0.00201，P_t,A3＝0.00203，P_t,A4＝0.00201，P_t,A5＝0.00195。

c)分区法计算“区域目标”的回访时间

假定k1＝0.6，k2＝0.4，每个目标航迹的位置状态协方差Px＝10000，Py＝10000，则按照式(5)，各“区域目标”的融合预测状态协方差分别为： 然后，假定量测误差协方差σ₀＝20，机动时间常数τ_m＝20，控制精度υ₀＝20，根据式(7)，带入上面计算得到的融合预测状态协方差，可算得各个“区域目标”的回访时间T_rtn,Am(秒)分别为：T_rtn,A1＝23.9577，T_rtn,A2＝11.7405，T_rtn,A3＝7.7499，T_rtn,A4＝11.7405，T_rtn,A1＝12.1017。

5)假设k-1时刻执行搜索任务，当前k时刻搜索任务优先级为10，各“区域目标”的优先级分别为Pr(A1)＝6，Pr(A2)＝9，Pr(A3)＝15，Pr(A4)＝9，Pr(A5)＝8。因此，k+1时刻应该执行的是调度“区域目标”A3。

6)为减少海杂波影响，增加探测概率，对A3目标进行连续跟踪调度，并对返回的测量采用波束内相关逻辑。设定基础波束跃度当前区域是重点区域，即ω＝1，A3包含的目标数m＝3，由式(10)可算得k＝0.6由式(11)可知该扫描子区域波束驻留5帧，波束跃度为0.6度，即k+1、k+2、k+3、k+4、k+5连续跟踪调度A3目标。由前面分析，A3区域方位角范围为[-54°,-51°]。可令这五帧的波束中心分别为-53.4°,-52.8°,-52.2°,-51.6°,-51°。下面介绍下波束内相关逻辑：波束内相关是指为减少杂波数量，对雷达同一个波束内目标返回的的多个测量进行关联合并的操作。本实施例中，可选择合并门限为3，只要5帧返回的回波测量中有3帧测量能关联，则输出合并后的回波测量，否则不输出。

Claims (1)

1.一种基于波束调度的多目标探测与跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以雷达扫描方位中心为0度，将整个雷达扫描的方位角范围Ang_ScanWidth,按照波束宽度bw进行方位角度的划分，共划分为N个子区域，

其中，表示向上取整；

2)根据当前k-1时刻雷达天线阵面法线方向，计算下一个雷达帧k时刻波束可捷变的角度范围[θ₁,θ₂]，令θ＝(θ₂-θ₁)/2，表示相控阵天线最大捷变的角度范围，

3)预测k时刻雷达波束捷变范围内的所有存在目标航迹的子区域A_n(k)＝[A₁,A₂,…,A_n]，将方位上在一个波束宽度内的子区域内的所有目标作为一个“区域目标”进行跟踪调度，因此，k-1时刻雷达调度所需要处理的目标个数最大为从而使得调度目标个数大大减少，这里，|*|表示取绝对值，

4)根据步骤3)将孤立的单一目标融合为一个“区域目标”，给出计算“区域目标”调度回访时间的方法：

a)采用多假设贝叶斯法计算航迹分数

设定航迹起始分数为：

其中，β_N是新目标存在空间密度，β_FA是虚警或杂波密度，航迹有测量落入波门进行更新和航迹无量测落入波门进行外推时航迹分数变化量计算如下：

其中，P_D是检测概率，P_FA为虚警概率，M为测量维数，S为信息协方差，d是测量与预测值的残差，如果假设量测数据帧与帧之间似然比的计算是相互独立的，可得到，

L_LR(k)＝L_LR(k-1)+ΔL_LR(k) (4)

其中ΔL_LR(k)是k时刻航迹分数变化量，由式(3)给出，L_LR(k-1)是航迹k-1时刻分数，由该递推式，可计算出k时刻目标航迹的航迹分数，

b)计算航迹来源于真实目标的全局生存概率

其中，表示第k个“区域目标”的融合协方差，p_k,i表示区域内第i个目标的全局生存概率，可用如下公式表示：

其中，N是划分子区域的个数，m_TotalNum表示第m个子区域内目标航迹个数，L_m,LR(i)表示第m个子区域第i个目标航迹的航迹分数，

为第i个目标预测状态误差协方差，可由下式计算而来：

其中，Px是x位置状态协方差，Py是y位置状态协方差，k1,k2是调节系数，为常量，

c)分区法计算“区域目标”的回访时间

Van Kuek公式法计算第i个目标探测周期T_rtn,i的近似值为：

其中，为量测误差协方差，τ_m,i是机动时间常数，v_0,i是预测控制精度，可根据实际调节，

将式(6)和式(7)代入式(5)，得到的结果代入式(8)，即可计算每个“区域目标”的回访时间，

5)根据步骤(4)计算的各“区域目标”的回访时间，计算第i个区域目标调度优先级Pr(i)，则k时刻雷达执行的任务由下式给出：

Task(k)＝max{Pr(T_s),max(Pr(i)),Pr(T_t)},i＝1,2,…,N (9)

其中，Task(k)表示k时刻雷达要执行的任务，Pr(T_s)表示搜索任务的优先级；Pr(i)调度第i个区域目标任务优先级；Pr(T_t)表示区域目标的雷达波束驻留任务，

6)为了减少海杂波的影响，对第i个子区域进行跟踪调度时采用波束内目标相关逻辑，设置电扫描波束跃度是基础波束跃度，k根据区域目标的重要性和目标数自适应取不同值，由下式确定：

其中，ω是区域的重要性属性，取0或1，j是子区域内目标个数，因此，k∈[0.5,1]，从而确定一个波束在子区域驻留的帧数q，由下式计算：