CN108614261B - 一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，该方法所完成的主要任务是考虑由一部共用雷达发射机和多部雷达接收机组成的组网雷达系统，在满足预先给定各目标跟踪精度、检测性能以及组网雷达系统发射资源约束的条件下，自适应动态调整多目标跟踪过程中共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数，最小化组网雷达系统的截获概率，从而提升多目标跟踪时组网雷达系统的射频隐身性能。

Description

一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法

技术领域

本发明涉及一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，属于雷达信号处理技术领域。

背景技术

日益复杂的战场环境对现代雷达探测系统提出了严峻的挑战。在未来信息化战争中，单部雷达或多部雷达的简单组合、叠加已不能满足联合作战的需要。因此，组网雷达系统是未来战术体系对抗的发展趋势，它能够提升武器平台的态势感知能力，在战场复杂电磁频谱环境中形成作战优势，提高我军雷达探测系统的网络化作战能力。

随着先进材料与电子技术的发展，各种先进的敌方无源探测系统与无源探测模式对我军雷达系统形成了越来越严峻的现实威胁。射频隐身技术是通过控制己方雷达信号的射频辐射特征，缩短敌方无源探测系统对雷达的有效作用距离，提高雷达及其搭载平台的生存能力，并实施对敌目标探测、跟踪、识别、打击的核心技术。2016年，美国国防高级研究计划局开展了可扩展到数百个节点且能在干扰环境下高效工作的传感器组网方案研究，认为传感器网络要采用新的射频隐身技术以提升在对抗环境下的生存能力。2017年10月5日，美国战略与预算评估中心发布了《决胜灰色地带——运用电磁战重获局势掌控优势》研究报告，这是该智库继2015年12月推出《决胜电磁波——重塑美国在电磁频谱领域的优势地位》之后围绕电磁战的又一研究力作。报告指出，为了重新获得美国对灰色地带局势的掌控优势，不仅要采用“系统之系统”作战，通过实现大型传感器阵列和有源或无源对抗装备的网状网络互连，扩大传感器的作用范围及在对抗区域边缘作业平台的覆盖范围，而且要利用无源辅助工作模式，在对抗空间中保持“静默”。另外，F-22和F-35隐身战斗机编队也多次出现在近年来美日韩举行的联合军演中，对东亚地区的安全局势构成了严重威胁。由此可见，组网雷达系统的协同探测跟踪技术已经受到了国内外的高度重视，其射频隐身辐射控制研究具有重要的国防意义。

然而，已有的研究成果虽然涉及组网雷达系统目标跟踪时的辐射参数优化问题，在保证给定目标跟踪性能的条件下，对雷达采样间隔、驻留时间、辐射功率等参数进行联合优化，在一定程度上提升了组网雷达目标跟踪过程中的射频隐身性能，但已有研究成果都只针对单目标跟踪场景，且并未用科学合理的射频隐身表征指标对组网雷达系统的射频隐身性能进行衡量，具有一定的局限性。针对多目标跟踪的组网雷达系统辐射参数控制方法研究还未见公开报道。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，在满足预先给定各目标跟踪精度、检测性能以及组网雷达系统发射资源约束的条件下，以最小化组网雷达系统的截获概率为优化目标，对共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数进行优化，提升多目标跟踪过程中组网雷达系统的射频隐身性能。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1)确定目标运动状态先验信息；

步骤2)构建组网雷达系统多目标跟踪下的射频隐身性能表征指标；

步骤3)确定目标跟踪性能门限，并构建组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数优化控制模型；

步骤4)多目标跟踪自适应采样间隔优化选择；

步骤5)确定满足各目标检测性能的共用雷达发射机驻留时间；

步骤6)确定满足各目标检测性能的共用雷达发射机辐射功率。

前述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：

组网雷达系统包括一部共用雷达发射机和M_R部雷达接收机，在跟踪的各个时刻，由共用雷达发射机发射信号对Q个目标进行照射，各接收机接收经目标反射的雷达信号对各目标进行跟踪；

假设Q个目标上均搭载有相同类型的截获接收机，根据通过电磁仿真计算预先获得的各目标雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)的数据库与目标跟踪过程，获取各目标相对不同雷达发射机-接收机对的RCS以及目标相对雷达发射机与各接收机的距离。

前述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤2)的具体内容为：

采用Q个被跟踪目标上搭载的截获接收机对雷达发射机辐射信号的前段截获概率作为组网雷达系统射频隐身性能的表征指标，如下式所示：

其中，

式中，

为k-1时刻预测k时刻组网雷达系统跟踪目标q时的截获概率；

为k时刻共用雷达发射机对目标q的驻留时间；ΔT^q(k)为根据k-1时刻量测信息得到下一时刻对目标q的采样间隔；T_I ^q为目标q搭载截获接收机的搜索总时间；

为目标q搭载截获接收机的搜索频带宽度，

为目标q搭载截获接收机的步进频带宽度；

为目标q搭载截获接收机的虚警概率；

为k时刻共用雷达发射机对目标q的辐射功率，G_t为雷达发射机的发射天线增益，

为目标q搭载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，

为目标q搭载截获接收机的处理增益；

为k-1时刻雷达发射机与目标q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，F_I ^q为目标q截获接收机的噪声系数。

前述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤3)的具体步骤为：

根据预先给定的目标q跟踪精度门限

表征目标检测性能的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)门限

建立组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数优化控制模型：

式中，Tr{·}表示求矩阵的迹，上标(·)^-1表示矩阵的逆；

为k-1时刻预测k时刻目标q的运动状态；

为k-1时刻预测k时刻目标q的先验信息Fisher信息矩阵(Fisher Information Matrix，FIM)；共用雷达发射机对目标q辐射功率P_t ^q(k)的最大值为

最小值为

驻留时间

的最大值为

最小值为T_r；下一时刻对目标q的采样间隔ΔT^q(k)从预先设定的采样间隔集合Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_N}中进行选择，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_N；

表示k-1时刻组网雷达系统的预测SNR；

式中，上标(·)^T表示矩阵的转置；

为k-1时刻目标q中运动模型m的预测概率；

为k-1时刻目标q状态矢量的后验估计；

为k-1时刻目标q的先验信息Fisher信息矩阵FIM；Q^q为目标q过程噪声的协方差矩阵，表示为：

其中，

为目标q的过程噪声强度；

为目标q在模型m时的状态转移矩阵，其中，m＝1,2,3，

表示匀速运动模型；

表示具有正角速度ω₊的协调转弯运动模型；

表示具有负角速度ω的协调转弯运动模型；

式中，G_r,i为第i部雷达接收机的接收天线增益，

为目标q相对共用雷达发射机-接收机i的RCS，G_RP为雷达接收机处理增益，B_r,i为是第i部雷达接收机匹配滤波器的带宽，F_r,i是第i部雷达接收机的噪声系数；

为k-1时刻第i部雷达接收机与目标q之间的距离预测值。

前述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤4)的具体内容为：

采用多目标跟踪自适应采样间隔优化选择方法，确定满足目标q跟踪精度要求的采样间隔ΔT^q(k)，设采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_N}：

假设共用雷达发射机对Q个目标进行跟踪，任一时刻只能对一个目标进行照射；设定目标q的跟踪精度门限为

目标q采样间隔ΔT^q(k)需根据预测目标跟踪误差

的值进行选择；

对各目标在采样间隔集合中依次选择采样间隔，计算

的值是否不大于给定的门限

得到满足跟踪精度要求的最大采样间隔值；

从得到的各目标采样间隔中选出采样间隔最小的目标进行跟踪。

前述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤5)的共用雷达发射机驻留时间为

前述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤6)中的共用雷达发射机辐射功率

SNR_min表示目标q检测性能的信噪比SNR门限；F_r是各雷达接收机的噪声系数；B_r是各雷达接收机匹配滤波器的带宽；G_r为各雷达接收机的接收增益。

本发明所达到的有益效果：本方法通过对组网雷达系统中共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数进行联合优化，既保证了多目标跟踪过程中各目标的跟踪精度和检测性能，而且最大限度地减小了组网雷达系统的截获概率，提升了多目标跟踪过程中组网雷达系统的射频隐身性能。

附图说明

图1是为多目标跟踪自适应采样间隔优化选择流程图；

图2为组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明考虑由一部共用雷达发射机和多部雷达接收机组成的组网雷达系统，在跟踪的各个时刻，由共用雷达发射机发射信号对多目标进行照射，各接收机接收经多目标反射的雷达信号对各目标进行跟踪。首先，根据通过电磁仿真计算预先获得的各目标雷达散射截面RCS数据库与目标跟踪过程，获取各目标相对不同雷达发射机-接收机对的RCS以及目标相对雷达发射机与各接收机的距离；其次，以目标跟踪时所有目标的预测跟踪精度和预测检测性能满足一定要求为约束条件，以最小化组网雷达系统的截获概率为优化目标，建立多目标跟踪下的组网雷达系统辐射参数控制模型，自适应动态调整多目标跟踪过程中共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数。通过求解该优化模型，得到在满足预先给定各目标跟踪精度、检测性能以及组网雷达系统发射资源约束的条件下，使得组网雷达系统截获概率最小的雷达发射机采样间隔、驻留时间和辐射功率作为最优解，将上述参数代入式(1)中，即可得到符合约束条件的组网雷达系统多目标跟踪辐射参数控制结果。

具体过程为：

1)确定目标运动状态先验信息：

考虑由一部共用雷达发射机和M_R部雷达接收机组成的组网雷达系统，在跟踪的各个时刻，由共用雷达发射机发射信号对Q个目标进行照射，各接收机接收经目标反射的雷达信号对各目标进行跟踪。假设Q个目标上均搭载有相同类型的截获接收机(如雷达告警接收机、电子支援接收机等无源探测系统)。根据通过电磁仿真计算预先获得的各目标雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)数据库与目标跟踪过程，获取各目标相对不同雷达发射机-接收机对的RCS以及目标相对雷达发射机与各接收机的距离。

2)构建组网雷达系统多目标跟踪下的射频隐身性能表征指标：

采用Q个被跟踪目标上搭载的截获接收机对雷达发射机辐射信号的前段截获概率作为组网雷达系统射频隐身性能的表征指标，如式(1)所示：

其中，

式中，

为k-1时刻预测k时刻组网雷达系统跟踪目标q时的截获概率；

为k时刻共用雷达发射机对目标q的驻留时间；ΔT^q(k)为根据k-1时刻量测信息得到下一时刻对目标q的采样间隔；τ_I为截获接收机在每个步进带宽上的搜索时间；T_I ^q为目标q搭载截获接收机的搜索总时间；

为目标q搭载截获接收机的搜索频带宽度，

为目标q搭载截获接收机的步进频带宽度；

为目标q搭载截获接收机的虚警概率；P_t ^q(k)为k时刻共用雷达发射机对目标q的辐射功率，G_t为雷达发射机的发射天线增益，

为目标q搭载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，

为目标q搭载截获接收机的处理增益；

为k-1时刻雷达发射机与目标q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，

为目标q搭载截获接收机的带宽，F_I ^q为目标q截获接收机的噪声系数。

3)确定目标q跟踪精度门限

目标q检测性能SNR门限

并构建组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数优化控制模型：

根据预先给定的目标q跟踪精度门限

表征目标检测性能的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)门限

建立组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数优化控制模型，如式(3)所示：

式中，Tr{·}表示求矩阵的迹；上标(·)^-1表示矩阵的逆；

为k-1时刻预测k时刻目标q的运动状态；

为k-1时刻预测k时刻目标q的先验信息Fisher信息矩阵(FisherInformation Matrix，FIM)；共用雷达发射机对目标q辐射功率P_t ^q(k)的最大值为

最小值为

驻留时间

的最大值为

最小值为T_r；下一时刻对目标q的采样间隔ΔT^q(k)从预先设定的采样间隔集合Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_N}中进行选择，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_N；

表示k-1时刻组网雷达系统的预测SNR。

式中，上标(·)^T表示矩阵的转置；

为k-1时刻目标q中运动模型m的预测概率；

为k-1时刻目标q状态矢量的后验估计；

Q^q为目标q过程噪声的协方差矩阵，表示为：

其中，

为目标q的过程噪声强度；

为目标q在模型m时的状态转移矩阵，其中，

表示匀速运动模型，

表示具有正角速度ω₊的协调转弯运动模型，

表示具有负角速度ω_-的协调转弯运动模型。

式中，G_r,i为第i部雷达接收机的接收天线增益，

为目标q相对共用雷达发射机-接收机i的RCS，G_RP为雷达接收机处理增益，B_r,i为是第i部雷达接收机匹配滤波器的带宽，F_r,i是第i部雷达接收机的噪声系数；

为k-1时刻第i部雷达接收机与目标q之间的距离预测值。

4)采用多目标跟踪自适应采样间隔优化选择方法确定目标q跟踪采样间隔ΔT^q(k)：

采用多目标跟踪自适应采样间隔优化选择方法，确定满足目标q跟踪精度要求的采样间隔ΔT^q(k)。设采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_N}。

首先，假设共用雷达发射机对Q个目标进行跟踪，任一时刻只能对一个目标进行照射。设定目标q的跟踪精度门限为

目标q采样间隔ΔT^q(k)需根据预测目标跟踪误差

的值进行选择。

其次，对各目标在采样间隔集合中依次选择采样间隔，计算

的值是否不大于给定的门限

得到满足跟踪精度要求的最大采样间隔值。

最后，从得到的各目标采样间隔中选出采样间隔最小的目标进行跟踪。多目标跟踪自适应采样间隔优化选择流程图如图1所示。

5)确定满足目标q检测性能的共用雷达发射机驻留时间

6)确定满足目标q检测性能的共用雷达发射机辐射功率P_t ^q(k)：

不失一般性地，假设组网雷达系统中各雷达接收机系统参数均一致。式中，G_r为各雷达接收机的接收天线增益，B_r为各雷达接收机匹配滤波器的带宽，F_r为各雷达接收机的噪声系数。组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制流程图如图2所示。

本发明的主要任务是考虑由一部共用雷达发射机和多部雷达接收机组成的组网雷达系统，在满足预先给定各目标跟踪精度、检测性能以及组网雷达系统发射资源约束的条件下，自适应动态调整多目标跟踪过程中共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数，最小化组网雷达系统的截获概率，从而提升多目标跟踪时组网雷达系统的射频隐身性能。

该发明的优点是通过对组网雷达系统中共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数进行联合优化，既保证了多目标跟踪过程中各目标的跟踪精度和检测性能，而且最大限度地减小了组网雷达系统的截获概率，提升了多目标跟踪过程中组网雷达系统的射频隐身性能。产生该优点的原因是本发明构建了一个包含雷达发射机采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数的组网雷达截获概率表达式。在此基础上，将最小化该截获概率作为优化目标，在满足预先给定各目标跟踪精度、检测性能以及组网雷达系统发射资源约束的条件下，对共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数进行动态优化。该模型所得共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等最优辐射参数，可在满足各目标跟踪精度、检测性能以及组网雷达系统发射资源约束的条件下，有效提升多目标跟踪过程中组网雷达系统的射频隐身性能。

与现有技术相比，本发明提出的组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，不仅保证了多目标跟踪过程中各目标的跟踪精度和检测性能，而且对共用雷达发射机的采样间隔、驻留时间和辐射功率等辐射参数进行自适应动态调整，有效提升了多目标跟踪时组网雷达系统的射频隐身性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1)确定目标运动状态先验信息；

步骤2)构建组网雷达系统多目标跟踪下的射频隐身性能表征指标；

步骤3)确定目标跟踪性能门限，并构建组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数优化控制模型；

步骤4)多目标跟踪自适应采样间隔优化选择；

步骤5)确定满足各目标检测性能的共用雷达发射机驻留时间；

步骤6)确定满足各目标检测性能的共用雷达发射机辐射功率；

所述步骤1)的具体内容为：

组网雷达系统包括一部共用雷达发射机和M_R部雷达接收机，在跟踪的各个时刻，由共用雷达发射机发射信号对Q个目标进行照射，各接收机接收经目标反射的雷达信号对各目标进行跟踪；

假设Q个目标上均搭载有相同类型的截获接收机，根据通过电磁仿真计算预先获得的各目标雷达散射截面RCS的数据库与目标跟踪过程，获取各目标相对不同雷达发射机-接收机对的RCS以及目标相对雷达发射机与各接收机的距离；

所述步骤2)的具体内容为：

采用Q个被跟踪目标上搭载的截获接收机对雷达发射机辐射信号的前段截获概率作为组网雷达系统射频隐身性能的表征指标，如下式所示：

其中，

式中，

为k-1时刻预测k时刻组网雷达系统跟踪目标q时的截获概率；

为k时刻共用雷达发射机对目标q的驻留时间；ΔT^q(k)为根据k-1时刻量测信息得到下一时刻对目标q的采样间隔；T_I ^q为目标q搭载截获接收机的搜索总时间；

为目标q搭载截获接收机的搜索频带宽度，

为目标q搭载截获接收机的步进频带宽度；

为目标q搭载截获接收机的虚警概率；P_t ^q(k)为k时刻共用雷达发射机对目标q的辐射功率，G_t为雷达发射机的发射天线增益，

为目标q搭载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，

为目标q搭载截获接收机的处理增益；

为k-1时刻雷达发射机与目标q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，F_I ^q为目标q截获接收机的噪声系数；

所述步骤3)的具体步骤为：

根据预先给定的目标q跟踪精度门限

表征目标检测性能的信噪比SNR门限

建立组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数优化控制模型：

式中，Tr{·}表示求矩阵的迹，上标(·)^-1表示矩阵的逆；

为k-1时刻预测k时刻目标q的运动状态；

为k-1时刻预测k时刻目标q的先验信息Fisher信息矩阵FIM；共用雷达发射机对目标q辐射功率P_t ^q(k)的最大值为

最小值为

驻留时间

的最大值为

最小值为T_r；下一时刻对目标q的采样间隔ΔT^q(k)从预先设定的采样间隔集合Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_N}中进行选择，且ΔT₁＞ΔT₂＞…＞ΔT_N；

表示k-1时刻组网雷达系统的预测SNR；

式中，上标(·)^T表示矩阵的转置；

为k-1时刻目标q中运动模型m的预测概率；

为k-1时刻目标q状态矢量的后验估计；

为k-1时刻目标q的先验信息Fisher信息矩阵FIM；Q^q为目标q过程噪声的协方差矩阵，表示为：

其中，

为目标q的过程噪声强度；

为目标q在模型m时的状态转移矩阵，其中，m＝1,2,3，

表示匀速运动模型；

表示具有正角速度ω₊的协调转弯运动模型；

表示具有负角速度ω_-的协调转弯运动模型；

式中，G_r,i为第i部雷达接收机的接收天线增益，

为目标q相对共用雷达发射机-接收机i的RCS，G_RP为各雷达接收机处理增益，B_r,i为第i部雷达接收机匹配滤波器的带宽，F_r,i为第i部雷达接收机的噪声系数；

为k-1时刻第i部雷达接收机与目标q之间的距离预测值。

2.根据权利要求1所述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤4)的具体内容为：

采用多目标跟踪自适应采样间隔优化选择方法，确定满足目标q跟踪精度要求的采样间隔ΔT^q(k)，设采样间隔集合为Ω＝{ΔT₁,ΔT₂,…,ΔT_N}：

假设共用雷达发射机对Q个目标进行跟踪，任一时刻只能对一个目标进行照射；设定目标q的跟踪精度门限为

目标q采样间隔ΔT^q(k)需根据预测目标跟踪误差

的值进行选择；

对各目标在采样间隔集合中依次选择采样间隔，计算

的值是否不大于给定的门限

得到满足跟踪精度要求的最大采样间隔值；

从得到的各目标采样间隔中选出采样间隔最小的目标进行跟踪。

3.根据权利要求2所述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤5)的共用雷达发射机驻留时间为

4.根据权利要求2所述的一种组网雷达系统多目标跟踪下的辐射参数控制方法，其特征是，所述步骤6)中的共用雷达发射机辐射功率

SNR_min表示目标q检测性能的信噪比SNR门限；F_r是各雷达接收机的噪声系数；B_r是各雷达接收机匹配滤波器的带宽；G_r为各雷达接收机的接收增益。

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