CN109375221B - 基于可变调度间隔的isar成像资源自适应调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可变调度间隔的ISAR成像资源自适应调度方法，涉及雷达自适应成像技术领域，解决的问题是如何提高雷达资源的时间利用率，包括如下步骤：（1）初始化参数；（2）雷达对所有目标成像任务进行特征认知；（3）建立目标成像任务雷达资源调度算法优化模型；（4）加入目标成像任务；（5）确定调度间隔时间长度；（6）进行调度预处理；（7）对目标成像任务请求链表进行排序；（8）进行资源调度；（9）完成对目标成像任务的成像；（10）完成自适应资源调度处理。本发明的技术方案的能够更充分利用雷达资源，合理地安排待执行的目标成像任务，提高雷达的时间利用率和调度成功率。

Description

基于可变调度间隔的ISAR成像资源自适应调度方法

技术领域

本发明涉及雷达自适应成像技术领域，具体涉及一种基于可变调度间隔的ISAR成像资源自适应调度方法。

背景技术

随着雷达成像技术的不断发展，在压缩感知理论框架下，对目标的连续观测成像可以转化为随机稀疏观测成像，并在稀疏孔径条件下获得高质量的目标ISAR像，这为将成像任务需求纳入相控阵雷达资源调度模型提供了有效的技术支撑。

陈怡君等人针对多目标成像任务资源调度提出了一种《基于稀疏孔径ISAR成像的雷达资源自适应调度算法》(弹箭与制导学报,2013,33(4):171-176)，在保证达到期望成像质量的基础上,提高了雷达时间资源的利用率；孟迪等人为了进一步提升系统的资源利用率，提出了《基于脉冲交错的ISAR成像雷达资源自适应调度算法》(空军工程大学学报·自然科学版,2017,18(2):25-31)，在时间与能量资源双重约束下对雷达资源进行合理分配，优化脉冲交错实现方法，显著提高了雷达资源利用率。然而，这些算法大都是基于固定长度调度间隔的自适应调度算法，在每个调度间隔中完成对目标成像任务的调度之后，其调度间隔末尾仍然会存在较多的空闲时间，即不能充分利用雷达资源，造成资源浪费。

调度间隔定义为中心计算机控制调度程序执行雷达事件的时间长度，只有再调度程序运行时，排列在调度间隔内的雷达事件才会被执行。调度间隔时长的选取可由雷达系统的处理能力决定或者通过设置一定数量的雷达任务确定。因此，为了进一步提高雷达资源的时间利用率，可将其应用到雷达成像资源调度当中。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是如何提高雷达资源的时间利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于可变调度间隔的ISAR成像资源自适应调度方法，将原本固定的调度间隔时间设为可变，根据目标成像任务请求的重要性安排待执行的雷达事件顺序，并根据雷达资源的动态变化情况，自适应地调整调度间隔的时间长度，包括如下步骤：

(1)初始化参数，设置雷达发射信号载频，信号带宽和信号脉冲重复频率；

(2)雷达对所有目标成像任务进行特征认知，具体分步骤如下：

1)雷达对目标成像任务发送少量脉冲并分别接收目标的回波信号；

根据回波反馈信息，利用传统雷达常规算法确定雷达到目标的距离

目标速度

雷达与目标飞行方向的夹角

而第k个目标相对于雷达的优先级P_k可根据目标的距离

目标速度

雷达与目标飞行方向的夹角

等参数加权得到；

式中，ω_a,ω_b,ω_c表示影响因素的权重系数，ω_a,ω_b,ω_c≥0，且ω_a+ω_b+ω_c＝1；

2)根据雷达接收到的回波信息获得第k个目标成像任务的粗分辨率像；

通过对目标成像任务的粗分辨率像进行目标尺寸大小估计可确定出第k个目标成像任务的距离向尺寸

方位向尺寸

估计尺寸

同时定义方位向稀疏度

为对目标成像任务的粗分辨ISAR像各方位向的距离单元大于设定阈值的距离单元数；设定雷达对目标成像任务的基准方位向寸S_{x_ref}和基准方位向分辨率ρ_ref，可得到方位向相干积累时间T_c,k为：

其中，λ表示的是信号波长；

3)计算出第k个目标成像任务的观测维数：

其中，c₁为一个较小的常数，N_k＝PRF·T_c,k表示实现成像任务所需要的雷达脉冲数，ln表示取自然对数，PRF表示信号脉冲重复频率；

(3)建立目标成像任务雷达资源调度算法优化模型，具体过程如下：

假设某调度的调度间隔为T，开始时间为t_s，调度结束时间为t_e＝t_s+T，且有N个目标成像任务申请在调度间隔内执行，建立的雷达资源调度算法优化模型如下：

s.t.t_s≤t_k≤t_s+T-T_c,k

任意(i,j)∈{(i,j|P_i＞P_j)},有t_i＜t_j

其中t_k为第k个目标成像任务的开始时间，N_s为调度时间间隔内实现成像的目标数。根据上式可知第k个目标成像任务的时间约束为：

t_s≤t_k≤t_s+T-T_c,k

第k个目标成像任务的能量约束为：

(4)加入目标成像任务，将步骤(2)中数据处理后的目标成像任务请求加入到目标成像任务请求链表中；

(5)确定调度间隔时间长度T，并计算本次调度的开始时间t_s和结束时间t_s+T；

(6)进行调度预处理，若第k个目标成像任务的截止时间小于本次调度开始时间，即t_k+T＜t_s，则删除该目标成像任务的请求；若第k个目标成像任务的调度开始时间大于本次调度结束时间，即t_k＞t_s+T，则延迟该目标成像任务的请求；

(7)对目标成像任务请求链表进行排序，根据优先级高低判断目标成像任务的重要性，按照优先级从大到小的顺序对目标成像任务请求链表进行排序，即若第i个目标的优先级P_i大于第j个目标的优先级P_j，则t_i＜t_j；

(8)进行资源调度，依次取出目标成像任务请求，首先根据相关积累时间微调调度间隔，调度结束时间调整为本次调度开始时间t_s加上或者减去微调调度间隔ΔT，然后判断目标成像任务请求是否满足步骤(3)中的时间约束和能量约束，若满足要求，则将目标成像任务请求置于执行链表并对其进行资源调度；

所述相关积累时间微调调度间隔的具体方法如下：

令处于临界状态的第k个目标成像任务在请求调度时的调度间隔剩余时间为T_left，参数ρ是与微调调度间隔长短有关的常数，取值范围为0～1，可根据实际具体应用需求进行选取，分为以下两种情况进行分析：

1)在一个调度间隔内不能完成对所有目标成像任务进行调度，即临界状态存在目标成像任务时：若第k个目标成像任务满足T_left≥ρ·T_c,k，则将调度间隔增加ΔT＝T_c,k-T_left并将该目标成像任务送入执行链表中以完成对该成像任务的调度；若第k个目标成像任务满足T_left＜ρ·T_c,k，则将调度间隔减去T_left并根据目标成像任务的开始时间和相干积累时间决定将该目标成像任务进行丢弃或滞后；

2)在一个调度间隔内能完成对所有目标成像任务进行调度时，若存在剩余时间T_left，则直接将调度间隔减去ΔT＝T_left，释放这部分时间资源；

(9)完成对目标成像任务的成像，当目标成像任务请求不满足步骤(3)中的时间约束和能量约束时，判断下一个目标成像任务请求；当目标成像任务请求链表为空时，则本次调度处理结束；调度结束后并完成对目标成像任务的成像；

(10)完成自适应资源调度处理，将时间推进，刷新目标成像任务的请求链表，进行下一次调度间隔的自适应资源调度处理。

与现有技术相比，本发明的技术方案的能够更充分利用雷达资源，合理地安排待执行的目标成像任务，提高雷达的时间利用率和调度成功率。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为一个调度间隔内的时间利用率折线对比图；

图3为一个调度间隔内的调度成功率折线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例实施过程如下：

建立目标成像任务调度模型；其次发送少量脉冲对目标成像任务进行特征认知；然后在满足时间和能量的资源约束前提下，根据雷达资源的动态变化情况，自适应地调整调度间隔的时间长度并完成对目标成像任务进行调度；最后将调度成功的目标成像任务利用稀疏孔径观测成像。

图1示出了本发明流程，一种基于可变调度间隔的ISAR成像资源自适应调度方法，将原本固定的调度间隔时间设为可变，根据目标成像任务请求的重要性安排待执行的雷达事件顺序，并根据雷达资源的动态变化情况，自适应地调整调度间隔的时间长度，包括如下步骤：

(1)初始化参数，设置雷达发射信号载频，信号带宽和信号脉冲重复频率；

(2)雷达对所有目标成像任务进行特征认知，具体分步骤如下：

1)雷达对目标成像任务发送少量脉冲并分别接收目标的回波信号；

根据回波反馈信息，利用传统雷达常规算法确定雷达到目标的距离

目标速度

雷达与目标飞行方向的夹角

而第k个目标相对于雷达的优先级P_k可根据目标的距离

目标速度

雷达与目标飞行方向的夹角

等参数加权得到；

式中，ω_a,ω_b,ω_c表示影响因素的权重系数，ω_a,ω_b,ω_c≥0，且ω_a+ω_b+ω_c＝1；

2)根据雷达接收到的回波信息获得第k个目标成像任务的粗分辨率像；

通过对目标成像任务的粗分辨率像进行目标尺寸大小估计可确定出第k个目标成像任务的距离向尺寸

方位向尺寸

估计尺寸

同时定义方位向稀疏度

为对目标成像任务的粗分辨ISAR像各方位向的距离单元大于设定阈值的距离单元数；设定雷达对目标成像任务的基准方位向寸S_{x_ref}和基准方位向分辨率ρ_ref，可得到方位向相干积累时间T_c,k为：

其中，λ表示的是信号波长；

3)计算出第k个目标成像任务的观测维数：

其中，c₁为一个较小的常数，N_k＝PRF·T_c,k表示实现成像任务所需要的雷达脉冲数，ln表示取自然对数，PRF表示信号脉冲重复频率；

(3)建立目标成像任务雷达资源调度算法优化模型，具体过程如下：

假设某调度的调度间隔为T，开始时间为t_s，调度结束时间为t_e＝t_s+T，且有N个目标成像任务申请在调度间隔内执行，建立的雷达资源调度算法优化模型如下：

s.t.t_s≤t_k≤t_s+T-T_c,k

任意(i,j)∈{(i,j|P_i＞P_j)},有t_i＜t_j

其中t_k为第k个目标成像任务的开始时间，N_s为调度时间间隔内实现成像的目标数；根据上式可知第k个目标成像任务的时间约束为：

t_s≤t_k≤t_s+T-T_c,k

第k个目标成像任务的能量约束为：

(4)加入目标成像任务，将步骤(2)中数据处理后的目标成像任务请求加入到目标成像任务请求链表中；

(5)确定调度间隔时间长度T，并计算本次调度的开始时间t_s和结束时间t_s+T；

(6)进行调度预处理，若第k个目标成像任务的截止时间小于本次调度开始时间，即t_k+T_ck,＜t_s，则删除该目标成像任务的请求；若第k个目标成像任务的调度开始时间大于本次调度结束时间，即t_k＞t_s+T，则延迟该目标成像任务的请求；

(7)对目标成像任务请求链表进行排序，根据优先级高低判断目标成像任务的重要性，按照优先级从大到小的顺序对目标成像任务请求链表进行排序，即若第i个目标的优先级P_i大于第j个目标的优先级，则t_i＜t_j；

(8)进行资源调度，依次取出目标成像任务请求，首先根据相关积累时间微调调度间隔，调度结束时间调整为本次调度开始时间t_s加上或者减去微调调度间隔ΔT，然后判断目标成像任务请求是否满足步骤(3)中的时间约束和能量约束，若满足要求，则将目标成像任务请求置于执行链表并对其进行资源调度；

所述相关积累时间微调调度间隔的具体方法如下：

在本发明中，假设对调度间隔的调整不会超过固定调度间隔的一半，可认为是可行。

令处于临界状态的第k个目标成像任务在请求调度时的调度间隔剩余时间为T_left，参数ρ是与微调调度间隔长短有关的常数，取值范围为0～1，可根据实际具体应用需求进行选取，本发明中参数ρ＝0.5，分为以下两种情况进行分析：

1)在一个调度间隔内不能完成对所有目标成像任务进行调度，即临界状态存在目标成像任务时：若第k个目标成像任务满足T_left≥ρ·T_c,k，则将调度间隔增加ΔT＝T_c,k-T_left并将该目标成像任务送入执行链表中以完成对该成像任务的调度；若第k个目标成像任务满足T_left＜ρ·T_c,k，则将调度间隔减去T_left并根据目标成像任务的开始时间和相干积累时间决定将该目标成像任务进行丢弃或滞后；

2)在一个调度间隔内能完成对所有目标成像任务进行调度时，若存在剩余时间T_left，则直接将调度间隔减去ΔT＝T_left，释放这部分时间资源。

(9)完成对目标成像任务的成像，当目标成像任务请求不满足步骤(3)中的时间约束和能量约束时，判断下一个目标成像任务请求；当目标成像任务请求链表为空时，则本次调度处理结束；调度结束后并完成对目标成像任务的成像；

(10)完成自适应资源调度处理，将时间推进，刷新目标成像任务的请求链表，进行下一次调度间隔的自适应资源调度处理。

下面通过一个基于可变调度间隔的目标成像任务资源调度实施例对本发明效果进行说明：

为了评价调度算法的性能，仿真实验中定义了如下两项性能指标：

(1)调度成功率

其中，N_s表示调度成功的成像目标数；N表示申请调度的成像目标总数。

(2)时间利用率

其中，

为该调度间隔内成功调度成像目标数的总时间长度；T为调度间隔时长。

假设雷达采用线性调频信号，载频f_c＝10GHz，脉宽T_p＝1μs，信号带宽B＝300MHz，可得距离向分辨率ρ_a＝0.5m。脉冲重复频率取PRF＝1000Hz，重构观测点数为1000(相当于观测时间为1s)。为了更好地分析固定调度间隔算法和可变调度间隔算法两种算法，在一个调度间隔中分为两种情况进行讨论：

1)申请成像的目标任务数较少情况，假设目标数有4个，目标特征认知结果如下表1所示：

表1目标特征认知结果

2)申请成像的目标任务数较多情况，假设目标数有12个，目标特征认知结果如下表2所示：

表2目标特征认知结果

经过仿真，针对上述两种情况得到性能评估指标结果如下表3所示：

表3性能评估指标参数

从表中可看出，在目标成像任务数申请较少的情况下，都能较好完成目标调度，但可变调度间隔算法释放了部分时间资源，具有更高的时间利用率；在目标成像任务数申请较多的情况下，可变调度间隔算法能完成更多的成像目标，即可变调度间隔算法在调度成功率SSR和时间利用率TUR上均高于固定调度间隔算法。

经过多次仿真得到，图2为一个调度间隔内的时间利用率折线对比图。图3为一个调度间隔内的调度成功率折线对比图。从图2可知，不论目标成像任务请求数是多或者少，基于可变调度间隔的成像资源调度算法的时间利用率均高于基于固定调度间隔的成像资源调度算法；该图曲线不是逐渐递增或者光滑的原因是由于目标成像任务不同，则所需要的相干积累时间和观测维数也不相同，这就会导致时间利用率不同。从图3可知，当目标成像任务请求数较少的时候，两种方法均可以对所有目标成像任务进行成功调度，成功调度率均达到100％。当目标成像任务请求数超过6以后，基于固定调度间隔的成像资源算法的成功调度率开始大幅度下降，而基于可变调度间隔的成像资源调度算法成功调度率曲线出现转折的原因是由于调度间隔进行了微调整，有时可以实现对更多的目标进行成像资源调度。

综上所述，说明基于可变调度间隔的ISAR成像资源调度算法相对固定调度间隔调度算法，进一步提高了雷达的时间利用率和调度成功率。

以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于可变调度间隔的ISAR成像资源自适应调度方法，将原本固定的调度间隔时间设为可变，根据目标成像任务请求的重要性安排待执行的雷达事件顺序，并根据雷达资源的动态变化情况，自适应地调整调度间隔的时间长度，其特征在于，包括如下步骤：

(1)初始化参数，设置雷达发射信号载频，信号带宽和信号脉冲重复频率；

(2)雷达对所有目标成像任务进行特征认知；

(3)建立目标成像任务雷达资源调度算法优化模型；

(4)加入目标成像任务，将步骤(2)中数据处理后的目标成像任务请求加入到目标成像任务请求链表中；

(5)确定调度间隔时间长度T，并计算本次调度的开始时间t_s和结束时间t_s+T；

(6)进行调度预处理，若第k个目标成像任务的截止时间小于本次调度开始时间，即t_k+T＜t_s，则删除该目标成像任务的请求；若第k个目标成像任务的调度开始时间大于本次调度结束时间，即t_k＞t_s+T，则延迟该目标成像任务的请求；

(7)对目标成像任务请求链表进行排序，根据优先级高低判断目标成像任务的重要性，按照优先级从大到小的顺序对目标成像任务请求链表进行排序，即若第i个目标的优先级P_i大于第j个目标的优先级P_j，则t_i＜t_j；

(8)进行资源调度，依次取出目标成像任务请求，首先根据相关积累时间微调调度间隔，调度结束时间调整为本次调度开始时间t_s加上或者减去微调调度间隔ΔT，然后判断目标成像任务请求是否满足步骤(3)中的时间约束和能量约束，若满足要求，则将目标成像任务请求置于执行链表并对其进行资源调度；

(9)完成对目标成像任务的成像，当目标成像任务请求不满足步骤(3)中的时间约束和能量约束时，判断下一个目标成像任务请求；当目标成像任务请求链表为空时，则本次调度处理结束；调度结束后并完成对目标成像任务的成像；

(10)完成自适应资源调度处理，将时间推进，刷新目标成像任务的请求链表，进行下一次调度间隔的自适应资源调度处理；

步骤(2)具体分步骤如下：

1)雷达对目标成像任务发送少量脉冲并分别接收目标的回波信号；

根据回波反馈信息，利用传统雷达常规算法确定雷达到目标的距离

目标速度

雷达与目标飞行方向的夹角

而第k个目标相对于雷达的优先级P_k可根据目标的距离

目标速度

雷达与目标飞行方向的夹角

参数加权得到；

式中，ω_a,ω_b,ω_c表示影响因素的权重系数，ω_a,ω_b,ω_c≥0，且ω_a+ω_b+ω_c＝1；

2)根据雷达接收到的回波信息获得第k个目标成像任务的粗分辨率像；

通过对目标成像任务的粗分辨率像进行目标尺寸大小估计可确定出第k个目标成像任务的距离向尺寸

方位向尺寸

估计尺寸

同时定义方位向稀疏度

为对目标成像任务的粗分辨ISAR像各方位向的距离单元大于设定阈值的距离单元数；设定雷达对目标成像任务的基准方位向寸S_{x_ref}和基准方位向分辨率ρ_ref，可得到方位向相干积累时间T_c,k为：

其中，λ表示的是信号波长；

3)计算出第k个目标成像任务的观测维数：

其中，c₁为一个较小的常数，N_k＝PRF·T_c,k表示实现成像任务所需要的雷达脉冲数，ln表示取自然对数，PRF表示信号脉冲重复频率；

步骤(3)具体过程如下：

假设某调度的调度间隔为T，开始时间为t_s，调度结束时间为t_e＝t_s+T，且有N个目标成像任务申请在调度间隔内执行，建立的雷达资源调度算法优化模型如下：

s.t.t_s≤t_k≤t_s+T-T_c,k

任意(i,j)∈{(i,j|P_i＞P_j)},有t_i＜t_j

其中t_k为第k个目标成像任务的开始时间，N_s为调度时间间隔内实现成像的目标数；根据上式可知第k个目标成像任务的时间约束为：

t_s≤t_k≤t_s+T-T_c,k

第k个目标成像任务的能量约束为：

步骤(8)中，所述相关积累时间微调调度间隔的具体方法如下：

令处于临界状态的第k个目标成像任务在请求调度时的调度间隔剩余时间为T_left，参数ρ是与微调调度间隔长短有关的常数，取值范围为0～1，可根据实际具体应用需求进行选取，分为以下两种情况进行分析：

1)在一个调度间隔内不能完成对所有目标成像任务进行调度，即临界状态存在目标成像任务时：若第k个目标成像任务满足T_left≥ρ·T_c,k，则将调度间隔增加ΔT＝T_c,k-T_left并将该目标成像任务送入执行链表中以完成对该成像任务的调度；若第k个目标成像任务满足T_left＜ρ·T_c,k，则将调度间隔减去T_left并根据目标成像任务的开始时间和相干积累时间决定将该目标成像任务进行丢弃或滞后；

2)在一个调度间隔内能完成对所有目标成像任务进行调度时，若存在剩余时间T_left，则直接将调度间隔减去ΔT＝T_left，释放这部分时间资源。

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