CN115184926A - 利用相参mimo雷达的分布式协同探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及雷达探测技术领域，提供一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统及方法，系统包括协同控制处理中心站、传输网络及多个相参MIMO雷达站：协同控制处理中心站用于通过传输网络向雷达站发送时序同步信号和控制指令，接收各雷达站通过传输网络发送的状态数据和观测数据，进行数据联合处理，得到最终的探测结果；雷达站用于通过传输网络接收时序同步信号和控制指令，基于时序同步信号和控制指令协同工作，将状态数据和观测数据通过传输网络发送给协同控制处理中心站。本公开可避免对运动目标搜索时的时空配准问题，降低多雷达数据的协同处理难度，提高分布式协同探测对目标的能量聚集增益及定位精度，提高系统的协同探测性能。

Description

利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统及方法

技术领域

本公开涉及雷达探测技术领域，特别涉及一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统及方法。

背景技术

多雷达分布式协同探测系统，是指多个分散部署的雷达在统一的资源调度和有序的协同控制下组成的探测系统，该系统从不同视角观测目标，综合利用不同收发通道获取的目标散射测量，经过非相参积累来克服目标散射特性的闪烁和起伏，从而获得空间分集增益，改善系统探测威力、定位精度等性能。同时，由于具有分散部署、灵活运用的特性，上述系统还具有较好的抗干扰能力和较强的战场生存能力。

多雷达分布式协同探测系统中的雷达通常为常规的机械扫描雷达或相控阵雷达，在对目标区域进行搜索时，各雷达存在各自的扫描速度和范围，这使得利用多雷达对运动目标实现时空配准始终是具有挑战性的技术难题。例如，相控阵雷达按照特定的波束顺序进行空域扫描时，各雷达不可能同步扫描所有观测区域。并且，由于目标不断运动，因此，来自同一运动目标的观测信息可能会出现在各个雷达的不同时刻波束的互不重叠的分辨单元中。这使得对运动目标的时空配准，一方面增大了多雷达数据协同处理的难度，另一方面，时空配准误差也降低了多收发通道联合处理对目标的能量聚集增益以及定位精度。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，提供一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统及方法。

本公开的一个方面，提供了一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统，所述探测系统包括协同控制处理中心站、传输网络以及多个雷达站，其中，所述雷达站为相参MIMO雷达站：

所述协同控制处理中心站，用于向所述雷达站发送时序同步信号和控制指令，以使各所述雷达站在所述时序同步信号和所述控制指令的控制下协同工作，所述控制指令包括与各所述雷达站对应的工作模式和工作参数，所述工作模式包括搜索模式和跟踪模式中的至少一者；以及，接收各所述雷达站发送的状态数据和观测数据，对所述状态数据和所述观测数据进行数据联合处理，得到最终的探测结果；

多个所述雷达站，用于接收所述时序同步信号和所述控制指令，根据所述时序同步信号，基于所述工作模式和所述工作参数进行协同工作，产生所述状态数据和回波数据，并将所述状态数据和对所述回波数据预处理后得到的所述观测数据发送给所述协同控制处理中心站，其中，每个所述雷达站均包括N个天线单元，且均能够同时实现N发N收宽波束覆盖，N为正整数；

所述传输网络，用于将所述协同控制处理中心发送的所述时序同步信号和所述控制指令传输至各所述雷达站；以及，将各所述雷达站发送的所述状态数据和所述观测数据传输至所述协同控制处理中心。

可选的，多个所述雷达站的规格相同，以及，所述雷达站的个数M满足

且M为正整数，其中，

表示所述协同控制处理中心站能够处理的协同收发通道的最大个数，K _max,access 表示所述传输网络能够接入的最大终端个数。

可选的，所述传输网络的单向最大传输速率为M×B _s ，其中，B _s 为单个所述雷达站的最大输出数据率。

可选的，不同所述雷达站的不同所述天线单元同时发射相同或不同的信号波形；

在所述工作模式为搜索模式时，不同所述雷达站的不同所述天线单元发射的信号波形相互正交；

在所述工作模式为跟踪模式时，每个所述雷达站的所有所述天线单元发射相同的信号波形，且不同所述雷达站之间的发射信号波形相互正交。

可选的，所述工作参数包括频点、带宽、波形、波束指向、接收角度范围中的至少一者；和/或，

所述雷达站包括与其配套的局部雷达处理器，所述局部雷达处理器，用于对所述回波数据进行数字波束形成预处理，得到所述观测数据。

本公开的另一个方面，提供了一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法，应用于前文记载的利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统，所述探测方法包括：

根据目标场景，所述协同控制处理中心站通过所述传输网络将第一时序同步信号和第一控制指令发送至预先部署好的各所述雷达站，以使各所述雷达站基于所述第一时序同步信号和所述第一控制指令，在搜索模式下对预设的重点目标观测区域进行目标协同搜索工作；

各所述雷达站基于所述第一时序同步信号和所述第一控制指令，在所述搜索模式下对所述重点目标观测区域进行目标协同搜索工作：各所述雷达站的N个天线单元同时发射正交信号波形，同时接收第一回波信号，将所述第一回波信号录取为第一单元回波数据，对所述第一单元回波数据进行预处理，得到第一观测数据，并在所述目标协同搜索工作中产生第一状态数据；

各所述雷达站将所述第一状态数据和所述第一观测数据通过所述传输网络发送至所述协同控制处理中心站，所述协同控制处理中心站对所述第一状态数据和所述第一观测数据进行数据联合处理，得到目标协同搜索结果。

可选的，在所述目标协同搜索结果为搜索到所述预期观测目标时，所述探测方法还包括：

所述协同控制处理中心站通过所述传输网络将第二时序同步信号和第二控制指令发送至各所述雷达站，以使各所述雷达站基于所述第二时序同步信号和所述第二控制指令，在跟踪模式下对搜索到的所述预期观测目标进行协同跟踪工作；

各所述雷达站基于所述第二时序同步信号和所述第二控制指令，在所述跟踪模式下，对搜索到的所述预期观测目标进行协同跟踪工作：每个所述雷达站的N个天线单元同时发射相同的信号波形，且不同所述雷达站之间的发射信号波形相互正交，各所述雷达站的N个天线单元在发射信号时，根据目标引导位置进行发射方向图综合相位加权，形成瞄准所述预期观测目标的高增益窄发射波束，各所述雷达站的N个天线单元同时接收第二回波信号，将所述第二回波信号录取为第二单元回波数据，对所述第二单元回波数据进行预处理，得到第二观测数据，并在所述协同跟踪工作中产生第二状态数据；

各所述雷达站将所述第二状态数据和所述第二观测数据通过所述传输网络发送至所述协同控制处理中心站，所述协同控制处理中心站对所述第二状态数据和所述第二观测数据进行数据联合处理，得到目标协同跟踪定位结果，生成目标跟踪航迹。

可选的，在所述搜索模式下，各所述雷达站的N个天线单元同时发射正交信号波形，包括：不同所述雷达站的不同所述天线单元发射相互正交的信号波形，表示为：

其中，

表示第m个雷达站的第i个天线单元在时间t发射的信号波形，

表示第m'个雷达站的第j个天线单元在时间t发射的信号波形，m,m'∈[1,M]，i,j∈[1,N]， M为所述雷达站的个数，δ(t)表示狄拉克冲激函数；

在所述跟踪模式下，每个所述雷达站的N个天线单元同时发射相同的信号波形，且不同所述雷达站之间的发射信号波形相互正交，表示为：

其中，s ^m (t)表示第m个雷达站的所有天线单元在时间t发射的信号波形，s ^m' (t)表示第m'个雷达站的所有天线单元在时间t发射的信号波形。

可选的，所述各所述雷达站的N个天线单元在发射信号时，根据目标引导位置进行发射方向图综合相位加权，形成瞄准所述预期观测目标的高增益窄发射波束，包括：

根据所述目标引导位置和所述雷达站的位置及中心指向，计算所述目标引导位置相对于所述雷达站的方位角和俯仰角；

根据所述方位角、所述俯仰角以及所述雷达站的N个天线单元的平面排布，按照相控阵雷达的波束控制相位的计算方法，计算得到各所述雷达站对应的加权相位向量；

各所述雷达站的N个天线单元在发射信号时，利用对应的所述加权相位向量对各所述天线单元对应的信号进行相位偏置，得到所述高增益窄发射波束。

可选的，在所述根据目标场景，所述协同控制处理中心站通过所述传输网络将第一时序同步信号和第一控制指令发送至预先部署好的各所述雷达站之前，所述探测方法还包括：

根据所述目标场景，对各所述雷达站进行部署，使各所述雷达站能够对所述重点目标观测区域进行共视覆盖及多角度观测，并且，各所述雷达站之间的基线长度L满足

，其中，R表示所述雷达站的作用距离，λ表示所述雷达站的工作波长，D _target 表示预期观测目标的尺寸。

本公开相对于现有技术而言具有以下有益效果：

1、利用能够同时多发多收宽波束覆盖的相参MIMO雷达替代常规多雷达分布式协同探测系统中由异步窄波束发射扫描的相控阵雷达，避免了探测系统对运动目标搜索时的时空配准难题，有助于提高分布式协同探测对目标的能量聚集增益以及定位精度；

2、利用相参MIMO雷达进行目标搜索时，虽然因同时宽波束发射正交信号而未能获得高增益窄天线波束，但由此损失的信噪比可通过数据处理时的多脉冲积累获得补偿，使得相参MIMO雷达的作用距离与相控阵雷达的作用距离相比并不会受影响；

3、可根据搜索、跟踪等不同工作模式控制多雷达站不同天线单元发射相同或正交的信号波形，在不同工作模式下形成宽窄不同的波束覆盖，极大地提高了系统控制的灵活性。

附图说明

一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为现有技术中利用常规相控阵雷达的多雷达分布式协同探测系统发射、接收波束及共视区波束覆盖范围的示意图；

图2为本公开一实施方式提供的一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统的结构示意图；

图3为本公开另一实施方式提供的利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统发射、接收波束及共视区波束覆盖范围的示意图；

图4为本公开另一实施方式提供的一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法的流程图；

图5为本公开另一实施方式提供的一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法的流程图；

图6为本公开另一实施方式提供的相参MIMO雷达站发射正交波形的示意图；

图7为本公开另一实施方式提供的各相参MIMO雷达站得到高增益窄发射波束的方法的流程图。

具体实施方式

为使本公开实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本公开各实施方式中，为了使读者更好地理解本公开而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本公开所要求保护的技术方案。以下各个实施方式的划分是为了描述方便，不应对本公开的具体实现方式构成任何限定，各个实施方式在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

下面首先对本公开实施方式涉及的一些概念进行简单介绍。

多雷达分布式协同探测系统，是指多部空间分布式部署的雷达在统一的资源调度和有序的组网协同控制下组成的探测系统，可实现对目标区域多发多收共视观测覆盖。一方面，多部雷达探测区域相互补盲，可实现更大范围探测区域覆盖；另一方面，对共视区域的目标可实现多发多收协同观测，通过信号级的数据融合联合处理，还可提高对弱目标的探测概率和定位精度。

多雷达分布式协同探测系统对目标的探测通常包含搜索和跟踪两个过程，该系统利用雷达波束的扫描实现对覆盖空域内新目标的搜索发现，对于已发现并确认的目标，根据引导信息利用多雷达跟踪波束照射和联合处理，得到目标的连续稳定航迹。

常规的多雷达分布式协同探测系统大多基于相控阵雷达。这是因为，得益于当前相控阵雷达技术的发展，天线波束具有快速扫描和灵活捷变的能力，单个相控阵雷达的搜索工作已得到了非常广泛的应用。然而，对于利用常规相控阵雷达的分布式协同探测系统而言，在其协同搜索工作过程中仍会面临一定的技术问题。例如，如图1所示，在发射时，相控阵雷达发射的波束在搜索扇区内按照既定的波束编排模式和顺序进行窄波束的扫描。在接收时，相控阵雷达可通过数字波束形成技术实现同时多接收波束覆盖。当利用多个相控阵雷达组成的多雷达分布式协同探测系统进行共视区目标搜索时，共视区内某一子区域被各相控阵雷达发射接收波束照射而形成的多发多收通道可能存在较大的时间不一致性。例如，如图1所示，雷达1、雷达2、雷达3均为相控阵雷达，每个雷达的发射波束分别为1、2、3、…、n、…、N时，网格状的小区域被雷达1、雷达2、雷达3的发射波束照射时刻分别为t _i 、t _j 、t _k ，t _i ≠t _j ≠t _k 。不同雷达波束照射的时间不同步性，一方面增大了数据融合协同处理进行目标检测的难度，另一方面，在非同步时间区间内，目标的非规则机动运动还降低了多通道联合处理对目标的定位精度。因此，利用多雷达对运动目标实现时空配准始终是具有挑战性的技术难题。

相参MIMO雷达，又称集中式多发多收（Multiple Input Multiple Output，MIMO）雷达，是一种相对于相控阵雷达而言自由度更高的新体制雷达。相参MIMO雷达引入发射分集思想，各天线单元发射相互正交的信号，接收时采用相参处理各单元发射信号的回波，从而形成大的虚拟阵列孔径，提高雷达的角度分辨力。

本公开的一个实施方式涉及一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统，如图2所示，包括协同控制处理中心站201、传输网络203以及多个雷达站202。其中，雷达站为相参MIMO雷达站。如图2所示，在雷达站的个数为M、M为正整数时，多个雷达站202可以包括相参MIMO雷达站1、相参MIMO雷达站2、……、相参MIMO雷达站M。

如图3所示，本实施方式提供的利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统中，雷达1、雷达2、雷达3均为相参MIMO雷达，共视区被雷达1、雷达2、雷达3的发射波束照射时刻均为t _i 。由图3可以看出，与相控阵雷达搜索扇区内窄波束按时扫描相比，相参MIMO雷达在发射时是多个天线单元同时宽波束发射，在接收时也是同时多数字波束形成，相当于具备宽角度覆盖范围的同时还具备多收多发能力。当利用本实施方式提供的多个相参MIMO雷达组成的分布式协同探测系统进行共视区目标搜索时，目标回波是各个相参MIMO雷达同时发射接收的回波，因而避免了分布式协同探测系统对运动目标进行搜索时的时空配准问题，降低了多雷达数据协同处理的难度，提高了分布式协同探测对目标的能量聚集增益以及定位精度，提高了协同探测性能。此外，利用相参MIMO雷达进行目标搜索时，虽然因同时宽波束发射正交信号而未能获得高增益窄天线波束，但由此损失的信噪比可通过数据处理时的多脉冲积累获得补偿，使得相参MIMO雷达的作用距离与相控阵雷达的作用距离相比并不会受影响。

如图2所示，协同控制处理中心站201用于向雷达站发送时序同步信号和控制指令，以使各雷达站在时序同步信号和控制指令的控制下协同工作。控制指令包括与各雷达站对应的工作模式和工作参数。例如，工作模式可以包括搜索模式和跟踪模式。工作参数可以包括频点、带宽、波形、波束指向、接收角度范围等。也就是说，协同控制处理中心站201通过向各雷达站发送时序同步信号和控制指令，可以使各雷达站在统一的时序控制下，按照控制指令中的工作模式和频点、带宽、波形、波束指向、接收角度范围等工作参数进行协同工作。

如图2所示，协同控制处理中心站201还用于接收各雷达站发送的状态数据和观测数据，对状态数据和观测数据进行数据联合处理，得到最终的探测结果。即，协同控制处理中心站201接收各雷达站在统一的时序控制下，按照控制指令中的工作模式和频点、带宽、波形、波束指向、接收角度范围等工作参数进行协同工作产生的状态数据和观测数据，通过对状态数据和观测数据进行数据联合处理，得到最终的探测结果。

需要说明的是，状态数据指的是反映雷达站运行情况的数据，如位置、姿态等。观测数据指的是各雷达站对接收到的回波数据进行预处理后得到的数据。例如，观测数据可以包括雷达扫描周期、雷达扫描批次、每批次扫描到的目标数量、扫描到的目标的具体信息如径向距离、方位角、俯仰角等。当然，状态数据和观测数据也可以包括其他数据，本实施方式对此并不限制。

如图2所示，多个雷达站202用于接收时序同步信号和控制指令，根据时序同步信号，基于工作模式和工作参数进行协同工作，产生状态数据和回波数据，并将状态数据和对回波数据预处理后得到的观测数据发送给协同控制处理中心站201。

示例性的，各雷达站可以包括与其配套的局部雷达处理器，局部雷达处理器用于对回波数据进行数字波束形成预处理，得到观测数据，从而使各雷达站可以将据此得到的观测数据发送给协同控制处理中心站。

示例性的，多个雷达站的规格相同。也就是说，图2中的相参MIMO雷达站1、相参MIMO雷达站2、……、相参MIMO雷达站M的规格均相同，从而可以进一步降低多雷达数据的协同处理难度。

示例性的，雷达站的个数M满足

且M为正整数，其中，

表示协同控制处理中心站能够处理的协同收发通道的最大个数，K _max,access 表示传输网络能够接入的最大终端个数。

通过根据协同控制处理中心站能够处理的协同收发通道的最大个数和传输网络能够接入的最大终端个数确定探测系统中雷达站的个数，可以提高控制处理中心站和传输网络的利用率，从而进一步提高探测系统的协同探测性能。

示例性的，每个雷达站均包括N个天线单元，且均能够同时实现N发N收宽波束覆盖，N为正整数。不同雷达站的不同天线单元可同时发射相同或不同的信号波形。优选的，在工作模式为搜索模式时，不同雷达站的不同天线单元发射的信号波形相互正交。在工作模式为跟踪模式时，每个雷达站的所有天线单元发射相同的信号波形，且不同雷达站之间的发射信号波形相互正交。

本实施方式可根据搜索、跟踪等不同工作模式控制各雷达站的不同天线单元发射相同的或正交的信号波形，在不同工作模式下形成宽窄不同的波束覆盖，极大地提高了系统控制的灵活性。

如图2所示，传输网络203用于将协同控制处理中心201发送的时序同步信号和控制指令传输至各雷达站；以及，将各雷达站发送的状态数据和观测数据传输至协同控制处理中心201。

示例性的，传输网络203的单向最大传输速率为M×B _s ，其中，B _s 为单个雷达站的最大输出数据率。

需要说明的是，从采用的数据传输协议方面来说，传输网络203可以是现有技术中的采用通用传输协议的宽带通信传输网络，也可以是根据实际需要定制的采用专用传输协议的宽带通信传输网络。从网络形式方面来说，传输网络203可以是有线网络，也可以是无线网络。本实施方式对传输网络的具体配置情况并不限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

本公开实施方式相对于现有技术而言，在多雷达协同工作时同时发射接收，避免了探测系统对运动目标搜索时的时空配准问题，降低了多雷达数据的协同处理难度，提高了分布式协同探测对目标的能量聚集增益以及定位精度，提高了探测系统的协同探测性能。

本公开的另一个实施方式涉及一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法，应用于上述实施方式所述的利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统。如图4所示，本实施方式涉及的利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法包括以下步骤：

步骤401，根据目标场景，协同控制处理中心站通过传输网络将第一时序同步信号和第一控制指令发送至预先部署好的各雷达站，以使各雷达站基于第一时序同步信号和第一控制指令，在搜索模式下对预设的重点目标观测区域进行目标协同搜索工作。

示例性的，在根据目标场景，协同控制处理中心站通过传输网络将第一时序同步信号和第一控制指令发送至预先部署好的各雷达站之前即在步骤401之前，利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法还可以包括：

根据目标场景，对各雷达站进行部署，使各雷达站能够对重点目标观测区域进行共视覆盖及多角度观测，并且，各雷达站之间的基线长度L满足

，即各雷达站满足基线对目标波束宽度不可分辨，其中，R表示雷达站的作用距离，λ表示雷达站的工作波长，D _target 表示预期观测目标的尺寸。

具体的，各雷达站可以部署在地面上，也可以部署在舰船、飞机等移动平台上，本实施方式对各雷达站的具体部署位置并不限制，只要各雷达站能够将其位置、姿态等状态数据和观测数据实时传输回协同控制处理中心站即可。

步骤402，各雷达站基于第一时序同步信号和第一控制指令，在搜索模式下对重点目标观测区域进行目标协同搜索工作：各雷达站的N个天线单元同时发射正交信号波形，同时接收第一回波信号，将第一回波信号录取为第一单元回波数据，对第一单元回波数据进行预处理，得到第一观测数据，并在目标协同搜索工作中产生第一状态数据。其中，第一状态数据指的是雷达站在搜索模式下工作产生的运行状态数据，如位置、姿态等。

具体的，第一单元回波数据可表示为

，其中，

表示第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第i个天线单元在时间t的第一单元回波数据，m∈[1,M]，M为雷达站的个数。

预处理可以为数字波束形成预处理，具体可以是常规的傅里叶谱波束形成处理，也可以是最小方差无畸变响应波束形成器（Capon波束形成器）、多信号分类（MultipleSignal Classification，MUSIC）等现代谱估计处理。

对第一单元回波数据进行预处理得到的第一观测数据可表示为

，其中，

表示第m个雷达站即相参MIMO雷达站m在时间t的接收角度为θ的观测数据，N'表示第m个雷达站即相参MIMO雷达站m形成的数字接收波束的数量，且数字接收波束1,2,…,N'分别对应接收角度θ ₁,θ ₂,…,θ _N' 。

示例性的，在搜索模式下，各雷达站的N个天线单元同时发射正交信号波形，包括：不同雷达站的不同天线单元发射相互正交的信号波形，表示为：

其中，

表示第m个雷达站的第i个天线单元在时间t发射的信号波形，

表示第m'个雷达站的第j个天线单元在时间t发射的信号波形，m,m'∈[1,M]，i,j∈[1,N]，δ(t)表示狄拉克冲激函数。例如，如图6所示，第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第1个天线单元在时间t发射的信号波形表示为

，第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第2个天线单元在时间t发射的信号波形表示为

，第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第i个天线单元在时间t发射的信号波形表示为

，第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第j个天线单元在时间t发射的信号波形表示为

，第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第N个天线单元在时间t发射的信号波形表示为

。

步骤403，各雷达站将第一状态数据和第一观测数据通过传输网络发送至协同控制处理中心站，协同控制处理中心站对第一状态数据和第一观测数据进行数据联合处理，得到目标协同搜索结果。

具体的，数据联合处理可以是匹配滤波通道分离、多脉冲积累、多雷达站数据联合处理等。目标协同搜索结果可以是搜索到预期观测目标，也可以是未搜索到预期观测目标。

本公开实施方式相对于现有技术而言，各雷达站在搜索模式协同工作时可同时发射接收，避免了探测系统对运动目标搜索时的时空配准问题，降低了多雷达数据的协同处理难度，提高了分布式协同探测对目标的能量聚集增益以及定位精度，提高了探测系统的协同探测性能。

示例性的，在目标协同搜索结果为搜索到预期观测目标时，即在步骤403进行数据联合处理得到的处理结果中包含预期观测目标且该处理结果得到确认时，如图5所示，利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法还包括以下步骤：

步骤501，协同控制处理中心站通过传输网络将第二时序同步信号和第二控制指令发送至各雷达站，以使各雷达站基于第二时序同步信号和第二控制指令，在跟踪模式下对搜索到的预期观测目标进行协同跟踪工作。

步骤502，各雷达站基于第二时序同步信号和第二控制指令，在跟踪模式下，对搜索到的预期观测目标进行协同跟踪工作：每个雷达站的N个天线单元同时发射相同的信号波形，且不同雷达站之间的发射信号波形相互正交，各雷达站的N个天线单元在发射信号时，根据目标引导位置进行发射方向图综合相位加权，形成瞄准预期观测目标的高增益窄发射波束，各雷达站的N个天线单元同时接收第二回波信号，将第二回波信号录取为第二单元回波数据，对第二单元回波数据进行预处理，得到第二观测数据，并在协同跟踪工作中产生第二状态数据。其中，第二状态数据指的是雷达站在跟踪模式下工作产生的运行状态数据，如位置、姿态等。

具体的，第二单元回波数据可表示为

，其中，

表示第m个雷达站即相参MIMO雷达站m的第i个天线单元在时间t的第二单元回波数据。

示例性的，在跟踪模式下，每个雷达站的N个天线单元同时发射相同的信号波形，且不同雷达站之间的发射信号波形相互正交，表示为：

其中，s ^m (t)表示第m个雷达站的所有天线单元在时间t发射的信号波形，s ^m' (t)表示第m'个雷达站的所有天线单元在时间t发射的信号波形。需要说明的是，这里的δ(t)与搜索模式下的δ(t)含义相同，均表示狄拉克冲激函数。

步骤503，各雷达站将第二状态数据和第二观测数据通过传输网络发送至协同控制处理中心站，协同控制处理中心站对第二状态数据和第二观测数据进行数据联合处理，得到目标协同跟踪定位结果，生成目标跟踪航迹。

本实施方式中的各雷达站在跟踪模式协同工作时可同时发射接收，避免了探测系统对运动目标搜索时的时空配准问题，降低了多雷达数据的协同处理难度，提高了分布式协同探测对目标的能量聚集增益以及定位精度，提高了探测系统的协同探测性能。

示例性的，在步骤502中，各雷达站的N个天线单元在发射信号时，根据目标引导位置进行发射方向图综合相位加权，形成瞄准预期观测目标的高增益窄发射波束，如图7所示，包括以下步骤：

步骤701，根据目标引导位置和雷达站的位置及中心指向，计算目标引导位置相对于雷达站的方位角和俯仰角。

步骤702，根据方位角、俯仰角以及雷达站的N个天线单元的平面排布，按照相控阵雷达的波束控制相位的计算方法，计算得到各雷达站对应的加权相位向量。

具体的，加权相位向量可表示为

，其中，

表示第m个雷达站即相参MIMO雷达站m对应的加权相位向量，w ₁, w ₂,…,w _N 分别表示第m个雷达站即相参MIMO雷达站m中的天线单元1,2,…,N对应的加权相位向量。

步骤703，各雷达站的N个天线单元在发射信号时，利用对应的加权相位向量对各天线单元对应的信号进行相位偏置，得到高增益窄发射波束。

具体的，利用对应的加权相位向量对各天线单元对应的信号进行相位偏置可表示为

。

本实施方式通过计算各雷达站对应的加权相位向量，利用加权相位向量对雷达站中各天线单元对应的信号进行相位偏置，得到高增益窄发射波束，可完成瞄准预期观测目标即跟踪目标的高增益窄发射波束方向图综合。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测系统，其特征在于，所述探测系统包括协同控制处理中心站、传输网络以及多个雷达站，其中，所述雷达站为相参MIMO雷达站：

所述协同控制处理中心站，用于向所述雷达站发送时序同步信号和控制指令，以使各所述雷达站在所述时序同步信号和所述控制指令的控制下协同工作，所述控制指令包括与各所述雷达站对应的工作模式和工作参数，所述工作模式包括搜索模式和跟踪模式中的至少一者；以及，接收各所述雷达站发送的状态数据和观测数据，对所述状态数据和所述观测数据进行数据联合处理，得到最终的探测结果；

多个所述雷达站，用于接收所述时序同步信号和所述控制指令，根据所述时序同步信号，基于所述工作模式和所述工作参数进行协同工作，产生所述状态数据和回波数据，并将所述状态数据和对所述回波数据预处理后得到的所述观测数据发送给所述协同控制处理中心站，其中，每个所述雷达站均包括N个天线单元，且均能够同时实现N发N收宽波束覆盖，N为正整数；

所述传输网络，用于将所述协同控制处理中心发送的所述时序同步信号和所述控制指令传输至各所述雷达站；以及，将各所述雷达站发送的所述状态数据和所述观测数据传输至所述协同控制处理中心。

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，多个所述雷达站的规格相同，以及，所述雷达站的个数M满足

且M为正整数，其中，

表示所述协同控制处理中心站能够处理的协同收发通道的最大个数，K _max,access 表示所述传输网络能够接入的最大终端个数。

3.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述传输网络的单向最大传输速率为M×B _s ，其中，B _s 为单个所述雷达站的最大输出数据率。

4.根据权利要求1至3任一项所述的探测系统，其特征在于，不同所述雷达站的不同所述天线单元同时发射相同或不同的信号波形；

在所述工作模式为搜索模式时，不同所述雷达站的不同所述天线单元发射的信号波形相互正交；

在所述工作模式为跟踪模式时，每个所述雷达站的所有所述天线单元发射相同的信号波形，且不同所述雷达站之间的发射信号波形相互正交。

5.根据权利要求1至3任一项所述的探测系统，其特征在于，所述工作参数包括频点、带宽、波形、波束指向、接收角度范围中的至少一者；和/或，

所述雷达站包括与其配套的局部雷达处理器，所述局部雷达处理器，用于对所述回波数据进行数字波束形成预处理，得到所述观测数据。

6.一种利用相参MIMO雷达的分布式协同探测方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任一项所述的探测系统，所述探测方法包括：

根据目标场景，所述协同控制处理中心站通过所述传输网络将第一时序同步信号和第一控制指令发送至预先部署好的各所述雷达站，以使各所述雷达站基于所述第一时序同步信号和所述第一控制指令，在搜索模式下对预设的重点目标观测区域进行目标协同搜索工作；

各所述雷达站基于所述第一时序同步信号和所述第一控制指令，在所述搜索模式下对所述重点目标观测区域进行目标协同搜索工作：各所述雷达站的N个天线单元同时发射正交信号波形，同时接收第一回波信号，将所述第一回波信号录取为第一单元回波数据，对所述第一单元回波数据进行预处理，得到第一观测数据，并在所述目标协同搜索工作中产生第一状态数据；

各所述雷达站将所述第一状态数据和所述第一观测数据通过所述传输网络发送至所述协同控制处理中心站，所述协同控制处理中心站对所述第一状态数据和所述第一观测数据进行数据联合处理，得到目标协同搜索结果。

7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在所述目标协同搜索结果为搜索到预期观测目标时，所述探测方法还包括：

所述协同控制处理中心站通过所述传输网络将第二时序同步信号和第二控制指令发送至各所述雷达站，以使各所述雷达站基于所述第二时序同步信号和所述第二控制指令，在跟踪模式下对搜索到的所述预期观测目标进行协同跟踪工作；

各所述雷达站基于所述第二时序同步信号和所述第二控制指令，在所述跟踪模式下，对搜索到的所述预期观测目标进行协同跟踪工作：每个所述雷达站的N个天线单元同时发射相同的信号波形，且不同所述雷达站之间的发射信号波形相互正交，各所述雷达站的N个天线单元在发射信号时，根据目标引导位置进行发射方向图综合相位加权，形成瞄准所述预期观测目标的高增益窄发射波束，各所述雷达站的N个天线单元同时接收第二回波信号，将所述第二回波信号录取为第二单元回波数据，对所述第二单元回波数据进行预处理，得到第二观测数据，并在所述协同跟踪工作中产生第二状态数据；

各所述雷达站将所述第二状态数据和所述第二观测数据通过所述传输网络发送至所述协同控制处理中心站，所述协同控制处理中心站对所述第二状态数据和所述第二观测数据进行数据联合处理，得到目标协同跟踪定位结果，生成目标跟踪航迹。

8.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，

在所述搜索模式下，各所述雷达站的N个天线单元同时发射正交信号波形，包括：不同所述雷达站的不同所述天线单元发射相互正交的信号波形，表示为：

其中，

表示第m个雷达站的第i个天线单元在时间t发射的信号波形，

表示第m'个雷达站的第j个天线单元在时间t发射的信号波形，m,m'∈[1,M]，i,j∈[1,N]， M为所述雷达站的个数，δ(t)表示狄拉克冲激函数；

在所述跟踪模式下，每个所述雷达站的N个天线单元同时发射相同的信号波形，且不同所述雷达站之间的发射信号波形相互正交，表示为：

其中，s ^m (t)表示第m个雷达站的所有天线单元在时间t发射的信号波形，s ^m' (t)表示第m'个雷达站的所有天线单元在时间t发射的信号波形。

9.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，所述各所述雷达站的N个天线单元在发射信号时，根据目标引导位置进行发射方向图综合相位加权，形成瞄准所述预期观测目标的高增益窄发射波束，包括：

根据所述目标引导位置和所述雷达站的位置及中心指向，计算所述目标引导位置相对于所述雷达站的方位角和俯仰角；

根据所述方位角、所述俯仰角以及所述雷达站的N个天线单元的平面排布，按照相控阵雷达的波束控制相位的计算方法，计算得到各所述雷达站对应的加权相位向量；

各所述雷达站的N个天线单元在发射信号时，利用对应的所述加权相位向量对各所述天线单元对应的信号进行相位偏置，得到所述高增益窄发射波束。

10.根据权利要求6至9任一项所述的探测方法，其特征在于，在所述根据目标场景，所述协同控制处理中心站通过所述传输网络将第一时序同步信号和第一控制指令发送至预先部署好的各所述雷达站之前，所述探测方法还包括：

根据所述目标场景，对各所述雷达站进行部署，使各所述雷达站能够对所述重点目标观测区域进行共视覆盖及多角度观测，并且，各所述雷达站之间的基线长度L满足

，其中，R表示所述雷达站的作用距离，λ表示所述雷达站的工作波长，D _target 表示预期观测目标的尺寸。

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