本發(fā)明涉及具有相控陣體制雷達(dá)的資源管理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大容量目標(biāo)探測(cè)與跟蹤調(diào)度時(shí)的時(shí)間資源配置優(yōu)化技術(shù)，適用于機(jī)載/艦載海面目標(biāo)監(jiān)視、搜索與跟蹤雷達(dá)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的海面目標(biāo)搜索雷達(dá)大部分采用機(jī)械掃描雷達(dá)，它是依靠安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的天線轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)TWS(邊掃描邊跟蹤)工作方式，具有探測(cè)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，然而它無(wú)法做到時(shí)間資源的有效管理，無(wú)法對(duì)一些普通目標(biāo)和重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)率差異化的控制，因而是一種開環(huán)式探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)。

隨著現(xiàn)代軍事需求的發(fā)展，對(duì)雷達(dá)在密集海雜波背景下海面目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤性能提出了更高的要求。相控陣體制雷達(dá)具有特殊優(yōu)勢(shì)，它能靈活的控制波束指向，TAS(跟蹤加搜索)工作方式下可實(shí)現(xiàn)快速波束捷變，可同時(shí)對(duì)空中和海面目標(biāo)在空間、時(shí)間和能量上進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，相比于機(jī)械掃描雷達(dá)更受用戶青睞。因而研究相控陣?yán)走_(dá)資源管理方法，對(duì)海面目標(biāo)探測(cè)與跟蹤能力的提升具有重要意義。

海面目標(biāo)任務(wù)調(diào)度面臨的主要難題是跟蹤目標(biāo)個(gè)數(shù)多，通常多達(dá)成百上千，稱之為大容量目標(biāo)跟蹤。而雷達(dá)資源有限，難以建立一種有效方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對(duì)如此多的目標(biāo)的跟蹤調(diào)度。本發(fā)明在研究了海面目標(biāo)跟蹤面臨的探測(cè)率低，跟蹤目標(biāo)數(shù)目多等難題的基礎(chǔ)上，提出了一種基于波束調(diào)度的多目標(biāo)探測(cè)與跟蹤方法，根據(jù)區(qū)域目標(biāo)重要性對(duì)波束駐留時(shí)間差異化控制，在保證大容量目標(biāo)搜索與跟蹤的同時(shí)，提高了重點(diǎn)海域重點(diǎn)目標(biāo)的跟蹤數(shù)據(jù)率，從而提高了海面目標(biāo)雷達(dá)跟蹤性能，為海面目標(biāo)探測(cè)跟蹤的雷達(dá)資源調(diào)度提供了一種有效的參考方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的相控陣?yán)走_(dá)時(shí)間資源調(diào)度技術(shù)是對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度跟蹤，受跟蹤目標(biāo)個(gè)數(shù)限制，難以應(yīng)用于海面密集雜波環(huán)境下大容量目標(biāo)探測(cè)與跟蹤。本發(fā)明采用波束調(diào)度方法，采用海面波束探測(cè)區(qū)域劃分法，將波束區(qū)域代替真實(shí)的目標(biāo)作為“區(qū)域目標(biāo)”進(jìn)行調(diào)度探測(cè)，解決了跟蹤目標(biāo)數(shù)目過(guò)多雷達(dá)調(diào)度不及時(shí)，從而目標(biāo)數(shù)據(jù)率下降而導(dǎo)致目標(biāo)跟蹤性能較差的難題。優(yōu)化了雷達(dá)時(shí)間資源配置，在維持海面大容量目標(biāo)跟蹤的同時(shí)，提高重點(diǎn)海域重點(diǎn)目標(biāo)的跟蹤精度，提高了雷達(dá)總體跟蹤性能。

本發(fā)明以相控陣?yán)走_(dá)海面目標(biāo)搜索和跟蹤任務(wù)調(diào)度的時(shí)間資源管理為研究對(duì)象，為了解決大容量跟蹤目標(biāo)下高跟蹤精度而雷達(dá)資源有限的矛盾，提出了一種基于波束調(diào)度的多目標(biāo)探測(cè)與跟蹤方法。本方法包括以下步驟：

1)以雷達(dá)掃描方位中心為0度，將整個(gè)雷達(dá)掃描的方位角范圍Ang_ScanWidth,按照波束寬度bw進(jìn)行方位角度的劃分，共劃分為N個(gè)子區(qū)域。

其中，表示向上取整。

2)根據(jù)當(dāng)前k-1時(shí)刻雷達(dá)天線陣面法線方向，計(jì)算下一個(gè)雷達(dá)幀k時(shí)刻波束可捷變的角度范圍[θ₁,θ₂]，令θ＝(θ₂-θ₁)/2，θ一般取±60度，表示相控陣天線最大捷變的角度范圍。

3)預(yù)測(cè)k時(shí)刻雷達(dá)波束捷變范圍內(nèi)的所有存在目標(biāo)航跡的子區(qū)域A_n(k)＝[A₁,A₂,…,A_n]，將方位上在一個(gè)波束寬度內(nèi)的子區(qū)域內(nèi)的所有目標(biāo)作為一個(gè)“區(qū)域目標(biāo)”進(jìn)行跟蹤調(diào)度。因此，k-1時(shí)刻雷達(dá)調(diào)度所需要處理的目標(biāo)個(gè)數(shù)最大為從而使得調(diào)度目標(biāo)個(gè)數(shù)大大減少。這里，|*|表示取絕對(duì)值。

4)根據(jù)步驟(3)將孤立的單一目標(biāo)融合為一個(gè)“區(qū)域目標(biāo)”的設(shè)計(jì)思想，給出計(jì)算“區(qū)域目標(biāo)”調(diào)度回訪時(shí)間的方法：

a)采用多假設(shè)貝葉斯法計(jì)算航跡分?jǐn)?shù)

設(shè)定航跡起始分?jǐn)?shù)為：

其中，β_N是新目標(biāo)存在空間密度，β_FA是虛警或雜波密度。航跡有測(cè)量落入波門進(jìn)行更新和航跡無(wú)量測(cè)落入波門進(jìn)行外推時(shí)航跡分?jǐn)?shù)計(jì)算如下：

其中，P_D是檢測(cè)概率，P_FA為虛警概率，M為測(cè)量維數(shù)，S為信息協(xié)方差，d是測(cè)量與預(yù)測(cè)值的殘差，如果假設(shè)量測(cè)數(shù)據(jù)幀與幀之間似然比的計(jì)算是相互獨(dú)立的，可得到，

L_LR(k)＝L_LR(k-1)+△L_LR(k) (4)

其中△L_LR(k)是k時(shí)刻航跡分?jǐn)?shù)變化量，由式(3)給出，L_LR(k-1)是航跡k-1時(shí)刻分?jǐn)?shù)。

由該遞推式，可計(jì)算出k時(shí)刻目標(biāo)航跡的航跡分?jǐn)?shù)。

b)計(jì)算航跡來(lái)源于真實(shí)目標(biāo)的全局生存概率

其中，表示第k個(gè)“區(qū)域目標(biāo)”的融合協(xié)方差，p_k,i表示區(qū)域內(nèi)第i個(gè)目標(biāo)的全局生存概率，可用如下公式表示：

其中，N是劃分子區(qū)域的個(gè)數(shù)，m_TotalNum表示第m個(gè)子區(qū)域內(nèi)目標(biāo)航跡個(gè)數(shù)，L_m,LR(i)表示第m個(gè)子區(qū)域第i個(gè)目標(biāo)航跡的航跡分?jǐn)?shù)。

c)分區(qū)法計(jì)算“區(qū)域目標(biāo)”的回訪時(shí)間

Van Kuek公式法計(jì)算第i個(gè)目標(biāo)探測(cè)周期T_rtn,i的近似值為：

其中，為量測(cè)誤差協(xié)方差，一般恒定。τ_m,i是機(jī)動(dòng)時(shí)間常數(shù)，v_0,i是預(yù)測(cè)控制精度，可根據(jù)實(shí)際人為調(diào)節(jié)。

為第i個(gè)目標(biāo)預(yù)測(cè)狀態(tài)誤差協(xié)方差，可由下式計(jì)算而來(lái)：

其中，Px是x位置狀態(tài)協(xié)方差，Py是y位置狀態(tài)協(xié)方差。k1,k2是調(diào)節(jié)系數(shù)，為常量。

將式(6)和式(8)代入式(5)，得到的結(jié)果代入式(7)，即可計(jì)算每個(gè)“區(qū)域目標(biāo)”的回訪時(shí)間。

5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算的各“區(qū)域目標(biāo)”的回訪時(shí)間，計(jì)算第i個(gè)區(qū)域目標(biāo)調(diào)度優(yōu)先級(jí)Pr(i)，則k時(shí)刻雷達(dá)執(zhí)行的任務(wù)由下式給出：

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

其中，Task(k)表示k時(shí)刻雷達(dá)要執(zhí)行的任務(wù)，Pr(T_s)表示搜索任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；Pr(i)調(diào)度第i個(gè)區(qū)域目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)；Pr(T_t)表示區(qū)域目標(biāo)的雷達(dá)波束駐留任務(wù)，一般為最高。

6)為了減少海雜波的影響，對(duì)第i(i＝1,2,…,N)個(gè)子區(qū)域進(jìn)行跟蹤調(diào)度時(shí)采用波束內(nèi)目標(biāo)相關(guān)邏輯。設(shè)置電掃描波束躍度是基礎(chǔ)波束躍度，k根據(jù)區(qū)域目標(biāo)的重要性和目標(biāo)數(shù)自適應(yīng)取不同值，由下式確定：

其中，ω是區(qū)域的重要性屬性，取0或1，m是子區(qū)域內(nèi)目標(biāo)個(gè)數(shù)。因此，k∈[0.5,1]，從而確定一個(gè)波束在子區(qū)域駐留的幀數(shù)m，由下式計(jì)算：

發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點(diǎn)和用途

本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的雷達(dá)資源調(diào)度方法被跟蹤目標(biāo)個(gè)數(shù)所局限的應(yīng)用限制，解決了在高精度跟蹤大容量目標(biāo)的情況下雷達(dá)調(diào)度不及時(shí)的難題，優(yōu)化了雷達(dá)波束資源配置，提高了雷達(dá)的總體跟蹤性能，使得雷達(dá)具備海面大容量目標(biāo)高效搜索與跟蹤的能力。本發(fā)明可用于執(zhí)行海面艦船等目標(biāo)監(jiān)視與搜救或巡邏與執(zhí)法任務(wù)的機(jī)載和艦載雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)搜索與跟蹤任務(wù)調(diào)度資源的優(yōu)化配置。

具體實(shí)施方式

一種相控陣?yán)走_(dá)基于波束調(diào)度的海面目標(biāo)探測(cè)與跟蹤方法，下面用具體的實(shí)施例說(shuō)明本方法。

設(shè)定機(jī)載雷達(dá)對(duì)海方位掃描范圍θ∈[-60°,60°]，機(jī)頭方向?yàn)閽呙柚行?度方向，方位波束寬度△θ_3dB＝3度，波束躍度為1度。

1)根據(jù)掃描范圍和波束寬度，可將掃描范圍劃分為N＝40個(gè)子區(qū)域，以掃描中心為分界，3度為1個(gè)間隔，左側(cè)[-60°,0°]包含20個(gè)子區(qū)域，右側(cè)[0°,60°]也包含20個(gè)子區(qū)域。編號(hào)i從最左側(cè)開始，i＝1,2,…,40。

2)一般而言，相控陣?yán)走_(dá)天線為固定安裝，無(wú)法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)前k時(shí)刻，雷達(dá)天線法線方向正對(duì)機(jī)頭，則波束可捷變范圍為機(jī)頭左右兩側(cè)±60度。

3)若k時(shí)刻目標(biāo)航跡數(shù)目為500條，分布在方位角范圍[-60°，-45°]內(nèi)。統(tǒng)計(jì)雷達(dá)波束捷變范圍內(nèi)的所有子區(qū)域，存在目標(biāo)航跡的區(qū)域?yàn)锳(k)＝[A₁,A₂,…,A₅]。因此，當(dāng)幀所要調(diào)度的“區(qū)域目標(biāo)”個(gè)數(shù)為5。

4)計(jì)算各個(gè)區(qū)域目標(biāo)的回訪時(shí)間

a)采用多假設(shè)貝葉斯法計(jì)算航跡分?jǐn)?shù)

假設(shè)5個(gè)區(qū)域內(nèi)航跡個(gè)數(shù)分別為50,100,150,100,100。每條航跡的上一時(shí)刻分?jǐn)?shù)都為10。則各個(gè)子區(qū)域的分?jǐn)?shù)分別為L(zhǎng)_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)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻5個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)目標(biāo)的航跡分?jǐn)?shù)增量分別為△_A1＝-0.1，△_A2＝0.1，△_A3＝0.2，△_A4＝0.1，△_A5＝-0.2。則當(dāng)前k時(shí)刻各個(gè)子“區(qū)域目標(biāo)”的分?jǐn)?shù)分別為L(zhǎng)_A1(k)＝495，L_A2(k-1)＝1010，L_A3(k-1)＝1530，L_A4(k-1)＝1010，L_A5(k-1)＝980。

b)計(jì)算航跡來(lái)源于真實(shí)目標(biāo)的全局生存概率

根據(jù)上一步驟a)中假定，按照式(6)計(jì)算各個(gè)區(qū)域中單個(gè)目標(biāo)的全局生存概率P_t,Am分別為：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)分區(qū)法計(jì)算“區(qū)域目標(biāo)”的回訪時(shí)間

假定k1＝0.6，k2＝0.4，每個(gè)目標(biāo)航跡的位置狀態(tài)協(xié)方差Px＝10000，Py＝10000，則按照式(5)，各“區(qū)域目標(biāo)”的融合預(yù)測(cè)狀態(tài)協(xié)方差分別為：然后，假定量測(cè)誤差協(xié)方差σ₀＝20，機(jī)動(dòng)時(shí)間常數(shù)τ_m＝20，控制精度υ₀＝20，根據(jù)式(7)，帶入上面計(jì)算得到的融合預(yù)測(cè)狀態(tài)協(xié)方差，可算得各個(gè)“區(qū)域目標(biāo)”的回訪時(shí)間T_rtn,Am(秒)分別為：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)假設(shè)k-1時(shí)刻執(zhí)行搜索任務(wù)，當(dāng)前k時(shí)刻搜索任務(wù)優(yōu)先級(jí)為10，各“區(qū)域目標(biāo)”的優(yōu)先級(jí)分別為Pr(A1)＝6，Pr(A2)＝9，Pr(A3)＝15，Pr(A4)＝9，Pr(A5)＝8。因此，k+1時(shí)刻應(yīng)該執(zhí)行的是調(diào)度“區(qū)域目標(biāo)”A3。

6)為減少海雜波影響，增加探測(cè)概率，對(duì)A3目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤調(diào)度，并對(duì)返回的測(cè)量采用波束內(nèi)相關(guān)邏輯。設(shè)定基礎(chǔ)波束躍度當(dāng)前區(qū)域是重點(diǎn)區(qū)域，即ω＝1，A3包含的目標(biāo)數(shù)m＝3，由式(10)可算得k＝0.6由式(11)可知該掃描子區(qū)域波束駐留5幀，波束躍度為0.6度，即k+1、k+2、k+3、k+4、k+5連續(xù)跟蹤調(diào)度A3目標(biāo)。由前面分析，A3區(qū)域方位角范圍為[-54°,-51°]?？闪钸@五幀的波束中心分別為-53.4°,-52.8°,-52.2°,-51.6°,-51°。下面介紹下波束內(nèi)相關(guān)邏輯：波束內(nèi)相關(guān)是指為減少雜波數(shù)量，對(duì)雷達(dá)同 一個(gè)波束內(nèi)目標(biāo)返回的的多個(gè)測(cè)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)合并的操作。本實(shí)施例中，可選擇合并門限為3，只要5幀返回的回波測(cè)量中有3幀測(cè)量能關(guān)聯(lián)，則輸出合并后的回波測(cè)量，否則不輸出。