集中式mimo雷達(dá)射頻隱身時多目標(biāo)跟蹤波束指向方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種集中式MMO雷達(dá)射頻隱身時多目 標(biāo)跟蹤波束指向方法。
【背景技術(shù)】
[0002] M頂0雷達(dá)是由多個發(fā)射天線獨立發(fā)射不同的波形，在接收端采用多個天線接收實 現(xiàn)探測的雷達(dá)系統(tǒng)。對于集中式MIMO雷達(dá)，其發(fā)射的是正交波形，能夠在空域中形成寬波 束，實現(xiàn)一次對更大空域進(jìn)行搜索，有更靈活的信號處理手段，如通過抑制強雜波來檢測弱 目標(biāo)，更加強大的抗干擾能力，有效增加天線的虛擬孔徑以及低速目標(biāo)檢測的能力等。同 時，集中式Mnro雷達(dá)還能有效降低偵察設(shè)備處的功率密度，使之接收到的波形更加復(fù)雜， 難于被截獲和識別。因此，集中式Mnro雷達(dá)具有較好的射頻隱身性能。同時，由于集中式 Mnro雷達(dá)可通過不同的子陣劃分來靈活調(diào)節(jié)發(fā)射波束的寬度，甚至可實現(xiàn)全向輻射，因此， 對于多個目標(biāo)，特別是相互相對靠近的目標(biāo)，集中式Mnro雷達(dá)可實現(xiàn)在一次照射過程中形 成較寬的發(fā)射波束以覆蓋多個目標(biāo)，再在接收端形成同時多波形分別對準(zhǔn)各目標(biāo)，實現(xiàn)對 多個不同目標(biāo)的同時跟蹤。
[0003] 目前，對M頂0雷達(dá)射頻隱身性能的研究主要有：漆楊等（漆楊.M頂0雷達(dá)射頻隱 身性能研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012)將截獲因子應(yīng)用于分析MMO雷達(dá)的LPI性 能，并分析了正交LFM信號抗Wigner-Hough變換識別以及相位編碼信號抗譜相關(guān)識別的 性能；蔡茂鑫等（蔡茂鑫.大型面陣MMO雷達(dá)射頻隱身性能研究[D].成都：電子科技大 學(xué)，2013)分析了 MMO雷達(dá)正交波形抗循環(huán)譜識別的性能；廖雯雯等（廖雯雯，程婷，何 子述.MHTO雷達(dá)射頻隱身性能優(yōu)化的目標(biāo)跟蹤算法[J].2014,航空學(xué)報，35(4))給出了一 種主瓣截獲情況下的基于自適應(yīng)目標(biāo)跟蹤的M頂0雷達(dá)射頻隱身算法。
[0004] 然而，上述研究中并沒有涉及M頂0雷達(dá)射頻隱身時的多目標(biāo)跟蹤波束指向方法。 Mnro雷達(dá)可發(fā)射單個寬發(fā)射波束來同時跟蹤多個目標(biāo)，而這一問題的關(guān)鍵是確定接收該組 目標(biāo)回波信號對應(yīng)的波束指向。不當(dāng)?shù)牟ㄊ赶蚍椒▽?dǎo)致時間和能量資源的浪費，并減 少雷達(dá)處理的總目標(biāo)數(shù)量，更容易被對方截獲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種集中式MMO雷達(dá)射頻隱身時多目 標(biāo)跟蹤波束指向方法，通過在跟蹤過程中采用本發(fā)明波束指向方法得到的可控參數(shù)值可以 在保持雷達(dá)對多目標(biāo)的跟蹤性能的同時提高雷達(dá)的射頻隱身性能。本發(fā)明在滿足雷達(dá)目標(biāo) 回波信噪比達(dá)到給定值的前提下，最小化截獲接收機接收到的雷達(dá)信號的平均信噪比，并 通過遺傳算法得到最優(yōu)的雷達(dá)參數(shù)配置。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種集中式MMO雷達(dá)射頻隱身時多目標(biāo)跟蹤波束指向方法，其特征在于，包括以 下步驟：
[0008] 步驟I、假設(shè)集中式M頂0雷達(dá)保持對N個目標(biāo)的跟蹤，這些目標(biāo)由同一個波束的單 個脈沖同時觀測，雷達(dá)通過單個脈沖得到第η個（η = 1，2,3···，Ν)目標(biāo)的信噪比為：
[0009]
(1)
[0010] 其中，Pt為雷達(dá)峰值發(fā)射功率，σ η為第η個目標(biāo)的雷達(dá)截面積
為歸一化的第η個目標(biāo)方向發(fā)射天線的增益因子，其中，un為目標(biāo)方向、Us為波束指向，K為 子陣數(shù)，C' "如式（2)所示：
[0011]
⑶
[0012] 其中，τ為信號脈沖寬度，λ為跟蹤脈沖載波的波長，M為接收陣列的陣元數(shù)，Rn 為第η個目標(biāo)與雷達(dá)的距離，k。為玻耳茲曼常數(shù)，T s為雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲溫度，L為環(huán)境和接 收機的總損耗（L > 1);
[0013] 步驟2、計算截獲接收機接收到的雷達(dá)信號的信噪比：
[0014]
(3)
[0015] 其中，GJ", 為歸一化雷達(dá)發(fā)射天線在截獲接收機方向的增益因子， Ui為截獲 接收機相對雷達(dá)天線的方向，C' i如式（4)所示：
[0016]
(4)
[0017] 其中，G1為截獲接收機接收天線的增益，R1為雷達(dá)與截獲接收機的距離，B i為截獲 接收機的有效帶寬，L1為截獲接收機系統(tǒng)的總損耗，T i為截獲接收機的噪聲溫度；
[0018] 步驟3、構(gòu)建優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為最小化截獲接收機接收到的雷達(dá)信 號的信噪比的平均值；假設(shè)截獲接收機空域位置不確定性的下限和上限分別為^和u u，截 獲接收機接收到的雷達(dá)信號的平均信噪比為：
[0019]
CS)
[0020] 步驟4、確定優(yōu)化模型的約束條件：要求通過單個波束同時覆蓋多個目標(biāo)，所有被 跟蹤目標(biāo)的目標(biāo)方向的回波信噪比均大于門限值γ的概率不小于給定值f%，如式（6)所 示：
[0021]
[0022] 步驟5、求解約束條件：
[0023] a、目標(biāo)方向Un為隨機變量，假設(shè)其相互獨立，則式（6)可寫為
[0024] )
[0025]
[0026] (8) CN 105158756 A IX m "ti 3/12 頁
[0027] 其中，fe(gn)為Gt0(Un-Us)的概率密度函數(shù)；
[0028] b、將雷達(dá)的增益方向圖建模為：
[0029]
(9)
[0030] 其中，c。= _21n2, u。為半功率波束寬度，b為雷達(dá)發(fā)射天線主瓣方向的增益；
[0031] c、雷達(dá)天線增益的概率密度函數(shù)寫為：
[0032]
(].〇.)
[0033] 其中，七和U2為天線增益等于gn時的兩個目標(biāo)的角度，即=
[0034] L(Un)為目標(biāo)位置Un的概率密度函數(shù)，
關(guān)于u的偏導(dǎo)函數(shù)，假 設(shè)雷達(dá)對所有目標(biāo)的跟蹤殘差是高斯和無偏的，可得到
，其中4為目標(biāo)η的跟蹤殘差的方差；推導(dǎo)可得到對應(yīng)于第η個目標(biāo)的天線增益概率密度函數(shù)為：
[0035] (11；
[0036]
[0037] 步驟6、得到優(yōu)化模型：
[0038]
[0039]
[0040] 步驟7、采用遺傳算法求解上述優(yōu)化模型，得到最優(yōu)雷達(dá)波束指向Ucipt，最優(yōu)子陣劃 分Kcipt，最優(yōu)發(fā)射功率Pyptt3
[0041] 本發(fā)明的工作原理為：
[0042] 假設(shè)集中式M頂0雷達(dá)保持對N個目標(biāo)的跟蹤，這些目標(biāo)由同一個波束的單個脈沖 同時觀測。雷達(dá)通過單個脈沖得到的第η個目標(biāo)的信噪比，可由單基地雷達(dá)距離方程給出 如下：
[0043] Ol)
[0044] 其中，PtS雷達(dá)峰值發(fā)射功率；G tn為第η個目標(biāo)方向的發(fā)射天線增益，它是目標(biāo)方 向Un、波束指向Us以及子陣數(shù)K的函數(shù)；G "為第η個目標(biāo)等效聯(lián)合收發(fā)波束增益（不考慮 發(fā)射端增益）；σ η為第η個目標(biāo)的雷達(dá)截面積（RCS) ; λ為跟蹤脈沖載波的波長；τ為信 號脈沖寬度；Rn為第η個目標(biāo)與雷達(dá)的距離；k。!；*雷達(dá)系統(tǒng)噪聲功率譜密度；k。為玻耳茲 曼常數(shù)J s為雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲溫度；L為環(huán)境和接收機的總損耗（L > 1)。
[0045] 將式（13)中，在一次駐留時間內(nèi)對于所有目標(biāo)來說是常數(shù)且在優(yōu)化過程中不進(jìn) 行調(diào)整的量提出，則第η個目標(biāo)的SNR可以寫為
[0046] (14)
[0047]
[0048] (1。）
[0049] 由于雷達(dá)形成的接收多波束中，各波束一般均較窄，可認(rèn)為指向各目標(biāo)的接收波 束正好對準(zhǔn)目標(biāo)，即6"為固定值。當(dāng)各目標(biāo)相對靠近時，可假設(shè)G m= G ^ η = 1，2,…，Ν。
[0050] Gtn滿足如下關(guān)系（張偉.機載ΜΙΜΟ雷達(dá)空時信號處理研究[D].電子科技大學(xué) 博士學(xué)位論文，2013)
[0051] Gtn°c Μ/Κ· Gtn0 (16)
[0052] 其中，Gtn。為歸一化的增益因子，僅與目標(biāo)方向u η、波束指向Us有關(guān)，M為接收陣 列的陣元數(shù)。假設(shè)Μ/Κ為發(fā)射方向圖主瓣增益；同理，由于l〇cM，這里不妨取G 1^=M13此 時，式（15)可表示為
[0053]
[0054]
[0055] 由式（17)可知，在C' n中參數(shù)固定的情況下，目標(biāo)回波信噪比與信號峰值功率、 目標(biāo)雷達(dá)截面積（RCS)和目標(biāo)所在方向的歸一化天線增益因子成正比，而與子陣數(shù)K成反 比。
[0056] 同樣，根據(jù)截獲距離方程，截獲接收機接收到的雷達(dá)信號的信噪比為
[0057]
(18)
[0058] 其中，Gtl為雷達(dá)發(fā)射天線在截獲接收機方向的增益，它是截獲接收機相對雷達(dá)天 線的方向U 1、波束指向Us以及子陣數(shù)K的函數(shù)A1為截獲接收機接收天線的增益；B1為截獲 接收機的有效帶寬I 1為截獲接收機系統(tǒng)的總損耗；1\為截獲接收機的噪聲溫度。
[0059] 將式（18)中，在一次駐留時間內(nèi)是常數(shù)且在優(yōu)化過程中不進(jìn)行調(diào)整的量提出，則 截獲接收機接收到的雷達(dá)信號的SNR可以寫為
[0060]
[0061]
[0062] (20)
[0063] 假設(shè)截獲接收機接收天線的主瓣終止朝向雷達(dá)一一G1為固定值。
[0064] 類