基于同時多波束跟蹤的任務調(diào)度方法研究

田 鋼，凌 牧，汪 晉

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

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基于同時多波束跟蹤的任務調(diào)度方法研究

田 鋼，凌 牧，汪 晉

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

目前對雷達多波束技術(shù)的研究多基于如何實現(xiàn)發(fā)射多波束，對跟蹤時的資源調(diào)度和能量管理策略研究較少，對多波束進行目標跟蹤的使用條件，以及如何在多波束跟蹤和雷達能量損失、時間消耗間平衡缺少必要的原則。文中對同時多波束的工作方式進行了分析，并建立了多波束跟蹤的模型；同時，通過時間資源優(yōu)化和回波能量感知兩方面研究，提出了同時多波束跟蹤的資源調(diào)度和能量管理準則，并設計了多波束跟蹤時的自適應任務調(diào)度算法。

多波束跟蹤；自適應任務調(diào)度；能量管理

0 引 言

傳統(tǒng)相控陣雷達通過為執(zhí)行的任務劃分時間片，保障多功能、多任務的有序進行。隨著雷達生存環(huán)境日趨惡劣，傳統(tǒng)相控陣雷達在處理多功能、多任務方面已經(jīng)趨于飽和，時間資源已成為制約相控陣雷達能力拓展的重要瓶頸。可以同時并發(fā)執(zhí)行和處理任務的數(shù)字陣體制，成為現(xiàn)代雷達發(fā)展的必然趨勢。

數(shù)字陣的發(fā)展為相控陣雷達發(fā)展帶來了變革。隨著數(shù)字波束形成的使用，發(fā)射寬波束，接收多波束已實現(xiàn)工程化應用，應用于雷達搜索、群跟蹤等方面。這提升了掃描速度和數(shù)據(jù)率，一定程度上緩解了緊張的時間資源[1-2]。但相控陣雷達資源耗費最多的，通常是進行固定高數(shù)據(jù)率的跟蹤工作方式。因此，在能量調(diào)度和資源管理上實現(xiàn)任意方向多波束跟蹤意義更大。

為實現(xiàn)多波束同時跟蹤，一方面需要了解目前相控陣雷達實現(xiàn)多發(fā)多收的方法，主要包括陣面分割、特殊構(gòu)架[3]、陣面重構(gòu)、機會陣[4]等形式。不管采用哪種方法，都面臨陣面孔徑損失帶來的增益下降。傳統(tǒng)跟蹤方式均是根據(jù)雷達方程計算好各種參數(shù)，而使用多波束后，不同波束能量不再固定，雷達需要基于時變的回波能量測算結(jié)果進行動態(tài)分配，因此可以基于認知雷達的感知概念[5-6]，讓雷達感知不同目標對所需能量資源的訴求，并在波束能量分配中進行體現(xiàn)，從而保證在同時多波束下目標的順利檢測和穩(wěn)定跟蹤。另一方面，多波束依然要耗費時間資源，需要針對各工作方式特點，設計合理的時序，達到總體時間資源最優(yōu)的效果。

1 同時多波束跟蹤工作方式分析

數(shù)字陣接收多波束可以形成多個接收通道，保證任意方向雷達共口徑接收，實現(xiàn)了接收的最大收益。發(fā)射多波束則面臨增益的損失，受到環(huán)境因素、目標特性、時間資源等限制，需要感知和綜合多種因素去分配能量進行多波束的實時調(diào)度。

由于接收多波束要實現(xiàn)共口徑接收，以保證雷達威力的最大化。這就決定了雷達實現(xiàn)多波束跟蹤時，多波束的工作方式必須滿足一定的時序要求，即具有同樣的工作周期、發(fā)射周期、接收距離門寬度等，這也間接確定了發(fā)射多波束的使用條件也要滿足這樣的定時要求。雷達采用同時多波束跟蹤目標的能量調(diào)度和資源管理的問題，也就轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾魏喜⒊赏N工作方式跟蹤目標的問題。

2 同時多波束跟蹤原則

對普通目標進行跟蹤，需要保證工作時序合理、目標可被探測。如果需要實現(xiàn)多波束同時跟蹤，同樣需滿足一定條件，主要包括具備使用相同工作方式的時序、多波束后總時間資源降低、目標可被檢測三個要求。

建立對目標跟蹤時的基本要素模型，如表1所示。

表1 目標跟蹤基本要素

2.1 合并概率增大原則

距離門是雷達可以接收目標并進行處理的距離段，記為X。距離門包括距離門起始Min和距離門結(jié)束Max，其中，X=Max-Min。假設目標在距離上的出現(xiàn)概率為均勻分布，則在總探測距離S上，目標出現(xiàn)在該距離門概率為X/S，即工作方式距離門越大，空域上目標可采用同一種工作方式合并跟蹤的概率越大。因此，在設計接收距離門時，需保證大的接收范圍，AD采樣后，信號處理可通過再處理以目標為中心的小距離門數(shù)據(jù)，減少運算量。

假設當兩個目標i和j具備合并跟蹤條件時，距離門起始和結(jié)束應選擇距離門起始和結(jié)束的最大值，保證新的時序不會關(guān)斷正在發(fā)射的信號，同時實現(xiàn)最大接收距離門，如圖1所示。兩個不同的跟蹤時序合并成同種時序過程，其中，圖1a)對應目標i時序，圖1b)對應目標j時序，圖1c) 對應合并后時序，即新工作方式時序，從而確定基本周期。新的時序要求如下

max[Mini,Minj]

Min′

(1)

圖1 時序合并過程

相控陣雷達通常用多個脈沖為一幀完成抗雜波干擾等功能。這一幀脈沖時間，稱為幀周期(通常為等周期或不等周期的時間和，假設約等于T×N，T為基本周期，N為脈沖數(shù))。為不影響原來幀周期時序的功能和性能，還應從時序脈沖數(shù)Ni和時序脈沖數(shù)Nj中，選定max[Ni,Nj]確定為當前新時序的脈沖數(shù)。

2.2 同時多任務時間減小原則

如果只按照“合并概率增大原則”，可能會使新的時序耗費更多的時間。只有當同時多目標跟蹤比分時多目標跟蹤耗時更少時，才能體現(xiàn)出同時多波束的優(yōu)點。

假設任務1基本周期為T1，脈沖數(shù)為N1，任務2基本周期為T2，脈沖數(shù)為N2，為保證合并跟蹤后時間減小，應保證

max(T1,T2)·max(N1,N2)

(2)

通過分析推導可知：

1) 當T1≥T2，N1≥N2或者T1≤T2，N1≤N2時，式(2)恒成立。

基本周期相近的任務更容易滿足同時多波束跟蹤的時間條件。

3) 同理可得出當T1N2時的情況。

2.3 目標可被探測原則

目標可被探測需要回波強度滿足目標檢測條件，多波束跟蹤分散了陣面發(fā)射的能量資源，表現(xiàn)為目標分散了陣面的功率孔徑得益。因此，需根據(jù)不同目標回波強度解算對發(fā)射能量資源的需求，實現(xiàn)對陣面功率、孔徑資源分配。

設滿功率孔徑時跟蹤目標信噪比為Si，實際保持跟蹤所需信噪比為Smin，根據(jù)雷達方程，在其他保持不變的情況下，相對于全陣功率孔徑，跟蹤目標實際需要陣面的發(fā)射能量資源為Wi。

Wi= Smini/Si×全陣面功率孔徑能量?

(3)

假設整個雷達陣面功率孔徑為1，共維持m個目標的穩(wěn)定跟蹤，第i個目標占功率孔徑資源比例為Ei，則

(4)

2.4 多波束跟蹤的任務模型

完成多波束跟蹤使用條件分析后，建立對多目標跟蹤條件判斷參數(shù)的模型。

任務：包括跟蹤任務距離門起始Min、距離門結(jié)束Max、目標位置Sd、所需能量資源E、基本周期T、所需脈沖數(shù)N、目標是否已采用多波束跟蹤標識flag。假設兩個跟蹤任務：跟蹤任務i(Mini,Maxi,Sdi,Ei,Ti,Ni,flagi)和跟蹤任務j(Minj,Maxj,Sdj,Ej,Tj,Nj,flagj)。

flagi=0，fiagj=0代表該任務尚未進行多波束跟蹤，flagj=i，代表任務j已采用任務i的周期和時序進行多波束跟蹤。

在flagi=0或者fiagj=0條件下，若滿足多波束條件

(5)

則認為兩個任務內(nèi)目標可采用同一種工作方式進行多波束跟蹤。

3 多波束跟蹤任務流程編排

雷達的任務調(diào)度按照周期排列，通過上一周期進行任務編排，在下一周期完成時序產(chǎn)生和執(zhí)行。因此，基于多波束跟蹤任務的編排，需要在當前周期任務執(zhí)行結(jié)束，且目標信噪比、周期等要素更新后，下一周期任務執(zhí)行前完成。

其執(zhí)行流程可按照如下步驟執(zhí)行：

(1) 將下一周期需執(zhí)行的跟蹤任務(假設共M個)按照基本周期從長到短排序，將要素中標志flag均置為0；

(2) 從第一個任務開始依次與后續(xù)任務按照式(5)的“多波束條件”進行多波束可能性判斷，完成遍歷。對滿足“多波束條件”的任務，采用多波束跟蹤并更新多波束任務的狀態(tài)：包括使用能量資源E和對標志位flag標記；

(3) 從第二個任務開始按照步驟(2)流程，與后續(xù)任務進行多波束可能性判斷，完成遍歷。其中，遇到標記為已完成多波束編排的任務，不再進行“多波束條件”判斷，直接跳到下一任務；

(4) 按照步驟(3)依次遍歷后續(xù)M-2個任務，完成判斷，最終輸出結(jié)果。

步驟(2)～步驟(4)的執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 多波束跟蹤時序圖

4 結(jié)束語

本文從雷達實現(xiàn)多波束跟蹤的角度出發(fā)，基于回波能量感知和時間資源優(yōu)化兩方面，開展了同時多波束跟蹤時能量和時間資源調(diào)度的方法研究，并給出了實現(xiàn)準則和多波束跟蹤工作方式的算法。本文只討論了在幀間波束捷變實現(xiàn)多波束情況，如果雷達擁有足夠的運算性能，能實現(xiàn)脈沖間波束指向捷變，會進一步降低雷達資源消耗，提高雷達應對飽和任務的能力。不管是幀間多波束還是脈間多波束，都可以根據(jù)文中的約束條件完成同時多目標跟蹤的自適應管理和調(diào)度。

[1] 張光義．多波束技術(shù)在相控陣雷達中的應用[J]．現(xiàn)代雷達，2007，29(8)：1-6. ZHANG Guangyi．Application of multi-beam formation technologies in phased array radar[J]．Modern Radar，2007，29(8): 1-6.

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[4] 龍偉軍．機會陣雷達關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：南京航空航天大學，2010. LONG Weijun．Research on the key techniques of opportunistic array radar[D]．Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.

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田 鋼 男，1983年生，碩士。研究方向為雷達系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)處理等。

凌 牧 男，1985年生，碩士。研究方向為雷達系統(tǒng)設計、信號處理等。

汪 晉 男，1985年生，碩士。研究方向為數(shù)據(jù)處理等。

A Study on the Adaptive Task Scheduling Based on Simultaneous Multi-beam Tracking

TIAN Gang，LING Mu，WANG Jin

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

At present, most of the researches on radar multi-beam technology are based on how to transmit multi-beam, and there are few researches on the adaptive strategy about the multi-beam's resource scheduling and energy management. Necessary criteria is lacking on the application conditions for multi-beam to track different targets, and how to balance the multi-beam tracking with energy loss and time consumption. In this paper, the working mode for simultaneous multi-beam tracking is analyzed and the multi-beam tracking model is established. With the help of the research on echo energy awareness and time resource optimization, the guidelines of resource scheduling and energy management for the multi-beam tracking are proposed, and the task algorithm of the multi-beam tracking is arranged for radar.

multi-beam tracking; adaptive task scheduling; energy management

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.011

田鋼 Email：wowtg2005@163.com

2015-11-02

2016-01-12

TN911.7

A

1004-7859(2016)04-0046-04