基于MIMO的認(rèn)知雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤時間能量資源管理方法研究

孟 寧 史小斌 高青松 連 豪

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

認(rèn)知雷達(dá)的概念最早是由加拿大McMaster大學(xué)Simon Haykin教授于2006年提出，其組成框圖如圖1所示。認(rèn)知雷達(dá)具備對環(huán)境(地理環(huán)境和干擾環(huán)境)和目標(biāo)信息在線感知、分析、記憶能力，結(jié)合三維數(shù)字地形、地表分類信息、地面路網(wǎng)信息等先驗知識，在雷達(dá)發(fā)射端可以實(shí)時優(yōu)化雷達(dá)工作方式和發(fā)射波形，從而達(dá)到和目標(biāo)及環(huán)境的最佳匹配，在雷達(dá)接收端充分利用先驗信息獲得更好的雜波干擾抑制和目標(biāo)檢測性能。不難得到，認(rèn)知雷達(dá)需要具備的要素有：一是感知環(huán)境的能力；二是存儲器和知識數(shù)據(jù)庫；三是在線學(xué)習(xí)和知識運(yùn)用的能力；四是從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的閉環(huán)反饋[1-4]。

從圖1可以看出，認(rèn)知雷達(dá)和傳統(tǒng)雷達(dá)的主要不同之處在于傳統(tǒng)雷達(dá)在發(fā)射端沒有利用雷達(dá)接收到的信息，因此它的發(fā)射波形不會發(fā)生改變；而在認(rèn)知雷達(dá)中存在閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)，雷達(dá)接收機(jī)接收到的信息會作用于發(fā)射機(jī)不斷調(diào)整發(fā)射波形，使得雷達(dá)的發(fā)射信號和環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

圖1 認(rèn)知雷達(dá)閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)框圖

時間能量資源管理是認(rèn)知雷達(dá)設(shè)計過程中的重要一環(huán)，調(diào)度準(zhǔn)則對雷達(dá)系統(tǒng)性能發(fā)揮起到關(guān)鍵和決定作用。在同一環(huán)境下進(jìn)行工作，采用不同的時間能量調(diào)度策略，雷達(dá)系統(tǒng)的性能差異會很大。認(rèn)知雷達(dá)需要具備能夠根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、先驗信息、環(huán)境感知結(jié)果，在測量獲取距離、速度、加速度、目標(biāo)類型等參數(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用先驗信息，跟蹤過程進(jìn)行自適應(yīng)參數(shù)(波形、脈沖重復(fù)頻率、積累點(diǎn)數(shù)等)調(diào)度和優(yōu)化。

認(rèn)知雷達(dá)中，能量資源和時間資源高度耦合，且具有很強(qiáng)的非線性關(guān)系，對其進(jìn)行優(yōu)化配置具有很大難度。實(shí)現(xiàn)實(shí)時的時間能量資源管理技術(shù)是需要研究的另一項關(guān)鍵技術(shù)。

1 基于MIMO的認(rèn)知雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤分析

多目標(biāo)跟蹤一直是軍事領(lǐng)域研究中的一個重要課題，同時也是目前的難點(diǎn)問題。認(rèn)知雷達(dá)采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)，通過多波束工作模式，可以對多個目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時跟蹤。MIMO技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)同時發(fā)射多個信號波形。在理想情況下，要求這些波形之間不能夠互相影響，但是在實(shí)際中這些雷達(dá)波形互不產(chǎn)生影響幾乎不可能。盡量使得雷達(dá)信號之間接近于相互正交，不僅強(qiáng)調(diào)雷達(dá)信號之間互相關(guān)要很弱，而且還隱含了雷達(dá)信號自身擁有很低的自相關(guān)旁瓣。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，MIMO技術(shù)雷達(dá)要求設(shè)計人員考慮下面因素：

1)每個時刻，雷達(dá)最多可以產(chǎn)生的波束個數(shù)有限。由于受到MIMO技術(shù)雷達(dá)發(fā)射陣元數(shù)目N的約束(即自由度約束)，每個時刻雷達(dá)最多能夠同時產(chǎn)生出M(M≤N)個正交的雷達(dá)波束。

2)雷達(dá)的多個波束發(fā)射功率之和有限[5-6]。在理論上，雷達(dá)每個波束的發(fā)射功率越大，雷達(dá)對每個目標(biāo)的跟蹤效果越好。

隨著雷達(dá)波束脈沖寬度的逐漸增加，系統(tǒng)的發(fā)射總功率會慢慢增大。為了確保某一時刻雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射總功率不會超過硬件的最大承受范圍，要求約束多波束的總發(fā)射功率。傳統(tǒng)的多波束工作模式均未利用跟蹤器提供的反饋信息，這樣就沒有充分利用雷達(dá)系統(tǒng)有限的資源。在雷達(dá)工作時，通常將發(fā)射波束的脈沖寬度設(shè)定成一個常數(shù)。該方法比較簡單，且工程上易于實(shí)現(xiàn)，但卻不能獲得最優(yōu)的多目標(biāo)跟蹤性能[7]。

認(rèn)知技術(shù)能夠根據(jù)目標(biāo)和環(huán)境的特點(diǎn)自適應(yīng)地選擇雷達(dá)發(fā)射機(jī)配置，并可以利用各種先驗信息如目標(biāo)和雷達(dá)距離、雷達(dá)截面積等，來提高對目標(biāo)的跟蹤性能。因此，考慮利用認(rèn)知技術(shù)來提升MIMO雷達(dá)有限資源的利用效率，根據(jù)系統(tǒng)反饋的目標(biāo)信息設(shè)置下一時刻波束的脈沖寬度、數(shù)目、等參數(shù)，如圖2所示。

2 基于MIMO的認(rèn)知雷達(dá)跟蹤時間資源管理方法研究

不同任務(wù)對雷達(dá)系統(tǒng)的時間資源需求不同，同一任務(wù)在不同的環(huán)境中所消耗的時間能量資源也不同，傳統(tǒng)的資源管理僅針對雷達(dá)系統(tǒng)自身的資源進(jìn)行優(yōu)化，沒有利用環(huán)境和目標(biāo)信息，認(rèn)知雷達(dá)需要控制資源管理器，突破傳統(tǒng)的資源調(diào)度方式，盡可能地利用環(huán)境和目標(biāo)實(shí)時動態(tài)信息，將環(huán)境、目標(biāo)與雷達(dá)構(gòu)成動態(tài)系統(tǒng)，對資源分配的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時評估，形成基于認(rèn)知的閉環(huán)調(diào)度算法[8-9]。

基于認(rèn)知的自適應(yīng)資源調(diào)度管理策略，根據(jù)環(huán)境信息庫提供的實(shí)時動態(tài)信息(威脅等級、目標(biāo)類型、截面積、目標(biāo)位置、電磁干擾情況、雜波等)和外部指令，自適應(yīng)地控制雷達(dá)系統(tǒng)的波束形狀、工作頻率、駐留時間、波束指向、工作波形和信號處理方式等，以達(dá)到空域、時域、頻域和能量的最優(yōu)利用。

圖2 基于MIMO的認(rèn)知雷達(dá)資源管理框圖

以雷達(dá)在掃描加跟蹤(Track and Search, TAS)體制下工作，根據(jù)搜索獲取的目標(biāo)距離信息，按照精細(xì)化的設(shè)計方式，將0.35倍、0.5倍、0.7倍、0.86倍到1倍最大威力的距離區(qū)間內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行劃分，如圖3所示。針對不同距離區(qū)間范圍內(nèi)的目標(biāo)采用不同的時間能量資源管理策略，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知雷達(dá)性能優(yōu)化的目的。在認(rèn)知雷達(dá)近距離范圍內(nèi)采用均分脈沖寬度的策略，主要有將脈沖寬度4等分(見圖4)、2等分等分配方式，形成多個正交波束，同時照射不同跟蹤目標(biāo)，充分利用雷達(dá)能量優(yōu)勢，可以降低目標(biāo)的跟蹤時間，節(jié)省認(rèn)知雷達(dá)的時間資源開支。

圖3 跟蹤目標(biāo)在不同距離區(qū)間上的分布

圖4 發(fā)射脈沖寬度四等分

3 仿真分析

圖5 基于MIMO的認(rèn)知雷達(dá)脈沖寬度圖

圖6 雷達(dá)跟蹤目標(biāo)所需時間比較圖

4 結(jié)束語

本文針對認(rèn)知雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用場景，提出了一種分割脈沖寬度的時間能量資源管理算法，目的是針對雷達(dá)有限的時間資源，進(jìn)行合理的管理，進(jìn)而盡可能地節(jié)約時間能量資源。通過仿真實(shí)驗表明，在滿足目標(biāo)跟蹤精度要求前提下，相對于傳統(tǒng)時間資源分配方法，本文的方法能夠有效地節(jié)約時間資源，具有重要的意義。