集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法技术

本发明专利技术提供了一种集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法，属于通信雷达技术领域。假设截获接收机在其位置不确定区域内服从均匀分布，以截获接收机处接收到的雷达信号的平均信噪比最小化为目标建立目标函数，并将目标的位置建模为随机量，保证所有目标的回波信噪比均大于预设值的概率不小于某个值。通过本发明专利技术优化模型优化得到的参数，可以在保证雷达回波信噪比性能的情况下，使截获接收机处的雷达信号的平均信噪比最小化，从而尽可能地降低雷达被截获接收机检测到的概率。

【技术实现步骤摘要】
集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法
本专利技术属于通信雷达
，具体涉及一种集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法。
技术介绍
MIMO雷达是由多个发射天线独立发射不同的波形，在接收端采用多个天线接收实现探测的雷达系统。对于集中式MIMO雷达，其发射的是正交波形，能够在空域中形成宽波束，实现一次对更大空域进行搜索，有更灵活的信号处理手段，如通过抑制强杂波来检测弱目标，更加强大的抗干扰能力，有效增加天线的虚拟孔径以及低速目标检测的能力等。同时，集中式MIMO雷达还能有效降低侦察设备处的功率密度，使之接收到的波形更加复杂，难于被截获和识别。因此，集中式MIMO雷达具有较好的射频隐身性能。同时，由于集中式MIMO雷达可通过不同的子阵划分来灵活调节发射波束的宽度，甚至可实现全向辐射，因此，对于多个目标，特别是相互相对靠近的目标，集中式MIMO雷达可实现在一次照射过程中形成较宽的发射波束以覆盖多个目标，再在接收端形成同时多波形分别对准各目标，实现对多个不同目标的同时跟踪。目前，对MIMO雷达射频隐身性能的研究主要有：漆杨等(漆杨.MIMO雷达射频隐身性能研究[D].成都:电子科技大学,2012)将截获因子应用于分析MIMO雷达的LPI性能，并分析了正交LFM信号抗Wigner-Hough变换识别以及相位编码信号抗谱相关识别的性能；蔡茂鑫等(蔡茂鑫.大型面阵MIMO雷达射频隐身性能研究[D].成都:电子科技大学,2013)分析了MIMO雷达正交波形抗循环谱识别的性能；廖雯雯等(廖雯雯,程婷,何子述.MIMO雷达射频隐身性能优化的目标跟踪算法[J].2014,航空学报,35(4))给出了一种主瓣截获情况下的基于自适应目标跟踪的MIMO雷达射频隐身算法。然而，上述研究中并没有涉及MIMO雷达射频隐身时的多目标跟踪波束指向方法。MIMO雷达可发射单个宽发射波束来同时跟踪多个目标，而这一问题的关键是确定接收该组目标回波信号对应的波束指向。不当的波束指向方法将导致时间和能量资源的浪费，并减少雷达处理的总目标数量，更容易被对方截获。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法，通过在跟踪过程中采用本专利技术波束指向方法得到的可控参数值可以在保持雷达对多目标的跟踪性能的同时提高雷达的射频隐身性能。本专利技术在满足雷达目标回波信噪比达到给定值的前提下，最小化截获接收机接收到的雷达信号的平均信噪比，并通过遗传算法得到最优的雷达参数配置。本专利技术的技术方案如下：一种集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、假设集中式MIMO雷达保持对N个目标的跟踪，这些目标由同一个波束的单个脉冲同时观测，雷达通过单个脉冲得到第n个(n＝1，2，3…，N)目标的信噪比为：其中，Pt为雷达峰值发射功率，σn为第n个目标的雷达截面积(RCS)，为归一化的第n个目标方向发射天线的增益因子，其中，un为目标方向、us为波束指向，K为子阵数，Cn′如式(2)所示：其中，τ为信号脉冲宽度，λ为跟踪脉冲载波的波长，M为接收阵列的阵元数，Rn为第n个目标与雷达的距离，k0为玻耳兹曼常数，Ts为雷达系统的噪声温度，L为环境和接收机的总损耗(L＞1)；步骤2、计算截获接收机接收到的雷达信号的信噪比：其中，为归一化雷达发射天线在截获接收机方向的增益因子，ui为截获接收机相对雷达天线的方向，Ci′如式(4)所示：其中，Gi为截获接收机接收天线的增益，Ri为雷达与截获接收机的距离，Bi为截获接收机的有效带宽，Li为截获接收机系统的总损耗，Ti为截获接收机的噪声温度；步骤3、构建优化模型的目标函数，目标函数为最小化截获接收机接收到的雷达信号的信噪比的平均值；假设截获接收机空域位置不确定性的下限和上限分别为ul和uu，截获接收机接收到的雷达信号的平均信噪比为：步骤4、确定优化模型的约束条件：要求通过单个波束同时覆盖多个目标，所有被跟踪目标的目标方向的回波信噪比均大于门限值γ的概率不小于给定值P0，如式(6)所示：P{SNR1＞γ,…,SNRN＞γ}≥P0(6)步骤5、求解约束条件：a、目标方向un为随机变量，假设其相互独立，则式(6)可写为P{SNR1＞γ,…,SNRN＞γ}≥P0(7)令κn＝γK/(σnPtCn′)，则其中，fG(gn)为Gt0(un-us)的概率密度函数；b、将雷达的增益方向图建模为：其中，c0＝-2ln2，u0为半功率波束宽度，b为雷达发射天线主瓣方向的增益；c、雷达天线增益的概率密度函数写为：其中，u1和u2为天线增益等于gn时的两个目标的角度，即fU(un)为目标位置un的概率密度函数，为关于u的偏导函数，假设雷达对所有目标的跟踪残差是高斯和无偏的，可得到其中为目标n的跟踪残差的方差；推导可得到对应于第n个目标的天线增益概率密度函数为：其中，步骤6、得到优化模型：步骤7、采用遗传算法求解上述优化模型，得到最优雷达波束指向uopt，最优子阵划分Kopt，最优发射功率Pt,opt。本专利技术的工作原理为：假设集中式MIMO雷达保持对N个目标的跟踪，这些目标由同一个波束的单个脉冲同时观测。雷达通过单个脉冲得到的第n个目标的信噪比，可由单基地雷达距离方程给出如下：其中，Pt为雷达峰值发射功率；Gtn为第n个目标方向的发射天线增益，它是目标方向un、波束指向us以及子阵数K的函数；Grn为第n个目标等效联合收发波束增益(不考虑发射端增益)；σn为第n个目标的雷达截面积(RCS)；λ为跟踪脉冲载波的波长；τ为信号脉冲宽度；Rn为第n个目标与雷达的距离；k0Ts为雷达系统噪声功率谱密度；k0为玻耳兹曼常数；Ts为雷达系统的噪声温度；L为环境和接收机的总损耗(L＞1)。将式(13)中，在一次驻留时间内对于所有目标来说是常数且在优化过程中不进行调整的量提出，则第n个目标的SNR可以写为SNRn＝CnσnPtGtn(14)其中由于雷达形成的接收多波束中，各波束一般均较窄，可认为指向各目标的接收波束正好对准目标，即Grn为固定值。当各目标相对靠近时，可假设Grn＝Gr，n＝1,2,…,N。Gtn满足如下关系(张伟.机载MIMO雷达空时信号处理研究[D].电子科技大学博士学位论文,2013)Gtn∝M/K·Gtn0(16)其中，Gtn0为归一化的增益因子,仅与目标方向un、波束指向us有关，M为接收阵列的阵元数。假设M/K为发射方向图主瓣增益；同理，由于Gr∝M，这里不妨取Gr＝M。此时，式(15)可表示为由式(17)可知，在Cn′中参数固定的情况下，目标回波信噪比与信号峰值功率、目标雷达截面积(RCS)和目标所在方向的归一化天线增益因子成正比，而与子阵数K成反比。同样，根据截获距离方程，截获接收机接收到的雷达信号的信噪比为其中，Gti为雷达发射天线在截获接收机方向的增益，它是截获接收机相对雷达天线的方向ui、波束指向us以及子阵数K的函数；Gi为截获接收机接收天线的增益；Bi为截获接收机的有效带宽；Li为截获接收机系统的总损耗；Ti为截获接收机的噪声温度。将式(18)中，在一次驻留时间内是常数且在优化过程中不进行调整的量提出，则截获接收机接收到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、假设集中式MIMO雷达保持对N个目标的跟踪，这些目标由同一个波束的单个脉冲同时观测，雷达通过单个脉冲得到第n个目标的信噪比为：SNRn=Cn′PtσnGt0(un-us)K---(1)]]>其中，Pt为雷达峰值发射功率，σn为第n个目标的雷达截面积，为归一化的第n个目标方向发射天线的增益因子，其中，un为目标方向、us为波束指向，K为子阵数，C′n如下：Cn′=τλ2M2(4π)3Rn4k0TsL---(2)]]>其中，τ为信号脉冲宽度，λ为跟踪脉冲载波的波长，M为接收阵列的阵元数，Rn为第n个目标与雷达的距离，k0为玻耳兹曼常数，Ts为雷达系统的噪声温度，L为环境和接收机的总损耗；步骤2、计算截获接收机接收到的雷达信号的信噪比：SNRi=Ci′PtGt0(ui-us)K---(3)]]>其中，为归一化雷达发射天线在截获接收机方向的增益因子，ui为截获接收机相对雷达天线的方向，C′i如下：Ci′=λ2GiM(4π)2Ri2k0TBiLi---(4)]]>其中，Gi为截获接收机接收天线的增益，Ri为雷达与截获接收机的距离，Bi为截获接收机的有效带宽，Li为截获接收机系统的总损耗，Ti为截获接收机的噪声温度；步骤3、构建优化模型的目标函数，目标函数为最小化截获接收机接收到的雷达信号的信噪比的平均值；假设截获接收机空域位置不确定性的下限和上限分别为ul和uu，截获接收机接收到的雷达信号的平均信噪比为：SNRi‾=1uu-ul∫uluuCi′PtGt0(ui-us)Kdu---(5)]]>步骤4、确定优化模型的约束条件：要求通过单个波束同时覆盖多个目标，所有被跟踪目标的目标方向的回波信噪比均大于门限值γ的概率不小于给定值Ρ0，即：P{SNR1＞γ,…,SNRN＞γ}≥P0           (6)步骤5、求解约束条件：a、假设目标方向un相互独立，则式(6)可写为Πn=1NP[Gt0(un-us)>γK/(σnPtCn′)]≥P0---(7)]]>令κn＝γK/(σnPtC′n)，则P{Gt0(un-us)>κn}=∫κn∞fG(gn)dgn---(8)]]>其中，fG(gn)为Gt0(un‑us)的概率密度函数；b、将雷达的增益方向图建模为：Gt0(u-us)=b[exp(c0(u-us)2u02)]2---(9)]]>其中，c0＝‑2ln2，u0为半功率波束宽度，b为雷达发射天线主瓣方向的增益；c、雷达天线增益的概率密度函数写为：fG(gn)=fU(u1)|Gt0′(u1-us)|+fU(u2)|Gt0′(u2-us)|---(10)]]>其中，u1和u2为天线增益等于gn时的两个目标的角度，即Gt0(u1-us)=Gt0(u2-us)=gn;]]>fU(un)为目标位置un的概率密度函数，为关于u的偏导函数，假设雷达对所有目标的跟踪残差是高斯和无偏的，可得到其中为目标n的跟踪残差的方差；推导可得到对应于第n个目标的天线增益概率密度函数为：fG(gn)=exp{-[u1(gn)-un]22σun2}+exp{-[u2(gn)-un]22σun2}-2δu(gn)c0gnu022πσun---(11)]]>其中，δu(gn)=u02ln(gn/b)2c0;]]>步骤6、得到优化模型：[uopt,Kopt,Pt,opt]=argminus,K,PtSNRi‾]]>                                 (12)s.t.Πn=1NP{Gt0(un-us)>κn}≥P0]]>步骤7、采用遗传算法求解上述优化模型，得到最优雷达波束指向uopt，最优子阵划分Kopt，最优发射功率Pt,opt。...

【技术特征摘要】
1.一种集中式MIMO雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、假设集中式MIMO雷达保持对N个目标的跟踪，这些目标由同一个波束的单个脉冲同时观测，雷达通过单个脉冲得到第n个目标的信噪比为：其中，Pt为雷达峰值发射功率，σn为第n个目标的雷达截面积，为归一化的第n个目标方向发射天线的增益因子，其中，un为目标方向、us为波束指向，K为子阵数，C′n如下：其中，τ为信号脉冲宽度，λ为跟踪脉冲载波的波长，M为接收阵列的阵元数，Rn为第n个目标与雷达的距离，k0为玻耳兹曼常数，Ts为雷达系统的噪声温度，L为环境和接收机的总损耗；步骤2、计算截获接收机接收到的雷达信号的信噪比：其中，为归一化雷达发射天线在截获接收机方向的增益因子，ui为截获接收机相对雷达天线的方向，C′i如下：其中，Gi为截获接收机接收天线的增益，Ri为雷达与截获接收机的距离，Bi为截获接收机的有效带宽，Li为截获接收机系统的总损耗，Ti为截获接收机的噪声温度；步骤3、构建优化模型的目标函数，目标函数为最小化截获接收机接收到的雷达信号的信噪比的平均值；假设截获接收机空域位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：程婷，武俊青，杨少委，张洁，张宇轩，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51