集中式mimo雷达射频隐身时多目标跟踪波束指向方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信雷达技术领域，具体涉及一种集中式MMO雷达射频隐身时多目 标跟踪波束指向方法。
【背景技术】
[0002] M頂0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Mnro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Mnro雷达具有较好的射频隐身性能。同时，由于集中式 Mnro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Mnro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。
[0003] 目前，对M頂0雷达射频隐身性能的研究主要有：漆杨等（漆杨.M頂0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MMO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MMO雷达射频隐身性能研究[D].成都：电子科技大 学，2013)分析了 MMO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.MHTO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M頂0雷达射频隐身算法。
[0004] 然而，上述研究中并没有涉及M頂0雷达射频隐身时的多目标跟踪波束指向方法。 Mnro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。
【发明内容】
[0005] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种集中式MMO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发明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。本发明在满足雷达目标 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。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种集中式MMO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：
[0008] 步骤I、假设集中式M頂0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η个（η = 1，2,3···，Ν)目标的信噪比为：
[0009]
(1)
[0010] 其中，Pt为雷达峰值发射功率，σ η为第η个目标的雷达截面积
为归一化的第η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' "如式（2)所示：
[0011]
⑶
[0012] 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η个目标与雷达的距离，k。为玻耳兹曼常数，T s为雷达系统的噪声温度，L为环境和接 收机的总损耗（L > 1);
[0013] 步骤2、计算截获接收机接收到的雷达信号的信噪比：
[0014]
(3)
[0015] 其中，GJ", 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如式（4)所示：
[0016]
(4)
[0017] 其中，G1为截获接收机接收天线的增益，R1为雷达与截获接收机的距离，B i为截获 接收机的有效带宽，L1为截获接收机系统的总损耗，T i为截获接收机的噪声温度；
[0018] 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^和u u，截 获接收机接收到的雷达信号的平均信噪比为：
[0019]
CS)
[0020] 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f%，如式（6)所 示：
[0021]
[0022] 步骤5、求解约束条件：
[0023] a、目标方向Un为随机变量，假设其相互独立，则式（6)可写为
[0024] )
[0025]
[0026] (8) CN 105158756 A IX m "ti 3/12 页
[0027] 其中，fe(gn)为Gt0(Un-Us)的概率密度函数；
[0028] b、将雷达的增益方向图建模为：
[0029]
(9)
[0030] 其中，c。= _21n2, u。为半功率波束宽度，b为雷达发射天线主瓣方向的增益；
[0031] c、雷达天线增益的概率密度函数写为：
[0032]
(].〇.)
[0033] 其中，七和U2为天线增益等于gn时的两个目标的角度，即=
[0034] L(Un)为目标位置Un的概率密度函数，
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4为目标η的跟踪残差的方差；推导可得到对应于第η个目标的天线增益概率密度函数为：
[0035] (11；
[0036]
[0037] 步骤6、得到优化模型：
[0038]
[0039]
[0040] 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Ucipt，最优子阵划 分Kcipt，最优发射功率Pyptt3
[0041] 本发明的工作原理为：
[0042] 假设集中式M頂0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η个目标的信噪比，可由单基地雷达距离方程给出 如下：
[0043] Ol)
[0044] 其中，PtS雷达峰值发射功率；G tn为第η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；G "为第η个目标等效联合收发波束增益（不考虑 发射端增益）；σ η为第η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η个目标与雷达的距离；k。!；*雷达系统噪声功率谱密度；k。为玻耳兹 曼常数J s为雷达系统的噪声温度；L为环境和接收机的总损耗（L > 1)。
[0045] 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η个目标的SNR可以写为
[0046] (14)
[0047]
[0048] (1。）
[0049] 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6"为固定值。当各目标相对靠近时，可假设G m= G ^ η = 1，2,…，Ν。
[0050] Gtn满足如下关系（张伟.机载ΜΙΜΟ雷达空时信号处理研究[D].电子科技大学 博士学位论文，2013)
[0051] Gtn°c Μ/Κ· Gtn0 (16)
[0052] 其中，Gtn。为归一化的增益因子，仅与目标方向u η、波束指向Us有关，M为接收阵 列的阵元数。假设Μ/Κ为发射方向图主瓣增益；同理，由于l〇cM，这里不妨取G 1^=M13此 时，式（15)可表示为
[0053]
[0054]
[0055] 由式（17)可知，在C' n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。
[0056] 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
[0057]
(18)
[0058] 其中，Gtl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U 1、波束指向Us以及子阵数K的函数A1为截获接收机接收天线的增益；B1为截获 接收机的有效带宽I 1为截获接收机系统的总损耗；1\为截获接收机的噪声温度。
[0059] 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雷达信号的SNR可以写为
[0060]
[0061]
[0062] (20)
[0063] 假设截获接收机接收天线的主瓣终止朝向雷达一一G1为固定值。
[0064] 类