一种基于脉冲交错的ISAR成像雷达资源自适应调度方法与流程

本发明涉及信息处理技术与优化调度策略，具体涉及一种基于脉冲交错的ISAR成像雷达资源自适应调度方法。
背景技术：
：近年来，相控阵雷达技术获得了长足的发展，并已经得到了广泛应用。相比于常规机械扫描雷达，相控阵雷达微秒量级的波束捷变能力、可控制的空间功率和时间资源分配等特点使其在时间、能量管理方面具有无法比拟的优势。合理、灵活、高效的调度策略是其能否发挥其优势的关键所在。常见的调度方法主要可分为两大类：模板法和自适应调度方法。其中自适应调度方法能够根据工作环境和任务需求灵活地调整资源调度策略，是最有效但也最为复杂的调度方法。脉冲交错理论的提出为进一步提升系统的资源利用率提供了新的途径，其基本思想是可利用发收脉冲间的等待期交错调度其他任务。从脉冲角度出发，进一步提高雷达资源的利用率。谢潇潇等《一种改进的相控阵雷达脉冲交错算法》(雷达科学与技术,2013,4(2):185-191)提出了针对相控阵雷达的在线脉冲交错调度算法，提高了时间利用率和能量利用率；赵洪涛等《数字阵列雷达波束驻留调度间隔分析算法》(信息与电子工程,2011,9(1):17-21)针对数字阵列雷达波束驻留调度问题，提出了基于调度间隔分析的调度算法；等等。然而这些算法大都只是对目标的搜索和跟踪任务进行资源调度，没有将成像任务考虑在内。在实际情况中，目标成像可为目标分类与识别提供重要支撑信息，是相控阵雷达的重要功能之一。现有的相控阵雷达资源调度策略大多需要分出一部分连续的固定的资源实现成像功能，因此资源利用率较低。在压缩感知理论框架下，对目标的连续观测成像可以转化为随机稀疏观测成像，并在稀疏孔径条件下获得高质量的目标ISAR像，这为将成像任务需求纳入相控阵雷达资源调度模型提供了有效的技术支撑。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提出一种基于脉冲交错的ISAR成像雷达资源自适应调度方法，包括下列步骤：步骤一：建立一种雷达成像驻留任务模型：式中，txj，twj，trj分别代表驻留j(j＝1,2)的发射期，等待期和接收期；eti与sti分别为第i个任务的期望调度起始时刻和实际调度起始时刻；Tci为第i个任务的方位向相干累积时间；ωi为第i个任务的时间窗，规定最早调度起始时间为期望调度起始时刻；向量T表示离散化后时间间隔的调度状态；ai为第i个任务的任务编号；q1,q2,q3,q4为调整系数；第一个和第二个约束表示任务调度需满足的时间约束条件；第三到第五个约束表示成像任务需要满足的稀疏孔径条件和观测时间范围；第六个约束条件表示任务调度需满足的能量约束条件。步骤二：雷达成像任务调度方法，具体包含下面步骤：第一步：发送少量脉冲对目标特征进行认知；根据回波反馈信息，计算各目标成像所需要的方位向相干积累时间、观测维度；所述认知目标特征的具体过程为：目标距离速度和航向使用传统雷达常规方法进行测定；对各目标发送少量连续脉冲，得到粗分辨ISAR像；速度和航向可使用传统雷达常规方法进行测定；目标尺寸可由目标的粗分辨ISAR像估计得出；方位向稀疏度定义为对目标粗分辨ISAR像各方位向的距离单元大于设定阈值的距离单元数；观测时间通过定义基准目标成像所需的基准方位向分辨率计算得出；相对优先级Pk根据目标的距离、速度和航向等参数加权得到；第二步：利用认知结果计算观测维度等参数；第三步：在满足资源约束的前提下，利用脉冲交错技术对各个雷达成像任务进行调度；所述具体步骤为P1：将N个成像任务中最晚调度起始时刻小于t0的任务和最早调度起始时刻与方位向相干累积时间之和大于tend的任务加入删除链表，剩余N-K个任务按照优先级从高到低排列送入执行链表，初始化该调度间隔内的各时间槽能量状态，令i＝1；P2：定义tp_first指向第i个成像任务的第一个发射脉冲，即期望调度起始时刻，tp_end指向最后一个发射脉冲，则P3：若在tp_first与tp_end确定的首尾发收脉冲对区间内，满足时间和能量约束条件成功插入Mi-2个发收脉冲对，则按此方式调度该成像任务，并更新各时间槽能量状态，i＝i+1，转P4；否则，令tp_first＝tp_first+Δtp，tp_end＝tp_end+Δtp(Δtp为最小指针滑动步长)；若tp_first＜eti+ωi，返回P3，否则认为该任务调度失败并将其加入删除链表，i＝i+1，并返回P2；P4：若i≤N-K，返回P2，否则转第四步。所述资源约束的前提包括时间资源约束条件和能量资源约束条件，时间资源约束条件应满足在不与原驻留任务发射期和接收期相冲突的前提下，利用等4期的时间资源发射或接收其他驻留任务；脉冲交错形式分为交叉交错与内部交错，两种交错方式需要分别满足的时间约束条件如下：(a)tw1≥tx2,tw2≥tr1,tx2+tw2≥tx1+tr1(2)(b)tw1≥tx2+tw2+tr2(3)雷达系统在t时刻的瞬态能量可以表示为：式中，P(x)为系统的功率参数，τ为系统的回退参数，其中，上式的实质是对功率函数进行指数加权求和，早期发射脉冲的能量加权系数小，近期发射脉冲的能量加权系数大；若系统在t时刻的能量状态临近瞬态能量上限Emax，则此时不能继续发射脉冲，需要一段冷却时间tc使能量恢复到正常值El，也就是说，在[t,t+tc]时间段内，系统不再发射脉冲，但可以正常接收脉冲；若设t时刻系统的瞬态能量为E(t)，则在t+tc时刻，系统的瞬态能量为：令E(t)＝Emax，E(t+tc)＝El，则系统冷却时间tc的表达式为：进而得到系统冷却速率vE的表达式为：系统的能量状态在Δt时间内的减少量ΔE可表示为：在脉冲交错的过程中，系统的能量约束条件可定义为系统在任意t时刻均不能超过最大瞬时能量阈值Emax，即：E(t)≤Emax(9)。第四步：将调度成功的任务利用稀疏孔径观测成像。假设经过特征认知后得到第i个目标成像积累时间为则雷达共发射个脉冲，将完成距离向处理的全孔径信号离散化表示为sr(t,m),m＝1,2,...,N；仅对目标发射M(M＜N)个子脉冲，稀疏孔径信号可表示为sr(t,m′),m′＝1,2,…,M；若第i个目标的估计稀疏度为则第i个目标降维处理后的方位向观测维度为：其中c为是一个与恢复精度有关的常数，选择傅里叶变换矩阵作为信号x的稀疏变换矩阵Ψ，根据稀疏孔径分布情况，设计观测矩阵Φ满足：通过求解最优化问题重构方位向信息：对每一距离单元按上述方法进行方位向成像，得到的矩阵形式即为目标二维ISAR像。本发明提出了一种基于脉冲交错的ISAR成像雷达资源自适应调度方法，建立了合理的脉冲交错驻留的资源调度模型，设计了时间与能量资源双重约束下在线脉冲交错的实现方法。与传统调度方法相比，本发明方法通过合理利用脉冲等待期的资源，大大提高了系统的调度成功率和资源利用率。在成像目标特征认知后，可以通过平均交错度的变化曲线推断出系统的饱和容量，使调度方法更有效。通过计算本发明稀疏孔径成像结果与传统全孔径成像结果的峰值信噪比，可以看出，本发明方法能够在显著提高雷达资源利用率的同时，获得满意的成像质量。附图说明图1示出本发明方法与传统方法的性能指标对比，1(a)为调度成功率对比，1(b)为时间资源利用率对比，1(c)为能量资源利用率对比，1(d)为平均交错度对比；图2示出本发明成像任务驻留脉冲交错示意图；图3示出本发明成像任务资源调度框架；图4示出本发明调度方法流程图；图5示出本发明与传统全孔径ISAR成像结果比较图。具体实施方式下面结合附图和本发明的实施例，对本发明作进一步地描述。本发明的具体实施过程是：第一步：发送少量脉冲对目标特征进行认知；第二步：利用认知结果计算观测维度等参数；第三步：在满足资源约束的前提下，利用脉冲交错技术对各个雷达成像任务进行调度；第四步：将调度成功的任务利用稀疏孔径观测成像。包括下列步骤：步骤一：建立一种雷达成像驻留任务模型：式中，txj，twj，trj分别代表驻留j(j＝1,2)的发射期，等待期和接收期；eti与sti分别为第i个任务的期望调度起始时刻和实际调度起始时刻；Tci为第i个任务的方位向相干累积时间；ωi为第i个任务的时间窗，规定最早调度起始时间为期望调度起始时刻；向量T表示离散化后时间间隔的调度状态；ai为第i个任务的任务编号；q1,q2,q3,q4为调整系数；第一个和第二个约束表示任务调度需满足的时间约束条件；第三到第五个约束表示成像任务需要满足的稀疏孔径条件和观测时间范围；第六个约束条件表示任务调度需满足的能量约束条件；步骤二：雷达成像任务调度方法，具体包含下面步骤：第一步：发送少量脉冲对目标特征进行认知；根据回波反馈信息，计算各目标成像所需要的方位向相干积累时间、观测维度；所述认知目标特征的具体过程为：目标距离速度和航向使用传统雷达常规方法进行测定；对各目标发送少量连续脉冲，得到粗分辨ISAR像；速度和航向可使用传统雷达常规方法进行测定；目标尺寸可由目标的粗分辨ISAR像估计得出；方位向稀疏度定义为对目标粗分辨ISAR像各方位向的距离单元大于设定阈值的距离单元数；观测时间通过定义基准目标成像所需的基准方位向分辨率计算得出；相对优先级Pk根据目标的距离、速度和航向等参数加权得到；第二步：利用认知结果计算观测维度等参数；第三步：在满足资源约束的前提下，利用脉冲交错技术对各个雷达成像任务进行调度；所述具体步骤为P1：将N个成像任务中最晚调度起始时刻小于t0的任务和最早调度起始时刻与方位向相干累积时间之和大于tend的任务加入删除链表，剩余N-K个任务按照优先级从高到低排列送入执行链表，初始化该调度间隔内的各时间槽能量状态，令i＝1；P2：定义tp_first指向第i个成像任务的第一个发射脉冲，即期望调度起始时刻，tp_end指向最后一个发射脉冲，则P3：若在tp_first与tp_end确定的首尾发收脉冲对区间内，满足时间和能量约束条件成功插入Mi-2个发收脉冲对，则按此方式调度该成像任务，并更新各时间槽能量状态，i＝i+1，转P4。否则，令tp_first＝tp_first+Δtp，tp_end＝tp_end+Δtp(Δtp为最小指针滑动步长)；若tp_first＜eti+ωi，返回P3，否则认为该任务调度失败并将其加入删除链表，i＝i+1，并返回P2；P4：若i≤N-K，返回P2，否则转第四步。所述资源约束的前提包括时间资源约束条件和能量资源约束条件，时间资源约束条件应满足在不与原驻留任务发射期和接收期相冲突的前提下，利用等待期的时间资源发射或接收其他驻留任务；脉冲交错形式分为交叉交错与内部交错，两种交错方式需要分别满足的时间约束条件如下：(a)tw1≥tx2,tw2≥tr1,tx2+tw2≥tx1+tr1(2)(b)tw1≥tx2+tw2+tr2(3)在实际调度过程中，脉冲交错的数目要受到能量约束条件的限制，以避免发射机持续工作时间过长而损坏，雷达系统的能量约束分为稳态能量约束和瞬态能量约束，由于稳态能量约束设定的总能量消耗阈值受到设备自身性能的制约，因此通常只考虑瞬态能量约束，系统在t时刻的瞬态能量可以表示为：式中，P(x)为系统的功率参数，τ为系统的回退参数，其中，上式的实质是对功率函数进行指数加权求和，早期发射脉冲的能量加权系数小，近期发射脉冲的能量加权系数大。若系统在t时刻的能量状态临近瞬态能量上限Emax，则此时不能继续发射脉冲，需要一段冷却时间tc使能量恢复到正常值El，也就是说，在[t,t+tc]时间段内，系统不再发射脉冲，但可以正常接收脉冲；若设t时刻系统的瞬态能量为E(t)，则在t+tc时刻，系统的瞬态能量为：令E(t)＝Emax，E(t+tc)＝El，则系统冷却时间tc的表达式为：进而得到系统冷却速率vE的表达式为：系统的能量状态在Δt时间内的减少量ΔE可表示为：在脉冲交错的过程中，系统的能量约束条件可定义为系统在任意t时刻均不能超过最大瞬时能量阈值Emax，即：E(t)≤Emax(9)。第四步：将调度成功的任务利用稀疏孔径观测成像。假设经过特征认知后得到第i个目标成像积累时间为则雷达共发射个脉冲，将完成距离向处理的全孔径信号离散化表示为sr(t,m),m＝1,2,...,N；仅对目标发射M(M＜N)个子脉冲，稀疏孔径信号可表示为sr(t,m’),m′＝1,2,…,M；若第i个目标的估计稀疏度为则第i个目标降维处理后的方位向观测维度为：其中c为是一个与恢复精度有关的常数，选择傅里叶变换矩阵作为信号x的稀疏变换矩阵Ψ，根据稀疏孔径分布情况，设计观测矩阵Φ满足：通过求解最优化问题重构方位向信息：对每一距离单元按上述方法进行方位向成像，得到的矩阵形式即为目标二维ISAR像。实例：成像任务调度实验仿真实验：假设雷达发射线性调频信号，发射脉冲宽度为10μs，最小指针滑动步长设为10μs，时间窗取1ms，仿真时间1s，脉冲发射功率4KW，雷达平均功率500W。各目标到雷达的距离为10～30Km。需要说明的是，由于目标的距离向尺寸会影响雷达回波的到达时间，为了保证成像质量，需要对脉冲的接收期进行适当拓宽。若雷达与第i个目标间距离为Ri，第i个目标的距离向尺寸为则第i个目标的实际接收脉冲的宽度应设为：经多次仿真后发现，当目标数为50时，系统的时间资源利用率趋于饱和状态。取200ms作为观察窗，本发明基于脉冲交错的雷达成像资源调度图如图5所示。各脉冲的绝对值表示成像任务编号，其中发射脉冲编号为正，接收脉冲编号为负。每对发收脉冲与其之间的等待期组成了一个完整的任务驻留，不同成像任务的驻留等待期由雷达到目标的距离决定。优先级高的成像任务优先调度，优先级低的成像任务在时间窗范围内调整至满足调度条件或被舍弃，直至资源达到饱和。可以看出，雷达对各目标交错调度成像，从而大大提高了系统的时间资源利用率。将本发明的调度方法与《基于稀疏孔径ISAR成像的雷达资源自适应调度方法》中的调度方法进行比较。定义资源调度性能指标如下：调度成功率(SSR)：调度成功率定义为申请执行的成像任务数与实际执行的成像任务数之比。表达式如下：时间资源利用率(TUR)：时间资源利用率定义为所有任务驻留脉冲所占时间与总调度时间之比。表达式如下：能量资源利用率(EUR)：能量资源利用率定义为所有发射脉冲消耗的能量与系统提供的总能量之比。表达式如下：平均交错度(AID)：本发明提出平均交错度作为衡量脉冲交错程度的性能指标。定义交错度为一个任务驻留等待期中成功插入其他驻留的发射脉冲个数。平均交错度为整个调度间隔中所有驻留交错度的平均值。显然，平均交错度与雷达成像目标的数量和距离、系统的发射功率、系统的能量阈值和最小滑动步长等参数的选取有关。当其他参数确定时，可以通过观察平均交错度的变化趋势得到系统最大资源容限。其表达式如下：式中，N为申请执行的成像任务数；N'为实际执行的成像任务数；txi和tri分别表示第i个任务驻留中脉冲的发射时间和接收时间；Mi为第i个任务的方位向观测维度；Ttotal为总仿真时间；Pav为雷达能提供的平均功率；Pt为每个发射脉冲的峰值功率；numi,j表示第i个任务第j个发收脉冲对中成功交错其他驻留的发脉冲个数。图1为两种调度方法的性能指标变化曲线对比。从图1(a)中可以看出，当任务数较少时，两种方法均可以对所有成像任务进行成功调度，调度成功率均达到100％。当任务数超过6以后，传统方法的调度成功率开始较大幅度下降，而本发明方法仍然可以成功调度所有任务直到任务数达到50。这是因为本发明方法充分利用了任务脉冲间的空闲时间调度其它任务，较传统方法而言，可以更加充分地利用系统的时间资源。图1(b)和图1(c)中的变化曲线表明，由于本发明方法充分利用了脉冲等待期的时间资源，在相同调度时间内成功调度的任务数多，使得系统时间资源利用率和能量资源利用率均达到80％左右，在成像任务数超过6之后，远远高于传统方法。从图1(d)中可以看出，在目标较少时，雷达资源充足，平均交错度随着任务数的增加而增加。当目标达到50时，平均交错度趋于平稳。这是由于系统的脉冲交错能力受到时间资源约束和能量资源约束的双重限制。当平均交错度不再增加时，系统的调度成功率达到饱和，此时系统的资源利用率达到最高。在基于本发明方法成功调度的成像任务中选取三个目标观察其成像结果。将其分别与传统全孔径ISAR成像结果进行比较，结果如图5所示。本发明采用峰值信噪比(PSNR)衡量本发明方法的成像效果，峰值信噪比式中均方误差MSE表示为其中表示本发明稀疏孔径成像结果，σ(i,j)表示传统全孔径成像结果，m，n分别表示ISAR像矩阵的行数与列数。PSNR值越大说明成像效果越好。表1为传统全孔径成像结果与本发明稀疏孔径成像结果峰值信噪比与均方误差。可以看出，本发明方法能够在并不明显降低成像质量的前提下，大幅提高雷达工作效率。表1成像结果的峰值信噪比与均方误差目标1目标2目标3PSNR/dB43.8939.4440.81MSE2.6537.3915.235综上所述，本发明提出一种基于脉冲交错的成像雷达资源调度方法。该方法首先根据目标特征认知结果计算稀疏孔径ISAR成像所需的雷达资源，在此基础上，建立合理的脉冲交错驻留的资源调度模型，在时间与能量资源双重约束下对雷达资源进行合理分配，优化脉冲交错实现方法，并提出了平均交错度作为衡量雷达成像任务资源调度的性能指标，最后采用基于压缩感知的稀疏孔径ISAR成像方法对不同目标分别成像，在满足目标期望成像分辨率的前提下，显著提高雷达资源利用率。当前第1页1 2 3