基于多目标跟踪的分布式mimo雷达接收波束资源分配方法

文档序号:10592886阅读:1161来源:国知局
基于多目标跟踪的分布式mimo雷达接收波束资源分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达接收波束资源分配方法,涉及分置天线多输入多输出(MIMO)雷达领域。即发射端通过发射一个宽波束来覆盖整个区域,接收端采用窄波束接收目标回波来提高分辨率。对于空间上广泛分离的多个目标,由于窄波束工作模式的限制,每个波束在每个时刻只能跟踪一个目标。因此,每个接收波束必须决定自己跟踪的目标集合。这便形成一个资源优化问题,旨在合理分配接收波束资源,最大化系统的潜能。传统的解决方法在于均匀的分配固定的接收波束给每个目标,然而这种方式通常会导致系统资源的不充分利用。然而,在目标跟踪过程中反馈信息是可以获取的,进而可以被用来指导接收波束的分配。
【专利说明】
基于多目标跟踪的分布式MI MO雷达接收波束资源分配方法
技术领域
[0001] 本发明设及分置天线多输入多输出(MIMO)雷达领域,具体设及分置天线MIMO雷达 波束资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 据阵元布置的不同,MIMO雷达可大致分为两类。一类是共置天线MIMO雷达,其布阵 方式和传统的相控阵雷达类似,所有发射(或接收)天线是集中放置的,相对于目标所成的 角度几乎相同。共置天线MIMO雷达的主要特点是波形分集,因而波形设计是其关键。另一类 是分置天线MIMO雷达。顾名思义,分置天线MIMO雷达的天线是分布在空间不同位置的,它们 相对于目标所成的角度明显不同,可获得空间复用增益和几何增益。其中空间分集增益的 获得要求雷达天线的分隔足够大,使其观测到的目标回波相互独立。
[0003] 随着国内外学者对MIMO雷达关注度的提高,对于分置天线MIMO雷达的研究,涌现 了许多相关的文献。A.M.Haimovich和R.S.Blum等人在"MIM0 radar with widely sep曰r曰ted 曰ntenn曰s"(IEEE sign曰I processing m曰g曰zine,vol.25,no. I,pp.116-129, Sep. 2007.)对现阶段的研究与展望进行了综述,包括:目标检测与定位,相干与非相干性 能,最优克拉美罗界(邸LB)等等。然而,关于MIMO雷达波束的分配问题还未设及,尤其在固 定工作模式下对有限的接收波束进行分配,来提高目标的跟踪性能,因此,研究一种针对于 多目标跟踪的MIMO雷达接收波束资源分配方法具有重要的实际应用价值。

【发明内容】

[0004] 本发明所要解决的技术问题是,提供一种切实可行的,实时性好的,适用于多目标 跟踪的MIMO雷达接收波束资源分配方法。
[0005] 本发明基于"宽发窄收"的MIMO雷达工作模式,即发射端通过发射一个宽波束来覆 盖整个区域,接收端采用窄波束接收目标回波来提高分辨率。对于空间上广泛分离的多个 目标,由于窄波束工作模式的限制,每个波束在每个时刻只能跟踪一个目标。因此,每个接 收波束必须决定自己跟踪的目标集合。运便形成一个资源优化问题,旨在合理分配接收波 束资源,最大化系统的潜能。传统的解决方法在于均匀的分配固定的接收波束给每个目标, 然而运种方式通常会导致系统资源的不充分利用。然而,在目标跟踪过程中反馈信息是可 W获取的,进而可W被用来指导接收波束的分配。
[0006] 因此,本发明提出了基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达接收波束资源分配方法, 该方法具体包括:
[0007] 步骤1:发射端发射宽波束,接收端采用窄波束接收目标回波,初始化各个目标的 状态和克拉美罗界;
[000引步骤2:接收端接收目标回波信号建立波束分配矩阵化,
[0009]
[0010] 当第k时刻,第q个目标的回波信号被第n个接收端接收时,二元变量W已值为I,其 余情况为〇,N表示接收端的个数,Q表示目标的总个数;再根据回波信号及波束分配矩阵计 算出第k时刻的各目标的目标状态;
[0011] 步骤3:根据第k时刻的各目标的目标状态预巧化+1时刻各目标的目标状态;
[001 ^ 步骤4:写出根据k+1时刻各目标的目标状态和k+1时刻的波束分配矩阵Uw计算每 一个目标的克拉美罗界的公式;
[0013] 步骤5:计算满足宽波束发射,窄波束接收的模式约束下,最坏的目标对应的克拉 美罗界最小时波束分配矩阵化+1;即为下一时刻接收端的目标分配方式。
[0014] 进一步的,所冰巧骤2计貸各目标的目标献杰的方法为:
[0015] 通过公;
十算出各目标的最大似 然估计,其中表示k时刻第q个目标的位置估计值,通过网格捜索最大值,喊,,(f;)表示接收 端接收到的目标回波信号,-瑞,。)表示传输的信号,上标*表示共辆运算,瑞。表示传输 时延;
[0016] 将目标位置估计值视为量测值,代入跟踪系统方i
其中砖代 表目标q在k时刻的目标状态,F,H分别表示转移矩阵和观测矩阵,V,ri分别表示相应的噪声; 应用Q个并行卡尔曼滤波,得到k时刻Q个目标的目标状态;
[0017] 进一步的,所述步骤5中采用如下公式计算下一时刻接收端的目标分配方式:
[002。 其中皆巧)表示第k时亥Ij、波束分配矩阵为巧、目标状态为為时,目标q的克拉
[001 引 12 2 美罗界;F表示转移矩阵,R表示过程噪声协方差矩阵,E、{?}表示对化求期望运算,《1^马_;)表 示第n个接收站对应的克拉美罗界数据部分。
[0022] 本发明提供了一种基于多目标跟踪的分布式MIMO雷达接收波束资源分配方法。与 现有的均匀分配技术相比,本发明可W获得更低的跟踪误差。此外,本发明还提供了一种闭 环信号处理框架,即根据目标跟踪过程的反馈信息,实时调整每个时刻接收波束的分配方 式,保持系统工作在最优的状态。
【附图说明】
[0023] 图1为分布式MIMCT'宽发窄收"工作模式示意图;
[0024] 图2为目标运动和雷达天线的布局场景图;
[0025] 图3为不均与散射系数的分布图;
[0026] 图4是图2中当采用均匀散射系数分布时,波束资源分配的结果和性能比较图;
[0027] 图5是图2中当采用图3中的不均匀散射系数分布时,波束资源分配的结果和性能 比较图;
[0028] 图4中图4-1为采用均匀散射系数分布时,波束分配的平均结果,图4-2为相应的性 能改善图。
[0029] 图5中图5-1为采用图3中的不均匀散射系数分布时,波束分配的平均结果,图5-2 为相应的性能改善图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[003 U 步骤1
[0032] 假设M个正交传输信号,并且在一定时延和频移后仍然保持正交性,在k时刻,第mn 通道,经第q个目标发射的回波可W表示为
。 其中,时延可W表示为:
其中巧U和分别表示接收站和发射站到目标 的距离。多普勒频移表示为
其中,Am表 示信号波长,德和然分别表示接收站和发射站相对于目标的入射角,E表示传输总能量,M表 示发射站个数,城,。表示传输衰减,咕,。表示散射系数,如-瑞,。)表示传输的信号,瑞。表示 传输时延,的表不噪声。
[0033] 目标运动模型可W表示式
其中状态Xf表示为b:,乂,诗,诏7,F 表示转移矩阵,<_1表示零均值过程噪声,其协方差为R。
[0034] 在MIMO雷达下,所有接收站的目标回波信号悠 S电合々h埋*获得最大似然估计值, 并将其视为量测值来估计目标状态。因此量测模型为: .其中Z;!表示最大似然 估计值,H表示量测矩阵,馆表示量测噪声。
[0035] 步骤 2
[0036] 在"宽发窄收"的模式下,目标状态的最大似然估计可W表示为下式:
,似然函数最
常很难获得,往往要借助于网格捜索,然而四维的网格捜索计算量很大。为了降低计算量, 假设目标近似匀速运动,因此,不需要目标多普勒估计。忽略了目标多普勒频移后,网格捜 大值可W通J 阵得到散 射系数的估 。将其带 入上式可得: 式解通 索将变为二维捜索,可W表示呆
[0037] 步骤 3
[0038] 步骤2得到了目标量测值。将其带入跟踪系统方程,运用并行卡尔曼滤波既可得到 多个目标状态的估计值。
[0039] 3.1:对于目标q (q = 1,…,Q),预测k时刻状态

[0040] 3.2:计算预测协方差和增益矩阵
[0041 ] 3.3:更新目标状态和估计协方I
步骤4
[0042] 4.1:后验克拉美罗不等式可W表示为 其中:
,将上式分巧 其中(鸣)表示克拉美罗界先验部分,Jd (鸣,巧()表示克拉美罗界数据部分。
[0043]
[0044] 4.2:克拉美罗界先验部分可W表示为:
[0045]

[0046] 考虑到线性高斯的跟踪模型,上式可W化解为:
[0047]
[004引借助矩阵求逆引理,带入即可W到最终的克拉美罗界先验部分表达式:
[0049] 4.3:克拉美罗界数据部分可W表示为
,利 用链式法则,可轉
[00日0]
,其中Axinn和Afmn分别代表 第Hin列块矩阵
将^?^)中4个块矩阵分别进行二阶求导。最后化解并带入链式准则可得:
[0化1 ]
[0052]将Jp(祉)带入,求解最后FIM表达式:
[0化3]
[0化4] 步骤5

[0055]接收波束资源管理问题在于如何合理地分配波束资源,进而提高系统的性能。运 里我们主要侧重多目标的跟踪性能,因-对平么曰*志的服'腔惊县-巧们^化最坏的目标跟 踪克拉美罗界。所W优化目标函数为 9 = 1,…,咨。其 叫
。约束条件将由工作模式决定。首先,为了避免出现漏检,
须满足 其次,由于是窄波束接收模式,一个目标只能被一个波束 接收,目[ 综上所诉,接收波束资源优化问题可W表示为:
[0化6]
[0化7] 步骤6
[005引对二元约束进行线性松弛,得到松弛后的优化表达式,
[0化9]
[0060] 运用CVX工具包求解松弛后的表达式。由于松弛了原始整数优化问题,因此,上述 问题的解只是原问题解的一个下界。基于贪婪准则,我们在满足约束条件的基础上,选择松 弛解中较大的数,将其归一化到1,剩下的较小的数,就直接赋值0。运样便得到了原始问题 的次最优解。将获得的波束分配解传递给雷达系统,作为下一时刻系统探测的初始波束分 配。运样便形成了闭环信号处理流程。
[0061] 本发明的效果可W通过下列仿真实验加 W说明:
[0062] 仿真条件
[0063]本例中考虑一个5 X 9的分布式MIMO阵列,每个天线发射信号有效带宽设置为 IMHz,假设场景里有3个目标,每个目标航迹已经初始化。仿真场景假设30帖数据,帖间时间 间隔为1秒。图2展示了目标和雷达天线的分布图。目标的初始状态如下表 [0064]
[
[0066] 我们考虑两种情况下,波束分配的结果。第一种情况下,所有目标均匀散射,散射 系数一样。
[0067] 在第二种情况下,目标1散射系数较低,如图3所示。
[006引仿真结果
[0069]图4-1给出了在第一种情况下,波束分配的结果图,由于目标2远离于雷达网络,因 此为了防止性能的下降,在本发明中分配了更多的波束资源。在图4-2中表示采用本发明方 法,相对于现有的均匀分配方法,可W获得更低的跟踪误差,各自的误差曲线随着跟踪帖数 的增加,收敛于相应的克拉美罗界,证实了算法的有效性。图5-1表示相对于第一种情况,由 于目标1的散射系数变低了,因此,相对于情况一而言,本发明要求分配更多的波束资源。在 图5-2中,本发明在第二种情况下,同样相对于现有的均匀分配而言,获得了较低的跟踪误 差D
【主权项】
1. 基于多目标跟踪的分布式Μ頂0雷达接收波束资源分配方法,该方法具体包括: 步骤1:发射端发射宽波束,接收端采用窄波束接收目标回波,初始化各个目标的状态 和克拉美罗界; 步骤2:接收端接收目标回波信号建立波束分配矩阵Uk,当第k时刻,第q个目标的回波信号被第η个接收端接收时,二元变量<"值为1,其余情况 为〇,Ν表示接收端的个数,Q表示目标的总个数;再根据回波信号及波束分配矩阵计算出第k 时刻的各目标的目标状态; 步骤3:根据第k时刻的各目标的目标状态预测k+Ι时刻各目标的目标状态; 步骤4:写出根据k+Ι时刻各目标的目标状态和k+Ι时刻的波束分配矩阵Uk+1计算每一个 目标的克拉美罗界的公式; 步骤5:计算满足宽波束发射,窄波束接收的模式约束下,最坏的目标对应的克拉美罗 界最小时波束分配矩阵Uk+1;即为下一时刻接收端的目标分配方式。2. 如权利要求1所述的基于多目标跟踪的分布式ΜΙΜΟ雷达接收波束资源分配方法,其 特征在于所述步骤2计算各目标的目标状态的方法为: 通过公另汁算出各目标的最大似然估 计,其中W表示k时刻第q个目标的位置估计值,通过网格搜索最大值,;i⑴表示接收端接 收到的目标回波信号,& @ 表不传输的信号,上标*表不共辄运算,?表不传输时延; 将目标位置估计值视为量测值,代入跟踪系统方?,其中4代表目 标q在k时刻的目标状态,F,H分别表示转移矩阵和观测矩阵,v,ri分别表示相应的噪声;应用 Q个并行卡尔曼滤波,得到k时刻Q个目标的目标状态。3. 如权利要求1所述的基于多目标跟踪的分布式ΜΙΜΟ雷达接收波束资源分配方法,其 特征在于所述步骤5中采用如下公式计算下一时刻接收端的目标分配方式:其中表示第k时刻、波束分配矩阵为U丨、目标状态为却时,目标q的克拉美罗 界;F表示转移矩阵,R表示过程噪声协方差矩阵,{?}表示对Xk求期望运算,J^x丨;)表示第 η个接收站对应的克拉美罗界数据部分。
【文档编号】G01S13/00GK105954724SQ201610278351
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】易伟, 谢明池, 郭世盛, 李帅, 孔令讲
【申请人】电子科技大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1