基于同时多波束跟踪的任务调度方法研究

田 钢，凌 牧，汪 晋

(南京电子技术研究所, 南京 210039)

·数据处理·

基于同时多波束跟踪的任务调度方法研究

田 钢，凌 牧，汪 晋

(南京电子技术研究所, 南京 210039)

目前对雷达多波束技术的研究多基于如何实现发射多波束，对跟踪时的资源调度和能量管理策略研究较少，对多波束进行目标跟踪的使用条件，以及如何在多波束跟踪和雷达能量损失、时间消耗间平衡缺少必要的原则。文中对同时多波束的工作方式进行了分析，并建立了多波束跟踪的模型；同时，通过时间资源优化和回波能量感知两方面研究，提出了同时多波束跟踪的资源调度和能量管理准则，并设计了多波束跟踪时的自适应任务调度算法。

多波束跟踪；自适应任务调度；能量管理

0 引 言

传统相控阵雷达通过为执行的任务划分时间片，保障多功能、多任务的有序进行。随着雷达生存环境日趋恶劣，传统相控阵雷达在处理多功能、多任务方面已经趋于饱和，时间资源已成为制约相控阵雷达能力拓展的重要瓶颈。可以同时并发执行和处理任务的数字阵体制，成为现代雷达发展的必然趋势。

数字阵的发展为相控阵雷达发展带来了变革。随着数字波束形成的使用，发射宽波束，接收多波束已实现工程化应用，应用于雷达搜索、群跟踪等方面。这提升了扫描速度和数据率，一定程度上缓解了紧张的时间资源[1-2]。但相控阵雷达资源耗费最多的，通常是进行固定高数据率的跟踪工作方式。因此，在能量调度和资源管理上实现任意方向多波束跟踪意义更大。

为实现多波束同时跟踪，一方面需要了解目前相控阵雷达实现多发多收的方法，主要包括阵面分割、特殊构架[3]、阵面重构、机会阵[4]等形式。不管采用哪种方法，都面临阵面孔径损失带来的增益下降。传统跟踪方式均是根据雷达方程计算好各种参数，而使用多波束后，不同波束能量不再固定，雷达需要基于时变的回波能量测算结果进行动态分配，因此可以基于认知雷达的感知概念[5-6]，让雷达感知不同目标对所需能量资源的诉求，并在波束能量分配中进行体现，从而保证在同时多波束下目标的顺利检测和稳定跟踪。另一方面，多波束依然要耗费时间资源，需要针对各工作方式特点，设计合理的时序，达到总体时间资源最优的效果。

1 同时多波束跟踪工作方式分析

数字阵接收多波束可以形成多个接收通道，保证任意方向雷达共口径接收，实现了接收的最大收益。发射多波束则面临增益的损失，受到环境因素、目标特性、时间资源等限制，需要感知和综合多种因素去分配能量进行多波束的实时调度。

由于接收多波束要实现共口径接收，以保证雷达威力的最大化。这就决定了雷达实现多波束跟踪时，多波束的工作方式必须满足一定的时序要求，即具有同样的工作周期、发射周期、接收距离门宽度等，这也间接确定了发射多波束的使用条件也要满足这样的定时要求。雷达采用同时多波束跟踪目标的能量调度和资源管理的问题，也就转变为如何合并成同种工作方式跟踪目标的问题。

2 同时多波束跟踪原则

对普通目标进行跟踪，需要保证工作时序合理、目标可被探测。如果需要实现多波束同时跟踪，同样需满足一定条件，主要包括具备使用相同工作方式的时序、多波束后总时间资源降低、目标可被检测三个要求。

建立对目标跟踪时的基本要素模型，如表1所示。

表1 目标跟踪基本要素

2.1 合并概率增大原则

距离门是雷达可以接收目标并进行处理的距离段，记为X。距离门包括距离门起始Min和距离门结束Max，其中，X=Max-Min。假设目标在距离上的出现概率为均匀分布，则在总探测距离S上，目标出现在该距离门概率为X/S，即工作方式距离门越大，空域上目标可采用同一种工作方式合并跟踪的概率越大。因此，在设计接收距离门时，需保证大的接收范围，AD采样后，信号处理可通过再处理以目标为中心的小距离门数据，减少运算量。

假设当两个目标i和j具备合并跟踪条件时，距离门起始和结束应选择距离门起始和结束的最大值，保证新的时序不会关断正在发射的信号，同时实现最大接收距离门，如图1所示。两个不同的跟踪时序合并成同种时序过程，其中，图1a)对应目标i时序，图1b)对应目标j时序，图1c) 对应合并后时序，即新工作方式时序，从而确定基本周期。新的时序要求如下

max[Mini,Minj]

Min′

(1)

图1 时序合并过程

相控阵雷达通常用多个脉冲为一帧完成抗杂波干扰等功能。这一帧脉冲时间，称为帧周期(通常为等周期或不等周期的时间和，假设约等于T×N，T为基本周期，N为脉冲数)。为不影响原来帧周期时序的功能和性能，还应从时序脉冲数Ni和时序脉冲数Nj中，选定max[Ni,Nj]确定为当前新时序的脉冲数。

2.2 同时多任务时间减小原则

如果只按照“合并概率增大原则”，可能会使新的时序耗费更多的时间。只有当同时多目标跟踪比分时多目标跟踪耗时更少时，才能体现出同时多波束的优点。

假设任务1基本周期为T1，脉冲数为N1，任务2基本周期为T2，脉冲数为N2，为保证合并跟踪后时间减小，应保证

max(T1,T2)·max(N1,N2)

(2)

通过分析推导可知：

1) 当T1≥T2，N1≥N2或者T1≤T2，N1≤N2时，式(2)恒成立。

基本周期相近的任务更容易满足同时多波束跟踪的时间条件。

3) 同理可得出当T1N2时的情况。

2.3 目标可被探测原则

目标可被探测需要回波强度满足目标检测条件，多波束跟踪分散了阵面发射的能量资源，表现为目标分散了阵面的功率孔径得益。因此，需根据不同目标回波强度解算对发射能量资源的需求，实现对阵面功率、孔径资源分配。

设满功率孔径时跟踪目标信噪比为Si，实际保持跟踪所需信噪比为Smin，根据雷达方程，在其他保持不变的情况下，相对于全阵功率孔径，跟踪目标实际需要阵面的发射能量资源为Wi。

Wi= Smini/Si×全阵面功率孔径能量⟹

(3)

假设整个雷达阵面功率孔径为1，共维持m个目标的稳定跟踪，第i个目标占功率孔径资源比例为Ei，则

(4)

2.4 多波束跟踪的任务模型

完成多波束跟踪使用条件分析后，建立对多目标跟踪条件判断参数的模型。

任务：包括跟踪任务距离门起始Min、距离门结束Max、目标位置Sd、所需能量资源E、基本周期T、所需脉冲数N、目标是否已采用多波束跟踪标识flag。假设两个跟踪任务：跟踪任务i(Mini,Maxi,Sdi,Ei,Ti,Ni,flagi)和跟踪任务j(Minj,Maxj,Sdj,Ej,Tj,Nj,flagj)。

flagi=0，fiagj=0代表该任务尚未进行多波束跟踪，flagj=i，代表任务j已采用任务i的周期和时序进行多波束跟踪。

在flagi=0或者fiagj=0条件下，若满足多波束条件

(5)

则认为两个任务内目标可采用同一种工作方式进行多波束跟踪。

3 多波束跟踪任务流程编排

雷达的任务调度按照周期排列，通过上一周期进行任务编排，在下一周期完成时序产生和执行。因此，基于多波束跟踪任务的编排，需要在当前周期任务执行结束，且目标信噪比、周期等要素更新后，下一周期任务执行前完成。

其执行流程可按照如下步骤执行：

(1) 将下一周期需执行的跟踪任务(假设共M个)按照基本周期从长到短排序，将要素中标志flag均置为0；

(2) 从第一个任务开始依次与后续任务按照式(5)的“多波束条件”进行多波束可能性判断，完成遍历。对满足“多波束条件”的任务，采用多波束跟踪并更新多波束任务的状态：包括使用能量资源E和对标志位flag标记；

(3) 从第二个任务开始按照步骤(2)流程，与后续任务进行多波束可能性判断，完成遍历。其中，遇到标记为已完成多波束编排的任务，不再进行“多波束条件”判断，直接跳到下一任务；

(4) 按照步骤(3)依次遍历后续M-2个任务，完成判断，最终输出结果。

步骤(2)～步骤(4)的执行流程如图2所示。

图2 多波束跟踪时序图

4 结束语

本文从雷达实现多波束跟踪的角度出发，基于回波能量感知和时间资源优化两方面，开展了同时多波束跟踪时能量和时间资源调度的方法研究，并给出了实现准则和多波束跟踪工作方式的算法。本文只讨论了在帧间波束捷变实现多波束情况，如果雷达拥有足够的运算性能，能实现脉冲间波束指向捷变，会进一步降低雷达资源消耗，提高雷达应对饱和任务的能力。不管是帧间多波束还是脉间多波束，都可以根据文中的约束条件完成同时多目标跟踪的自适应管理和调度。

[1] 张光义．多波束技术在相控阵雷达中的应用[J]．现代雷达，2007，29(8)：1-6. ZHANG Guangyi．Application of multi-beam formation technologies in phased array radar[J]．Modern Radar，2007，29(8): 1-6.

[2] 张光义，赵玉洁．相控阵雷达技术[M]．北京：电子工业出版社，2006. ZHANG Guangyi，ZHAO Yujie．Phased array radar technology[M]．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

[3] LABORATORY N R．Simultaneous transmission of multiple signals through a shared array aperture[J]．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2005，41(4)：1458-1464.

[4] 龙伟军．机会阵雷达关键技术研究[D]．南京：南京航空航天大学，2010. LONG Weijun．Research on the key techniques of opportunistic array radar[D]．Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.

[5] 沈 妮，肖 龙，谢 伟，等．认知技术在电子战装备中的发展分析[J]．电子信息对抗技术，2011，26(6)：22-26. SHEN Ni，XIAO Long，XIE Wei，et al．Development of cognitive electronic warfare system[J]．Electronic Information Warfare Technology，2011，26(6)：22-26.

[6] 张 珂，张 璇，金家才．认知电子战初探[J]．航天电子对抗，2013，29(1)：53-56. ZHANG Ke，ZHANG Xuan，JIN Jiacai．Preliminary exploration of cognitive electronic warfare[J]．Aerospace Electronic Warfare，2013，29(1)：53-56.

田 钢 男，1983年生，硕士。研究方向为雷达系统设计、数据处理等。

凌 牧 男，1985年生，硕士。研究方向为雷达系统设计、信号处理等。

汪 晋 男，1985年生，硕士。研究方向为数据处理等。

A Study on the Adaptive Task Scheduling Based on Simultaneous Multi-beam Tracking

TIAN Gang，LING Mu，WANG Jin

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

At present, most of the researches on radar multi-beam technology are based on how to transmit multi-beam, and there are few researches on the adaptive strategy about the multi-beam's resource scheduling and energy management. Necessary criteria is lacking on the application conditions for multi-beam to track different targets, and how to balance the multi-beam tracking with energy loss and time consumption. In this paper, the working mode for simultaneous multi-beam tracking is analyzed and the multi-beam tracking model is established. With the help of the research on echo energy awareness and time resource optimization, the guidelines of resource scheduling and energy management for the multi-beam tracking are proposed, and the task algorithm of the multi-beam tracking is arranged for radar.

multi-beam tracking; adaptive task scheduling; energy management

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.011

田钢 Email：wowtg2005@163.com

2015-11-02

2016-01-12

TN911.7

A

1004-7859(2016)04-0046-04