基于MIMO的认知雷达多目标跟踪时间能量资源管理方法研究

2020-05-08史小斌高青松

火控雷达技术 2020年1期

孟宁史小斌高青松连豪

(西安电子工程研究所西安 710100)

0 引言

认知雷达的概念最早是由加拿大McMaster大学Simon Haykin教授于2006年提出，其组成框图如图1所示。认知雷达具备对环境(地理环境和干扰环境)和目标信息在线感知、分析、记忆能力，结合三维数字地形、地表分类信息、地面路网信息等先验知识，在雷达发射端可以实时优化雷达工作方式和发射波形，从而达到和目标及环境的最佳匹配，在雷达接收端充分利用先验信息获得更好的杂波干扰抑制和目标检测性能。不难得到，认知雷达需要具备的要素有：一是感知环境的能力；二是存储器和知识数据库；三是在线学习和知识运用的能力；四是从接收机到发射机的闭环反馈[1-4]。

从图1可以看出，认知雷达和传统雷达的主要不同之处在于传统雷达在发射端没有利用雷达接收到的信息，因此它的发射波形不会发生改变；而在认知雷达中存在闭环反馈结构，雷达接收机接收到的信息会作用于发射机不断调整发射波形，使得雷达的发射信号和环境信息实现最佳匹配。

图1 认知雷达闭环反馈结构框图

时间能量资源管理是认知雷达设计过程中的重要一环，调度准则对雷达系统性能发挥起到关键和决定作用。在同一环境下进行工作，采用不同的时间能量调度策略，雷达系统的性能差异会很大。认知雷达需要具备能够根据作战任务、先验信息、环境感知结果，在测量获取距离、速度、加速度、目标类型等参数的基础上，充分利用先验信息，跟踪过程进行自适应参数(波形、脉冲重复频率、积累点数等)调度和优化。

认知雷达中，能量资源和时间资源高度耦合，且具有很强的非线性关系，对其进行优化配置具有很大难度。实现实时的时间能量资源管理技术是需要研究的另一项关键技术。

1 基于MIMO的认知雷达多目标跟踪分析

多目标跟踪一直是军事领域研究中的一个重要课题，同时也是目前的难点问题。认知雷达采用MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术，通过多波束工作模式，可以对多个目标进行实时跟踪。MIMO技术能够实现同时发射多个信号波形。在理想情况下，要求这些波形之间不能够互相影响，但是在实际中这些雷达波形互不产生影响几乎不可能。尽量使得雷达信号之间接近于相互正交，不仅强调雷达信号之间互相关要很弱，而且还隐含了雷达信号自身拥有很低的自相关旁瓣。

在实际工程应用中，MIMO技术雷达要求设计人员考虑下面因素：

1)每个时刻，雷达最多可以产生的波束个数有限。由于受到MIMO技术雷达发射阵元数目N的约束(即自由度约束)，每个时刻雷达最多能够同时产生出M(M≤N)个正交的雷达波束。

2)雷达的多个波束发射功率之和有限[5-6]。在理论上，雷达每个波束的发射功率越大，雷达对每个目标的跟踪效果越好。

随着雷达波束脉冲宽度的逐渐增加，系统的发射总功率会慢慢增大。为了确保某一时刻雷达系统的发射总功率不会超过硬件的最大承受范围，要求约束多波束的总发射功率。传统的多波束工作模式均未利用跟踪器提供的反馈信息，这样就没有充分利用雷达系统有限的资源。在雷达工作时，通常将发射波束的脉冲宽度设定成一个常数。该方法比较简单，且工程上易于实现，但却不能获得最优的多目标跟踪性能[7]。

认知技术能够根据目标和环境的特点自适应地选择雷达发射机配置，并可以利用各种先验信息如目标和雷达距离、雷达截面积等，来提高对目标的跟踪性能。因此，考虑利用认知技术来提升MIMO雷达有限资源的利用效率，根据系统反馈的目标信息设置下一时刻波束的脉冲宽度、数目、等参数，如图2所示。

2 基于MIMO的认知雷达跟踪时间资源管理方法研究

不同任务对雷达系统的时间资源需求不同，同一任务在不同的环境中所消耗的时间能量资源也不同，传统的资源管理仅针对雷达系统自身的资源进行优化，没有利用环境和目标信息，认知雷达需要控制资源管理器，突破传统的资源调度方式，尽可能地利用环境和目标实时动态信息，将环境、目标与雷达构成动态系统，对资源分配的结果进行实时评估，形成基于认知的闭环调度算法[8-9]。

基于认知的自适应资源调度管理策略，根据环境信息库提供的实时动态信息(威胁等级、目标类型、截面积、目标位置、电磁干扰情况、杂波等)和外部指令，自适应地控制雷达系统的波束形状、工作频率、驻留时间、波束指向、工作波形和信号处理方式等，以达到空域、时域、频域和能量的最优利用。

图2 基于MIMO的认知雷达资源管理框图

以雷达在扫描加跟踪(Track and Search, TAS)体制下工作，根据搜索获取的目标距离信息，按照精细化的设计方式，将0.35倍、0.5倍、0.7倍、0.86倍到1倍最大威力的距离区间内的目标进行划分，如图3所示。针对不同距离区间范围内的目标采用不同的时间能量资源管理策略，实现认知雷达性能优化的目的。在认知雷达近距离范围内采用均分脉冲宽度的策略，主要有将脉冲宽度4等分(见图4)、2等分等分配方式，形成多个正交波束，同时照射不同跟踪目标，充分利用雷达能量优势，可以降低目标的跟踪时间，节省认知雷达的时间资源开支。