[發(fā)明專利]一種實(shí)時(shí)的同時(shí)多波束CMIMO雷達(dá)組網(wǎng)資源管理算法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210466614.3
• 申請(qǐng)日: 2022-04-27
• 公開（公告）號(hào): CN114779232B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程婷;侯子林;李中柱;王元卿;恒思宇;付小川
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/72
• 分類號(hào): G01S13/72;G06F17/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種實(shí)時(shí)的同時(shí)多波束CMIMO雷達(dá)組網(wǎng)資源管理算法，具體步驟如下：

考慮CMIMO雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)Q個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，網(wǎng)絡(luò)中共存在N部CMIMO雷達(dá)，將其順序編為n＝1,…,N，第n部雷達(dá)的陣元個(gè)數(shù)為m_n,n＝1,…,N，子陣劃分可選集合為發(fā)射能量可選范圍為假設(shè)在k時(shí)刻，Q個(gè)目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果為目標(biāo)的貝葉斯信息矩陣為{J₁(t_k,1),…,J_q(t_k,q),,…,J_Q(t_k,Q)}，則算法的步驟為：

步驟1：雷達(dá)需要執(zhí)行跟蹤任務(wù)的目標(biāo)信息集合初始化為

其中，表示雷達(dá)n需要執(zhí)行目標(biāo)跟蹤任務(wù)的目標(biāo)集合；Φ表示空集

雷達(dá)子陣劃分參數(shù)向量K(t_k+1)中的元素初始化為

雷達(dá)發(fā)射能量參數(shù)向量E(t_k+1)初始化為

雷達(dá)波束分配參數(shù)矩陣D(t_k+1)初始化為

其中，0表示零向量；d_n(t_k+1)表示雷達(dá)n指向各個(gè)目標(biāo)的波束數(shù)量，滿足

d_n(t_k+1)＝[d_1,n(t_k+1)…d_q,n(t_k+1)…d_Q,n(t_k+1)]^T?????????(5)

其中，表示雷達(dá)n指向目標(biāo)q的正交波束數(shù)量，滿足

目標(biāo)與雷達(dá)的探測(cè)關(guān)系矩陣U(t_k+1)初始化

其中，u_n(t_k+1)表示雷達(dá)n是否探測(cè)各個(gè)目標(biāo)，滿足

u_n(t_k+1)＝[u_1,n(t_k+1)…u_q,n(t_k+1)…u_Q,n(t_k+1)]^T?????????(8)

其中，u_q,n(t_k+1)表示雷達(dá)n是否探測(cè)目標(biāo)q，滿足

步驟2：目標(biāo)的預(yù)測(cè)狀態(tài)為

其中，F(xiàn)^q為目標(biāo)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

目標(biāo)的預(yù)測(cè)信息矩陣為

J_q(t_k+1|k)＝(F_qJ_q(t_k,q)(F_q)^T+Q_q)^-1???????????????????????(11)

步驟3：根據(jù)目標(biāo)的預(yù)測(cè)信息矩陣計(jì)算目標(biāo)的預(yù)測(cè)跟蹤精度，并計(jì)算其與目標(biāo)的跟蹤精度之間的差值

其中，Λ表示一個(gè)信息提取矩陣，滿足

步驟4：定義每個(gè)目標(biāo)的預(yù)測(cè)跟蹤精度差值為目標(biāo)的預(yù)測(cè)跟蹤精度與期望值之間的差值，計(jì)算該結(jié)果并降序排列

其中，表示預(yù)測(cè)目標(biāo)跟蹤精度排在第q位的目標(biāo)的序號(hào)；

初始化并轉(zhuǎn)到步驟5；

步驟5：如果q≤Q且目標(biāo)的預(yù)測(cè)跟蹤精度差值轉(zhuǎn)到步驟6；如果q≤Q且令q＝q+1轉(zhuǎn)到步驟5；否則輸出子陣劃分K(t_k+1)、發(fā)射能量E(t_k+1)、波束分配D(t_k+1)、狀態(tài)更新關(guān)系U(t_k+1)；

步驟6：建立假設(shè)分配集合存儲(chǔ)所有可能的假設(shè)分配情況的雷達(dá)標(biāo)號(hào)以及控制參數(shù)，令n^*＝1，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟7：如果n^*＞N轉(zhuǎn)到步驟10，否則如果雷達(dá)n^*的任務(wù)集合轉(zhuǎn)到步驟8，如果雷達(dá)n^*的任務(wù)集合轉(zhuǎn)到步驟9；

步驟8：該雷達(dá)子陣劃分假設(shè)設(shè)置為波束分配向量中的元素假設(shè)設(shè)置為

此時(shí)，根據(jù)公式(17)計(jì)算出雷達(dá)需要提供的信噪比

其中，表示目標(biāo)的期望跟蹤精度；表示目標(biāo)跟蹤精度達(dá)到期望值所需要的信噪比；β_i表示矩陣的第i個(gè)對(duì)角元素；π_i表示矩陣Π的第i個(gè)對(duì)角元素，其中，矩陣W與矩陣Π滿足特征值分解過程

表示目標(biāo)q^*現(xiàn)有的預(yù)測(cè)條件信息矩陣

表示雷達(dá)n^*為目標(biāo)q^*提供的量測(cè)信息矩陣除去量測(cè)信噪比的部分

其中，表示目標(biāo)的量測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣，當(dāng)雷達(dá)獲得的目標(biāo)量測(cè)為目標(biāo)的距離與方位角時(shí)滿足

表示量測(cè)函數(shù)對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)的雅可比矩陣在目標(biāo)的預(yù)測(cè)狀態(tài)處的展開結(jié)果，滿足

其中，分別表示雷達(dá)n的距離分辨率、接收波束寬度；分別表示目標(biāo)q^*狀態(tài)的一步預(yù)測(cè)結(jié)果在雷達(dá)n的笛卡爾坐標(biāo)系下的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)；

同時(shí)根據(jù)公式計(jì)算出目標(biāo)成功檢測(cè)所需要的信噪比

其中，表示檢測(cè)概率門限；P_f表示虛警概率；

根據(jù)公式

分別計(jì)算目標(biāo)檢測(cè)信噪比跟蹤信噪比對(duì)應(yīng)的檢測(cè)能量跟蹤能量其中，表示雷達(dá)n^*的陣元個(gè)數(shù)；表示或表示雷達(dá)n^*的有效天線面積占比；表示目標(biāo)q^*對(duì)于雷達(dá)n^*的預(yù)測(cè)橫截面積；表示雷達(dá)的工作波長(zhǎng)；表示雷達(dá)n^*與目標(biāo)q^*之間的預(yù)測(cè)距離；K₀表示玻爾茲曼常數(shù)；T₀表示噪聲溫度；表示雷達(dá)n^*接收機(jī)工作帶寬；

如果檢測(cè)需求能量超過雷達(dá)能夠提供的發(fā)射能量最大值時(shí)，該雷達(dá)無法為目標(biāo)的狀態(tài)更新提供量測(cè)，令n^*＝n^*+1并轉(zhuǎn)到步驟7；否則將雷達(dá)的發(fā)射能量假設(shè)設(shè)置為

記錄下假設(shè)子陣劃分、發(fā)射能量、波束分配假設(shè)分配結(jié)果，將目標(biāo)的量測(cè)信息、所需雷達(dá)發(fā)射能量對(duì)應(yīng)的信噪比存儲(chǔ)到跟蹤任務(wù)目標(biāo)集合中，將雷達(dá)記錄到假設(shè)分配集合中，同時(shí)令n^*＝n^*+1并轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟9：如果雷達(dá)n^*的跟蹤任務(wù)集合中包含目標(biāo)q^*，令n^*＝n^*+1轉(zhuǎn)到步驟7；否則雷達(dá)n^*新的假設(shè)子陣劃分個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的同時(shí)波束數(shù)量應(yīng)當(dāng)至少覆蓋跟蹤任務(wù)目標(biāo)集合中的目標(biāo)以及目標(biāo)q^*，即

其中，表示跟蹤任務(wù)目標(biāo)集合中的目標(biāo)個(gè)數(shù)；表示向上取整；

新的假設(shè)波束分配中的元素應(yīng)當(dāng)確定為

此時(shí)，跟蹤任務(wù)目標(biāo)集合中的目標(biāo)以及目標(biāo)q^*使用雷達(dá)n^*的個(gè)波束分別照射，每個(gè)波束的寬度可以計(jì)算為

同樣按照公式計(jì)算目標(biāo)q^*所需要的跟蹤信噪比、檢測(cè)信噪比、跟蹤能量、檢測(cè)能量

同時(shí)計(jì)算在新的波束分配情況下目標(biāo)跟蹤集合中的每個(gè)目標(biāo)在當(dāng)前的假設(shè)子陣劃分個(gè)數(shù)以及只分配一個(gè)波束的情況下所需要雷達(dá)n^*提供的發(fā)射能量

其中，表示在前一次分配中雷達(dá)n^*的發(fā)射能量、子陣劃分個(gè)數(shù)、指向目標(biāo)i的波束個(gè)數(shù)；表示在當(dāng)前分配中為了更新目標(biāo)q^*雷達(dá)n^*為了保證原集合中的目標(biāo)i的更新需要提供的發(fā)射能量；

此時(shí)，會(huì)存在兩種剩余波束資源

其中，第一部分是子陣劃分個(gè)數(shù)的倍數(shù)特性導(dǎo)致額外的波束資源，數(shù)量為

第二部分是由于正交波束的寬度引起的單波束同時(shí)探測(cè)引起的，首先將其初始化為將目標(biāo)跟蹤任務(wù)集合中的目標(biāo)與目標(biāo)q^*的預(yù)測(cè)方位角信息按照順序排列

依次將較小的預(yù)測(cè)方位角稱為主方位角，從主方位角的下一個(gè)預(yù)測(cè)方位角開始向較大的預(yù)測(cè)方位角循環(huán)尋找，直到尋找到主方位角本身，如果兩個(gè)預(yù)測(cè)方位角之間的夾角不超過雷達(dá)的正交波束寬度

則兩個(gè)目標(biāo)可以視為一個(gè)復(fù)合目標(biāo)，繼續(xù)判斷下一個(gè)預(yù)測(cè)方位角；如果兩個(gè)預(yù)測(cè)方位角之間的夾角超過雷達(dá)的正交波束寬度，則兩個(gè)目標(biāo)不可以視為一個(gè)復(fù)合目標(biāo)，需要進(jìn)行下一個(gè)主方位角的復(fù)合目標(biāo)尋找，其中θ^main表示主方位角的預(yù)測(cè)方位角信息；θ表示判定方位角的預(yù)測(cè)方位角信息；

計(jì)算復(fù)合目標(biāo)的形成節(jié)約的波束數(shù)量

其中，表示復(fù)合目標(biāo)的個(gè)數(shù)；表示單目標(biāo)的個(gè)數(shù)；

選擇所需發(fā)射能量最大的目標(biāo)為這個(gè)目標(biāo)以及與這個(gè)目標(biāo)處于同一波束覆蓋下的目標(biāo)增加一個(gè)子陣波束，減少所需的發(fā)射能量，直到節(jié)約的波束數(shù)量全部使用完畢

其中，表示與目標(biāo)q^max處于同一波束覆蓋下的目標(biāo)；

此時(shí)，如果原集合中的目標(biāo)所需的雷達(dá)發(fā)射能量的最大值e^max超過雷達(dá)能夠提供的最大發(fā)射能量，令n^*＝n^*+1轉(zhuǎn)到步驟7；否則如果q^*的檢測(cè)需求能量不超過雷達(dá)能夠提供的發(fā)射能量最大值，則雷達(dá)的發(fā)射能量假設(shè)設(shè)置為

記錄下子陣劃分、發(fā)射能量、波束分配假設(shè)分配結(jié)果，將目標(biāo)的量測(cè)信息、所需雷達(dá)發(fā)射能量對(duì)應(yīng)的信噪比存儲(chǔ)到跟蹤任務(wù)目標(biāo)集合中，將雷達(dá)n^*及其假設(shè)控制參數(shù)記錄到假設(shè)分配集合中，令n^*＝n^*+1轉(zhuǎn)到步驟7；

如果q^*的檢測(cè)需求能量超過雷達(dá)能夠提供的發(fā)射能量最大值，則雷達(dá)的發(fā)射能量假設(shè)設(shè)置為

同時(shí)令n^*＝n^*+1轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟10：計(jì)算集合中每部雷達(dá)提供資源消耗量的增加值

其中，表示目標(biāo)q^*選擇雷達(dá)n時(shí)雷達(dá)n需要提供的發(fā)射能量；表示目標(biāo)q^*未選擇雷達(dá)n時(shí)雷達(dá)n需要提供的發(fā)射能量；

利用集合中每部雷達(dá)的假設(shè)控制參數(shù)計(jì)算目標(biāo)q^*假設(shè)使用集合中每部雷達(dá)更新后的獲得的跟蹤精度

其中，表示目標(biāo)q^*假設(shè)使用雷達(dá)n更新后的獲得的信息矩陣

步驟11：從目標(biāo)跟蹤精度達(dá)到期望值的情況中選擇資源消耗量增加值最小的CMIMO雷達(dá)n^optimal

若不存在目標(biāo)跟蹤精度達(dá)到期望值的情況，選擇目標(biāo)跟蹤精度最佳的CMIMO雷達(dá)n^optimal

更新選中雷達(dá)的子陣劃分、發(fā)射能量、波束分配、狀態(tài)更新關(guān)系等參數(shù)，同時(shí)更新目標(biāo)的信息矩陣

其中，表示在當(dāng)前分配下雷達(dá)n^optimal提供的量測(cè)信噪比，滿足

將目標(biāo)q^*的預(yù)測(cè)距離與方位角信息、所需發(fā)射能量信息存儲(chǔ)到雷達(dá)n^optimal的目標(biāo)跟蹤任務(wù)集合中并計(jì)算目標(biāo)的跟蹤精度

如果目標(biāo)的跟蹤精度達(dá)到期望值，則令q＝q+1并轉(zhuǎn)到步驟5，否則轉(zhuǎn)到步驟6。