一種基于脈沖交錯的數字陣列雷達任務優化調度方法與流程
本發明涉及信息處理技術與優化調度策略，具體涉及一種基于脈沖交錯的數字陣列雷達任務的優化調度方法。
背景技術：
隨著雷達數字化程度的提高，數字陣列雷達作為一種新體制雷達，得到了雷達行業的廣泛重視和研究。相比于傳統的模擬相控陣雷達，數字陣列雷達除了具有探測精確度高、探測復雜目標能力強，抗干擾能力強等優勢外，還具有信號處理方式靈活的特點，能夠同時對多個空域進行搜索、對多個目標進行跟蹤和成像，因此可以很大程度地節省雷達時間資源。
合理、靈活、高效的調度策略是其能否發揮其優勢的關鍵所在。常見的調度方法主要可分為兩大類：模板法和自適應調度方法。其中自適應調度方法能夠根據工作環境和任務需求靈活地調整資源調度策略，是最有效但也最為復雜的調度方法。
脈沖交錯理論的提出為進一步提升系統的資源利用率提供了新的途徑，其基本思想是可利用發收脈沖間的等待期交錯調度其他任務。從脈沖角度出發，進一步提高雷達資源的利用率。
現有的基于脈沖交錯技術的調度方法，雖然利用了脈沖等待期的時間資源，但只考慮如何實現多目標搜索和跟蹤性能的最優化，而沒有考慮實際調度過程中不同類型任務在時間上的順序關系，比如將搜索到的任務加入跟蹤任務列表，并對進入某些跟蹤任務成像等。同時，大多策略都沒有考慮成像要求對 調度方法的影響。
在壓縮感知理論框架下，對目標的連續觀測成像可以轉化為隨機稀疏觀測成像，并在稀疏孔徑條件下獲得高質量的目標ISAR像，這為將成像任務需求納入相控陣雷達資源調度模型提供了有效的技術支撐。利用基于壓縮感知的稀疏孔徑認知ISAR成像方法對部分精密跟蹤目標成像，并采用觀測時間動態調整策略以提高雷達系統的自適應能力。同時，還能充分考慮了對相同目標進行不同任務類型調度的順序關系，以及成像任務的分辨率需求。與傳統雷達資源調度方法相比，該方法能有效實現多任務并行的調度，獲得更高的資源利用率與期望的成像質量。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服上述現有技術中的不足之處，提出一種基于脈沖交錯的數字陣列雷達任務優化調度方法，包括下列步驟：
第一步：分別建立搜索，跟蹤與成像任務的任務模型。
所述搜索與跟蹤任務模型如下：
T＝{et,st,tx,tw,tr,ω,M,pri,Pt,P} (1)
其中，et為任務的期望調度起始時刻；st為任務的實際調度起始時刻；tx,tw,tr分別為任務駐留脈沖的發射期，等待期和接收期；ω為任務的時間窗；M為脈沖重復個數；pri為脈沖重復周期；Pt為脈沖發射功率；P為任務優先級；
對于跟蹤任務，若第i個目標到雷達的距離為則第i個任務駐留的等待期長度可以通過目標的預測位置信息計算得出：
對于搜索任務，在沒有目標的先驗信息的情況下，一般無法獲得回波返回接收機的時間；為了保證在搜索脈沖發射后能夠有效接收到雷達回波信號，一旦發射期結束，天線系統就必須處于接收狀態直到最大可駐留等待時間。
所述成像任務模型如下：
T＝{et,st,tx,tw,tr,ω,M,pri,Pt,P} (3)
其中，et為成像任務的期望調度起始時刻，取決于精密跟蹤任務進入穩定跟蹤階段的時刻；M表示任務的方位向觀測維度，即稀疏孔徑ISAR成像的脈沖個數，其本質與搜索和跟蹤任務中的脈沖重復個數相同，因此用相同符號來表示；ω為成像任務的時間窗，與精密跟蹤任務的跟蹤時間有關；其余參數與式(1)中定義相同；
由于目標的距離向尺寸會影響雷達回波的到達時間，為了保證成像質量，需要對接收脈沖進行適當拓寬；若第i個目標到雷達的距離為距離向尺寸為則第i個成像任務的實際接收脈沖的寬度應設為：
第二步：設計合理有效的雷達任務優先級。
所述優先級定義如下：
將跟蹤分為精密跟蹤與普通跟蹤，則將第i個精密跟蹤任務和普通跟蹤任務的優先級分別定義為：
其中，a1,a2,a3為調整系數(a1,a2,a3≥0,a1+a2+a3＝1)，代表不同目標信息對優先級的影響程度。顯然，精密跟蹤任務的優先級范圍在2～3之間，普通跟蹤任務的優先級范圍在1～2之間；
將搜索任務分為高優先級搜索(優先級為3)與低優先級搜索(優先級為0)；假設搜索到新的目標后僅發射一個驗證波束進行確認，隨后將其加入現有跟蹤任務鏈表中，對其進行特征認知并計算跟蹤優先級，并在下一個調度間隔內安排調度；
當某個精密跟蹤任務進入穩定跟蹤階段后(設雷達發射li個波束對其進行跟蹤照射后進入穩定跟蹤階段)，在下一個調度間隔內對其采用邊跟蹤邊成像策略；若在一個調度間隔內存在多個進入穩定跟蹤階段的跟蹤任務，在下一個調度間隔內按跟蹤優先級對其依次成像；將進入穩定跟蹤階段的第Mi個成像任務的優先級定義為：
成像任務的優先級范圍在0～1之間，由于對某個成像任務的調度通常要經過若干個調度間隔，為了保證成像過程中雷達發射的脈沖不被浪費，對不同成像任務采用優先級動態調整策略，即若第k個調度間隔執行了第i個成像任務，則在對第i個調度間隔進行資源分配時，將第i個成像任務的優先級適當提高：
Pi,k+1＝Pi,k+ΔP (8)
其中ΔP為優先級增長步進值；
為了更好的利用數字陣列雷達的時間資源對盡可能多的精密跟蹤目標進 行成像，對不同成像目標的成像積累時間進行自適應調整策略；
對于相鄰重構像A和B，它們之間的互信息量I(A,B)表示為：
其中，pi,pj是A和B的灰度概率分布，pij是聯合灰度概率分布，I(A,B)值越大，表明兩重構像的相似性程度越高；選擇適當的閾值Tα，當相鄰兩個調度間隔結束后獲得的目標ISAR像的互信息量小于此閾值時，下一個調度間隔繼續對該成像任務進行調度分析，反之則認為目標成像質量達到期望標準，該成像任務執行完畢。
第三步：在滿足資源約束的前提下，對各個雷達成像任務進行調度；判斷成像任務是否滿足期望成像質量并確定在下一調度間隔執行的雷達任務。
所述對各個雷達成像任務進行調度步驟如下：
建立基于脈沖交錯的數字陣列雷達資源優化調度模型：
其中，N'和N分別為調度成功的任務總數和搜索任務數；q1,q2,q3,q4為目 標函數的調整系數，表示不同的性能指標對調度方法的影響程度；第一個約束條件給出各個任務實際執行時刻的范圍；第二個約束條件表明被調度執行的任務駐留發射脈沖間不會發生沖突，即雷達任務駐留脈沖的發射期是不可搶占的；第三個約束條件表明搜索任務駐留不能進行脈沖交錯；第四個約束條件表明在不與發射脈沖產生沖突的前提下，被調度執行的任務駐留接收脈沖間可以在時間上重疊；第五個約束條件表示任務調度需滿足的能量約束條件；
第1步：取本調度間隔[t0,te]內申請調度的N個雷達任務，將任務中最晚調度起始時刻小于t0的K個任務加入刪除鏈表，將系統時間作離散化處理，每個時間槽長度為Δt，時間槽個數為引入時間指針tp＝t0，初始化時間槽向量U＝{u1,u2,…uD}＝0以及能量狀態向量E；
第2步：將剩余N-K個任務按式(5)～(7)計算得到的優先級從高到低排列加入申請鏈表(優先級相同的任務按照期望執行時刻先后排列)，令i＝1；
第3步：判斷第i個任務能否在tp時刻執行，若調度執行該任務滿足式(10)中所示的時間與能量約束條件，則將其送入執行鏈表并從申請列表中刪除；按照以下方式更新時間槽向量U和時間指針tp：
(1)若為搜索任務：
tp＝sti+txi+twi+tri (12)
(2)若為跟蹤任務：
tp＝sti+txi (14)
(3)若為成像任務：
tp＝sti+txi (16)
更新能量狀態向量E＝E+ΔE(ΔE為執行該時間引起的系統能耗變化量)，令i＝i+1，返回第3步；若調度失敗，在時間窗內調整任務的實際執行時刻，令tp＝tp+Δtp(n為最小指針滑動步長)；
第4步：若tp＜sti+ωi，返回第3步，否則認為該任務無法被調度并將其加入刪除鏈表，令i＝i+1；
第5步：若i≤N-K，返回第3步，否則轉第6步；
第6步：本調度間隔調度分析結束；利用到本調度間隔為止的之前所有觀測子脈沖對調度成功的成像任務進行ISAR成像，判斷是否在下一個調度間隔繼續對其成像。
本發明提出一種數字陣列雷達任務優化調度方法，建立了合理的脈沖交錯駐留的資源調度模型，實現了對多目標搜索與跟蹤的同時對部分精密跟蹤目標進行稀疏孔徑認知ISAR成像，有效提高雷達工作效率并獲得高質量的成像效果。
附圖說明
圖1～圖4示出本發明方法與傳統方法的性能指標對比，圖1為調度成功率對比，圖2為實現價值率對比，圖3為時間利用率對比，圖4為能量利用率對比；
圖5示出調度間隔為18-28的成像任務的互信息量變化曲線；
圖6示出調度間隔為22-32的成像任務的互信息量變化曲線
圖7示出調度間隔為46-58的成像任務的互信息量變化曲線；
圖8示出本發明成像任務資源調度方法流程圖；
圖9示出本發明成像效果與傳統全孔徑成像效果對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖和本發明的實施例，對本發明作進一步地描述。
本發明的具體實施過程是：第一步：分別建立搜索，跟蹤與成像任務的任務模型；第二步：設計合理有效的雷達任務優先級；第三步：在滿足資源約束的前提下，對各個雷達成像任務進行調度；判斷成像任務是否滿足期望成像質量并確定在下一調度間隔執行的雷達任務。
實現上述本發明方法的具體步驟如下：
第一步：分別建立搜索，跟蹤與成像任務的任務模型
對成像任務模型進行進一步介紹：
由于傳統相控陣雷達在執行目標搜索和跟蹤任務時，要分出一部分固定資源來實現成像功能，導致雷達資源分配矛盾突出、工作效率不高。在壓縮感知理論框架下，對目標的連續觀測成像可以轉化為隨機稀疏觀測成像，并在稀疏孔徑條件下獲得高質量的目標ISAR像，這為將成像任務需求納入相控陣雷達資源調度模型提供了有效的技術支撐。
為了提高雷達成像過程中的自適應能力，可在目標進入穩定跟蹤階段后，對其特征進行認知，根據目標特征認知結果計算目標成像對雷達資源的需求度，估計得出第i個目標的距離速度航向目標尺寸方位向稀疏度和觀測時間假設目標做平穩運動，則雷達全孔徑成像需發射 個脈沖(PRF為脈沖重復頻率)，而降維處理后的方位向觀測維度Mi(Mi＜Ni)為：
其中c為是一個與恢復精度有關的常數，通常取為0.5～2之間，本發明中取c＝1。
基于此，成像任務可由以下模型描述：
T＝{et,st,tx,tw,tr,ω,M,pri,Pt,P} (18)
其中，et為成像任務的期望調度起始時刻，取決于精密跟蹤任務進入穩定跟蹤階段的時刻；M表示任務的方位向觀測維度，即稀疏孔徑ISAR成像的脈沖個數，其本質與搜索和跟蹤任務中的脈沖重復個數相同，因此用相同符號來表示；ω為成像任務的時間窗，與精密跟蹤任務的跟蹤時間有關；其余參數與式(1)中定義相同。
第二步：設計合理有效的雷達任務優先級
第三步：在滿足資源約束的前提下，對各個雷達成像任務進行調度；判斷成像任務是否滿足期望成像質量，若不滿足，對其在下一調度間隔繼續成像。
資源約束條件包括時間資源約束條件和能量資源約束條件。
時間資源約束條件應滿足以下條件：
其中，第一個約束條件給出各個任務實際執行時刻的范圍；第二個約束條 件表明被調度執行的任務駐留發射脈沖間不會發生沖突，即雷達任務駐留脈沖的發射期是不可搶占的；第三個約束條件表明搜索任務駐留不能進行脈沖交錯；第四個約束條件表明在不與發射脈沖產生沖突的前提下，被調度執行的任務駐留接收脈沖間可以在時間上重疊。
在實際調度過程中，脈沖交錯的數目要受到能量約束條件的限制，以避免發射機持續工作時間過長而損壞。雷達系統的能量約束分為穩態能量約束和瞬態能量約束。由于穩態能量約束設定的總能量消耗閾值受到設備自身性能的制約，因此通常只考慮瞬態能量約束。系統在t時刻的瞬態能量可以表示為：
其中，P(x)為系統的功率參數；τ為系統的回退參數，與系統本身的散熱性能有關。系統的能量約束條件可定義為系統在任意t時刻均不能超過最大瞬時能量閾值Emax，即：
E(t)≤Emax (21)
需要指出的是，在仿真過程中，可以通過天線增益、發射功率、脈沖寬度和脈沖累計數等參數，事先估算出雷達發射波束的能量消耗與Δt時間內能量狀態的變化量以降低方法復雜度。
當每個調度間隔結束后，利用到該調度間隔為止的之前所有觀測子脈沖對目標進行ISAR成像。若相鄰兩個調度間隔后重構的目標ISAR像相似度低，說明獲得的ISAR像不確定性高，沒有包含目標的全部信息；反之，若相似度高，說明成像質量將不會隨著成像積累時間的增加而顯著改善，繼續對其觀測成像的意義不大。引用信息論中的Shannon互信息量作為相鄰重構ISAR像的相似度測度。Shannon互信息量是表示兩幅圖像相互包含對方的信息量。對于相鄰重構像A和B,它們之間的互信息量I(A,B)表示為：
其中，pi,pj是A和B的灰度概率分布,pij是聯合灰度概率分布。I(A,B)值越大,表明兩重構像的相似性程度越高。選擇適當的閾值Tα，當相鄰兩個調度間隔結束后獲得的目標ISAR像的互信息量小于此閾值時，下一個調度間隔繼續對該成像任務進行調度分析，反之則認為目標成像質量達到期望標準，該成像任務執行完畢。
實例：成像任務調度實驗
仿真實驗：仿真實驗中選取搜索、跟蹤和成像三種雷達工作方式。各類任務的典型參數如表1所示。設置仿真總時間為6s，調度間隔長度選取為50ms，雷達能夠提供平均功率為400W。對于搜索和跟蹤任務，雷達發射窄帶信號，載頻fc＝10GHz，信號帶寬B＝10MHz，脈沖重復頻率PRF＝1000Hz；對于成像任務，雷達發射線性調頻信號，載頻fc＝10GHz，信號帶寬B＝300MHz，脈沖重復頻率PRF＝1000Hz。
表1雷達駐留任務參數表
定義調度成功率(SSR)，實現價值率(HVR)，時間利用率(TUR)和能量利用率(EUR)為雷達資源調度的性能指標，表達式分別為：
其中，N和N'分別為申請調度的任務總數和調度成功的任務數；Ttotal為仿真總時間；Pt為每個發射脈沖的峰值功率；Pav雷達提供的平均功率。
仿真對比了《一種新的基于優先級表的實時調度方法》中傳統相控陣雷達調度方法與本發明提出的優化調度方法。以下給出的均為100次仿真的平均結果。圖1～圖4分別給出了傳統方法與本發明方法四種性能指標的對比曲線。
由圖1可見，當任務數小于20時，系統資源相對充足，任務間對資源的競爭尚不明顯，此時兩種調度方法均可以成功調度所有任務。隨著任務數進一步增加，傳統方法的調度成功率開始大幅度下降，而本發明方法仍然可以成功調度全部任務直至任務數增至80左右。這是由于在傳統方法中雷達資源已達到飽和，無法調度更多任務；而數字陣列雷達通過脈沖交錯技術對不同任務進行穿插調度，從而實現了多任務并行的調度方式。
由圖2可見，傳統方法的實現價值率在系統資源達到飽和后迅速下降，并且沒有考慮成像任務。而本發明方法中通過規定成像任務的優先級低于跟蹤任務的優先級，從而保證在不影響各目標跟蹤精度的前提下，利用跟蹤空閑時間對精密跟蹤任務進行成像。因此可以在任務數達到80后仍然保持較高的實現價值率。
圖3和圖4分別給出了兩種調度方法的時間利用率與能量利用率。從中可見，在任務數達到20后，傳統方法的資源瓶頸導致其時間利用率與能量利用率均維持在0.1左右。而由于本發明方法不僅利用了脈沖等待期的時間資源，還允許不同任務駐留脈沖的接收期在時間上相互重疊，擴大了系統的容限，因此在資源飽和的前提下，時間利用率與能量利用分別比傳統方法高出0.7和0.3左右。
為了使雷達對盡可能多的精密跟蹤任務進行成像，設成像優先級步進值為ΔP＝0.1，相鄰調度間隔結束后所得重構ISAR像的互信息量系數閾值為MIα＝0.7，在調度成功的成像任務中選取其中三個觀察其成像互信息量變化曲線如圖5～圖7所示。可以看出，隨著調度次數的增加和目標的成像時間不斷積累，目標重構ISAR像間的互信息量呈增長趨勢直至0.7。這是由于目標成像累積時間的增加會提高其ISAR像的分辨率，從而使相鄰調度間隔的目標重構ISAR像的相似性程度越來越高，通過設定互信息量系數閾值，對達到期望成像質量的目標結束成像。
為了驗證數字陣列雷達在進行搜索和跟蹤的同時實現目標成像的有效性，將上述三個成像任務的最終成像結果與傳統全孔徑ISAR成像結果進行比較，并采用峰值信噪比(PSNR)衡量本發明方法的成像效果。峰值信噪比定義如下：
其中表示本發明稀疏孔徑成像結果，σ(i,j)表示傳統全孔徑成像結果，m，n分別表示ISAR像矩陣的行數與列數。PSNR值越大說明成像效果越好。圖9給出了傳統全孔徑成像效果與本發明稀疏孔徑成像效果對比。可以看出， 本發明方法能夠在并不明顯降低成像質量的前提下，大幅提高雷達工作效率。
綜上所述，本發明提出一種基于脈沖交錯的數字陣列雷達任務優化調度方法，建立了合理的脈沖交錯駐留的資源調度模型，實現了對多目標搜索與跟蹤的同時對部分精密跟蹤目標進行稀疏孔徑認知ISAR成像，并對成像質量給出了具體的評估指標。該方法能有效提高雷達工作效率的同時獲得高質量的成像效果。
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