趙 亮 史小斌

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

相控陣雷達具備波束捷變能力可靈活分配時空資源[1]，所以在對多目標跟蹤時可以采用傳統(tǒng)的邊搜索邊跟蹤方式(TWS)和跟蹤加搜索的方式(TAS)。工作在TAS方式時，相控陣雷達根據(jù)資源調(diào)度器的安排對不同類型目標采取不同的數(shù)據(jù)率進行跟蹤，并在跟蹤間隙插入搜索、確認任務，在對目標保持跟蹤的間隙保持對指定空域的監(jiān)視[2]。當不同種類任務執(zhí)行時間沖突，雷達根據(jù)各種自適應調(diào)度算法[3]選出優(yōu)先級最高任務執(zhí)行。

本文主要對多功能相控陣雷達的自適應資源調(diào)度過程和數(shù)據(jù)處理流程進行研究并利用Matlab/Simulink搭建仿真平臺建模仿真。本文通過構建包含雷達回波模擬、信號處理、數(shù)據(jù)處理、資源調(diào)度的相控陣雷達聯(lián)合仿真平臺用以評估雷達工作性能。

1 多功能相控陣雷達資源調(diào)度算法

多功能相控陣雷達將需要多部雷達完成的功能集中在一部雷達上，用一部雷達即可執(zhí)行目標空域監(jiān)視、目標確認、跟蹤、制導等多種任務，雷達在工作中根據(jù)不同任務快速切換至不同波束，這也勢必導致當多個任務調(diào)度時刻相同時會產(chǎn)生競爭關系。為了合理地分配雷達資源，資源調(diào)度模塊綜合考慮任務優(yōu)先級、截止期，采取某種調(diào)度策略給所有任務按綜合優(yōu)先級排序后輸出執(zhí)行事件至雷達發(fā)射機，并將延時事件放至下個調(diào)度間隔處理，如圖1所示[4]。

圖1 雷達資源調(diào)度模型

1.1 任務綜合優(yōu)先級確定

目標的優(yōu)先級設計一般考慮兩個因素：一是任務的重要性。多功能相控陣雷達任務一般分為搜索、確認、跟蹤。當搜索任務和確認、跟蹤任務沖突時，雷達更傾向于對已有航跡的維護，所以跟蹤任務的優(yōu)先級高于確認任務，搜索任務的重要性最低。同時，對同一種任務類型細分后的優(yōu)先級也不同，例如雷達對高威脅目標的跟蹤優(yōu)先級要高于低威脅度目標的跟蹤優(yōu)先級，其跟蹤數(shù)據(jù)率也更高。對于搜索任務，因為飛機、艦船目標一般出現(xiàn)于地平線、海平線，所以雷達對地平線區(qū)域的搜索任務優(yōu)先級要高于對高空空域的搜索任務優(yōu)先級。第二個考慮的因素是任務的截止期。每一個調(diào)度任務有一個期望執(zhí)行時間和截止時間，該任務可能在期望執(zhí)行時刻未被調(diào)度，但在截止時間前該任務都有可能被執(zhí)行。

若僅僅考慮任務重要性設計優(yōu)先級，對于低優(yōu)先級的任務可能永遠不會被調(diào)度；若僅考慮任務截止期即EDF調(diào)度算法，對于快到截止期的任務會被先調(diào)度卻忽略了任務的重要性。綜合考慮任務重要性和任務截止期，得到修正EDF調(diào)度算法。假設任務某時刻請求任務隊列為T={T0,T1,T2,…}，將M個任務分別按重要性從大到小排序得到排序后的NPi，截止期從早到晚優(yōu)先級排序得到排序后的序號NDi后根據(jù)式(1)計算任務的相對優(yōu)先級spi[5]。

spi=(ηNPi+(M+2-η)NDi)/(M+1)

(1)

η取1時，spi=NDi+NPi/(M+1)，為MEDF準則，該準則先考慮任務截止期，若截止期相同再考慮任務重要性；η取M+1時，spi=NPi+NDi/(M+1)，為MHPF準則，該準則先考慮任務重要性，若任務重要性相同，再考慮任務截止期；η取M/2+1時，為HPEDF準則，該準則為上面兩種準則的折中。

1.2 資源調(diào)度仿真方法

本文仿真中通過創(chuàng)建一個任務隊列類負責任務的獲取、創(chuàng)建、延時、清理，如圖2所示。任務獲取函數(shù)getCurrentJob()，在雷達回波仿真前調(diào)用，功能為從任務結構體數(shù)組中選出滿足當前調(diào)度時刻的任務，并按HPEDF準則計算任務的相對優(yōu)先級輸出最高優(yōu)先級任務給cJob，并記下需要清理的任務的下標，對當前調(diào)度間隔無法執(zhí)行的任務但在下一個調(diào)度間隔未超過截止期的任務進行延時處理，在進行雷達回波仿真時，相關模塊讀取cJob中的波束號，生成該波束指向的模擬回波。任務創(chuàng)建函數(shù)createJob根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果創(chuàng)建確認，跟蹤任務。任務清理函數(shù)clearJob清理超過截止期的任務。任務調(diào)度流程如圖3所示。

圖2 任務隊列類

圖3 任務調(diào)度流程圖

2 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理主要對信號處理檢測數(shù)據(jù)進行點跡凝聚、坐標轉(zhuǎn)換、航跡起始、點航關聯(lián)、濾波、航跡刪除等操作。

2.1 點跡凝聚

同一目標回波可能分裂在多個距離、速度單元，點跡凝聚作用就是將分裂的點凝聚成一個點。二維點跡凝聚一般分為距離凝聚和方位凝聚。從信號處理輸出的點跡信息包括目標距離、方位、俯仰、速度、幅度，在本文仿真中首先對輸入點跡進行距離向凝聚，再進行方位向凝聚，凝聚方法采用質(zhì)心法[6]，如式(2)所示。

(2)

其中，Ai為第i個點跡的幅度，Xi為第i個點跡的距離或方位。圖4為凝聚點和一次點對比圖。

圖4 一次點和凝聚點對比

2.2 跟蹤濾波

(3)

(4)

Pxz=P(k+1|k)H′(k+1)

(5)

Pzz=H(k+1)P(k+1|k)H′(k+1)+R(k+1)

(6)

式(6)中R(k+1)為k+1時刻量測誤差協(xié)方差，P(k+1|k)為一步預測誤差協(xié)方差，如式(7)所示。

P(k+1|k)=F(k)P(k|k)F′(k|k)+Q(k)

(7)

式(7)中F(k)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Q(k)為過程噪聲協(xié)方差。

2.3 航跡管理

航跡管理包括航跡起始、點航關聯(lián)、航跡補點、航跡刪除等。航跡起始方法有直觀法、邏輯法、Hough變換法等[7]。

本文仿真中，點航關聯(lián)算法采用最近鄰域法，使用橢球波門，對落入關聯(lián)波門內(nèi)的點按式計算信息加權范數(shù)，選最小值關聯(lián)。

(8)

本文仿真中采用邏輯法起始航跡，首先對未被關聯(lián)點跡建立航跡頭，設定球形波門參數(shù)。第二次掃描時，若有點跡關聯(lián)航跡頭則建立臨時航跡，并預測第三次掃描波門中心，否則刪除航跡頭。若第三次掃描有點跡關聯(lián)則建立確認航跡，航跡起始成功，否則刪除臨時航跡。航跡管理具體流程如圖5所示。

圖5 航跡管理流程

3 仿真分析

3.1 仿真流程

本文仿真雷達為一個10×20陣元矩形分布的S波段相控陣雷達，陣元間距為半波長,帶寬5MHz，功率1000W，脈沖積累數(shù)為32。本文將任務類型分為搜索、確認、普通跟蹤、精密跟蹤四類，對距離小于10km的目標采用精密跟蹤。各任務的采樣間隔，時間窗如表1所示。仿真流程如圖6所示，式(1)中的η=M/2+1。仿真時序如圖7所示，仿真時間間隔設置為100ms，即圖7中T0-T1間隔為100ms，在T0間隔執(zhí)行的任務產(chǎn)生的回波需在T1間隔進行信號處理和數(shù)據(jù)處理，并調(diào)度產(chǎn)生T2間隔的任務指令。在仿真中，將波束號相同但期望執(zhí)行時間不同的任務同時執(zhí)行。

表1 任務參數(shù)設置

圖6 仿真流程圖

圖7 仿真時序圖

3.2 仿真一

本次仿真設置5個目標，目標初始位置(方位°,俯仰°,距離m)分別為位于(10,0,16380)，(0,0,7500)，(10,0,17640)，(20,0,15630)，(0,10,16920)。設置300個仿真間隔。仿真結果如圖8至圖11所示，圖8為對5個目標跟蹤所建立的航跡；圖9顯示了目標1的航跡，真實軌跡和檢測點；從圖8可以看出雷達成功對5個目標跟蹤建航。目標檢測和濾波RMS如表所示。仿真數(shù)據(jù)顯示共創(chuàng)建309個任務，成功執(zhí)行309個任務，任務調(diào)度成功率為100%。任務執(zhí)行類型隨仿真時間變化如圖10所示，圖11為搜索任務與跟蹤任務占比隨仿真時間變化關系，從圖11中可看出，當穩(wěn)定對這5個目標跟蹤時，雷達將40%的資源用于搜索任務，將60%的資源用于跟蹤任務。

圖8 目標航跡

圖9 目標1航跡、真實軌跡、檢測點對比

圖10 任務執(zhí)行類型隨仿真時間變化

圖11 任務占比隨仿真時間變化

表2 仿真一數(shù)據(jù)

3.3 仿真二

本次仿真設置100個目標，設置300個仿真間隔。仿真結果如圖12至圖16所示，圖12為中顯示了100個目標的運動軌跡；圖13為16個成功跟蹤建航目標的航跡；圖14位任務執(zhí)行類型隨仿真時間變化圖；圖15任務占比隨仿真時間變化。本次仿真雷達成功對100個目標中的16個目標成功跟蹤建航，16個目標檢測與跟蹤均方根誤差數(shù)據(jù)如圖16所示。在整個仿真過程共創(chuàng)建574個任務，成功執(zhí)行492個任務，丟失任務82個，任務調(diào)度成功率為85.7%。從圖14和圖15可以看出，雷達資源幾乎全被跟蹤任務占據(jù)。

圖12 100個目標軌跡圖

圖13 目標航跡圖

圖14 任務執(zhí)行類型隨仿真時間變化

圖15 任務占比隨仿真時間變化

圖16 仿真二數(shù)據(jù)

4 結束語

本文介紹了雷達自適應資源調(diào)度算法和雷達數(shù)據(jù)處理算法，包括任務綜合優(yōu)先級計算、點跡凝聚、航跡起始、航跡管理等方面內(nèi)容。本文通過Matlab/Simulink搭建仿真平臺將雷達回波模擬、信號處理與介紹的調(diào)度算法和數(shù)據(jù)處理算法聯(lián)合仿真分析，并詳細介紹了仿真流程。最后通過設立兩種仿真場景分別仿真分析，仿真結果表明本文仿真方法可對雷達資源調(diào)度成功率等性能、跟蹤濾波算法性能、檢測性能進行評估，幫助雷達論證。