一种提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法

本发明涉及一种提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，属于雷达资源分配。

背景技术：

1、雷达作为战场环境感知的主要传感器，不同类型雷达之间信息交换也必不可少，如最为常见的预警机引导战斗机对敌方目标进行搜索，使战斗机快速准确地搜索到敌机编队，从而达到先敌发现，先敌攻击的目的。由于战斗机携带的燃料有限，所以需要对其雷达辐射资源进行有效管理，从而延长其工作时间，增加其作战半径及威慑范围。此外，辐射资源管理技术降低雷达的辐射功率，增加了敌方传感器截获雷达信号的难度，亦即提升了雷达信号的隐身性能。目前，在目标搜索方面，常见的资源管理技术有驻留时间，波位编排以及帧周期等搜索参数优化，除雷达搜索参数优化之外，学者还提出通过优化其他的参数，提高雷达系统的搜索性能，亦或射频隐身性能，常见有雷达辐射功率，天线划分的子阵数以及阵元部署等，当有先验信息引导时，被引导雷达搜索空域大大减小，雷达系统的主要任务是对目标进行检测，判定其是否存在。

2、如申请号202010504069.3一种基于射频隐身的频控阵雷达辐射功率控制方法，该方法不仅满足了预先设定的目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能要求，而且有效降低了频控阵雷达的辐射功率，从而提升了频控阵雷达系统的射频隐身性能。又比如申请号201911343282.4一种基于射频隐身的组网雷达驻留时间优化控制方法，采用机载雷达组网包括n部空间、时间、频率同步的机载两坐标相控阵雷达，对二维平面内的q个匀速运动目标进行跟踪，据此构造机载雷达组网的观测模型和目标的运动模型；获取匀速运动目标跟踪时目标状态估计误差的bcrlb，并从中提取目标位置估计均方误差下界作为目标跟踪精度的衡量指标；根据预测回波信噪比计算机载雷达组网对跟踪目标的预测检测概率；构建机载雷达组网驻留时间最小化的优化控制模型，在所有目标的预测跟踪精度和预测检测概率均满足约束条件的前提下，最小化机载雷达组网的总驻留时间；采用两步分解法对优化控制模型进行求解。通过对机载雷达组网跟踪多目标时的驻留时间和雷达分配指标进行联合优化，可以缩短目标跟踪过程中机载雷达组网照射所有目标的总驻留时间，有效提高了机载雷达组网的射频隐身性能，并保证了对所有目标的跟踪精度和检测概率。

3、总的来说，上述方法提出了雷达功率优化设计和提升雷达信号的隐身性能的思想，但此时，搜索参数优化对雷达系统性能提升效果不再显著。而此时要解决的主要技术问题包括：战斗机同时搜索m个目标，在雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性的约束下，相控阵雷达如何以最低的功率进行多区域搜索等。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，针对在机载相控阵雷达多目标搜索的背景下，提出孔径与功率联合优化的方法，在探测性能的约束下，通过优化搜索不同区域所采用的孔径和功率，最小化相控阵雷达多区域搜索的总消耗功率，减小系统资源消耗，提升相控阵雷达系统的射频隐身性能。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，步骤如下：首先，基于引导信息构建战斗机搜索m个目标的场景；其次，以最小化总辐射功率为目标函数，以雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性为约束条件，建立基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化模型；而后，利用凸松弛将所述优化模型连续化，再利用拉格朗日乘子法对连续化优化模型解析求解；最后，对孔径数值取整然后进行功率分配。

3、考虑到相控阵雷达的波束敏捷性特点，重点考虑雷达系统辐射及硬件资源的优化配置，在执行多目标搜索、探测和跟踪等任务时，若将雷达系统辐射及子阵的阵元数同时优化，势必在很大程度上提升相控阵雷达系统的性能，或者在达到相同的性能时，降低其系统功率消耗。

4、进一步的，所述基于引导信息构建战斗机搜索m个目标的场景是指：假设在三维空间里预警机发现某空域有m个目标，随后将测得各个目标的雷达反射截面积、位置和速度的信息通过数据链发送到战斗机，根据预警机导引信息，战斗机对m个目标进行搜索。

5、进一步的，所述建立基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化模型，如式(1)所示：

6、

7、式中，p＝[p1,p2,...,pm]是功率矢量，其第m个元素为pm，表示多功能相控阵雷达搜索第m个目标而发射的功率；a＝[a1,a2,…,am]是雷达孔径矢量，其第m个元素为am，表示多功能相控阵雷达搜索第m个目标而分配的雷达孔径；表示通过优化变量p和a使目标函数最小化；pm表示雷达搜索第m个目标的探测概率；表示对于第m个目标，给定的雷达探测概率门限；表示任意某个元素；nm为孔径面积为am时所对应的阵元数；ntotal为相控阵雷达总的阵元数；pm≥0表示功率是非负的，m表示战斗机共搜索m个目标；nm,∈{1,l,ntotal}表示阵元数必须为1到ntotal中的自然数。

8、更进一步的，所述利用凸松弛将所述优化模型连续化是指：将阵元的离散约束转化为连续性约束，即nm∈{1,l,ntotal}用式(2)约束替换：

9、nm≥0      (2)

10、然后再将探测概率约束转化为信噪比约束，则连续化该优化模型转化为式(3)：

11、

12、式中，表示达到给定的雷达探测概率时，雷达搜索第m个目标所需的信噪比；σm为第m个目标的rcs；l表示系统总损耗；k是玻尔兹曼常数；te为雷达系统温度；b为雷达信号的频谱宽度；fr是雷达系统噪声系数；rm为第m个目标与雷达之间的距离；λ为雷达信号的波长。

13、更进一步的，再利用拉格朗日乘子法对连续化优化模型解析求解是指：

14、

15、式中，

16、更进一步的，所述对孔径数值取整然后进行功率分配，通过求解所述优化模型，得到在满足雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性的约束条件下，系统总辐射能量最低的相控阵雷达搜索第m个目标所分配的孔径资源am和发射的功率pm。

17、本发明的有益效果在于：本方法在探测性能的约束下，通过优化搜索不同区域所采用的孔径和功率，最小化相控阵雷达多区域搜索的总消耗功率，基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化，以最小化总辐射功率为目标函数，以雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性为约束，建立基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化模型，不仅提高能量利用率，而且还使得系统总发射功率最小化，提升了雷达系统的射频隐身性能。

技术特征：

1.一种提升相控阵雷达系统射频隐身性能的方法，其特征在于，步骤如下：首先，基于引导信息构建战斗机搜索m个目标的场景；其次，以最小化总辐射功率为目标函数，以雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性为约束条件，建立基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化模型；而后，利用凸松弛将所述优化模型连续化，再利用拉格朗日乘子法对连续化优化模型解析求解；最后，对孔径数值取整然后进行功率分配。

2.根据权利要求1所述的提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，其特征在于：所述基于引导信息构建战斗机搜索m个目标的场景是指：假设在三维空间里预警机发现某空域有m个目标，随后将测得各个目标的雷达反射截面积、位置和速度的信息通过数据链发送到战斗机，根据预警机导引信息，战斗机对m个目标进行搜索。

3.根据权利要求1所述的提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，其特征在于：所述建立基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化模型，如式(1)所示：

4.根据权利要求3所述的提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，其特征在于：所述利用凸松弛将所述优化模型连续化是指：将阵元的离散约束转化为连续性约束，即nm∈{1,l,ntotal}用式(2)约束替换：

5.根据权利要求4所述的提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，其特征在于：再利用拉格朗日乘子法对连续化优化模型解析求解是指：

6.根据权利要求1所述的提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，其特征在于：所述对孔径数值取整然后进行功率分配，通过求解所述优化模型，得到在满足雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性的约束条件下，系统总辐射能量最低的相控阵雷达搜索第m个目标所分配的孔径资源am和发射的功率pm。

技术总结
本发明公开了一种提升相控阵雷达系统的射频隐身性能的方法，首先，基于引导信息构建战斗机搜索M个目标的场景；其次，以最小化总辐射功率为目标函数，以雷达搜索性能、系统硬件配置及资源自然属性为约束条件，建立基于引导信息相控阵雷达多区域搜索孔径与功率联合优化模型；而后，利用凸松弛将所述优化模型连续化，再利用拉格朗日乘子法对连续化优化模型解析求解；最后，对孔径数值取整然后进行功率分配。本发明在探测性能的约束下，通过优化不同搜索区域所采用的孔径和功率，最小化相控阵雷达多区域搜索的总消耗功率，不仅提高能量利用率，而且还使得系统总发射功率最小化，提升了相控阵雷达系统的射频隐身性能。

技术研发人员：张巍巍,王青,张敏,丁伟俊
受保护的技术使用者：淮北师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12