空频域雷达通信一体化设计方法、终端设备及存储介质技术

本发明专利技术属于雷达通信一体化设计技术领域，具体公开了一种基于优化最小化算法的空频域雷达通信一体化设计方法，包括在空域和频域对雷达发射波形进行优化，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，通过控制通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入。具体为首先建立一个波形空频域优化问题，再利用优化最小化算法寻找波形空频域优化问题中目标函数的上界函数，对波形空频域优化问题求解，得到波形向量的最优解。最后发射波形，在雷达接收端对回波信号进行时延估计和多普勒频移估计。在通信接收端分别在空域和频域上对功率值进行判决，大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”。。。

【技术实现步骤摘要】
空频域雷达通信一体化设计方法、终端设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及雷达
，尤其是涉及一种空频域雷达通信一体化设计方法、终端设备及存储介质。

技术介绍

[0002]雷达通信一体化技术是目前电子作战领域的研究热点，其主要的特点是在完成雷达对目标探测的同时实现通信信息的传输。与传统的雷达和通信独立作战平台相比，雷达通信一体化具有更明显的优势。在作战环境中，采用雷达通信一体化设备不仅可以实现对我方周围的敌对目标进行探测和跟踪，还可以将通信信息传输到我方平台的设备。雷达通信一体化系统不仅可以提升作战效率，还可以解决作战设备过多带来的频谱资源浪费，设备管理混乱等问题。
[0003]传统的雷达通信一体化方案是将通信作为第二功能实现的。具体的实现方式有基于空域方向图的雷达通信一体化，该类方案通过发射方向图逼近期望方向图来形成期望的雷达主瓣，从而实现雷达的探测功能；通过对通信方位的方向图旁瓣进行幅度或者相位控制实现通信信息的传输。
[0004]现有技术中空域雷达通信一体化设计方法缺陷在于：只利用空域方向图进行通信信息的传输，只对空域方向图进行优化，没有对波形的频域功率谱进行优化，无法应对特定频域其他设备干扰的情况，通信效率不高，并且无法消除雷达和通信之间的干扰问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出了一种空频域雷达通信一体化设计方法，其具体设计思路如图2所示，在空域和频域对多输入多输出（Multiple Input MultipleOutput，MIMO）发射波形进行优化，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，通过控制通信方向发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入，并基于MM算法对波形优化问题求解。
[0006]本专利技术的空频域雷达通信一体化设计方法，包括如下步骤：步骤S1：根据雷达探测区域以及所需传输的通信信息建立空频域雷达通信一体化波形优化问题，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，建立第一个子代价函数；通过控制通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入，分别建立两个子代价函数，将三个子代价函数进行组合得到最终的波形优化目标函数，添加波形序列的恒模特性为约束条件，建立相应的空频域雷达通信一体化波形优化问题；步骤S2：根据MM算法求解步骤S1中所建立的空频域雷达通信一体化波形优化问题，得到最优解；步骤S3：在雷达接收端和通信接收端进行信号处理，在雷达接收端对回波信号进行时延估计和多普勒频移估计，从而得到探测目标的
距离和速度，在通信接收端空域上，在方向图旁瓣通信方位进行功率值的判决，若大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”；频域上，对回波信号在通信频带上的功率值进行判断，若大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”，从而解调得到所传输的比特信息；步骤S4：进行雷达和通信性能的验证，在雷达性能方面，根据优化得到的发射方向图主瓣对期望方向图的匹配程度来验证雷达探测功能，在通信性能方面，利用星座图和误码率验证通信功能。
[0007]本专利技术采用空频域联合优化设计MIMO雷达通信一体化方法，不仅实现了发射方向图与期望方向图相匹配，保证了雷达的探测功能；同时还对通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带处功率谱密度进行控制，实现空域和频域同时传输通信信息，不仅提高了通信效率，还可避免雷达和通信的同频干扰。
[0008]本专利技术利用MM算法对复杂的波形空频域优化问题进行求解，即使是在采样序列较长和波形个数较多的情况下，利用MM算法能高效地解决优化问题，并且能够获得满足空频域性能要求的稳定波形。
[0009]根据本专利技术的一些实施例，其中步骤S2具体包括如下过程：首先分别对步骤S1中三个子代价函数展开化简；然后根据MM算法原理，针对每一个化简后的子代价函数，寻找易求解的上界函数，得到替代后的空频域波形优化问题，求出替代后波形优化问题的闭式解，并对闭式解的计算进行加速以降低计算复杂度，最后将每一次迭代求得的新的波形向量作为下一次迭代的初始波形向量，经过不断的循环迭代，直至当前波形向量减去上一次迭代得到的波形向量的模值小于给定阈值为止，从而得到空频域雷达通信一体化波形优化问题的最优解。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S1中建立空频域雷达通信一体化波形优化问题具体包括如下过程：假设一个MIMO系统的发射阵列为包含个天线的均匀线阵，阵元间距为，表示发射波长，第个阵元在第个时刻发射的波形为,,，为波形序列长度，则在处波形的发射方向图为：，其中，为发射导向矢量；为发射阵列所发射的个波形在第个时刻的采样；为整个采样时刻的波形向量，为目标位置处的信号；表示在第个采样时刻处的信号功率，为维单位阵；定义
；表示共轭；表示共轭转置；表示转置；表示克罗内克（Kronecker）积；利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，具体为以发射方向图逼近期望方向图为目标来建立第一个子代价函数：，其中，是将整个空间离散划分的角度点，即；为发射方向图；为雷达期望方向图，在发射方向图主瓣部分取1，其余部分取0；为匹配尺度因子；是处两种方向图匹配误差的加权因子；表示发射方向图对期望方向图的逼近程度；显然，上式对应的匹配误差越小意味着：波形序列对应的发射方向图与期望方向图匹配程度越高。
[0011]控制通信方位发射方向图旁瓣水平实现通信信息的嵌入，具体为以最小化通信方位方向图旁瓣水平为目标建立第二个子代价函数：，其中，通信方位为；为空域传输的比特信息；表示通信方位方向图旁瓣水平，为发射方向图函数在角度的取值；空域通信信息的传输是利用通信方位处发射方向图水平的高低来实现比特信息的调制；当传输二进制码元时，上式成为通信方位处的发射方向图水平，且要求将限制为一个较低的数值；当传输二进制码元时，上式成为0，表示对通信方位处的发射方向图水平不作限制。
[0012]控制频域通信频带的功率谱密度水平来实现通信信息的嵌入，具体为以最小化通信频带上波形能量为目标建立第三个子代价函数：，其中，为发射波形序列在通信频带处的功率；为频域传输的通信比特信息；当传输二进制码元时，上式成为通信频带上的波形能量，且要求将限制为一个较低的数值；当传输二进制码元时，上式成为0，表示对通信频带上发射波形能量不作限制。
[0013]建立一个空频域雷达通信一体化波形优化问题，具体为根据所要传输的通信比特信息，建立相应的波形空频域优化问题：
其中，为最终的目标函数；为频域加权系数，为空域加权系数，约束条件为波形的恒模约束，为发射波形的总能量。用码元表示两个信息位，上式表示的是四种波形优化问题，即传输码元为四种情况，每种波形优化问题的目标函数为子代价函数、子代价函数、子代价函数的某种组合。显然，时，的表达式最为复杂；剩下的传输码元都可以视为传输码元时的特殊情况。下面考虑传输码元为时的波形优化问题，其他传输码元下的波形优化问题可以类似地直接求解。
[0014]根据本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空频域雷达通信一体化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：根据雷达探测区域以及所需传输的通信信息建立空频域雷达通信一体化波形优化问题，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，建立第一个子代价函数；通过控制通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入，分别建立两个子代价函数，将三个子代价函数进行组合得到最终的波形优化目标函数，添加波形序列的恒模特性为约束条件，建立相应的空频域雷达通信一体化波形优化问题；步骤S2：根据优化最小化算法求解步骤S1中所建立的空频域雷达通信一体化波形优化问题，得到最优解；步骤S3：在雷达接收端和通信接收端进行信号处理，在雷达接收端对回波信号进行时延估计和多普勒频移估计，从而得到探测目标的距离和速度，在通信接收端空域上，在方向图旁瓣通信方位进行功率值的判决，若大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”；频域上，对回波信号在通信频带上的功率值进行判断，若大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”，从而解调得到所传输的比特信息；步骤S4：进行雷达和通信性能的验证，在雷达性能方面，根据优化得到的发射方向图主瓣对期望方向图的匹配程度来验证雷达探测功能，在通信性能方面，利用星座图和误码率验证通信功能。2.根据权利要求1所述的一种空频域雷达通信一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下过程：分别对步骤S1中三个子代价函数展开化简；根据优化最小化算法原理，针对每一个化简后的子代价函数，寻找易求解的上界函数，得到替代后的空频域波形优化问题，求出替代后波形优化问题的闭式解，并对闭式解的计算进行加速以降低计算复杂度，将每一次迭代求得的新的波形向量作为下一次迭代的初始波形向量，经过不断的循环迭代，直至当前波形向量减去上一次迭代得到的波形向量的模值小于给定阈值为止，从而得到空频域雷达通信一体化波形优化问题的最优解。3.根据权利要求2所述的一种空频域雷达通信一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中建立空频域雷达通信一体化波形优化问题具体包括如下过程：一个多输入多输出系统的发射阵列为包含个天线的均匀线阵，阵元间距为，表示发射波长，第个阵元在第个时刻发射的波形为,, ，为波形序列长度，则在处波形的发射方向图为：，（1）其中，表示发射方向图；为发射导向矢量；
为发射阵列所发射的个波形在第个时刻的采样；为整个采样时刻的波形向量，为目标位置处的信号；表示在第个采样时刻处的信号功率，为维单位阵；定义；表示共轭；表示共轭转置；表示转置；表示克罗内克积；利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，具体为以发射方向图逼近期望方向图为目标来建立第一个子代价函数：，（2）其中，是将整个空间离散划分的角度点，即；为发射方向图；为雷达期望方向图，在发射方向图主瓣部分取1，其余部分取0；为匹配尺度因子；是处两种方向图匹配误差的加权因子；表示发射方向图对期望方向图的逼近程度；控制通信方位发射方向图旁瓣水平实现通信信息的嵌入，具体为以最小化通信方位方向图旁瓣水平为目标建立第二个子代价函数：，（3）其中，通信方位为；为空域传输的比特信息；表示通信方位方向图旁瓣水平，为发射方向图在角度的取值；空域通信信息的传输是利用通信方位处发射方向图水平的高低来实现比特信息的调制；控制频域通信频带的功率谱密度水平来实现通信信息的嵌入，具体为以最小化通信频带上波形能量为目标建立第三个子代价函数：，（4）其中，为发射波形向量在通信频带处的功率；为频域传输的通信比特信息；建...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪升，梁梦丹，屈思宇，郑朝丹，李铭晖，李海梦，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：