CN108667489B - 多波束波形发射方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种多波束波形发射方法及系统，所述方法包括：获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。本发明实施例提供的一种多波束波形发射方法及系统，通过循环坐标下降迭代降低发射波形矩阵和阵列流形矩阵合成的均方误差，从而生成恒模的阵列基带波形矩阵，并有效降低多波束波形设计的计算量。

Description

多波束波形发射方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种多波束波形发射方法及系统。
背景技术
发射波束成形是一种可以使阵列的发射功率具有空间方向性的技术。用一组发射天线构成线性阵列，在远场条件下，可以认为各个阵元到空间中某一点的波程差取决于这一点相对阵列的方位。由于各个阵元在某个方位上的波程差会引起相位差，各个阵列发射的电磁波会在一些方位发生相长干涉，而在其他的一些方位发生相消干涉。发射波束成形利用了这一原理，通过预先调节各个阵元的发射波形的幅度和相位，可以在发射方向合成高增益的发射波束。
雷达使用发射波束成形技术，可以调节发射波束的方向，对空间进行扫描，获取目标的方位信息。发射波束成形最早通过模拟移相器实现。图1是现有技术提供的模拟发射波束成形系统结构示意图，其中各个天线发射同样的基带波形，共用上变频器和模拟放大器，模拟移相器使得各个天线发射的射频信号具有不同的相位延迟。模拟发射波束成形实现简单且成本低，但是性能容易受到温度等环境因素的影响。同时，各个天线的激励波形只能有相位上的不同，波形设计的自由度低。
通过雷达发射波束成形能够传输通信信息，在雷达与通信共用阵列系统中，对阵列的基带波形进行设计，可以在不同方向同时合成雷达波束和通信波束，独立地完成雷达和通信的任务。雷达与通信以多波束的方式共用阵列，可以实现雷达与通信对硬件和频谱资源的复用，从而降低系统的成本、负重和功耗，同时避免了雷达与通信之间的干扰。
现有技术中，为了实现上述雷达与通信的任务，一种常见的波束波形设计为：以单比特的脉冲幅度调制为例，把“1”映射为高旁瓣，把“0”映射为低旁瓣。先求解优化问题，把“0”和“1”对应的相位因子设计出来，在发射的时候只需要对相位因子进行选择，避免了对相位因子的实时计算。同时，选取Q个正交的雷达波形，一个雷达脉冲传输Q个比特。阵列的基带波形是Q个正交波形被相位因子加权后的和，第q个正交波形的相位因子取决于第q个比特的值，1≤q≤Q。通信接收机分别用接收信号和Q个正交波形进行相关操作，根据相关输出的幅度，对通信信息进行判决。
但现有技术提供的方式其设计的基带波形不是恒模的，会导致功率放大器的效率下降。因此现在亟需一种多波束波形发射方法及系统来解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的多波束波形发射方法及系统。
第一方面本发明实施例提供一种多波束波形发射方法，包括：
获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；
基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
第二方面本发明实施例提供了一种多波束波形发射系统，所述系统包括：
获取模块，用于获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；
发射模块，用于基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
第三方面本发明实施例提供了一种多波束波形发射设备，包括：
处理器、存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述所述的一种多波束波形发射方法。
第四方面本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述方法。
本发明实施例提供的一种多波束波形发射方法及系统，通过循环坐标下降迭代降低发射波形矩阵和阵列流形矩阵合成的均方误差，从而生成恒模的阵列基带波形矩阵，并有效降低多波束波形设计的计算量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的模拟发射波束成形系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的数字发射波束成形系统结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种多波束波形发射方法流程示意图；
图4是本发明实施例提供的基带波形矩阵的算法伪代码示意图；
图5是本发明实施例提供的一种多波束波形发射系统结构图；
图6是本发明实施例提供的多波束波形发射设备的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，由于模拟移相器设计发射波束成形的性能容易受到温度等环境因素的影响。同时，各个天线的激励波形只能有相位上的不同，波形设计的自由度低。故而现在一般采用数字发射波束成形，图2是本发明实施例提供的数字发射波束成形系统结构示意图，如图2所示，各个天线的基带波形、上变频器和模拟放大器是完全独立的。与模拟发射波束成形不同，数字发射波束成形通过数字信号处理实现移相操作。数字发射波束成形可以实现波形分集，也就是说让各个天线发射不相关的波形，因此波形设计的自由度高。根据实际需求，可以设计阵列的基带波形，对发射波束进行优化。同时，数字发射波束成形可以同时合成多个波束指向不同的方向。在移动通信中，基站通过多波束实现空分多址，同时向多个不同方向的用户传输信息。和通信中的空分多址类似，不同的射频功能也可以以多波束的方式共用阵列。
在上述实施背景的基础上，图3是本发明实施例提供的一种多波束波形发射方法流程示意图，如图3所示，包括：
S1、获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；
S2、基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
可以理解的是，在雷达与通信共用阵列系统中，对阵列的基带波形进行设计，可以在不同方向同时合成雷达波束和通信波束，独立地完成雷达和通信的任务，并且雷达与通信以多波束的方式共用阵列，可以实现雷达与通信对硬件和频谱资源的复用，从而降低系统的成本、负重和功耗，同时避免了雷达与通信之间的干扰。那么在步骤S1中，提供的雷达与通信共用阵列即可以完成在雷达波束方向发射雷达波形，同时在通信波束方向发射通信波形。
具体的，在按照图2方式搭建数字发射波束成形系统后，其中，线性均匀阵列由M个天线组成，相邻阵元之间的间隔都为d。雷达与通信共用阵列的任务是向方向θ1,θ2,...,θp分别发射通信波形s1(t),s2(t),...,sp(t)，同时向方向θp+1,θp+2,...,θp+q分别发射雷达波形sp+1(t),sp+2(t),...,sp+q(t)。并要求所有发射波形从0时刻开始，到T时刻结束。以图2为例，本发明实施例希望能够最终实现向方向θr发射雷达波形gr(t)，向方向θc发射通信波形gc(t)，那么：
θ1＝θc,θ2＝θr,s1(t)＝gc(t),s2(t)＝gr(t)。
在本发明实施例中，以波形发射方向和从天线1到天线M的方向的夹角来表示波形发射方向。
进一步的，本发明实施例可以将雷达与通信共用阵列发射波形过程以矩阵形式进行表示，从而得到雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵。
同样的，本发明实施例可以将雷达与通信共用阵列发射波形过程中的阵列流形以矩阵形式进行表示，从而可以得到雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵。
在步骤S2中，本发明实施例提供了一种循环坐标下降法对发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行合成，可以理解的是，实现循环坐标下降法收敛所需要的迭代次数非常少，因而可以有效降低雷达与通信共用阵列中多波束波形设计的计算量。
在上述实施例的基础上，所述获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，包括：
基于预设采样率对所述雷达与通信共用阵列向各个方向发射的波形进行采样，得到每个波形发射方向上的若干采样波形；
将所述每个波形发射方向上的若干采样波形排列为所述发射波形矩阵。
所述发射波形矩阵的构造为：
Figure GDA0002475742200000061
其中，Sk,n为所述发射波形矩阵S的第k行n列元素，fs为预设采样率，sk(t)为所述雷达与通信共用阵列向第k个方向发射的雷达或通信波形。
由上述实施例的内容可知，本发明实施例需要获取发射波形矩阵S，具体的获取过程包括：按照采样率fs对发射波形进行采样，且采样率fs必须高于发射波形的带宽，那么波形的采样点数
Figure GDA0002475742200000062
其中，发射波形从0时刻开始，到T时刻结束，
Figure GDA0002475742200000063
表示对实数向下取整。
从而根据设置的采样条件能够对发射波形进行采样，并将采样结果以矩阵形式表示，构成K×N的发射波形矩阵S，其中S的第k行列元素构造为：
Figure GDA0002475742200000064
在上述实施例的基础上，所述获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵，包括：
基于所述雷达与通信共用阵列的阵列参数和波形发射方向，获取每个波形发射方向上的流形向量；
将所述每个波形发射方向上的流形向量排列为所述阵列流形矩阵。
所述阵列流形矩阵的构造为：
Figure GDA0002475742200000071
其中，Ak,m为阵列流形矩阵A的第k行m列元素，γ为功率放大器的输出幅度，fc为载波频率，c为光速。
由上述实施例的内容可知，本发明实施例还需要获取阵列流形矩阵A，具体的获取过程包括：计算总的波束个数K＝p+q，并根据载波频率fc，功率放大器的输出幅度γ，以及光速c，计算K×M的阵列流形矩阵A，其中A的第k行m列元素构造为：
Figure GDA0002475742200000072
在上述实施例的基础上，所述基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形，包括：
初始化基带波形矩阵为：
Figure GDA0002475742200000073
误差矩阵R←S-AX，其中
Figure GDA0002475742200000074
表示矩阵的MoorePenrose广义逆，A为所述阵列流形矩阵，S为所述发射波形矩阵，X为所述基带波形矩阵，R为所述误差矩阵；
基于循环坐标下降法，按照预设的迭代次数更新误差矩阵和基带波形矩阵，并获取迭代完成后对应的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
具体的，图4是本发明实施例提供的基带波形矩阵的算法伪代码示意图，如图4所示，本发明实施例将计算的阵列流形矩阵、发射波形矩阵作为算法输入，并设置好初始迭代次数，从而能够根据本发明实施例提供的循环坐标下降算法，输出基带波形矩阵X。
本发明实施例首先初始化
Figure GDA0002475742200000081
K×N的误差矩阵R←S-AX，当前迭代次数t＝1。其中
Figure GDA0002475742200000082
表示矩阵的Moore Penrose广义逆。当K＞M时，
Figure GDA0002475742200000083
当K≤M时，
Figure GDA0002475742200000084
M是天线数量，K为波束个数。
并初始化天线下标i＝1；
然后更新基带波形矩阵X中的元素xi和误差矩阵R，具体更新过程如下：
Figure GDA0002475742200000085
xi←exp{-j∠RHAi}
Figure GDA0002475742200000086
其中Ai表示A的第i列，∠(·)求复数的辐角主值，运算∠(·)和exp(·)都分别对向量的各个坐标起作用。
上述过程即完成一次基带波形矩阵X中元素计算的过程，当完成一次计算后，修改天线下标i←i+1，如果i≤M，则继续进行下一个元素的计算；
当基带波形矩阵X中所有元素均被计算一次之后，修改迭代次数t←t+1。如果t≤T，即未达到预设的迭代次数，需要再次进行更新，直至达到预设的迭代次数。
那么最终输出的第m个阵元对应基带波形xm(n)＝Xm,n,n＝1,2,...,N,m＝1,2,...,M，其中，Xm,n是X的第m行n列元素。
在上述实施例的基础上，所述雷达与通信共用阵列的基带波形为恒模。
可以理解的是，通过本发明实施例提供的方法，合成的基带波形矩阵所对应的基带波形为恒模，并且实现了雷达波束方向发射雷达波形，同时在通信波束方向发射通信波形。
图5是本发明实施例提供的一种多波束波形发射系统结构图，如图5所示，所述系统包括：获取模块510以及发射模块520，其中：
获取模块510用于获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；
发射模块520用于基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
具体的如何通过获取模块510以及发射模块520对多波束波形设计可用于执行图3所示的多波束波形发射方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
本发明实施例提供的一种多波束波形发射系统，通过循环坐标下降迭代降低发射波形矩阵和阵列流形矩阵合成的均方误差，从而生成恒模的阵列基带波形矩阵，并有效降低多波束波形设计的计算量。
本发明实施例提供一种波束波形发射设备，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
图6是本发明实施例提供的多波束波形发射设备的结构框图，参照图6，所述多波束波形发射设备，包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多波束波形发射方法，其特征在于，包括：
获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；
基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形；
所述获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，包括：
基于预设采样率对所述雷达与通信共用阵列向各个方向发射的波形进行采样，得到每个波形发射方向上的若干采样波形；
将所述每个波形发射方向上的若干采样波形排列为所述发射波形矩阵；
所述发射波形矩阵的构造为：
Figure FDA0002680543640000011
其中，Sk,n为所述发射波形矩阵S的第k行n列元素，fs为预设采样率，sk(t)为所述雷达与通信共用阵列向第k个方向发射的雷达或通信波形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵，包括：
基于所述雷达与通信共用阵列的阵列参数和波形发射方向，获取每个波形发射方向上的流形向量；
将所述每个波形发射方向上的流形向量排列为所述阵列流形矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阵列流形矩阵的构造为：
Figure FDA0002680543640000021
其中，Ak,m为阵列流形矩阵A的第k行m列元素，γ为功率放大器的输出幅度，fc为载波频率，c为光速。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形，包括：
初始化基带波形矩阵为：
Figure FDA0002680543640000022
误差矩阵R←S-AX，其中
Figure FDA0002680543640000023
表示矩阵的MoorePenrose广义逆，A为所述阵列流形矩阵，S为所述发射波形矩阵，X为所述基带波形矩阵，R为所述误差矩阵；
基于循环坐标下降法，按照预设的迭代次数更新误差矩阵和基带波形矩阵，并获取迭代完成后对应的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述雷达与通信共用阵列的基带波形为恒模。
6.一种多波束波形发射系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取雷达与通信共用阵列的发射波形矩阵，并获取所述雷达与通信共用阵列的阵列流形矩阵；
发射模块，用于基于循环坐标下降法，将所述发射波形矩阵和阵列流形矩阵进行矩阵合成，得到所述雷达与通信共用阵列的基带波形矩阵，以根据所述基带波形矩阵发射多波束波形；
其中，获取模块，具体用于：
基于预设采样率对所述雷达与通信共用阵列向各个方向发射的波形进行采样，得到每个波形发射方向上的若干采样波形；
将所述每个波形发射方向上的若干采样波形排列为所述发射波形矩阵；
所述发射波形矩阵的构造为：
Figure FDA0002680543640000031
其中，Sk,n为所述发射波形矩阵S的第k行n列元素，fs为预设采样率，sk(t)为所述雷达与通信共用阵列向第k个方向发射的雷达或通信波形。
7.一种多波束波形发射设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至5任一所述的方法。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至5任一所述的方法。
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