CN110346792A - 一种成像雷达通信系统的功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像雷达通信系统的功率分配方法，包括如下步骤：(1)综合考虑距离向和方位向探测，获取了目标的距离‑方位信息，以满足成像要求；(2)结合信道容量定理，在有限的总功率下，以最大化系统感知信息为目标建立优化函数，对探测系统和通信网络进行功率分配；(3)研究不用的功率损耗对感知信息的影响。本发明提出的优化方法在总功率受限时，以系统总的感知信息作为优化目标函数，对探测系统和通信网络进行功率分配，并对雷达的位置进行合理规划，来实现感知信息最大化，尽可能提高目标在控制中心处的成像效果。

Description

一种成像雷达通信系统的功率分配方法
技术领域
本发明涉及雷达通信技术领域，尤其是一种成像雷达通信系统的功率分配方法。
背景技术
雷达是英文Radar的音译，全称为radio detection and ranging，意思是“无线电探测和测距”，即通过无线电的方式发现目标并测定它们的空间位置。雷达通过发射电磁波照射目标，并接收它们的回波信号，从中获取目标相对于电磁波发射位置的距离、仰角、方位和径向速度等信息。成像作为雷达的主要用途之一，使得对目标的观测更加直观，通过成像可以直接展示目标的图像，而不是单个脉冲信号。雷达图像是由目标后向散射系数决定的不同灰度的像素点组成的。为了得到清晰的雷达图像，雷达必须同时具备高的距离向和方位向分辨率。
雷达可以看作是一个信息获取系统，与通信系统的基本原理类似，都有电磁波的发射和接收过程，并且两种系统的结构和信号具有相似性，因此如何通过现有技术令雷达具有实时通信的功能，不仅能够满足作战时效性，还能大大提高通信质量、增加作战距离，这也使得“雷达通信一体化”设计成为现代雷达技术研究的一个热门话题。
国内外很多研究已经对“雷达通信一体化”设计的可行性进行了探索，目前，针对雷达通信一体化的研究大致分为以下三个方向：(1)天线(孔径)一体化，雷达系统和通信系统在原理和结构上的相似性保证了两者在设备共用、资源共享(比如天线、发射机、接收机等)方面实现一体化的可能；(2)射频共享，一体化系统基于共享射频前端模块进行雷达和通信信号的实时控制与资源共享；(3)信号一体化，共享信号设计因其一体化程度最高而成为目前雷达通信技术研究最为广泛的方向。LFM信号最早被应用于雷达与通信共享信号设计，通过分别产生雷达信号和通信信号，并结合通信技术将两者叠加，实现共享波形设计，基于LFM信号的雷达通信一体化设计，针对传统的雷达波形，分开产生雷达和通信信号，就存在两种信号相互干扰，信息传输速率慢等问题，而采用OFDM技术可以有效地对抗符号间干扰，并具有更高的频谱效率，在近年来得到了广泛的研究。可以看出，现阶段的雷达通信一体化研究主要以系统设计为主，一体化信号的设计、雷达工作模式设置以及硬件设备调整等，在现有文献中已经得到了详细的刻画。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种成像雷达通信系统的功率分配方法，可以有效地减少系统信息损耗，抗干扰性能更优越。
为解决上述技术问题，本发明提供一种成像雷达通信系统的功率分配方法，包括如下步骤：
(1)综合考虑距离向和方位向探测，获取了目标的距离-方位信息，以满足成像要求；
(2)结合信道容量定理，在有限的总功率下，以最大化系统感知信息为目标建立优化函数，对探测系统和通信网络进行功率分配；
(3)研究不用的功率损耗对感知信息的影响。
优选的，步骤(1)中，获取的目标距离-方位互信息具体为：
式中，IR为探测所得目标的总距离-方位互信息，N为总目标数，Tr为雷达发射信号的脉冲重复周期，ρ2为单个目标回波信号的信噪比。
优选的，步骤(2)中，目标优化函数为：
式中，C为通信信道容量，为雷达探测时的发射平均功率，为雷达通信时的发射的平均功率，Ps为系统损耗功率，P为系统总功率，R1、R2分别为探测和通信距离，h为雷达平台飞行高度，R为目标观测区间与控制中心的距离；
按照该步骤求解得到的探测和通信的功率分配结果对所述系统进行功率分配，并合理规划雷达位置，实现系统感知信息最大化。
优选的，步骤(3)中，通过改变损耗功率占总功率的比重，仿真分析了系统感知信息的损耗情况，并与一般的雷达探测模型进行了比较。
本发明的有益效果为：本发明提出的成像雷达通信系统，在雷达现有设备基础上，加载通信功能，很少影响探测性能的同时，使雷达也可以实时通信，其在纯雷达系统的基础上考虑雷达前置来获取感知信息增益；本发明提出的优化方法在总功率受限时，以系统总的感知信息作为优化目标函数，对探测系统和通信网络进行功率分配，并对雷达的位置进行合理规划，来实现感知信息最大化，尽可能提高目标在控制中心处的成像效果；仿真结果表明，在本发明提出的优化设计下，当系统传输一定的信息量时，功率至少可节约4dB；且随着损耗功率的增加，本发明的成像雷达通信系统可以有效地减少系统信息损耗，抗干扰性能更优越。
附图说明
图1(a)为本发明系统模型示意图。
图1(b)为本发明系统模型示意图。
图2(a)为本发明不同带宽比下，系统感知信息随总功率的变化曲线示意图。
图2(b)为本发明不同带宽比下，系统感知信息随总功率的变化曲线示意图。
图3(a)为本发明不同带宽比下的优化分配方案示意图。
图3(b)为本发明不同带宽比下的优化分配方案示意图。
图4为本发明感知信息损耗随功率损耗的变化曲线示意图。
具体实施方式
一种成像雷达通信系统的功率分配方法，包括如下步骤：
(1)综合考虑距离向和方位向探测，获取了目标的距离-方位信息，以满足成像要求；
(2)结合信道容量定理，在有限的总功率下，以最大化系统感知信息为目标建立优化函数，对探测系统和通信网络进行功率分配；
(3)研究不用的功率损耗对感知信息的影响。
本实例提供了一种成像雷达通信系统，考虑以下情景：设置在地面上的通信控制中心需要对相距为R的观测区间内若干个目标进行成像处理，现有两种探测-通信方案如图1(a)和图1(b)：1)雷达架设在控制中心处执行探测任务，方便控制中心及时处理数据；2)在雷达现有设备的基础上加载通信功能，在很少影响探测性能的同时使雷达和控制中心能实时通信。在以上方案中，方案1为传统的雷达系统，缺点为探测距离固定；方案2为本发明提出的成像雷达通信系统，可以灵活地改变探测距离，但通信功能会占用一部分的功率，在一定程度上会影响探测性能。
本实施例提供的成像雷达通信系统，其探测过程与普通雷达系统一致，其中，所述雷达用于发射射频信号s1(t)，对距离为R1的目标观测区间进行侦查，以及接收由目标观测区间内的若干个目标反射回来的回波信号，从中提取目标距离-方位信息并传递给R2处的控制中心；所述控制中心用于对雷达传递的信号进行数据处理，以完成目标的成像要求。
其中，雷达接收到的由目标观测区间内的第i个目标反射回来的回波信号为：
ri(t)＝αis1(t-τi)+ni(t),1≤i≤N
接收信号与发射信号相比经历了幅度上的衰减αi和电磁波传播时延τi，ni(t)表示第i个回波信号中的加性噪声，其功率谱密度为N0。定义为第i个回波信号的信噪比，有
假设所有噪声都是独立同分布的，雷达接收天线对N个目标的回波信号进行合并得到
其中是雷达接收机处的总噪声。
实际中，雷达在进行目标探测时，观测区间要比探测距离小得多，于是各目标与雷达终端间的微小距离差可以忽略不计，因此雷达接收机接收到的每个目标的回波信号幅度衰减可以看作αi(i＝1,2,…,…,N)＝α，即信噪比也可以统一为如下形式
雷达从回波信号提取距离-方位信息s2(t)并传递给控制中心，控制中心接收到的信号为：
c(t)＝Γs2(t+τ)w(t)
接收信号的信噪比为：
式中，s2(t)为雷达向控制中心传输的信号，Γ、τ分别为信号s2(t)的幅度衰减因子和传播时延，w(t)为信号c(t)的加性噪声，功率谱密度为N0。
本实施例还提供了一种对上述成像雷达通信系统的优化方法，包括：
(1)综合考虑距离向和方位向探测，获取了目标的距离-方位信息，以满足成像要求。
假设雷达对单个目标进行探测时，一个脉冲重复周期Tr内所获得的距离-方位互信息为
I＝log2(1+ρ2)
则单位时间内获得的单目标信息量为
其中，ρ2表示雷达接收端的信噪比。
令距离向观测区间为T，方位向观测区间为θ。通常情况下，T＞Tr，本系统中令T＝ktTr(0＜kt＜1)。
则在观测区间内，距离向上有Nd＝BrT个目标，方位向上有个目标，其中，Br为雷达信号带宽，Δθ为方位分辨率，且当阵列数为M，相邻阵元间距为d时，
于是有单位时间内，观测区间中N＝NdNa个目标的总距离-方位信息量为
IR即为一定信噪比下，雷达对观测区间内若干个目标进行探测时，单位时间内获取的总距离-方位信息量。
(2)在保证所述总距离-方位信息量都能传输到控制中心的前提下，以最大化系统感知信息为目标建立目标优化函数，求解后得到所述系统的探测和通信功率分配以及雷达位置。
根据香农信道容量定理，有通信系统的信道容量为
C＝Bclog2(1+snr)
其中，Bc为通信带宽，snr表示控制中心处的接收信噪比。
本系统中采用通信占用雷达带宽模式，有利于节省信道带宽资源，令Bc＝kbBr(0＜kb＜＜1)，则
C＝kbBrlog2(1+snr)
C为通信系统的信道容量，即单位时间内信道允许通过的最大信息量。
假设雷达发射的有限能量信号为则发射信号能量为
由雷达方程可以得到R1处目标的回波信号能量
式中：为发射信号能量，Gt和Gr分别为发射、接收天线增益，λ为发射信号的波长，σ为雷达目标散射截面积(RCS)。
于是发射信号的衰减因子可以定义为
雷达接收端每个目标的回波信号信噪比可以表示为
定义雷达发射平均功率
则信噪比用平均功率表示为
fr＝1/Tr为脉冲重复频率。
在一定的信噪比ρ2下，可以求出此时雷达探测所获取的目标距离-方位信息量。雷达完成探测任务后，将有用信息传输给后方R2处的数据处理终端，实现雷达和控制中心的通信，通过对目标信号的估计和恢复，控制中心可以对观测区间内的目标进行成像操作。
假设雷达发射的通信信号为其信号能量为
由雷达方程可知，控制中心的接收能量为
假设此时平均发射功率为则控制中心处的接收信噪比为
为保证控制中心能够无差错地恢复目标信号，准确进行目标估计，需满足IR≤C，即
IR＝ktBrθ(M-1)d log2(1+ρ2)≤kbBrlog2(1+snr)＝C
特别地，当上式取等号时，表明所有的信息量都能传输到数据处理中心，信道资源完全被占用。
在总功率受限的条件下，对探测和通信进行功率分配，并合理规划雷达位置，得到最大化系统感知信息的方程式；假设系统总发射功率受限，即雷达探测、通信传输及系统损耗功率之和恒定：
假设机载雷达平台飞行高度为h，若要进一步规划雷达位置，有距离约束条件
要使成像雷达通信系统可获得的感知信息最大，可以得到如下带有约束的优化模型：
按照上述优化模型得到的所述功率分配结果对所述系统进行功率分配，按照得到的雷达位置重新布置雷达，实现系统感知信息的优化。
(3)为响应通信业的绿色通信要求，本发明在综合设计探测系统和通信网络时，考虑了功率损耗这一因素对系统感知信息的影响。在仿真中，假定损耗功率占总功率的比值为kp，即Ps＝kpP，通过改变kp的大小，观察总的距离-方位信息与无功率损耗情况下的信息量的比较，将减少的感知信息作为信息量损耗，得到不同系统的节能减排性能。
图2(a)和图2(b)分别给出了带宽比为0.02和0.05时，成像雷达通信系统(考虑雷达位置、不考虑雷达位置)和纯雷达系统的距离-方位互信息比较，可以看出总的感知信息随着系统总功率的增加而增大。如图2(a)所示，通信带宽占比为0.02，雷达位置固定(即不考虑距离分配)，雷达通信系统与纯雷达系统相比，可以获取大约0.22Mbit的信息量增益，考虑距离分配与否，感知信息增益由一开始的0.7Mbit逐渐下降至0.2Mbit，这是由于随着总功率的增加，雷达的最优位置逐渐靠近仿真时所选取的那个固定位置，因此两者之间差距逐渐减小。或者从节省功率的角度出发，当有一定的探测信息需要传输给控制中心处理时，如不考虑距离分配，本发明提出的成像雷达通信系统可以节省功率4dB左右；如考虑距离分配，则可节省功率更多。
图2(b)所示，通信带宽占比为0.05时，不考虑雷达位置时，成像雷达通信系统与纯雷达系统相比，其容量增益大约为0.25Mbit，而考虑距离分配，当雷达位于最优探测位置时，感知信息增益可高达2.5Mbit。
图3(a)和图3(b)给出了对应图2(a)和图2(b)的优化分配方案，包含功率分配和最优位置规划。由于在通信带宽不受限(例如带宽比为0.05)时，通信带宽不再是限制系统感知信息的因素，因此雷达可以尽可能地接近探测目标来获取更多的探测信息量，使控制中心对目标的估计更加准确，达到更优的成像效果。由于本发明仿真参数设置为理想条件，因此结果表明，探测距离为0，即雷达置于目标处，性能最优，但在实际探测情形下，机载雷达平台还需要考虑安全问题和隐蔽性要求，在确保电台安全的前提下，尽可能靠近目标，完成探测任务。
图4给出了系统在不同损耗功率下的距离-方位互信息损失情况，可以看出，系统的信息量损耗随着功率损耗的增加而增加。在一定的功率损耗下，一般的雷达探测系统信息损耗明显，当功率损耗占比90％时，有半成以上的信息损耗，系统性能遭到了严重的破坏。但本发明所述的成像雷达通信系统，可以有效地解决功率损耗带来的问题，并且随着损耗功率的增加，这种改善会更加明显。例如，损耗功率占比90％，当通信状况良好时(如通信带宽占比0.05)，信息量损耗下降到0.38；尤其当通信信道资源受限时，通过合理地调整功率分配，系统可以将信息损耗降低到0.1，整体性能几乎没有受到影响。
本发明基于雷达通信一体化设计理论，考虑采用通信中的香农信息论对雷达探测获取信息的过程进行系统地描述和刻画，并结合信道容量定理，实现雷达探测和通信传输的联合设计。

Claims (4)

1.一种成像雷达通信系统的功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)综合考虑距离向和方位向探测，获取了目标的距离-方位信息，以满足成像要求；
(2)结合信道容量定理，在有限的总功率下，以最大化系统感知信息为目标建立优化函数，对探测系统和通信网络进行功率分配；
(3)研究不用的功率损耗对感知信息的影响。
2.如权利要求1所述的成像雷达通信系统的功率分配方法，其特征在于，步骤(1)中，获取的目标距离-方位互信息具体为：
式中，IR为探测所得目标的总距离-方位互信息，N为总目标数，Tr为雷达发射信号的脉冲重复周期，ρ2为单个目标回波信号的信噪比。
3.如权利要求1所述的成像雷达通信系统的功率分配方法，其特征在于，步骤(2)中，目标优化函数为：
max：IR
式中，C为通信信道容量，为雷达探测时的发射平均功率，为雷达通信时的发射的平均功率，Ps为系统损耗功率，P为系统总功率，R1、R2分别为探测和通信距离，h为雷达平台飞行高度，R为目标观测区间与控制中心的距离；
按照该步骤求解得到的探测和通信的功率分配结果对所述系统进行功率分配，并合理规划雷达位置，实现系统感知信息最大化。
4.如权利要求1所述的成像雷达通信系统的功率分配方法，其特征在于，步骤(3)中，通过改变损耗功率占总功率的比重，仿真分析了系统感知信息的损耗情况，并与一般的雷达探测模型进行了比较。
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