CN110824436B - 时空互补编码雷达通信一体化系统信号生成与处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电子信息和通信领域，公开了时空互补编码雷达通信一体化系统信号生成与处理方法，步骤包括：1)构造时空互补编码目标函数并求解得到时空互补编码集；2)通信内容编码和时空互补编码进行相关运算后进行混沌扰动二次加密；3)一体化系统分别辐射雷达编码信号和通信编码信号；4)雷达接收端基于一般雷达接收处理流程处理；5)通信端接收信号经一般通信接收处理流程后解调编码，经本地密钥编码和时空互补编码约定逆向反演得到通信内容编码。本发明应用互补码思想、现代优化方法、混沌同步和加密等技术构建信号产生和接收处理方法，增强了一体化系统灵活性，最大化雷达探测和通信传输和保密性能，同时降低接收处理机成本。

Description

时空互补编码雷达通信一体化系统信号生成与处理方法

技术领域

本发明涉及一种雷达通信一体化系统信号生成与处理方法，具体涉及一种基于时空互补编码技术的雷达信号和通信信号生成与处理方法，属于电子信息和通信领域。

背景技术

虽然都是基于电磁学原理，但是雷达系统和通信系统是两个完全不同的电子系统。近年来，由于多功能概念兴起、软件技术发展，以及电子技术进步，将雷达和通信整合为一体化系统的研究引起越来越多的重视。其中，信号共享是雷达通信一体化真正实现的关键技术之一。既有的典型信号共享方法主要有如下几类：一是直接将通信信号作为雷达信号使用，如OFDM、MPCP通信编码信号直接作为雷达发射信号使用；二是将雷达信号和通信信号叠加为一体化信号使用；三是综合考虑通信编码和雷达发射信号优化使用，有针对性进行一体化信号设计。既有方法都在一定程度上验证了一体化信号设计的可行性，但是在考虑通信和雷达功能特点上均有不足，如通信编码安全保密、通信对象和雷达对象空间差异性对信号的不同要求、一体化信号设计后雷达和通信性能都有不同程度降低等不利因素。

基于此，本发明设计提出一种新的一体化信号编码和传递方法，兼顾雷达和通信系统差异，可以有效解决保密通信，并最大化雷达探测和通信性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于阵列一体化系统最佳雷达和通信性能的时空互补编码产生和信号处理方法。根据电子系统实际应用场景不同使用需求担负不同角色，将一体化系统划分为一体化阵列、雷达阵列和通信基站三类角色，如图1所示，其中f₀,f₀,...,f_N-1表示各阵元发射载波频率。需要说明的是，考虑到应用灵活性，一体化系统由阵列组成，阵列可为线阵或面阵。

根据三类不同角色，形成不同组合，如一体化阵列与一体化阵列之间的通信收发分置数据传输、雷达收发分置探测功能实现，一体化阵列自身的通信端功能加雷达自发自收的探测功能，一体化阵列与单独雷达阵列的合作探测，以及一体化阵列与单独通信电台之间的通信传递等，极大增强了系统实现的灵活性和适用性。基于系统实现的灵活性，并尽可能最佳雷达探测和通信传输性能，提出如图2所示信号发射架构。需要说明的是，该设计架构并非要求雷达和通信阵元之间无论是数量或是阵元布站关系等需要一一对应关系，而完全可以根据实际需要安排阵元辐射对应信号。甚至在完全自发自收体制下，雷达和通信可以完全实现信号共享，即单纯辐射通信信号即可同时满足通信功能，而通过波束控制或分时工作等方式区分雷达目标探测和通信辐射覆盖。

在此架构下，本发明提出一种时空互补编码雷达通信一体化系统信号生成与处理方法，流程如图3所示，包括如下步骤：

步骤一、在雷达发射端，基于互补编码、脉冲积累的方式，构造时空互补编码目标函数，基于优化方法求解得到时空互补编码集，作为发射用雷达编码信号，具体包括：

1.1在空间维度上，基于互补编码，并考虑到实际作为雷达接收时，既有自身匹配滤波自相关叠加，也有其它阵元天线辐射信号互相关影响，确定一体化系统雷达阵元个数为I，各信号序列A_i，各序列长度均为N，单通道i的相关处理计算为

其中τ为时间变量，AR_i(τ)表示A_i信号自相关，AR_ij(τ)表示A_i信号与A_j信号互相关；

对于互补编码信号，对于任意两个长度均为N的序列A₁和A₂，非周期自相关函数满足

其中

表示序列A₁信号的非周期自相关函数，

表示序列A₂信号的非周期自相关函数；

不同于理想互补编码自相关函数主峰增强、旁瓣对消效应，在单通道中是单通道接收信号自相关函数和互相关和函数旁瓣对消，而主峰维持不变，同时考虑通道融合处理，并叠加自相关主峰增强，自相关旁瓣和互相关和函数对消归零理想效应，进一步放宽条件为

1.2在时间维度上，考虑波形脉冲积累，在阵元脉冲序列辐射符合要求的互补码序列，从而构造形成时空互补信号序列，如图4所示，其中各阵元脉冲积累个数为K个，表示为

其中AR_ik(τ)表示空间信号A_ik时间维度自相关，AR_ik,jk(τ)表示A_ik信号与A_jk信号空间维度互相关；

1.3根据步骤1.1、1.2得到时空互补编码目标函数表示，并定义

其中m表示离散序列移位量。

计算峰值旁瓣比指标

PSLR_AC＝10*log₁₀(|RR(0)|/|RR(m)|_2thpeak) (6)

其中|RR(m)|_2thpeak表示第二峰值；

计算积分旁瓣比指标

定义目标函数

其中α₁，α₂分别表示赋权系数，约定最大化max(·)目标函数下的编码集{A_i}求解。

基于峰值旁瓣比和积分旁瓣比指标考察时空互补编码目标函数性能，转化为凸优化问题求解；

1.4应用凸优化方法求解最佳编码，得到雷达发射用时空互补编码相位序列，并同时转换为01序列；

1.5根据时空互补编码相位序列生成对应一体化系统雷达相位编码信号。

步骤二、在通信发射端，具体通信内容编码首先和抽取的时空互补编码进行相关运算，然后再和随机编码序列进行二次加密操作得到随机通信编码序列，经信道编码，得到发射用通信编码信号，具体包括：

2.1将通信内容按照编码标准转换为01编码序列，并根据通信编码处理机制，通过帧分割、帧头编码以及信道编码，形成完整的通信内容编码01序列；

2.2时空互补编码01序列与通信内容编码01序列进行相关数学逻辑运算，得到经互补编码序列加密后的一次扰动编码01序列；

2.3选取具有白噪声或接近白噪声分布的混沌系统，产生混沌随机序列；对混沌随机序列进行归一化、去初始段、离散抽样、量化编码等处理，得到混沌随机编码01序列；使用所得混沌随机编码01序列和一次扰动编码01序列进行约定数学逻辑运算，得到混沌随机加密后二次扰动编码01序列；

选择构造接近满足白噪声随机分布的混沌系统产生随机序列，并对通信编码内容序列白噪声化，将经处理后的通信编码序列在j阵元上的序列信号表示为B_j，总的通信信道数量为J，并且满足

以此具备较好的时空互补信号特征，增强通信信号积累、抗多径干扰、多址通信性能，并且在自发自收体制中，能够便捷作为雷达信号直接使用；

2.4按照通信发射机制发射经二次扰动编码后的01序列，以取代通信内容编码01序列。

步骤三、雷达通信一体化系统根据应用场景在阵元间灵活配置，雷达编码信号和通信编码信号分别经射频调制，向空间辐射信号；

步骤四、在雷达接收处理端，基于雷达接收处理流程对接收到的一体化系统回波进行处理，过程为：

一体化阵列雷达各接收通道天线接收到回波后，直接经接收机、去载波、单通道雷达信号处理以及多通道融合信号处理，获取雷达目标信息，示意如图5所示，接收信号处理过程中同时进行匹配滤波处理，由于发射信号的时空互补特点，通道间空间串扰计算为

其中ABR_ik,jk(m)为雷达信号A_ik与通信信号B_jk的互相关函数，BR_ik,jk(m)表示通信信号B_ik与通信信号B_jk的互相关函数，且对于任意信号集内的信号均成立；

基于信号时空互补特性，降低空间维度串扰，增强时间维度脉冲积累，总的接收信号匹配滤波处理RRC(m)计算为

获得雷达接收处理最佳增益；

步骤五、在通信接收处理端，接收信号经通信接收处理流程，得到解调后编码，经通信端本地密钥编码和雷达使用时空互补编码约定逆向反演，得到通信内容编码，进而实现通信传递，示意如图6所示，具体包括：

5.1单通信信道接收信号后经接收机、去载波、编码解调，得到加密后的通信编码，表现为随机编码序列；

5.2根据混沌加密机制获取当前加密混沌序列，结合运算用的互补码序列进行解密运算，经过二次逆运算，即获得通信内容编码序列；

5.3经通信编码数据处理以及多通道合成，获得完整的通信编码内容，完成通信过程。

采用本发明能达到以下有益效果：

1.使用本方法的一体化系统一体发射机、一体接收机、雷达接收机、通信接收机既可分开部署，也可集成部署，极大增强系统的灵活性，拓宽系统的适应性；

2.雷达信号时空互补编码设计：在时间维度和空间维度发射互补编码信号，最大化雷达信号探测能力；

3.通信内容编码经过互补码和混沌随机码序列二重加密，无需传递密钥，通信安全得以保障；

4.雷达和通信编码信号在时间维和空间维上的准正交性，确保了信号处理增益，雷达和通信性能可最佳兼顾；

5.简化雷达接收机：不同经典一体化系统雷达信号处理依赖预先通信编码解调。所提设计方案可直接应用一般雷达信号处理流程处理，降低一体化系统雷达接收机设计要求，从而降低成本。

附图说明

图1是系统场景角色示意；

图2是雷达通信一体发射模块；

图3是方法流程图；

图4是雷达时空脉冲信号产生示意；

图5是雷达接收处理流程；

图6是通信接收处理流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

一种时空互补编码雷达通信一体化系统信号生成与处理方法，流程如图3所示，步骤包括：

步骤一、雷达发射端，借鉴互补编码、脉冲积累思想，构造时空互补编码目标函数，基于优化算法求解得到时空互补编码集，作为发射用雷达编码信号。具体包括：

步骤一、在雷达发射端，基于互补编码、脉冲积累的方式，构造时空互补编码目标函数，基于优化方法求解得到时空互补编码集，作为发射用雷达编码信号，具体包括：

1.1在空间维度上，基于互补编码，并考虑到实际作为雷达接收时，既有自身匹配滤波自相关叠加，也有其它阵元天线辐射信号互相关影响，确定一体化系统雷达阵元个数为I，各信号序列A_i，各序列长度均为N，单通道i的相关处理计算为

其中τ为时间变量，AR_i(τ)表示A_i信号自相关，AR_ij(τ)表示A_i信号与A_j信号互相关；

对于互补编码信号，对于任意两个长度均为N的序列A₁和A₂，非周期自相关函数满足

其中

表示序列A₁信号的非周期自相关函数，

表示序列A₂信号的非周期自相关函数；

不同于理想互补编码自相关函数主峰增强、旁瓣对消效应，在单通道中是单通道接收信号自相关函数和互相关和函数旁瓣对消，而主峰维持不变，同时考虑通道融合处理，并叠加自相关主峰增强，自相关旁瓣和互相关和函数对消归零理想效应，进一步放宽条件为

1.2在时间维度上，考虑波形脉冲积累，在阵元脉冲序列辐射符合要求的互补码序列，从而构造形成时空互补信号序列，如图4所示，其中各阵元脉冲积累个数为K个，表示为

其中AR_ik(τ)表示空间信号A_ik时间维度自相关，AR_ik,jk(τ)表示A_ik信号与A_jk信号空间维度互相关；

1.3根据步骤1.1、1.2得到时空互补编码目标函数表示，并定义

其中m表示离散序列移位量。

计算峰值旁瓣比指标

PSLR_AC＝10*log₁₀(|RR(0)|/|RR(m)|_2thpeak) (17)

其中|RR(m)|_2thpeak表示第二峰值；

计算积分旁瓣比指标

定义目标函数

其中α₁，α₂分别表示赋权系数，约定最大化max(·)目标函数下的编码集{A_i}求解。常规条件下，等同赋权，取α₁＝0.5，α₂＝0.5。

基于峰值旁瓣比和积分旁瓣比指标考察时空互补编码目标函数性能，转化为凸优化问题求解；

1.4应用凸优化方法求解最佳编码，得到雷达发射用时空互补编码相位序列，并同时转换为01序列；

1.5根据时空互补编码相位序列生成对应一体化系统雷达相位编码信号。

步骤二、在通信发射端，具体通信内容编码首先和抽取的时空互补编码进行相关运算，然后再和随机编码序列进行二次加密操作得到随机通信编码序列，经信道编码，得到发射用通信编码信号，具体包括：

2.1将通信内容按照编码标准转换为01编码序列，并根据通信编码处理机制，通过帧分割、帧头编码以及信道编码，形成完整的通信内容编码01序列；

2.2时空互补编码01序列与通信内容编码01序列进行相关数学逻辑运算，得到经互补编码序列加密后的一次扰动编码01序列；

2.3选取具有白噪声或接近白噪声分布的混沌系统，产生混沌随机序列；对混沌随机序列进行归一化、去初始段、离散抽样、量化编码等处理，得到混沌随机编码01序列；使用所得混沌随机编码01序列和一次扰动编码01序列进行约定数学逻辑运算，得到混沌随机加密后二次扰动编码01序列；

选择构造接近满足白噪声随机分布的混沌系统产生随机序列，并对通信编码内容序列白噪声化，将经处理后的通信编码序列在j阵元上的序列信号表示为B_j，总的通信信道数量为J，并且满足

以此具备较好的时空互补信号特征，增强通信信号积累、抗多径干扰、多址通信性能，并且在自发自收体制中，能够便捷作为雷达信号直接使用；

2.4按照通信发射机制发射经二次扰动编码后的01序列，以取代通信内容编码01序列。

步骤三、雷达通信一体化系统根据应用场景在阵元间灵活配置，雷达编码信号和通信编码信号分别经射频调制，向空间辐射信号；

步骤四、在雷达接收处理端，基于雷达接收处理流程对接收到的一体化系统回波进行处理，过程为：

一体化阵列雷达各接收通道天线接收到回波后，直接经接收机、去载波、单通道雷达信号处理以及多通道融合信号处理，获取雷达目标信息，示意如图5所示，接收信号处理过程中同时进行匹配滤波处理，由于发射信号的时空互补特点，通道间空间串扰计算为

其中ABR_ik,jk(m)为雷达信号A_ik与通信信号B_jk的互相关函数，BR_ik,jk(m)表示通信信号B_ik与通信信号B_jk的互相关函数，且对于任意信号集内的信号均成立；

基于信号时空互补特性，降低空间维度串扰，增强时间维度脉冲积累，总的接收信号匹配滤波处理RRC(m)计算为

获得雷达接收处理最佳增益；

步骤五、在通信接收处理端，接收信号经通信接收处理流程，得到解调后编码，经通信端本地密钥编码和雷达使用时空互补编码约定逆向反演，得到通信内容编码，进而实现通信传递，示意如图6所示，具体包括：

5.1单通信信道接收信号后经接收机、去载波、编码解调，得到加密后的通信编码，表现为随机编码序列；

5.2根据混沌加密机制获取当前加密混沌序列，结合运算用的互补码序列进行解密运算，经过二次逆运算，即获得通信内容编码序列；

5.3经通信编码数据处理以及多通道合成，获得完整的通信编码内容，完成通信过程。

该过程无需单独进行密钥传递，且由于理论密钥长度无限长，通信保密性得到较好保证；同时雷达信号与通信信号形式上正交，两不同通信信号之间形式上正交，极大减少了信号间的串扰，从而可增强通信鲁棒性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.时空互补编码雷达通信一体化系统信号生成与处理方法，其特征包括：所述方法包括以下步骤：

步骤一、在雷达发射端，基于互补编码、脉冲积累的方式，构造时空互补编码目标函数，基于优化方法求解得到时空互补编码集，作为发射用雷达编码信号，具体包括：

1.1在空间维度上，基于互补编码，并考虑到实际作为雷达接收时，既有自身匹配滤波自相关叠加，也有其它阵元天线辐射信号互相关影响，确定一体化系统雷达阵元个数为I，各信号序列A_i，各序列长度均为N，单通道i的相关处理计算为

其中τ为时间变量，AR_i(τ)表示A_i信号自相关，AR_ij(τ)表示A_i信号与A_j信号互相关；

对于互补编码信号，对于任意两个长度均为N的序列A₁和A₂，非周期自相关函数满足

其中

表示序列A₁信号的非周期自相关函数，

表示序列A₂信号的非周期自相关函数；

不同于理想互补编码自相关函数主峰增强、旁瓣对消效应，在单通道中是单通道接收信号自相关函数与互相关和函数，旁瓣对消，而主峰维持不变，同时考虑通道融合处理，并叠加自相关主峰增强，自相关和函数、与互相关和函数旁瓣对消、理想归零效应，进一步放宽条件为

1.2在时间维度上，考虑波形脉冲积累，在阵元脉冲序列辐射符合要求的互补码序列，从而构造形成时空互补信号序列，其中各阵元脉冲积累个数为K个，表示为

其中AR_ik(τ)表示空间信号A_ik时间维度自相关，AR_ik,jk(τ)表示A_ik信号与A_jk信号空间维度互相关；

1.3根据步骤1.1、1.2得到时空互补编码目标函数表示，并定义

其中m表示离散序列移位量；

计算峰值旁瓣比指标

PSLR_AC＝10*log₁₀(|RR(0)|/|RR(m)|_{2th peak}) (6)

其中|RR(m)|_{2th peak}表示第二峰值；

计算积分旁瓣比指标

定义目标函数

其中α₁，α₂分别表示赋权系数，约定最大化max(·)目标函数下的编码集{A_i}求解；

基于峰值旁瓣比和积分旁瓣比指标考察时空互补编码目标函数性能，转化为凸优化问题求解；

1.4应用凸优化方法求解最佳编码，得到雷达发射用时空互补编码相位序列，并同时转换为01序列；

1.5根据时空互补编码相位序列生成对应一体化系统雷达相位编码信号；

步骤二、在通信发射端，具体通信内容编码首先和抽取的时空互补编码进行相关运算，然后再和随机编码序列进行二次加密操作得到随机通信编码序列，经信道编码，得到发射用通信编码信号，具体包括：

2.1将通信内容按照编码标准转换为01编码序列，并根据通信编码处理机制，通过帧分割、帧头编码以及信道编码，形成完整的通信内容编码01序列；

2.2时空互补编码01序列与通信内容编码01序列进行相关数学逻辑运算，得到经互补编码序列加密后的一次扰动编码01序列；

2.3选取具有白噪声或类白噪声分布的混沌系统，产生混沌随机序列；对混沌随机序列进行归一化、去初始段、离散抽样、量化编码处理，得到混沌随机编码01序列；使用所得混沌随机编码01序列和一次扰动编码01序列进行约定数学逻辑运算，得到混沌随机加密后二次扰动编码01序列；

选择构造类白噪声随机分布的混沌系统产生随机序列，并对通信内容编码序列白噪声化，将经处理后的通信编码序列在j阵元上的序列信号表示为B_j，总的通信信道数量为J，并且满足

以此具备较好的时空互补信号特征，增强通信信号积累、抗多径干扰、多址通信性能，并且在自发自收体制中，能够便捷作为雷达信号直接使用；

2.4按照通信发射机制发射经二次扰动编码后的01序列，以取代通信内容编码01序列；

步骤三、雷达通信一体化系统根据应用场景在阵元间灵活配置，雷达编码信号和通信编码信号分别经射频调制，向空间辐射信号；

步骤四、在雷达接收处理端，基于雷达接收处理流程对接收到的一体化系统回波进行处理，过程为：

一体化阵列雷达各接收通道天线接收到回波后，直接经接收机、去载波、单通道雷达信号处理以及多通道融合信号处理，获取雷达目标信息，接收信号处理过程中同时进行匹配滤波处理，由于发射信号的时空互补特点，通道间空间串扰计算为

其中ABR_ik,jk(m)为雷达信号A_ik与通信信号B_jk的互相关函数，BR_ik,jk(m)表示通信信号B_ik与通信信号B_jk的互相关函数，且对于任意信号集内的信号均成立；

基于信号时空互补特性，降低空间维度串扰，增强时间维度脉冲积累，总的接收信号匹配滤波处理RRC(m)计算为

获得雷达接收处理最佳增益；

步骤五、在通信接收处理端，接收信号经通信接收处理流程，得到解调后编码，经通信端本地密钥编码和雷达使用时空互补编码约定逆向反演，得到通信内容编码，进而实现通信传递，具体包括：

5.1单通信信道接收信号后经接收机、去载波、编码解调，得到加密后的通信编码，表现为随机编码序列；

5.2根据混沌加密机制获取当前加密混沌序列，结合运算用的互补码序列进行解密运算，经过二次逆运算，即获得通信内容编码序列；

5.3经通信编码数据处理以及多通道合成，获得完整的通信编码内容，完成通信过程。

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