CN111999703B - 频控阵mimo雷达通信一体化系统射频辐射控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，包括：确定频控阵MIMO雷达通信一体化系统的系统组成及目标先验知识；分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美‑罗下界表达式；建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型；求解频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型。本发明方法降低了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，有效提升了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。

Description

频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术，特别是涉及频控阵多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷达通信一体化系统射频辐射控制方法。

背景技术

频控阵MIMO雷达通信一体化系统在不同天线阵元之间引入了微小的频率差异，且该系统的基带发射信号满足正交原则，从而对发射天线方向图的距离角度时间依赖性产生了巨大的影响，受到了各国高校和研究机构的不断关注。

另外，现代电子环境干扰日趋激烈，雷达与通信系统的生存环境受到了电子侦察与干扰系统的巨大威胁。雷达与通信信号能够被干扰的前提是发射信号被对方截获和识别，因此，选择具备射频隐身特点的探测与通信体制、研究可降低雷达与通信信号被敌方所截获和识别概率的射频隐身技术是提高雷达与通信系统的探测性能、通信质量以及战场生存能力的重要途径。

频控阵MIMO雷达通信一体化系统不仅能够在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输，而且具有优良的抗侦察与抗干扰性能。然而，现有技术中尚未有频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，该方法从实际工程应用需求出发，降低了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，有效提升了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，包括以下步骤：

S1、确定频控阵MIMO雷达通信一体化系统的系统组成及目标先验知识；

S2、分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式；

S3、建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型；

S4、求解频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型。

进一步的，步骤S1中频控阵MIMO雷达通信一体化系统包括M个发射阵元和M个接收阵元，其中，发射阵元和接收阵元的间距均为D，发射信号波长为λ，该系统通过设置不同阵元上对发射正交信号附加的频率增量值，在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输；

发射阵列上第n个阵元的发射信号频率f_n为：

f_n＝f₀+(n-1)△f_n (1)；

其中，f₀为发射信号载频，△f_n为第n个阵元的频率增量，表示为：

△f_n＝a_n·△f (2)；

其中，△f为单位频率增量，a_n∈{-1,1}为二元变量，当a_n＝-1时，表示系统发射通信符号0；当a_n＝1时，表示系统发射通信符号1；

另外，根据先验知识，获取目标方位角为φ，目标与频控阵MIMO雷达通信一体化系统之间的距离为r。

进一步的，步骤S2具体为：

频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计的Fisher信息表示为：

其中，c为光速，φ为目标方位角，D为发射阵元和接收阵元的间距，λ为发射信号波长，M为发射阵元或接收阵元的个数，△f_n为第n个阵元的频率增量，SNR为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的输出信噪比，表示为：

其中，p_rad为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，β为目标相对于频控阵MIMO雷达通信一体化系统的散射系数，为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的噪声功率；

根据式(3)，对F_φ求倒数，即得到频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

类似地，频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计的Fisher信息表示为：

其中，△f为单位频率增量；

根据式(6)，对F_r求倒数，即得到频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

进一步的，步骤S3中根据一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值χ_φ和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值χ_r，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型，如下所示：

其中，p_rad为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，CRB_φ为频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能的克拉美-罗下界，CRB_r为频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界，为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的最大射频辐射功率。

进一步的，步骤S4中求解频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型的方法为：

令

其中，c为光速，φ为目标方位角，D为发射阵元和接收阵元的间距，λ为发射信号波长，M为发射阵元或接收阵元的个数，△f_n为第n个阵元的频率增量，SNR为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的输出信噪比，△f为单位频率增量；

通过基本数学运算，对频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型进行求解，即得到在满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值条件下，使得频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射功率最小的功率功率值为：

其中，表示频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率p_rad的最优解，/>为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的最大射频辐射功率，χ_φ为目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值，χ_r为目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值，β为目标相对于频控阵MIMO雷达通信一体化系统的散射系数，/>为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的噪声功率，min{x,y}表示求取x与y中的最小值，max{u,v}表示求取u与v中的最大值。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出了频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，该方法所完成的主要任务是考虑一部由多个阵元组成的频控阵MIMO雷达通信一体化系统，该系统通过设置不同阵元上对发射正交信号附加的频率增量值，在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输；另外，根据先验知识，获取目标方位角以及目标与频控阵MIMO雷达通信一体化系统之间的距离。然后，分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式。在此基础上，以满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值为约束条件，以最小化频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率为优化目标，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型，从而降低频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，提升频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。

该发明的优点是不仅能够在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输，而且还满足了给定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值要求，最重要的是有效降低了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，从而提升频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。产生该优点的原因是本发明采用了频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，该方法以满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值为约束条件，以最小化频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率为优化目标，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型。通过求解该优化模型，得到在满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值条件下，使得频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射功率最小的辐射功率值作为最优解，从而提升了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。

(2)与现有技术相比，本发明提出的频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，不仅能够在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输，而且还满足了给定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值要求，最重要的是有效降低了频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，从而提升频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。

附图说明

图1为频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法流程图；

图2为频控阵MIMO雷达通信一体化系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程做进一步说明。

本发明考虑一部由多个阵元组成的频控阵MIMO雷达通信一体化系统，该系统通过设置不同阵元上对发射正交信号附加的频率增量值，在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输；另外，根据先验知识，获取目标方位角以及目标与频控阵MIMO雷达通信一体化系统之间的距离。然后，分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式。在此基础上，以满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值为约束条件，以最小化频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率为优化目标，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型，从而降低频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，提升频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频隐身性能。

如图1所示，频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，包括以下步骤：

S1、确定频控阵MIMO雷达通信一体化系统的系统组成及目标方位角与目标距离等先验知识：

考虑一部由M个发射阵元和M个接收阵元组成的频控阵MIMO雷达通信一体化系统，如图2所示，其中，发射阵元和接收阵元的间距均为D，发射信号波长为λ。该系统通过设置不同发射阵元上对发射正交信号附加的频率增量值，在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输。

发射阵列上第n个发射阵元的发射信号频率f_n为：

f_n＝f₀+(n-1)△f_n (1)；

其中，f₀为发射信号载频，△f_n为第n个发射阵元的频率增量，可以表示为：

△f_n＝a_n·△f (2)；

其中，△f为单位频率增量，a_n∈{-1,1}为二元变量。当a_n＝-1时，表示系统发射通信符号0；当a_n＝1时，表示系统发射通信符号1。

另外，根据先验知识，获取目标方位角为φ，目标与频控阵MIMO雷达通信一体化系统之间的距离为r。

S2、分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计的Fisher信息可以表示为：

其中，c为光速，SNR为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的输出信噪比，可以表示为：

其中，p_rad为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，β为目标相对于频控阵MIMO雷达通信一体化系统的散射系数，为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的噪声功率，接收机由M个接收阵元组成。

根据式(3)，对F_φ求倒数，即可得到频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

类似地，频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计的Fisher信息可以表示为：

根据式(6)，对F_r求倒数，即可得到频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

S3、建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型：

根据一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值χ_φ和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值χ_r，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型，如下所示：

其中，为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的最大射频辐射功率。

S4、对频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型公式(8)进行求解：

令

通过基本数学运算，对优化模型公式(8)进行求解，即可得到在满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值条件下，使得频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射功率最小的功率功率值为：

其中，上标*表示最优解，即表示频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率p_rad的最优解，min{x,y}表示求取x与y中的最小值，max{u,v}表示求取u与v中的最大值。

本发明创造的工作原理及工作过程：

本发明首先考虑一部由多个阵元组成的频控阵MIMO雷达通信一体化系统，该系统通过设置不同阵元上对发射正交信号附加的频率增量值，在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输；另外，根据先验知识，获取目标方位角以及目标与频控阵MIMO雷达通信一体化系统之间的距离。然后，分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式。在此基础上，以满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值为约束条件，以最小化频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率为优化目标，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型。最后，对所建立的优化模型进行求解。通过求解该优化模型，得到在满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值条件下，使得频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射功率最小的辐射功率值作为最优解。

Claims (4)

1.频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定频控阵MIMO雷达通信一体化系统的系统组成及目标先验知识；

S2、分别构建表征频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能和目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式；具体为：

频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计的Fisher信息表示为：

其中，c为光速，φ为目标方位角，D为发射阵元和接收阵元的间距，λ为发射信号波长，M为发射阵元或接收阵元的个数，△f_n为第n个阵元的频率增量，SNR为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的输出信噪比，表示为：

其中，p_rad为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，β为目标相对于频控阵MIMO雷达通信一体化系统的散射系数，为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的噪声功率；

根据式(1)，对F_φ求倒数，即得到频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

类似地，频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计的Fisher信息表示为：

其中，△f为单位频率增量；

根据式(4)，对F_r求倒数，即得到频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界表达式，如下所示：

S3、建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型；

S4、求解频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型。

2.根据权利要求1所述的频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，其特征在于，步骤S1中频控阵MIMO雷达通信一体化系统包括M个发射阵元和M个接收阵元，其中，发射阵元和接收阵元的间距均为D，发射信号波长为λ，该系统通过设置不同阵元上对发射正交信号附加的频率增量值，在对目标进行参数估计的同时完成与己方通信系统之间的信息传输；

发射阵列上第n个阵元的发射信号频率f_n为：

f_n＝f₀+(n-1)△f_n (6)；

其中，f₀为发射信号载频，△f_n为第n个阵元的频率增量，表示为：

△f_n＝a_n·△f (7)；

其中，△f为单位频率增量，a_n∈{-1,1}为二元变量，当a_n＝-1时，表示系统发射通信符号0；当a_n＝1时，表示系统发射通信符号1；

另外，根据先验知识，获取目标方位角为φ，目标与频控阵MIMO雷达通信一体化系统之间的距离为r。

3.根据权利要求1所述的频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，其特征在于，步骤S3中根据一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值χ_φ和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值χ_r，建立频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型，如下所示：

其中，p_rad为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率，CRB_φ为频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标方位角参数估计性能的克拉美-罗下界，CRB_r为频控阵MIMO雷达通信一体化系统目标距离参数估计性能的克拉美-罗下界，为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的最大射频辐射功率。

4.根据权利要求1所述的频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制方法，其特征在于，步骤S4中求解频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型的方法为：

令

其中，c为光速，φ为目标方位角，D为发射阵元和接收阵元的间距，λ为发射信号波长，M为发射阵元或接收阵元的个数，△f_n为第n个阵元的频率增量，SNR为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的输出信噪比，△f为单位频率增量；

通过基本数学运算，对频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射控制优化模型进行求解，即得到在满足一定的目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值和目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值条件下，使得频控阵MIMO雷达通信一体化系统射频辐射功率最小的功率功率值为：

其中，表示频控阵MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射功率p_rad的最优解，/>为频控阵MIMO雷达通信一体化系统的最大射频辐射功率，χ_φ为目标方位角参数估计克拉美-罗下界阈值，χ_r为目标距离参数估计克拉美-罗下界阈值，β为目标相对于频控阵MIMO雷达通信一体化系统的散射系数，/>为频控阵MIMO雷达通信一体化系统接收机的噪声功率，min{x,y}表示求取x与y中的最小值，max{u,v}表示求取u与v中的最大值。