CN112034444A - 基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达信号处理技术领域，公开了一种基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，通过利用循环编码阵列空域发射信号的频率范围与空域照射角度之间的对应关系，确定发射信号所占频带，生成基础线性调频信号；在通信角度对应的发射信号频段内对线性调频信号进行连续相位调制，使其携带通信信息，生成雷达通信一体化信号；通过利用阵列天线将雷达通信一体化信号不同时地发射到空间中，在雷达接收端进行接收信号处理得到目标信息，在通信接收端进行解调得到通信数据。本发明采用单一发射信号，无需迭代求解，减小发射信号设计和求解的复杂度。

Description

基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，可用于雷达通信一体化系统。

背景技术

众多电子设备装备在同一平台不仅会占据平台空间、增加平台的反射面积，不同设备之间还会产生电磁干扰，严重影响平台综合性能。由于雷达与通信设备的部分硬件相同，且雷达与通信系统工作原理相似，雷达、通信设备被集成在同一系统中，形成雷达通信一体化系统以实现资源共享、提高电子设备的综合利用率。在空间形成多个波束，利用不同波束同时实现雷达探测及通信传输功能可将雷达与通信在空间进行隔离，降低一体化系统中雷达与通信之间的相互影响。

相控阵雷达可通过波束形成技术在空域形成窄波束，并通过控制移相器的相移量实现空域扫描。窄波束意味着相控阵雷达失去了同时多方向探测的能力。MIMO雷达能够通过发射相互正交的波形形成全空域覆盖的低增益发射方向图，由于增益较低，接收端需进行长时间相干积累，而长时间积累又会带来目标回波跨距离单元、跨多普勒单元、跨接收波束的三跨问题。因此，对于雷达系统，需考虑介于全向波束及窄波束之间的指向特定空域的宽波束设计。对于通信系统，其一般工作在点对点的通信模式下，采用窄波束即可完成。因此，在空域中合成多个波束，包含实现雷达探测所需的宽波束及实现通信传输所需的窄波束可同时实现雷达及通信功能。此外，现有的雷达通信一体化方法大多需抑制雷达与通信功能之间的相互影响，而多波束将雷达与通信在空间进行隔离，能够减小雷达与通信系统间干扰。

P.M.McCormick，J.G.Metcalf，S.D.Blunt等人在其发表的论文“Simultaneousradar and communications from a common aperture part I：theory”(2017 IEEERadar Conference，Seattle，USA，2017，pp.1685-1690)中提出了一种基于MIMO阵列的雷达通信一体化方法。该方法利用ERA(Error Reduction Algorithm)算法进行MIMO发射信号设计，在期望的雷达探测和通信传输角度合成雷达与通信期望信号。该方法需要对发射信号进行补偿，得到恒包络的发射信号以适应雷达功率放大器的需求；而进行信号补偿时会浪费部分能量，且发射信号的求解需进行多次迭代，计算复杂度较高，当仿真初始设置的浪费能量比小于实际进行信号补偿所需的浪费能量比时，发射信号的求解问题无法收敛。

Mengchao Jiang，Guisheng Liao，Zhiwei Yang等人在其发表的论文“Integratedwaveform design for an integrated radar and communication system with auniform linear array”(2020 IEEE 11th Sensor Array and Multichannel SignalProcessing Workshop(SAM)，Hangzhou，China，2020)中提出了一种基于MIMO阵列的雷达通信一体化方法。该方法利用线性叠加和交替投影方法求解MIMO发射信号，在期望的雷达探测和通信传输角度合成雷达与通信期望信号。相较于上述方法，该方法的雷达波束为宽波束，可实现多目标探测，且得到的宽波束边缘下降快，与理想波束差异小。但该方法同样需要对发射信号进行补偿以得到恒包络信号，该过程会导致能量利用率下降。同时，该方法需要进行多次交替投影，计算复杂度较高。

综上所述，现有的基于MIMO阵列的多波束雷达通信一体化方法在进行发射信号设计时，存在设计复杂度高，求解运算量大，且求解过程可能不收敛的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，通过利用循环编码阵列空域发射信号的频率与空域照射角度之间的对应关系，确定发射信号所占频带，生成基础线性调频信号；在通信角度对应的发射信号频段内对线性调频信号进行连续相位调制，使其携带通信信息，生成雷达通信一体化信号。本发明采用单一发射信号，无需迭代求解，减小发射信号设计和求解的复杂度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，包括以下步骤：

步骤1，建立循环编码阵列模型，利用循环编码阵列产生的发射方向图的照射角度与发射信号的频率的对应关系，生成基本线性调频信号；

步骤2，将发射端的待传输通信码元序列加载于所述基本线性调频信号上，即在通信调制时间段上对所述基本线性调频信号进行连续相位调制，得到携带通信信息的雷达通信一体化信号；

步骤3，根据循环编码阵列的相邻发射信号的时间延迟，通过阵列天线将所述携带通信信息的雷达通信一体化信号发射到空间；

步骤4，发射信号经空间目标反射后，雷达接收机接收回波信号，并对回波信号进行目标探测；同时，通信接收机直接接收发射信号，并对接收的信号进行基于通信角度的解调，得到待传输通信数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明由于采用循环编码阵列，可避免复杂的多维正交波形设计和求解问题，降低了一体化系统的运算复杂度，使得各阵元只需要在不同时刻发射完全相同的雷达通信一体化波形即可实现雷达目标探测功能和通信信息传递功能。

(2)本发明由于在空间中合成了多个波束，在不同波束内实现雷达探测与通信传输功能，实现了雷达与通信在空间上的隔离，避免了雷达与通信系统之间的相互干扰。

(3)本发明由于解调通信数据时需要利用通信接收端的空间角度信息，使得通信功能具有隐蔽性。对于非合作接收端，即使其截获到了发射信号，也无法进行解调获取通信数据。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的实现流程图；

图2是采用本发明方法在空间中合成的多波束的发射方向图；

图3是采用本发明方法进行恒虚警检测得到的目标检测概率随信噪比变化图；

图4是采用本发明方法在通信接收机方向进行通信数据解调得到的通信误码率随信噪比变化图；

图5是采用本发明方法在空间不同角度进行通信数据解调得到的误码率随空间角度变化图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，本发明提供的一种基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，包括以下步骤：

步骤1，建立循环编码阵列模型，利用循环编码阵列产生的发射方向图的照射角度与发射信号的频率的对应关系，生成基本线性调频信号；

本发明采用循环编码阵列实现多波束雷达通信一体化；循环编码阵列与传统相控阵类似，仅将传统相控阵中的移相器改为延时器，各阵元以一定时间间隔发射完全相同的信号，时间间隔一般设置为发射信号带宽的倒数。循环编码阵列的发射信号频率范围与发射方向图的照射角度之间有一一对应关系，因此，可通过对循环编码阵列的发射信号的频段进行设计实现对方向图覆盖角度的控制。

1.1，建立循环编码阵列模型：设循环编码阵列的阵元个数为N，发射信号的原始带宽为B，相邻阵元以时间延迟

发射完全相同的信号，发射信号的瞬时频率为f，脉冲宽度T，单个方向对应的频带宽度为

1.2，设置雷达角度范围Θ_R＝[θ_{R_min}，θ_{R_max}]，θ_{R_min}和θ_{R_max}分别为雷达照射的最小角度和最大角度，通信接收端相对于发射端的角度为θ_C；

循环编码阵列产生的发射方向图的照射角度与发射信号的频率的对应关系为：

根据上式，计算得到雷达的发射信号带宽为

通信系统的发射信号带宽为

雷达的信号载频为

通信系统的信号载频为

1.3，计算得到实际带宽B_I＝B_R+B_C，线性调频信号的调频斜率

雷达信号长度

通信信号长度

1.4，线性调频信号产生器根据输入的脉冲宽度T、雷达的发射信号带宽B_R、雷达信号载频f_R、雷达信号长度T_R、通信系统的发射信号带宽B_C、通信系统的信号载频f_C，通信信号长度T_C，生成基本线性调频信号：

其中，t为时间，

步骤2，将发射端的待传输通信码元序列加载于所述基本线性调频信号上，即在通信调制时间段上对所述基本线性调频信号进行连续相位调制，得到携带通信信息的雷达通信一体化信号；

在通信调制时间段T_C上对步骤1.4生成的基本线性调频信号进行连续相位调制，将通信码元加载至基本线性调频信号中，得到携带通信信息的雷达通信一体化信号：

其中，s(t)为携带通信信息的雷达通信一体化信号，即循环编码阵列各个阵元发射的信号；N_b为在T_C时间段内调制的通信码元个数；k为通信码元个数变量，1≤k≤N_b；T_s为一个通信码元所占据的调制时间；h为连续相位调制的调制系数，0≤h≤1；a_i为第i个码元的值，a_i∈{-(M-1)，-(M-3)，…，(M-3)，(M-1)}；M为通信调制进制数，取值为2的整数次幂；i为通信码元个数变量，1≤i≤N_b；L为连续相位调制的相关长度，1≤L≤N_b。

步骤3，根据循环编码阵列的相邻发射信号的时间延迟，通过阵列天线将所述携带通信信息的雷达通信一体化信号发射到空间；

通过阵元间距为半波长的阵列天线将步骤2生成的携带通信信息的雷达通信一体化信号以时间延迟

在不同时刻发射到空间中；空间中有待探测的目标和通信接收端，发射的信号分别到达待探测的目标和通信接收端。

步骤4，发射信号经空间目标反射后，雷达接收机接收回波信号，并对回波信号进行目标探测；同时，通信接收机直接接收发射信号，并对接收的信号进行基于通信角度的解调，得到待传输通信数据。

雷达通信一体化信号经空间待探测目标反射后，产生回波信号被雷达的接收机接收，雷达再对回波信号进行信号处理，得到目标信息。例如：对回波信号依次进行脉冲压缩、动目标显示、动目标检测及恒虚警检测等，得到目标检测结果。

雷达通信一体化信号到达通信接收机后直接被接收处理，使接收端得到传输信息，具体过程为：

4.1)对通信接收机接收到的信号进行傅里叶变换，得到通信接收机接收信号的频谱S′_T(f，θ₀)，再计算得到发射的雷达通信一体化信号的频谱：

其中，S′(f)为发射的雷达通信一体化信号的频谱，S′_T(f，θ₀)为通信接收机在空间θ₀角度方向上接收到信号的频谱，γ(θ₀，f)为循环编码阵列特有的空间角度θ₀方向上的空频调制系数。

由于通信接收端相对于发射端是合作方，其相对角度可认为是已知的。因此，对于通信接收机，γ(θ₀，f)相当于是已知的。

4.2)对雷达通信一体化信号的频谱S′(f)进行逆傅里叶变换，得到发射的雷达通信一体化信号；再对得到的雷达通信一体化信号进行最大似然检测，得到待传输通信码元数据，至此，完成空间信息传递。

本发明通过利用循环编码阵列空域发射信号的频率范围与空域照射角度之间的对应关系，确定发射信号所占频带，生成基础线性调频信号；在通信角度对应的发射信号频段内对线性调频信号进行连续相位调制，使其携带通信信息，生成雷达通信一体化信号；通过利用阵列天线将雷达通信一体化信号不同时地发射到空间中，在雷达接收端进行接收信号处理得到目标信息，在通信接收端进行解调得到通信数据。

仿真实验

为了证明本发明的有效性，采用以下仿真对比试验进一步说明。

(1)仿真条件：

设线性调频信号的中心频率f₀＝1GHz；线性调频信号的带宽B＝50MHz；线性调频信号的脉冲宽度T＝40μs；一个通信码元所占据的调制时间T_s＝0.1μs；连续相位调制的调制系数

通信调制进制数M＝2；连续相位调制的相关长度L＝2；雷达照射的最小角度θ_{R_min}＝0°；雷达照射的最大角度θ_{R_max}＝30°；通信角度θ_C＝-45°。

仿真软件环境为Intel(R)Core(TM)i7-6700 CPU@3.40GHz，Windows 7旗舰版64bit操作系统下的Matlab R2016a。

(2)仿真内容与结果分析：

仿真1：在上述仿真条件下，利用本发明生成多波束雷达通信一体化信号发射到空间，得到在空间中合成的发射方向图结果如图2所示，图中纵坐标为幅度。由图2可知，本发明发射多波束雷达通信一体化信号时，可在空间生成分别对应雷达和通信角度的多个波束。

仿真2：在上述仿真条件下，设置虚警概率P_fa＝10^-4，蒙特卡洛实验次数为10000，将本发明生成多波束雷达通信一体化信号发射到空间，在雷达接收端进行恒虚警检测处理，得到检测概率随信噪比变化的曲线结果如图3，图中纵坐标为检测概率。由图3可知，本发明发射多波束雷达通信一体化信号时，其信噪比大于-3dB时检测概率维持在1，即本发明发射多波束雷达通信一体化信号时能够实现雷达的目标探测功能。

仿真3：在上述仿真条件下，用本发明给出的解调方法对通信接收机接收到的信号进行解调，得到通信误码率随信噪比的变化如图4所示。由图4可知，解调误码率在信噪比大于34dB时达到了误码率平层，即为0，表明本发明所设计的雷达通信一体化方法能够实现通信信息传递。

仿真4：在上述仿真条件下，设置信噪比为30dB，采用本发明在空间不同角度进行通信数据解调，得到的通信误码率随信噪比变化图，如图5所示。图5中只有在通信方向θ_C＝-45°处，误码率较低，由此说明本发明设计的雷达通信一体化方法具有通信隐蔽性，即对于发射空间角度方向未知的非合作的接收端，尽管其截获到了发射信号，也无法对发射信号进行正确解调，从而无法截获到通信数据。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立循环编码阵列模型，利用循环编码阵列产生的发射方向图的照射角度与发射信号的频率的对应关系，生成基本线性调频信号；

步骤2，将发射端的待传输通信码元序列加载于所述基本线性调频信号上，即在通信调制时间段上对所述基本线性调频信号进行连续相位调制，得到携带通信信息的雷达通信一体化信号；

步骤3，根据循环编码阵列的相邻发射信号的时间延迟，通过阵列天线将所述携带通信信息的雷达通信一体化信号发射到空间；

步骤4，发射信号经空间目标反射后，雷达接收机接收回波信号，并对回波信号进行目标探测；同时，通信接收机直接接收发射信号，并对接收的信号进行基于通信角度的解调，得到待传输通信数据。

2.根据权利要求1所述的基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，其特征在于，所述建立循环编码阵列模型，具体为：设循环编码阵列的阵元个数为N，发射信号的原始带宽为B，相邻阵元以时间延迟

发射完全相同的信号，发射信号的瞬时频率为丁，脉冲宽度T，单个方向对应的频带宽度为

3.根据权利要求2所述的基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，其特征在于，所述利用循环编码阵列产生的发射方向图的照射角度与发射信号的频率的对应关系，生成基本线性调频信号，具体为：

首先，设置雷达角度范围Θ_R＝[θ_{R_min}，θ_{R_max}]，θ_{R_min}和θ_{R_max}分别为雷达照射的最小角度和最大角度，通信接收端相对于发射端的角度为θ_C；

循环编码阵列产生的发射方向图的照射角度与发射信号的频率的对应关系为：

根据上式，计算得到雷达的发射信号带宽为

通信系统的发射信号带宽为

雷达的信号载频为

通信系统的信号载频为

其次，计算得到实际带宽B_I＝B_R+B_C，线性调频信号的调频斜率

雷达信号长度

通信信号长度

最后，线性调频信号产生器根据输入的脉冲宽度T、雷达的发射信号带宽B_R、雷达信号载频f_R、雷达信号长度T_R、通信系统的发射信号带宽B_C、通信系统的信号载频f_C，通信信号长度T_C，生成基本线性调频信号：

其中，t为时间，

4.根据权利要求3所述的基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，其特征在于，所述携带通信信息的雷达通信一体化信号的表达式为：

其中，N_b为在T_C时间段内调制的通信码元个数；k为通信码元个数变量，1≤k≤N_b；T_s为一个通信码元所占据的调制时间；h为连续相位调制的调制系数，0≤h≤1；a_i∈{-(M-1)，-(M-3)，…，(M-3)，(M-1)}，a_i为第i个码元的值；M为通信调制进制数，取值为2的整数次幂；i为通信码元个数变量，1≤i≤N_b；L为连续相位调制的相关长度，1≤L≤N_b。

5.根据权利要求1所述的基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，其特征在于，所述通过阵列天线将所述携带通信信息的雷达通信一体化信号发射到空间，具体为：通过阵元间距为半波长的阵列天线将步骤2生成的携带通信信息的雷达通信一体化信号以时间延迟

在不同时刻发射到空间中；B为发射信号的原始带宽。

6.根据权利要求1所述的基于循环编码阵列的多波束雷达通信一体化方法，其特征在于，所述对接收的信号进行基于通信角度的解调，具体为：

4.1，对通信接收机接收到的信号进行傅里叶变换，得到通信接收机接收信号的频谱S′_T(f，θ₀)，再计算得到发射的雷达通信一体化信号的频谱：

其中，S′(f)为发射的雷达通信一体化信号的频谱，S′_T(f，θ₀)为通信接收机在空间θ₀角度方向上接收到信号的频谱，γ(θ₀，f)为循环编码阵列特有的空间角度θ₀方向上的空频调制系数；f为发射信号的瞬时频率；

4.2，对雷达通信一体化信号的频谱S′(f)进行逆傅里叶变换，得到发射的雷达通信一体化信号；再对得到的雷达通信一体化信号进行最大似然检测，得到待传输通信数据。

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