CN112054828B - 面向低截获的分布式mimo雷达通信一体化系统功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,包括S1、确定分布式MIMO雷达通信一体化系统组成及功能;S2、采用目标运动参数估计克拉美‑罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能;S3、建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型;S4、分别采用半正定规划与拉格朗日乘数法对面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型进行求解。本发明方法降低了分布式MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射资源消耗,有效提升了分布式MIMO雷达通信一体化系统的低截获性能。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理的技术,特别是涉及面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法。
背景技术
为提高现代战场武器装备的生存能力和作战效能,尤其是机动平台,如战斗机、军舰、航空母舰、装甲车等,不得不同时配备越来越多的射频传感器。然而,传感器数量的不断增加,不但消耗了大量的射频资源,占据了更多的空间,而且严重削弱了作战平台的机动能力,增加了雷达散射截面,降低了复杂电磁环境中的抗干扰能力和现代武器装备的作战效能。
分布式多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达通信一体化系统利用宽带相控阵天线和软件无线电技术,从顶层对雷达、通信等功能进行一体化设计,根据作战流程、任务种类、目标类型、威胁等级对系统的时间、空间、能量和频率资源进行统一调度,已成为未来武器平台多传感器发展的必然趋势。分布式MIMO雷达通信一体化系统减少了搭载平台上的天线数量,实现了天线阵面与平台的共形,可极大地改善搭载平台的电磁兼容环境,全面提升雷达、通信及抗干扰能力,有效提高系统作战效能与反应能力。
另外,现代战场电磁环境日趋复杂,敌方先进无源探测系统使得我方有源电子设备的生存收到了严峻的威胁和挑战。低截获技术通过控制雷达、数据链等有源电子设备辐射功率、优化发射波形等方法,可显著降低有源电子设备及其搭载平台被敌方无源探测系统截获、分选、识别,以及被反辐射导弹攻击的概率,从而提高有源电子设备自身及其搭载平台的战场生存能力和作战效能。
然而,现有技术中尚未有面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,降低了分布式MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射资源消耗,有效提升了分布式MIMO雷达通信一体化系统的低截获性能。
技术方案:本发明的面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,包括以下步骤:
S1、确定分布式MIMO雷达通信一体化系统组成及功能;
S2、采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能;
S3、建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型;
S4、分别采用半正定规划与拉格朗日乘数法对面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型进行求解。
进一步的,步骤S1中分布式MIMO雷达通信一体化系统包括MT部雷达通信一体化发射机、NR部雷达接收机和NC部通信接收机,其中,雷达通信一体化发射机可同时发射多个独立波束完成目标定位与数据通信功能,雷达接收机接收雷达信号完成目标定位功能,通信接收机接收通信信号完成数据通信功能。
进一步的,步骤S2中采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,具体为:
目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵CCRLB表示为:
其中,[·]-1表示求逆运算;
其中,为第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率,Q为雷达信号脉冲数目,Bm为第m部雷达通信一体化发射机的有效带宽,为目标相对第m部雷达通信一体化发射机于第n部雷达接收机的雷达散射截面,c为光速,σ2为背景噪声功率,T0为雷达信号脉冲重复间隔,λ为雷达信号波长;
其中,
其中,
其中,x为目标在二维空间中X轴方向上的位置坐标,y为目标在二维空间中Y轴方向上的位置坐标,为第m部雷达通信一体化发射机在二维空间中X轴方向上的位置坐标,为第m部雷达通信一体化发射机在二维空间中Y轴方向上的位置坐标,为第n部雷达接收机在二维空间中X轴方向上的位置坐标,为第n部雷达接收机在二维空间中Y轴方向上的位置坐标,vx为目标在二维空间中X轴方向上的速度,vy为目标在二维空间中Y轴方向上的速度。
进一步的,步骤S2中采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能,具体为:
信道容量RC表示为:
其中,NC为通信接收机数目,ηml为第m部雷达通信一体化发射机与第l部通信接收机之间传播损耗系数,hml为第m部雷达通信一体化发射机与第l部通信接收机之间的信道增益,为第m部雷达通信一体化发射机的通信信号辐射功率。
进一步的,步骤S3具体为:
根据预先设定的目标位置估计精度阈值δP、目标速度估计精度阈值δV、信道容量阈值δC,建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型,如下所示:
其中,tr(·)表示求迹运算,M1=[I2 02],M2=[02 I2],I2表示维度为2×2的单位矩阵,为第m部雷达通信一体化发射机的最大总辐射功率,为第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率,为第m部雷达通信一体化发射机的通信信号辐射功率。
进一步的,步骤S4包括以下步骤:
S41、将步骤S3建立的面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型转换为以下两个子模型:
S42、引入维度为4×4的辅助矩阵Λ,将子模型公式(22)等价转换为:
其中,I4表示维度为4×4的单位矩阵,08表示维度为8×8的零矩阵,由于子模型(24)为半正定规划问题,直接采用MATLAB软件中的凸优化工具箱CVX进行计算求解,所得即为第m部雷达通信一体化发射机的最优雷达信号辐射功率其中,(·)*表示参数的最优值;
S43、对于子模型公式(23),引入拉格朗日乘子ψ1,ψ2与ψ3,构建如下式的拉格朗日乘子式:
有益效果:与现有技术相比,本发明方法既满足预先设定的目标位置估计精度阈值、目标速度估计精度阈值、信道容量阈值以及辐射功率资源约束,而且有效降低了分布式MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射资源消耗,从而提升了分布式MIMO雷达通信一体化系统的低截获性能。产生该优点的原因是本发明采用了面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,该方法以满足预先设定的目标位置估计精度阈值、目标速度估计精度阈值、信道容量阈值以及辐射功率资源为约束条件,以最小化分布式MIMO雷达通信一体化系统的总辐射功率为优化目标,建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型。分别采用半正定规划与拉格朗日乘数法对优化模型进行求解,得到在满足预先设定的目标定位精度阈值、信道容量阈值以及辐射功率资源条件下,使得分布式MIMO雷达通信一体化系统的总辐射功率最小的第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率与通信信号辐射功率作为最优解,从而有效提升了分布式MIMO雷达通信一体化系统的低截获性能。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明从实际军事应用需求出发,提出了面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,降低了分布式MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射资源消耗,有效提升了分布式MIMO雷达通信一体化系统的低截获性能。首先,考虑一个由多部雷达通信一体化发射机、多部雷达接收机和多部通信接收机组成的分布式MIMO雷达通信一体化系统,其中,雷达通信一体化发射机可同时发射多个独立波束完成目标定位与数据通信功能。然后,采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能。在此基础上,以满足预先设定的目标位置估计精度阈值、目标速度估计精度阈值、信道容量阈值以及辐射功率资源为约束条件,以最小化分布式MIMO雷达通信一体化系统的总辐射功率为优化目标,建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型,从而降低分布式MIMO雷达通信一体化系统的射频辐射资源消耗,提升其低截获性能。
如图1所示,本发明的面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,包括以下步骤:
S1、确定分布式MIMO雷达通信一体化系统组成及功能;
本发明考虑一个由MT部雷达通信一体化发射机、NR部雷达接收机和NC部通信接收机组成的分布式MIMO雷达通信一体化系统,其中,雷达通信一体化发射机可同时发射多个独立波束完成目标定位与数据通信功能,雷达接收机接收雷达信号完成目标定位功能,通信接收机接收通信信号完成数据通信功能。
S2、采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能;
采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,则目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵CCRLB可以表示为:
其中,[·]-1表示求逆运算。
其中,为第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率,Q为雷达信号脉冲数目,Bm为第m部雷达通信一体化发射机的有效带宽,为目标相对第m部雷达通信一体化发射机于第n部雷达接收机的雷达散射截面,c为光速,σ2为背景噪声功率,T0为雷达信号脉冲重复间隔,λ为雷达信号波长。
其中,
其中,
其中,x为目标在二维空间中X轴方向上的位置坐标,y为目标在二维空间中Y轴方向上的位置坐标,为第m部雷达通信一体化发射机在二维空间中X轴方向上的位置坐标,为第m部雷达通信一体化发射机在二维空间中Y轴方向上的位置坐标,为第n部雷达接收机在二维空间中X轴方向上的位置坐标,为第n部雷达接收机在二维空间中Y轴方向上的位置坐标,vx为目标在二维空间中X轴方向上的速度,vy为目标在二维空间中Y轴方向上的速度。
采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能,则信道容量RC可以表示为:
其中,NC为通信接收机数目,ηml为第m部雷达通信一体化发射机与第l部通信接收机之间传播损耗系数,hml为第m部雷达通信一体化发射机与第l部通信接收机之间的信道增益,为第m部雷达通信一体化发射机的通信信号辐射功率。
S3、建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型;
根据预先设定的目标位置估计精度阈值δP、目标速度估计精度阈值δV、信道容量阈值δC,建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型,如下所示:
其中,tr(·)表示求迹运算,M1=[I2 02],M2=[02 I2],I2表示维度为2×2的单位矩阵,为第m部雷达通信一体化发射机的最大总辐射功率,为第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率,为第m部雷达通信一体化发射机的通信信号辐射功率。
S4、分别采用半正定规划与拉格朗日乘数法对面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型进行求解;
S41、将面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型公式(21)转换为以下两个子模型:
S42、可引入维度为4×4的辅助矩阵Λ,将子模型公式(22)等价转换为:
其中,I4表示维度为4×4的单位矩阵,08表示维度为8×8的零矩阵。由于子模型(24)为半正定规划问题,可直接采用MATLAB软件中的凸优化工具箱CVX进行计算求解,所得即为第m部雷达通信一体化发射机的最优雷达信号辐射功率其中,(·)*表示参数的最优值。
S43、对于子模型公式(23),引入拉格朗日乘子ψ1,ψ2与ψ3,构建如下式的拉格朗日乘子式:
本发明创造的工作原理及工作过程:
本发明首先考虑一个由多部雷达通信一体化发射机、多部雷达接收机和多部通信接收机组成的分布式MIMO雷达通信一体化系统,其中,雷达通信一体化发射机可同时发射多个独立波束完成目标定位与数据通信功能。然后,采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能。在此基础上,以满足预先设定的目标位置估计精度阈值、目标速度估计精度阈值、信道容量阈值以及辐射功率资源为约束条件,以最小化分布式MIMO雷达通信一体化系统的总辐射功率为优化目标,建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型。最后,分别采用半正定规划与拉格朗日乘数法对优化模型进行求解。经迭代计算,得到在满足预先设定的目标定位精度阈值、信道容量阈值以及辐射功率资源条件下,使得分布式MIMO雷达通信一体化系统的总辐射功率最小的第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率与通信信号辐射功率作为最优解,即可得到符合约束条件的分布式MIMO雷达通信一体化系统最优功率分配结果。
Claims (4)
1.面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、确定分布式MIMO雷达通信一体化系统组成及功能;
S2、采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,采用信道容量表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的数据通信性能;
S3、建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型;具体为:
根据预先设定的目标位置估计精度阈值δP、目标速度估计精度阈值δV、信道容量阈值δC,建立面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型,如下所示:
其中,tr(·)表示求迹运算,M1=[I2 02],M2=[02 I2],I2表示维度为2×2的单位矩阵,为第m部雷达通信一体化发射机的最大总辐射功率,为第m部雷达通信一体化发射机的雷达信号辐射功率,为第m部雷达通信一体化发射机的通信信号辐射功率,MT为雷达通信一体化发射机的数量,CCRLB为克拉美-罗下界矩阵,RC为信道容量;
S4、分别采用半正定规划与拉格朗日乘数法对面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型进行求解;包括以下步骤:
S41、将步骤S3建立的面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配模型转换为以下两个子模型:
S42、引入维度为4×4的辅助矩阵Λ,将子模型公式(22)等价转换为:
其中,I4表示维度为4×4的单位矩阵,08表示维度为8×8的零矩阵,由于子模型(24)为半正定规划问题,直接采用MATLAB软件中的凸优化工具箱CVX进行计算求解,所得即为第m部雷达通信一体化发射机的最优雷达信号辐射功率其中,(·)*表示参数的最优值;
S43、对于子模型公式(23),引入拉格朗日乘子ψ1,ψ2与ψ3,构建如下式的拉格朗日乘子式:
其中,NC为通信接收机的数量,σ2为背景噪声功率;
2.根据权利要求1所述的面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,其特征在于,步骤S1中分布式MIMO雷达通信一体化系统包括MT部雷达通信一体化发射机、NR部雷达接收机和NC部通信接收机,其中,雷达通信一体化发射机能同时发射多个独立波束完成目标定位与数据通信功能,雷达接收机接收雷达信号完成目标定位功能,通信接收机接收通信信号完成数据通信功能。
3.根据权利要求1所述的面向低截获的分布式MIMO雷达通信一体化系统功率分配方法,其特征在于,步骤S2中采用目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标定位精度,具体为:
目标运动参数估计克拉美-罗下界矩阵CCRLB表示为:
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