CN113363706A - 一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，属于无线通信技术领域。本发明公开的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，通过将一套固定子阵型编码器分离，将其中一个子阵用作雷达感知的接收端，其余子阵用作发射端；雷达发射端采用脉冲信号，使得泄露信号和物体反射信号在时间域彼此分离；通过雷达发射端信号的波形，并在接收端采用多重分类的方法实现雷达信道侧信息的估计。本发明公开的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，具有频谱效率高，架构成本低，消耗时间短的特点。

Description

一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，尤其涉及用于多用户通信感知一体化系统或多天线通信系统的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

独立的通信和雷达感知系统，无论是在硬件模块还是信号处理手段上二者拥有诸多的共通性，将在不久融合为统一的系统，且该趋势不可避免；将通信和雷达整合不仅有利于降低系统成本，一体化系统还有利于系统整体性能的提高和频谱共享。

独立的雷达与通信系统在实现可靠传输前往往需要雷达信道侧信息，即雷达信道估计。通信感知一体化系统的雷达信道彼此耦合，且雷达信道的散射源变得更多，雷达信道估计的准确性降低。传统的雷达使用全双工策略感知雷达信道，即收发天线为同一套。然而，对于通信系统而言，全双工系统将降低通信的效率。而采用收发两套天线又将提升基站的成本。K.Qian等人在(“Widar2.0：Passive human tracking with a single Wi-Filink，”in Proceedings of the 16th Annual International Conference on MobileSystems，Applications，and Services.New York，NY，USA：Association for ComputingMachinery，2018，pp.350-361.)采用收发天线分离的上行雷达信道实现通信与感知功能。收发天线分别来自两套设备，这样有效降低基站(雷达接收机)的成本。但是，上行雷达信道传输信息相比于下行雷达信道信息量有限，且该方案实质上依然是收发两套天线系统，适用于下行雷达信道的联合通信与感知系统的方案有待研究；对于下行雷达信道的雷达与感知系统，K.Wu等人在(“Accurate Channel Estimation for Frequency-hopping Dual-Function Radar-Communication，”in 2020IEEE International Conference onCommunications，CRSSWorkshop.)提出基于跳频调制信号的雷达与通信系统，即雷达与通信功能分别在频率跳变实现各自功能。该方法虽然解决收发天线的问题，但是，该方案牺牲频谱效率，使得系统的整体性能下降。

目前尚未有成熟的方案能在保证雷达与通信整体性能不变的情况下，采用一套收发天线实现联合通信与感知功能。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，采用同一套收发天线系统实现通信与雷达感知的功能，同时完成对雷达信道侧信息的估计，具有频谱效率高，架构成本低，消耗时间短的特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，通过将一套固定子阵型编码器分离，将其中一个子阵用作雷达感知的接收端，其余子阵用作发射端；雷达发射端采用脉冲信号，使得泄露信号和物体反射信号在时间域彼此分离；通过雷达发射端信号的波形，并在接收端采用多重分类的方法实现雷达信道侧信息的估计，具体包括如下步骤：

步骤一，分别构造通信与雷达的系统架构：

在基站发射端，N_S条数据信息流平行的发送至N_S个固定子阵型预编码器上，进行数字基带预编码处理，处理后的信号实现联合通信与感知功能；

在基站接收端，采用固定子阵型预编码器相同类型的一个子阵作为接收器，基站接收端用于雷达感知，用于雷达感知的接收端子阵记为q；

进一步的，基站接收端子阵与基站发射端子阵相邻；

基站共配备N_S+1个固定子阵；

在用户接收端，每个用户采用单一天线接收基站发送的通信信息；

进一步的，用户总数为N_S，基站发射端的N_S条数据信息流发送给各个用户接收端，每个用户接收其中1条数据流；

基站发送端信息流为

s是在基带数字域上的N_S×1维向量，通过固定子阵型预编码器

进行预编码处理；

进一步的，固定子阵型预编码器P是N_T×N_S的模拟型器件，N_T等于基站发射端天线数量，且是N_S的倍数，固定子阵型预编码器P的每个子阵p_i的维度为(N_T/N_S)×1，通过固定子阵型预编码器P进行预编码处理后的发送信号x为：

x＝Ps (1)

发送信号x经历通信信道，通信信道记为h_u，到达每个用户端接收端，用户端接收端的接收信号y_u为：

其中，n_u是高斯复噪声，其均值为0，方差为σ²；

发送信号经物体反射返回基站，期间经历的为雷达信道，记为G，忽略噪声，基站接收端接收的感知信号r为：

r＝q^HG^HPs (3)

进一步的，基站发送端信息流s为短脉冲信号，由基站发射端直接泄露到基站接收端的信号在时间上与经历雷达信道的接收信号彼此分离；

步骤二，确定雷达信道矩阵以及固定子阵型预编码器：

将雷达信道矩阵G表征为如下形式：

其中，k表示雷达信道的第k个反射目标，α_k是反射路径的雷达信道增益，a_R(θ_k)和

分别是雷达信道的波束空间响应向量，α＝[α₁，…，α_K]^T，A_R(θ)＝[a_R(θ₁)，…，a_R(θ_K)]，A_T(θ)＝[a_T(θ₁)，…，a_T(θ_K)]；

进一步的，基站接收端子阵与基站发射端子阵相邻，因此出发角和到达角一致；

进一步的，固定子阵型预编码器P的各列子阵，记为p_i，为傅里叶变换矩阵的其中一列，傅里叶变换矩阵的维度为(N_T/N_S)×(N_T/N_S)，子阵p_i个数为N_S，N_S小于等于N_T/N_S，以保证所有子阵都有傅里叶变换矩阵的列相对应：

更进一步的，当N_S等于N_T/N_S时，每个子阵对应于傅里叶变换矩阵的一列，当N_S小于N_T/N_S时，子阵p_i变化二至多轮使得傅里叶变换矩阵的每列都有一列子阵对应；

基站发送端信息流在雷达信道估计阶段相互正交，即：

其中，I是单位矩阵；

步骤三，基站接收端完成雷达信道估计：

对于基站接收端，将接收信号r依次与s(t)的各个元素进行共轭求和，即：

其中，r_m是感知信号r与s(t)的第m个元素的共轭求和，s_m(t)是发送信息流的第m个元素；

将所有接收信号合并成一列，得出堆叠接收信号d：

其中，

表示矩阵的Kronecker积；

进一步的，接收端子阵q应该使得q^HA_R(θ)的增益最大；

进一步的，在雷达信道侧信息未知的情况下，作为优选，q为全向接收阵列，即q为全1矩阵的任意一列；

进一步的，将公式(7)中雷达信道增益作为角度的权重，则堆叠接收信号d为K个向量的加权和，利用多重分类的方法获得角度的估计值P(θ_k)，即：

其中，Peak^k表示第k个峰值，U_B是矩阵

的零空间矩阵，即U_B和

正交；

进一步的，构造堆叠接收信号d的相关矩阵D，即D＝E{dd^H}，E{dd^H}表示dd^H的期望值，对D进行特征值分解，得到D的K个特征向量，记作[u₁，...，u_K]，则U_B＝orth([u₁，...，u_K])，orth表示矩阵的零空间；

进一步的，在确定雷达信道的角度后，根据公式(7)，采用最小二乘法确定雷达信道增益参量α：

其中，pinv是矩阵的伪逆；

至此，完成雷达信道矩阵G中全部参数的估计，即θ＝｛θ₁，…，θ_K}以及α＝[α₁，…，α_K]^T。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，采用正交的信息流序列，并利用共轭求和法分离得到各列信息流，利用正交序列扩展雷达信道的角域，使得雷达信道的波束相应向量的长度拉长，提升雷达信道中波束到达角的估计精度；

2、本发明公开的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，在发送端采用呈现对角矩阵形式的固定子阵型预编码器P，固定子阵型预编码器P的每列子阵为傅里叶变换矩阵的一列，固定子阵型预编码器P的不同列之间相互正交，且指向不同的方向，有利于各用户只接收到信息流向量s中的一个元素，极大的降低用户间的相互干扰，在估计雷达信道的过程中保证通信的效率。

附图说明

图1是本发明的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法的总体流程图；

图2是一套收发天线实现通信感知一体化的系统示意图；

图3是本发明的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法的雷达信道矩阵估计流程图；

图4是本发明的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法实现的波形效果图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的“一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法”，具体实现步骤如下：

步骤一，分别构造通信与雷达的系统架构：

在基站发射端，4条数据信息流平行的发送至4个固定子阵型预编码器P上，固定预编码器如图2所示；经过固定预编码器后的信息流分别发送给4个通信用户，在与通信用户传递信息的同时完成对周围雷达信道的感知功能；

在基站接收端，采用固定子阵型预编码器相同类型的一个子阵作为接收器，其与基站发射端子阵相邻，该接收端用于雷达感知，记为q；

基站共配备5个固定子阵；

在用户接收端，每个用户采用单一天线接收基站发送的通信信息；

进一步的，用户总数为4，每个用户接收其中1条数据流；

基站发送端信息流假设为1或者-1，例如s＝[1，1，-1，1]^T，s是在基带数字域上的4×1维向量，通过固定子阵型预编码器

进行预编码处理，固定子阵型预编码器P是16×4的模拟型器件，16是基站发射端天线数量且是用户总数的倍数，固定子阵型预编码器P的每个子阵p_i的维度为4×1，通过固定子阵型预编码器P进行预编码处理后的发送信号x为：

x＝Ps (1)

发送信号x经历通信信道，通信信道记为h_u，到达每个用户端接收端，用户端接收端的接收信号y_u为：

其中，n_u是高斯复噪声，n_u的均值为0，方差为1；

发送信号经物体反射返回基站，期间经历的为雷达信道，记为G，忽略噪声，基站接收端接收的感知信号r为：

r＝q^HG^HPs (3)

进一步的，基站发送端信息流s为短脉冲信号，由基站发射端直接泄露到基站接收端的信号在时间上与经历雷达信道的接收信号彼此分离；

步骤二，确定雷达信道矩阵以及固定子阵型预编码器：

将雷达信道矩阵G表征为如下形式：

其中，k表示雷达信道的第k个反射目标，实施例中，反射目标总数为K等于3，α_k是反射路径的雷达信道增益，a_R(θ_k)和

分别是雷达信道的波束空间响应向量；

进一步的，α_k以及θ_k是待估参数；

进一步的，基站接收端子阵与基站发射端子阵相邻，因此出发角和到达角一致；

进一步的，固定子阵型预编码器P的各列子阵，记为p_i，为傅里叶变换矩阵的其中一列，傅里叶变换矩阵的维度为4×4，子阵p_i个数为4，因此每个子阵对应于傅里叶变换矩阵的一列：

发送的信息流在雷达信道估计阶段相互正交，即：

其中，I是单位矩阵，实施例中T等于8；

实施例中，子阵q为全1矩阵的其中一列，即q＝[1，1，1，1]^T；

步骤三，基站接收端完成雷达信道估计：

对于基站接收端，将接收信号r依次与s(t)的各个元素进行共轭求和，即：

其中，r_m是感知信号r与s(t)的第m个元素的共轭求和，s_m(t)是发送信息流的第m个元素；

将所有4个r_m信号合并成一列，得出堆叠接收信号d：

其中，

表示矩阵的Kronecker积，d的维度是16；

进一步的，接收端子阵q应该使得q^HA_R(θ)的增益最大；

进一步的，将公式(7)中雷达信道增益作为角度的权重，则堆叠接收信号d为4个向量的加权和，利用多重分类的方法获得角度的估计值P(θ_k)，即：

其中，Peak^k表示第k个峰值，U_B是矩阵

的零空间矩阵，即U_B和

正交；

进一步的，构造堆叠接收信号d的相关矩阵D，即D＝E{dd^H｝，E{dd^H}表示dd^H的期望值，对D进行特征值分解，得到D的3个特征向量，记作[u₁，u₂，u₃]，则U_B＝orth([u₁，u₂，u₃])，orth表示矩阵的零空间；

进一步的，获取上述公式中的前4个峰值对应的角度作为雷达信道角度的估计值，在确定雷达信道的角度后，采用最小二乘法确定雷达信道增益参量α：

其中，pinv是矩阵的伪逆；

至此，完成雷达信道矩阵G中全部参数，θ＝{θ₁，θ₂，θ₃}以及α＝[α₁，α₂，α₃]^T的估计；

本实施例的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法获得的发送波束如图4所示，通过仿真预先设置的3个雷达信道角度值为-35°，0°，35°；其中3束波束对应3个目标，角度在90度附近的波束对应于另外的通信波束，通过图4表明本方法获得的波束增益与雷达通信孤立系统获得的波束十分一致，且增益幅度更为平均。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，其特征在于：通过将一套固定子阵型编码器分离，将其中一个子阵用作雷达感知的接收端，其余子阵用作发射端；雷达发射端采用脉冲信号，使得泄露信号和物体反射信号在时间域彼此分离；通过雷达发射端信号的波形，并在接收端采用多重分类的方法实现雷达信道侧信息的估计。

2.如权利要求1所述的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，分别构造通信与雷达的系统架构：

在基站发射端，N_S条数据信息流平行的发送至N_S个固定子阵型预编码器上，进行数字基带预编码处理，处理后的信号实现联合通信与感知功能；

在基站接收端，采用固定子阵型预编码器相同类型的一个子阵作为接收器，基站接收端用于雷达感知，用于雷达感知的接收端子阵记为q；

进一步的，基站接收端子阵与基站发射端子阵相邻；

基站共配备N_S+1个固定子阵；

在用户接收端，每个用户采用单一天线接收基站发送的通信信息；

进一步的，用户总数为N_S，基站发射端的N_S条数据信息流发送给各个用户接收端，每个用户接收其中1条数据流；

基站发送端信息流为

s是在基带数字域上的N_S×1维向量，通过固定子阵型预编码器

进行预编码处理；

进一步的，固定子阵型预编码器P是N_T×N_S的模拟型器件，N_T等于基站发射端天线数量，且是N_S的倍数，固定子阵型预编码器P的每个子阵p_i的维度为(N_T/N_S)×1，通过固定子阵型预编码器P进行预编码处理后的发送信号x为：

x＝Ps (1)

发送信号x经历通信信道，记为h_u，到达每个用户端接收端，用户端接收端的接收信号y_u为：

其中，n_u是高斯复噪声，其均值为0，方差为σ²；

发送信号经物体反射返回基站，期间经历的为雷达信道，记为G，忽略噪声，基站接收端接收的感知信号r为：

r＝q^HG^HPs (3)

进一步的，基站发送端信息流s为短脉冲信号，由基站发射端直接泄露到基站接收端的信号在时间上与经历雷达信道的接收信号彼此分离；

步骤二，确定雷达信道矩阵以及固定子阵型预编码器：

将雷达信道矩阵G表征为如下形式：

其中，k表示雷达信道的第k个反射目标，α_k是反射路径的雷达信道增益，a_R(θ_k)和

分别是雷达信道的波束空间响应向量，α＝[α₁,…,α_K]^T，A_R(θ)＝[a_R(θ₁),…,a_R(θ_K)]，A_T(θ)＝[a_T(θ₁),…,a_T(θ_K)]；

进一步的，基站接收端子阵与基站发射端子阵相邻，因此出发角和到达角一致；

进一步的，固定子阵型预编码器P的各列子阵，记为p_i，为傅里叶变换矩阵的其中一列，傅里叶变换矩阵的维度为(N_T/N_S)×(N_T/N_S)，子阵p_i个数为N_S，N_S小于等于N_T/N_S，以保证所有子阵都有傅里叶变换矩阵的列相对应：

更进一步的，当N_S等于N_T/N_S时，每个子阵对应于傅里叶变换矩阵的一列，当N_S小于N_T/N_S时，子阵p_i变化二至多轮使得傅里叶变换矩阵的每列都有一列子阵对应；

基站发送端信息流在雷达信道估计阶段相互正交，即：

其中，I是单位矩阵；

步骤三，基站接收端完成雷达信道估计：

对于基站接收端，将接收信号r依次与s(t)的各个元素进行共轭求和，即：

其中，r_m是感知信号r与s(t)的第m个元素的共轭求和，s_m(t)是发送信息流的第m个元素；

将所有接收信号合并成一列，得出堆叠接收信号d：

其中，

表示矩阵的Kronecker积；

进一步的，接收端子阵q应该使得q^HA_R(θ)的增益最大；

进一步的，将公式(7)中雷达信道增益作为角度的权重，则堆叠接收信号d为K个向量的加权和，利用多重分类的方法获得角度的估计值P(θ_k)，即：

其中，Peak^k表示第k个峰值，U_B是矩阵

的零空间矩阵，即U_B和

正交；

进一步的，构造堆叠接收信号d的相关矩阵D，即D＝E{dd^H}，E{dd^H}表示dd^H的期望值，对D进行特征值分解，得到D的K个特征向量，记作[u₁,...,u_K]，则U_B＝orth([u₁,...,u_K]),orth表示矩阵的零空间；

进一步的，在确定雷达信道的角度后，根据公式(7)，采用最小二乘法确定雷达信道增益参量α：

其中，pinv是矩阵的伪逆；

至此，完成雷达信道矩阵G中全部参数的估计，即θ＝{θ₁,…,θ_K}以及α＝[α₁,…,α_K]^T。

3.如权利要求2所述的一种基于一套收发天线的雷达信道估计方法，其特征在于：在雷达信道侧信息未知的情况下，q为全向接收阵列，即q为全1矩阵的任意一列。

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