CN113466796A - 一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法。本发明首先在保证雷达性能的基础上，求解旁瓣区域相位优化问题得到一个权向量，对其进行相位旋转得到一组不同相位的权向量。所有权向量构成一个权向量集合，从而得到了对应的相位符号字典。通信接收机在旁瓣区域通过匹配滤波得到接收信号相位，与字典进行比较后可以解码处嵌入的二进制通信信息。该发明相比相干相位调制和广播模式，同时具有相干相位调制的低误码率特性以及旁瓣区域通信的广播特性。

Description

一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法。

背景技术

近几十年来雷达和通信技术都取得了重大进步并成为人类日常生活中不可或缺的组成部分。随着5G时代的到来，无线通信设备的数量已有了爆炸式的增长，剩余可供人类利用的频谱范围越来越稀缺。为了能更好利用频谱资源以及提升系统的硬件集成度，雷达通信一体化成为了一个重要的研究方向。

雷达通信一体化的关键环节是在雷达发射信号的同时将通信信息进行嵌入。基于波束图复增益的相位调制的雷达通信一体化方法设计了一组发射波束形成权向量，使它们具有相同的发射波束形成复增益幅度图，但每个发射复增益在预设置通信方向上的相位是不同的，这些不同的相位构成了预先设计的相位符号集合。通信接收机处通过检测这些不同的相位，与设定的通信符号对比，便可以得到通信信息序列。

基于相位调制的信息嵌入雷达通信一体化方案有很多，如相干相位调制、非相干相位调制、广播模式等。相干相位调制只发射一种波形，通信接收机检测收到的波形的绝对相位来获得通信符号，因此雷达发射机和通信接收机之间需要完美的相位同步。非相干相位调制与广播模式需要发射两种正交波形，通信接收机通过检测这两种波形间的相对相位来获得通信符号，因此雷达发射机和通信接收机之间不需要相位同步。

基于相干相位调制的信息嵌入方案对方向性依赖大，当通信接送机在高速移动中会降低通信质量。广播模式可以进行全方向的通信，但其通信质量不高。因此需要一种能将两者优点结合而减少缺点的信息嵌入方案。

发明内容

本发明提供了一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法，实现了在旁瓣区域内高效地进行通信。相对相干相位调制和广播模式，本方法同时具有相干相位调制的低误码率特性以及在旁瓣区域进行通信的广播特性。

为了便于理解，对本发明采用的技术作如下说明：

考虑到一个具有N个收发阵列的MIMO雷达，基于相干相位调制的信息嵌入使用单个雷达波形，此时发射信号可以表示为：

其中(·)^*是求共轭，t是快时间，ψ_u(t)是一组正交波形，P_u是波形ψ_u(t)的发射功率，u是波束形成权向量，T是雷达脉冲持续时间，N为发射阵元数。

在通信接收机的接收的基带信号可以用公式表达为：

y_com(t；τ)＝α_ch(τ)a^T(θ_c)s(t；τ)+n(t；τ)

其中(·)^T是矩阵转置，τ是慢时间，即第τ个脉冲周期，α_ch是信道系数，a是天线阵列导向矢量，θ_c是通信角度，n(t；τ)是零均值加性高斯白噪声。

在每个雷达脉冲期间，通过从预先设计的相位集合中选择不同的相位φ_k来进行基于相干相位调制的通信信息嵌入。需要设计权向量w将发射功率集中在期望的主瓣区域Θ，同时在旁瓣区域

中功率尽可能小。即求解如下优化问题：

解决上述优化问题得到主权向量，其中(·)^H为矩阵共轭转置，w是权向量，a是天线阵列导向矢量，u(θ_i)是期望的主瓣相位分布，Θ是主瓣区域，

是旁瓣区域，I和P分别为主瓣区域以及旁瓣区域采样点个数，ε控制旁瓣最高水平。可以通过主权向量计算得到一组权向量

这些权向量具有和主权向量相同的发射波束图。把主权向量的元素作为M-1阶多项式的系数，解出M-1个根r_i,i＝1,...,M-1，将每个根反射到单位圆上不会改变波束图的幅度，可以通过选择根r_i(1/r_i ^*),i＝1,2,...,M-1得到最多2^M-1个不同的M-1阶多项式，新多项式的系数作为新的权向量，通过这种方法得到整个权向量集W。

在每个雷达脉冲期间，由01比特序列组合成的N_b比特位信息被映射到具有

个相位符号的字典，记为D_PM＝{Ω₁,...,Ω_K}。建立一个具有K个权向量的集合U＝{u₁,...,u_K}，其中每个权向量和相位符号一一对应。选择权向量准则满足相位符号和波束形成复增益在通信方向的相位之差最小：

s.t.u_k∈W

其中angle(·)为求相位。

假设Ω_k是在某个脉冲中嵌入的相位符号，通信接收机收到的信号经过匹配滤波为：

其中G_u＝|u^Ha(θ_c)|和φ_u＝angle(u^Ha(θ_c))分别是波形ψ_u(t)的发射波束形成复增益在通信方向的幅值和相位，n_u(τ)是零均值加性高斯白噪声。

在通信接收机处嵌入的相位可以估计为：

通过将估计的相位与K维相位字典进行比较，可以解码实际嵌入的二进制消息：

对于广播模式，在W中选择u_k后，将v_k作为u_k的旋转结果：

此时在θ方向上两种接收信号间的相位差为：

θ是任意角度，即通信接收机在任何方向上，两个信号的相位差是固定的，于是可以在任意方向通过估计相位差得到广播消息。广播模式可以全方向通信，但其通信质量不高。

为了解决广播模式的缺点，本发明的技术方案为：

一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法，设计一个在旁瓣区域具有较稳定相位的波束形成权向量，然后通过对它进行相位旋转得到一组有相同复增益幅度图的权向量。包括以下步骤：

S1、构建雷达波束权向量集W：

以平顶波束为目标建立雷达优化问题：

得到主权向量w，其中(·)^H为矩阵共轭转置，w是权向量，a是天线阵列导向矢量，u(θ_i)是期望的主瓣相位分布，Θ是主瓣区域，

是旁瓣区域，I和P分别为主瓣区域以及旁瓣区域采样点个数，ε控制旁瓣最高水平。利用主权向量w计算得到其余权向量并构成权向量集

S2、控制旁瓣区域相位：

求解旁瓣区域相位优化问题：

s.t.w_k∈W

得到权向量w，以确保旁瓣区域内权向量形成的复增益相位平稳。其中angle(·)为求相位，var(·)为求方差；

S3、通过相位旋转得到相位符号字典：

对w进行相位旋转得到

k＝1,...,K，所有权向量构成具有K个权向量的集合U＝{w₁,...,w_K}。每个雷达脉冲周期内，由01序列组合成的N_bbit位信息被映射到具有

个相位符号的字典，记为D_PM＝{Ω₁,...,Ω_K}，此时最大通信速率为R＝(log₂K)f_PRF；

S4、雷达发射端发射嵌入通信信息的信号：

雷达发射机处根据集合U与字典D_PM的对应关系，针对不同的通信符号选择对应的权向量w_k并发射信号。此时雷达发射的信号为：

其中(·)^*是求共轭，t是快时间，ψ_w(t)是一组正交波形，P_w是波形ψ_w(t)的发射功率，w_k是波束形成权向量，T是雷达脉冲持续时间，N为发射阵元数；

S5、通信接收端接收并翻译出通信符号：

处于旁瓣区域内的通信接收机接收到的基带信号为：

y_com(t；τ)＝α_ch(τ)a^T(θ_c)s(t；τ)+n(t；τ)

其中(·)^T是矩阵转置，τ是慢时间，即第τ个脉冲周期，α_ch是信道系数，a是天线阵列导向矢量，θ_c是通信角度，n(t；τ)是零均值加性高斯白噪声。对基带信号进行匹配滤波得到：

其中

和

分别是波形ψ_w(t)的发射波束形成复增益在通信方向的幅值和相位，n_w(τ)是零均值加性高斯白噪声。匹配滤波的结果可以得到相位angle(y_u(τ))，将得到的相位与通信字典进行比较，解码出嵌入的二进制消息，检测准则为：

本发明的有益效果为，基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法结合了相干相位调制和广播模式优点，在保证雷达性能的同时可以在旁瓣区域进行高效通信。

附图说明

图1为本发明实现过程的流程图；

图2为权向量w₁和w₂波束形成复增益的相位和幅度图，(a)是权向量w₁波束形成复增益的相位和幅度图，(b)是权向量w₂波束形成复增益的相位和幅度图；

图3为四种相位调制方案误码率与信噪比的关系曲线；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

本实施例的目的是仿真得到在旁瓣区域具有稳定相位差π的两个权向量w₁和w₂，验证基于相干广播模式的信息嵌入方案的可行性。本实施例中采用阵元数10，阵元间距为半波长的均匀线性阵列，通信方向为旁瓣区域[-90°,-18°]和[18°,90°]。

实施例的基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法如附图1所示。通过求解旁瓣区域相位优化问题得到权向量w₁，其在旁瓣区域内具有较稳定的相位为0弧度，其产生的复增益幅度图可以满足雷达性能要求。将w₁旋转π得到w₂，其在旁瓣区域内具有较稳定的相位为π弧度，其产生的复增益幅度图可以满足雷达性能要求。w₁和w₂的波束形成复增益的相位和幅度图如附图2所示。可以看出两个不同权向量在旁瓣区域内有两个不同的稳定相位，通信接收机可以在旁瓣区域内，通过检测信号的相位来得到对应的权向量，并找到与之对应的通信符号来翻译出嵌入的信息。仿真表明，基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法是可行的。

实施例2

本实施例的目的是对比四种基于相位调制的信息嵌入方案误码率与信噪比的关系。本实施例中采用阵元数10，阵元间距为半波长的均匀线性阵列，雷达主瓣角度为θ_radar＝0°,通信方向为θ_c＝-60°。

实施例的基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法如附图1所示。随机生成2×10⁶比特的二进制序列，每个雷达脉冲期间嵌入2比特，独立重复10⁶次试验一次嵌入和检测2比特的过程。四种基于相位调制的雷达通信一体化方法的误码率与信噪比的关系曲线如附图3所示。可以看出，基于相干相位调制的广播模式相比非相干相位调制方法，在相同信噪比下得到了更低的误码率，同时具有广播的特性可以在旁瓣区域进行通信。

Claims (1)

1.一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法，系统包括一个具有N个收发阵列的MIMO雷达，且已知MIMO雷达的阵列结构、发射波形与通信方向，其特征在于，通信一体化方法包括以下步骤：

S1、构建雷达波束权向量集W：

以平顶波束为目标建立雷达优化问题：

通过求解优化问题得到主权向量w，其中(·)^H为矩阵共轭转置，a是天线阵列导向矢量，u(θ_i)是期望的主瓣相位分布，Θ是主瓣区域，

是旁瓣区域，I和P分别为主瓣区域以及旁瓣区域采样点个数，e控制旁瓣最高水平；利用主权向量w计算得到其余权向量并构成权向量集

S2、控制旁瓣区域相位：

求解旁瓣区域相位优化问题：

s.t.w_k∈W

得到权向量w，以确保旁瓣区域内权向量形成的复增益相位平稳；其中angle(·)为求相位，var(·)为求方差；

S3、通过相位旋转得到相位符号字典：

对w进行相位旋转得到

所有权向量构成具有K个权向量的集合U＝{w₁,...,w_K}；每个雷达脉冲周期内，由01序列组合成的N_bbit位信息被映射到具有

个相位符号的字典，记为D_PM＝{Ω₁,...,Ω_K}，此时最大通信速率为R＝(log₂ K)f_PRF；

S4、雷达发射端发射嵌入通信信息的信号：

雷达发射机处根据集合U与字典D_PM的对应关系，针对不同的通信符号选择对应的权向量w_k并发射信号；此时雷达发射的信号为：

其中(·)^*是求共轭，t是快时间，ψ_w(t)是一组正交波形，P_w是波形ψ_w(t)的发射功率，w是波束形成权向量，T是雷达脉冲持续时间，N为发射阵元数；

S5、通信接收端接收并翻译出通信符号：

处于旁瓣区域内的通信接收机接收到的基带信号为：

y_com(t；τ)＝α_ch(τ)a^T(θ_c)s(t；τ)+n(t；τ)

其中(·)^T是矩阵转置，τ是慢时间，即第τ个脉冲周期，α_ch是信道系数，a是天线阵列导向矢量，θ_c是通信角度，n(t；τ)是零均值加性高斯白噪声；对基带信号进行匹配滤波得到：

其中

和

分别是波形ψ_w(t)的发射波束形成复增益在通信方向的幅值和相位，n_w(τ)是零均值加性高斯白噪声；根据匹配滤波的结果得到相位angle(y_u(τ))，将得到的相位与通信字典进行比较，解码出嵌入的二进制消息，检测准则为：

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