CN115015841B - 基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法和系统，属于信号优化处理技术领域。所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；所述方法通过探通扰一体化执行波形优化，使得经优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力。

Description

基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法和系统

技术领域

本发明属于信号优化处理技术领域，尤其涉及一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法和系统。

背景技术

为了适应信息化军事斗争中遂行多任务的需求，武器平台往往需要兼具雷达探测、通信导航和电子对抗等多种作战手段。为此，舰载、机载等武器平台上装备了功能单一、种类繁多的各类射频传感器。这在提升武器平台作战能力的同时，也导致了天线数量增加、平台机动性变差、系统功耗变高等问题。一体化射频系统共用宽带天线孔径，对射频传感器进行一体化集成设计，基于开放式的信号处理软件架构和灵活的资源调度来实现雷达探测、通信导航、敌我识别和电子对抗等多种功能，缩减了武器平台天线数量，降低了系统体积、重量、功耗和成本，减少了平台散射截面积，提升了武器平台的机动作战能力和在战场环境中的生存概率，具有重要的应用前景。

基于多入多出阵列的一体化射频系统与现有的一体化射频技术完全兼容，可以在无需划分天线阵面的条件下，在不同区域辐射不同的信号波形，进而同时实现多种不同的功能。相比于现有的一体化射频系统，MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)一体化射频系统所用的频谱资源更少，天线孔径利用率更高，更有利于充分发挥武器平台的作战效能。而且可以同时实现雷达探测、数据通信和电子干扰等更多的功能，代表了一体化射频系统的重要发展方向。

波形优化设计是MIMO一体化射频系统的核心关键技术。为了同时实现雷达探测、数据通信和电子干扰等多种功能，MIMO一体化射频系统在优化波形时，需要降低各方向所合成信号与参考信号之间的匹配误差。与此同时，为了避免使用昂贵的线性放大器，需要尽可能降低发射信号的峰均比(peak-to-average-power-ratio，PAPR)。为了使得系统一体化波形具备以上特性，现有技术中采用的波形优化设计方法所设计的信号能够在两个不同的方向上分别合成通信信号和干扰信号，实现了通信和通信干扰一体化。然而，该方法要求精确知晓通信接收机和被干扰方的角度。在实际应用中，由于角度估计误差不可避免，因此会导致该方法性能下降。

发明内容

本发明针对实际环境中存在角度估计误差的问题，提出了一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方案，其可以有效地克服角度估计误差带来的不利影响，高效地同时实现雷达探测、数据通信和电子干扰等多种功能。

本发明第一方面公开了一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法。所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；所述探通扰一体化波形优化指通过优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力；所述方法包括：

步骤S1、分别获取来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号，来确定所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象三者相对于所述多入多出阵列的方向角θ_t、θ_c、θ_h；

步骤S2、设定所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h，通过对所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值范围进行离散化处理来确定对应的方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值；

步骤S3、设定所述多入多出阵列的发射能量e_t、发射信号的峰均比ρ以及能够实现探测所述目标检测区域中的所述待检测目标、与所述通信接收方进行通信、向所述待干扰对象发射干扰信号的参考信号d_t、d_c、d_h，并基于所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h计算对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h；

步骤S4、利用所述发射能量e_t、所述发射信号的峰均比ρ、所述参考信号d_t、d_c、d_h以及所述发射导引矢量S_t、S_c、S_h，优化所述多入多出阵列的发射信号，使得所述发射信号分别在所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的方向上与对应的所述参考信号d_t、d_c、d_h的相似度超过阈值。

根据本发明第一方面的方法，在所述方法中，第n个所述发射通道的发射波形记为s_n(t)(n＝1,…,N_T)，对于第n个所述发射通道中的发射信号，其脉冲宽度为T_p，等分为L个宽度相等的子脉冲，每个子脉冲的宽度为t_b，各个子脉冲的编码序列依次为s_n(1),s_n(2),……,s_n(L)，所述各个子脉冲的编码序列组成的矢量记为s_n，表示第n个发射通道的编码序列构成的矢量，则所述第n个发射通道的发射信号表示为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，p(t-lt_b)为p(t)经时延lt_b后的脉冲。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S1中，利用如下方式确定所述方向角：

所述接收信号Y为：

其中，α_n为所述接收信号的第n个信号幅度，θ_n为来波方向，b_R(θ_n)为θ_n处的接收导引矢量，a_T(θ_n)为θ_n处的发射导引矢量，N为接收机噪声，其中，s_n＝[s_n(1),…,s_n(L)]^T，(n＝1,…,N_T)；

计算所述接收信号的协方差矩阵并进一步计算所述接收信号的空间谱：

其中，所述空间谱的峰值所处的位置即为所述方向角；

在确定所述方向角时，在θ处分别代入来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号和来波方向，通过上述计算过程得到所述方向角θ_t、θ_c、θ_h。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S2中，基于所述估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h的所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值区间分别为[θ_t,l,θ_t,u]、[θ_c,l,θ_c,u]、[θ_h,l,θ_h,u]，其中，θ_t,l＝θ_t-Δ_t/2，θ_t,u＝θ_t+Δ_t/2，θ_c,l＝θ_c-Δ_c/2，θ_c,u＝θ_c+Δ_c/2，θ_h,l＝θ_h-Δ_h/2，θ_h,u＝θ_h+Δ_h/2，通过将上述区间进行离散化，得到所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S3中：

所述发射能量e_t表示N_T个所述发射通道的发射波形能量之和，定义为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，约定成形脉冲的发射能量为1，即则发射能量e_t进一步表征为：

所述发射信号的峰均比ρ定义为：

其中，所述峰均比ρ的取值范围为[1,L]；

记所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h包含的离散值为 和/>则所述对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h分别为其中，a_T(θ)＝[1，exp(j2πd/λsin(θ)),…,exp(j2π(N_T-1)d/λsin(θ))]^T。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S4中，通过对以下优化模型进行寻优迭代，来确定经优化的所述多入多出阵列的发射信号：

其中，Ω＝Ω_t∪Ω_c∪Ω_h，θ_k∈为集合Ω中的第k个元素 当θ_k∈Ω_t时，d_k＝d_t；当θ_k∈Ω_c时，d_k＝d_c；当θ_k∈Ω_h时，d_k＝d_h。

根据本发明第一方面的方法，在所述方法中，确定所述经优化的多入多出阵列的发射信号后，进一步确定所述多入多出阵列向所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象发射的信号s_t′(t)、s_c′(t)、s_h′(t)：

其中，s′(t)表示所述经优化的多入多出阵列的发射信号。

本发明第二方面公开了一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化系统。所述探通扰一体化波形优化指通过优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力；所述系统包括多入多出阵列和处理单元；其中：

所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；

所述处理单元被配置为执行：

分别获取来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号，来确定所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象三者相对于所述多入多出阵列的方向角θ_t、θ_c、θ_h；

设定所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h，通过对所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值范围进行离散化处理来确定对应的方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值；

设定所述多入多出阵列的发射能量e_t、发射信号的峰均比ρ以及能够实现探测所述目标检测区域中的所述待检测目标、与所述通信接收方进行通信、向所述待干扰对象发射干扰信号的参考信号d_t、d_c、d_h，并基于所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h计算对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h；

利用所述发射能量e_t、所述发射信号的峰均比ρ、所述参考信号d_t、d_c、d_h以及所述发射导引矢量S_t、S_c、S_h，优化所述多入多出阵列的发射信号，使得所述发射信号分别在所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的方向上与对应的所述参考信号d_t、d_c、d_h的相似度超过阈值。

根据本发明第二方面的系统，第n个所述发射通道的发射波形记为s_n(t)(n＝1,…,N_T)，对于第n个所述发射通道中的发射信号，其脉冲宽度为T_p，等分为L个宽度相等的子脉冲，每个子脉冲的宽度为t_b，各个子脉冲的编码序列依次为s_n(1),s_n(2),……,s_n(L)，所述各个子脉冲的编码序列组成的矢量记为s_n，表示第n个发射通道的编码序列构成的矢量，则所述第n个发射通道的发射信号表示为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，p(t-lt_b)为p(t)经时延lt_b后的脉冲。

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：利用如下方式确定所述方向角：

所述接收信号Y为：

其中，α_n为所述接收信号的第n个信号幅度，θ_n为来波方向，b_R(θ_n)为θ_n处的接收导引矢量，a_T(θ_n)为θ_n处的发射导引矢量，N为接收机噪声，其中，(n＝1,…,N_T)；

计算所述接收信号的协方差矩阵并进一步计算所述接收信号的空间谱：

其中，所述空间谱的峰值所处的位置即为所述方向角；

在确定所述方向角时，在θ处分别代入来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号和来波方向，通过上述计算过程得到所述方向角θ_t、θ_c、θ_h。

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：基于所述估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h的所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值区间分别为[θ_t,l,θ_t,u]、[θ_c,l,θ_c,u]、[θ_h,l,θ_h,u]，其中，θ_t,l＝θ_t-Δ_t/2，θ_t,u＝θ_t+Δ_t/2，θ_c,l＝θ_c-Δ_c/2，θ_c,u＝θ_c+Δ_c/2，θ_h,l＝θ_h-Δ_h/2，θ_h,u＝θ_h+Δ_h/2，通过将上述区间进行离散化，得到所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值。

根据本发明第二方面的系统，所述发射能量e_t表示N_T个所述发射通道的发射波形能量之和，定义为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，约定成形脉冲的发射能量为1，即则发射能量e_t进一步表征为：

所述发射信号的峰均比ρ定义为：

其中，所述峰均比ρ的取值范围为[1,L]；

记所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h包含的离散值为 和/>则所述对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h分别为其中，

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：通过对以下优化模型进行寻优迭代，来确定经优化的所述多入多出阵列的发射信号：

其中，Ω＝Ω_t∪Ω_c∪Ω_h，θ_k∈为集合Ω中的第k个元素 当θ_k∈Ω_t时，d_k＝d_t；当θ_k∈Ω_c时，d_k＝d_c；当θ_k∈Ω_h时，d_k＝d_h。

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：确定所述经优化的多入多出阵列的发射信号后，进一步确定所述多入多出阵列向所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象发射的信号s_t′(t)、s_c′(t)、s_h′(t)：

其中，s′(t)表示所述经优化的多入多出阵列的发射信号。

本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法中的步骤。

本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法中的步骤。

综上，本发明的技术方案针对存在阵列指向误差或者角度估计误差的情况，通过优化发射信号实现在较大的空域范围内具有更低的匹配误差，更好地同时实现探测、通信和干扰功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的多入多出阵列的示意图；

图2为根据本发明实施例的脉冲编码的示意图；

图3为根据本发明实施例的仿真结果的示意图；

图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一方面公开了一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；所述探通扰一体化波形优化指通过优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力；所述方法包括：

步骤S1、分别获取来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号，来确定所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象三者相对于所述多入多出阵列的方向角θ_t、θ_c、θ_h；

步骤S2、设定所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h，通过对所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值范围进行离散化处理来确定对应的方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值；

步骤S3、设定所述多入多出阵列的发射能量e_t、发射信号的峰均比ρ以及能够实现探测所述目标检测区域中的所述待检测目标、与所述通信接收方进行通信、向所述待干扰对象发射干扰信号的参考信号d_t、d_c、d_h，并基于所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h计算对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h；

步骤S4、利用所述发射能量e_t、所述发射信号的峰均比ρ、所述参考信号d_t、d_c、d_h以及所述发射导引矢量S_t、S_c、S_h，优化所述多入多出阵列的发射信号，使得所述发射信号分别在所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的方向上与对应的所述参考信号d_t、d_c、d_h的相似度超过阈值。

在一些实施例中，在所述方法中，第n个所述发射通道的发射波形记为s_n(t)(n＝1,…,N_T)，对于第n个所述发射通道中的发射信号，其脉冲宽度为T_p，等分为L个宽度相等的子脉冲，每个子脉冲的宽度为t_b，各个子脉冲的编码序列依次为s_n(1),s_n(2),……,s_n(L)，所述各个子脉冲的编码序列组成的矢量记为s_n，表示第n个发射通道的编码序列构成的矢量，则所述第n个发射通道的发射信号表示为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，p(t-lt_b)为p(t)经时延lt_b后的脉冲。

具体地，多入多出阵列如图1所示，包括N_T个发射通道，每个通道使用不同的发射天线发射相互独立的波形。将第n个发射通道的发射波形记为s_n(t)(n＝1,…,N_T)，每一路信号的编码方式如图2所示，即脉冲宽度为T_p的信号等分为L个宽度相等的子脉冲，每个子脉冲的宽度为t_b，子脉冲所采用的编码序列依次为s_n(1),s_n(2),……,s_n(L)，即发射信号可以表示为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，典型的成形脉冲包括矩形脉冲和升余弦脉冲等。当基于多入多出阵列的一体化射频系统通过发射天线向外辐射电磁波信号时，朝角度θ所辐射的信号可以表示为

其中，为N_T个通道的发射波形组成的矢量，a_T(θ)表示在θ方向的发射导引矢量。如果多入多出阵列的发射阵列为均匀线性阵列，a_T(θ)可以表示为：

a_T(θ)＝[1，exp(j2πd/λsin(θ)),…,exp(j2π(N_T-1)d/λsin(θ))]^T

其中，d为发射天线的阵元间距，λ为发射信号的波长。将待检测目标、通信接收方和待干扰对象所在的角度分别记为θ_t,θ_c,θ_h,则抵达待探测目标、通信接收方和被干扰方的信号分别为：

为了利用多入多出阵列在以上方向分别实现雷达探测、数据通信和电子干扰等多种功能，需要对发射波形s(t)进行优化设计，使得s_t(t)、s_c(t)和s_h(t)分别能够逼近雷达信号、通信信号和干扰信号。另外，考虑到估计待检测目标、通信接收方和待干扰对象所在的角度θ_t,θ_c,θ_h时可能存在误差，因此希望在角度θ_t,θ_c,θ_h附近都能合成比较理想的雷达信号、通信信号和干扰信号，进而比较可靠地实现探通扰一体化。

本发明的技术方案可以概括为：(1)估计待检测目标、通信接收方和待干扰对象所在的角度分别记为θ_t,θ_c,θ_h；(2)根据角度估计误差的大小设定待检测目标、通信接收方和待干扰对象可能位于的角度取值区间，并对每一个区间进行离散化处理；(3)设定多入多出阵列的发射能量e_t和信号峰均比ρ，计算离散化后的每一个角度网格对应的发射导引矢量，并设定相应的期望波形；(4)利用迭代算法求求解优化问题；(5)利用优化得到的发射波形矩阵对一体化射频系统进行发射波形设计。

在一些实施例中，在所述步骤S1中，利用如下方式确定所述方向角：

所述接收信号Y为：

其中，α_n为所述接收信号的第n个信号幅度，θ_n为来波方向，b_R(θ_n)为θ_n处的接收导引矢量，a_T(θ_n)为θ_n处的发射导引矢量，N为接收机噪声，其中，s_n＝[s_n(1),…,s_n(L)]^T，(n＝1,…,N_T)；

计算所述接收信号的协方差矩阵并进一步计算所述接收信号的空间谱：

其中，所述空间谱的峰值所处的位置即为所述方向角；

在确定所述方向角时，在θ处分别代入来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号和来波方向，通过上述计算过程得到所述方向角θ_t、θ_c、θ_h。

其中，估计待检测目标、通信接收方和待干扰对象所在角度，可以采用多种方法，例如通信方一般是合作方，根据通信接收方所在的位置精确地计算其角度；干扰对象的角度信息可以由电子战支援系统(Electronic Support Measures，ESM)或电子战情报系统(Electronic Intelligence，ELINT)提供；此外，也可以通过阵列信号处理算法，例如多重信号分类算法(Multiple Signal Classification，MUSIC)、Capon算法等来估计待检测目标、通信接收方和待干扰对象的角度。

具体地，估计待检测目标、通信接收方和待干扰对象所在的角度。考虑到通信接收方是合作方，因此可以在通信的过程中要求通信方播报其经度、纬度和高度，然后精确地解算通信方相对于一体化射频系统的角度。对于待检测目标和待干扰对象，可以采用阵列信号处理的方法来估计其角度。采用阵列信号处理的方法估计角度时首先需要构建如下数学模型：

其中Y为接收信号，α_n为第n个信号的幅度，θ_n为信号的来波方向，b_R(θ_n)和a_T(θ_n)为θ_n处的接收导引矢量与发射导引矢量，N为接收机噪声。根据接收信号Y计算其协方差矩阵：

然后采用下式估计信号的空间谱：

空间谱中峰值所处的位置即为目标、通信接收方和待干扰对象所在的角度，将其分别记为记为θ_t,θ_c,θ_h。

在一些实施例中，在所述步骤S2中，基于所述估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h的所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值区间分别为[θ_t,l,θ_t,u]、[θ_c,l,θ_c,u]、[θ_h,l,θ_h,u]，其中，θ_t,l＝θ_t-Δ_t/2，θ_t,u＝θ_t+Δ_t/2，θ_c,l＝θ_c-Δ_c/2，θ_c,u＝θ_c+Δ_c/2，θ_h,l＝θ_h-Δ_h/2，θ_h,u＝θ_h+Δ_h/2，通过将上述区间进行离散化，得到所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值。

具体地，设定θ_t,θ_c,θ_h的估计误差大小，分别记为Δ_t,Δ_c,Δ_h，则待检测目标、通信接收方和待干扰对象可能位于的角度取值区间分别为[θ_t,l,θ_t,u]，[θ_c,l,θ_c,u]，[θ_h,l,θ_h,u]，其中θ_t,l＝θ_t-Δ_t/2，θ_t,u＝θ_t+Δ_t/2，θ_c,l＝θ_c-Δ_c/2，θ_c,u＝θ_c+Δ_c/2，θ_h,l＝θ_h-Δ_h/2，θ_h,u＝θ_h+Δ_h/2。依次将上述三个区间离散化，离散化后所得的集合记为Ω_t、Ω_c和Ω_h，分别包含N_t、N_c和N_h个元素。

其中，角度估计误差值的设定，可依据经验来取值，也可比经验取值略微大一些。此外，可以根据待检测目标、通信接收方和待干扰对象距离的远近、信号的强弱对三者角度估计误差的大小分别设置。

在一些实施例中，在所述步骤S3中：

所述发射能量e_t表示N_T个所述发射通道的发射波形能量之和，定义为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，约定成形脉冲的发射能量为1，即则发射能量e_t进一步表征为：

所述发射信号的峰均比ρ定义为：

其中，所述峰均比ρ的取值范围为[1,L]；

记所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h包含的离散值为 和/>则所述对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h分别为其中a_T(θ)＝[1，exp(j2πd/λsin(θ)),…,exp(j2π(N_T-1)d/λsin(θ))]^T。

具体地，设定多入多出阵列的发射能量e_t和发射信号的峰均比ρ，其中峰均比ρ应该不低于1，不高于L。将集合Ω_t、Ω_c和Ω_h包含的元素分别记为和/>对集合中所有的元素，依次计算相应的发射导引矢量/> 此外，针对集合S_t、S_c和S_h，应根据一体化射频系统对探测、通信和干扰性能的需要，分别设定参考信号d_t、d_c以及d_h。

其中，发射能量是指所有N_T个发射通道的发射波形能量之和，即：

若约定成形脉冲的发射能量为1，即：

则发射能量取决于编码序列的平方和，即：

其中，S为多入多出阵列编码序列组成的矩阵，可以表示为(n＝1,…,N_T)表示第n个发射通道的编码序列构成的矢量。

信号峰均比定义为：

在设置信号峰均比时，取值范围应限制在[1,L]内。

在一些实施例中，在所述步骤S4中，通过对以下优化模型进行寻优迭代，来确定经优化的所述多入多出阵列的发射信号：

其中，Ω＝Ω_t∪Ω_c∪Ω_h，θ_k∈为集合Ω中的第k个元素 当θ_k∈Ω_t时，d_k＝d_t；当θ_k∈Ω_c时，d_k＝d_c；当θ_k∈Ω_h时，d_k＝d_h。

具体地，利用交替方向乘子法求解如下优化问题：

其中Ω＝Ω_t∪Ω_c∪Ω_h，θ_k∈为集合Ω中的第k个元素 当θ_k∈Ω_t时，d_k＝d_t；当θ_k∈Ω_c时，d_k＝d_c；当θ_k∈Ω_h时，d_k＝d_h。

(1)在迭代开始之前，预先计算在迭代过程中取值不发生变化的矩阵，以便减少算法的复杂度。首先计算由矩阵组成的集合其中第k个元素计算方法如下/>

然后计算矩阵B：

(2)将当前已经迭代的次数记为m，令m＝0。在初始化波形前，首先将波形矩阵S按列进行堆栈，得到拉直后的发射波形矢量s，即s＝vec(S)。而后采用如下方法对发射波形矢量s进行初始化：

其中表示发射信号波形矢量s的第n个元素在第m次迭代的取值，为信号的幅度，θ_n为均匀分布在[0,2π)区间内的随机变量。接下来初始化辅助变量/>在第m次迭代的取值(记为/>)：

初始化拉格朗日乘子矢量在第m次迭代的值：

其中是拉格朗日乘子矢量c_k在第m次迭代时的取值/>

最后初始化惩罚系数μ(μ的取值须大于2，建议将μ的取值设定在3～5之间)。

(3)首先采用如下方法计算辅助矢量z_k在第m次迭代的取值(记为

然后采用如下方法计算辅助矢量b在第m次迭代的取值b^(m)

最后采用Majorization-Minimization方法求解以下优化问题，得到发射波形s在第m+1次迭代时的取值s^(m+1)：

(4)计算中间变量x_k在第m+1次迭代时的取值(记为

依次计算的范数/>并将/>按递增顺序进行排列，并将排列后的集合记为/>/>

接下来将区间(0,∞)分成段，即/>依次分析函数f(t)在每一段上的最小值，其中f(t)表示为

接下来分别求出段中每一段的最小值，具体方法如下：

当时，/>时，f(t)在/>处取得最小值；当时，首先计算f(t)的导数：

其中如果f’(a_k-1)>0，则f(t)在该区间的最小值在t＝a_k-1时取得；如果f’(a_k)<0，则f(t)在该区间最小值在t＝a_k时取得；否则在该区间上f(t)最小值在t＝b₀ ²/c₀ ²时取得。

比较这个区间上求得的最小值，选出其中的最小值。对应的辅助变量t的值，即为其第m+1次迭代时的取值，记为t^(m+1)。

最后，采用如下方法计算辅助变量y_k在第m+1次迭代时的取值(记为

如果则采用如下方法计算辅助变量y_k在第m+1次迭代时的取值：

反之，如果则采用如下方法计算/>

(5)采用如下方法更新拉格朗日乘子矢量：

其中是拉格朗日乘子矢量c_k在第m+1次迭代时的取值/>

(6)计算残差矢量在第m+1次迭代时的取值(记为r^(m+1))：

判断算法是否收敛，判断准则如下：

||r^(m+1)||₂＜ε

其中ε为判决门限，一般设定为比较小的值，例如1×10^-6。如果算法满足上述条件，则表明算法收敛，退出迭代；否则令m＝m+1，算法回到第(3)步继续迭代。

(7)根据优化后得到的发射波形矢量s得到发射波形矩阵S。

其中，采用迭代算法求解时，首先对波形进行初始化，通常采用满足峰均比约束的波形作为初值，然后采用交替方向乘子法对波形进行迭代更新，直到残差小于某一很小的门限时，算法停止迭代。

在一些实施例中，在所述方法中，确定所述经优化的多入多出阵列的发射信号后，进一步确定所述多入多出阵列向所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象发射的信号s_t′(t)、s_c′(t)、s_h′(t)：

其中，s′(t)表示所述经优化的多入多出阵列的发射信号。

具体地将矩阵S的每一列设定为各个发射通道波形的编码序列，再根据下式来构造一体化射频系统的发射信号：

其中，利用优化得到的发射波形矩阵S对一体化射频系统进行发射波形设计，是指将矩阵S的每一列设定为各个发射通道波形的编码序列，再根据下式来构造一体化射频系统的发射信号：

从而实现雷达探测、数据通信和电子干扰一体化。

仿真过程：

仿真条件：一体化射频系统发射天线数目为6，天线间距为半波长，编码序列的码长为20，估计得到的待检测目标、通信接收方和待干扰对象分别位于-30°、30°和0°方向上。将d_t设置为线性调频信号，带宽为0.75MHz，脉宽为10μs，调频斜率为7.5×10¹⁰Hz/s；将d_c设置为8PSK信号；将d_h设置为0均值、单位协方差矩阵的复高斯白噪声，发射信号能量设定为1。使用交替方向乘子法时，惩罚系数设定为4，判决门限设定为5×10^-10。

图3为同时合成探通扰三种信号时，采用本发明方法所合成的信号匹配误差随通信信号真实方向的变化曲线，其中待检测目标的真实角度为-35°、待干扰对象的真实方向为5°。从图中结果可以看出，相比于现有技术，本发明方法所合成的信号可以在存在角度估计误差的情况下，取得更小的匹配误差。

本发明第二方面公开了一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化系统。所述探通扰一体化波形优化指通过优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力；所述系统包括多入多出阵列和处理单元；其中：

所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；

所述处理单元被配置为执行：

分别获取来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号，来确定所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象三者相对于所述多入多出阵列的方向角θ_t、θ_c、θ_h；

设定所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h，通过对所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值范围进行离散化处理来确定对应的方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值；

设定所述多入多出阵列的发射能量e_t、发射信号的峰均比ρ以及能够实现探测所述目标检测区域中的所述待检测目标、与所述通信接收方进行通信、向所述待干扰对象发射干扰信号的参考信号d_t、d_c、d_h，并基于所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h计算对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h；

利用所述发射能量e_t、所述发射信号的峰均比ρ、所述参考信号d_t、d_c、d_h以及所述发射导引矢量S_t、S_c、S_h，优化所述多入多出阵列的发射信号，使得所述发射信号分别在所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的方向上与对应的所述参考信号d_t、d_c、d_h的相似度超过阈值。

根据本发明第二方面的系统，第n个所述发射通道的发射波形记为s_n(t)(n＝1,…,N_T)，对于第n个所述发射通道中的发射信号，其脉冲宽度为T_p，等分为L个宽度相等的子脉冲，每个子脉冲的宽度为t_b，各个子脉冲的编码序列依次为s_n(1),s_n(2),……,s_n(L)，所述各个子脉冲的编码序列组成的矢量记为s_n，表示第n个发射通道的编码序列构成的矢量，则所述第n个发射通道的发射信号表示为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，p(t-lt_b)为p(t)经时延lt_b后的脉冲。

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：利用如下方式确定所述方向角：

所述接收信号Y为：

其中，α_n为所述接收信号的第n个信号幅度，θ_n为来波方向，b_R(θ_n)为θ_n处的接收导引矢量，a_T(θ_n)为θ_n处的发射导引矢量，N为接收机噪声，其中，s_n＝[s_n(1),…,s_n(L)]^T，(n＝1,…,N_T)；

计算所述接收信号的协方差矩阵并进一步计算所述接收信号的空间谱：/>

其中，所述空间谱的峰值所处的位置即为所述方向角；

在确定所述方向角时，在θ处分别代入来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号和来波方向，通过上述计算过程得到所述方向角θ_t、θ_c、θ_h。

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：基于所述估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h的所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值区间分别为[θ_t,l,θ_t,u]、[θ_c,l,θ_c,u]、[θ_h,l,θ_h,u]，其中，θ_t,l＝θ_t-Δ_t/2，θ_t,u＝θ_t+Δ_t/2，θ_c,l＝θ_c-Δ_c/2，θ_c,u＝θ_c+Δ_c/2，θ_h,l＝θ_h-Δ_h/2，θ_h,u＝θ_h+Δ_h/2，通过将上述区间进行离散化，得到所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值。

根据本发明第二方面的系统，所述发射能量e_t表示N_T个所述发射通道的发射波形能量之和，定义为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，约定成形脉冲的发射能量为1，即则发射能量e_t进一步表征为：

所述发射信号的峰均比ρ定义为：

其中，所述峰均比ρ的取值范围为[1,L]；

记所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h包含的离散值为

和/>则所述对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h分别为

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：通过对以下优化模型进行寻优迭代，来确定经优化的所述多入多出阵列的发射信号：

/>

其中，Ω＝Ω_t∪Ω_c∪Ω_h，θ_k∈为集合Ω中的第k个元素 当θ_k∈Ω_t时，d_k＝d_t；当θ_k∈Ω_c时，d_k＝d_c；当θ_k∈Ω_h时，d_k＝d_h。

根据本发明第二方面的系统，所述处理单元被配置为：确定所述经优化的多入多出阵列的发射信号后，进一步确定所述多入多出阵列向所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象发射的信号s_t′(t)、s_c′(t)、s_h′(t)：

其中，s′(t)表示所述经优化的多入多出阵列的发射信号。

本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法中的步骤。

图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图，如图4所示，电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是电子设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本公开的技术方案相关的部分的结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法中的步骤。

综上，本发明的技术方案针对存在阵列指向误差或者角度估计误差的情况，通过优化发射信号实现在较大的空域范围内具有更低的匹配误差，更好地同时实现探测、通信和干扰功能。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；所述探通扰一体化波形优化指通过优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力；所述方法包括：

步骤S1、分别获取来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号，来确定所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象三者相对于所述多入多出阵列的方向角θ_t、θ_c、θ_h；

步骤S2、设定所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h，通过对所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值范围进行离散化处理来确定对应的方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值；

步骤S3、设定所述多入多出阵列的发射能量e_t、发射信号的峰均比ρ以及能够实现探测所述目标检测区域中的所述待检测目标、与所述通信接收方进行通信、向所述待干扰对象发射干扰信号的参考信号d_t、d_c、d_h，并基于所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h计算对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h；

步骤S4、利用所述发射能量e_t、所述发射信号的峰均比ρ、所述参考信号d_t、d_c、d_h以及所述发射导引矢量S_t、S_c、S_h，优化所述多入多出阵列的发射信号，使得所述发射信号分别在所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的方向上与对应的所述参考信号d_t、d_c、d_h的相似度超过阈值。

2.根据权利要求1所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，在所述方法中，第n个所述发射通道的发射波形记为s_n(t)(n＝1,…,N_T)，对于第n个所述发射通道中的发射信号，其脉冲宽度为T_p，等分为L个宽度相等的子脉冲，每个子脉冲的宽度为t_b，各个子脉冲的编码序列依次为s_n(1),s_n(2),……,s_n(L)，所述各个子脉冲的编码序列组成的矢量记为s_n，表示第n个发射通道的编码序列构成的矢量，则所述第n个发射通道的发射信号表示为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，p(t-lt_b)为p(t)经时延lt_b后的脉冲。

3.根据权利要求2所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用如下方式确定所述方向角：

所述接收信号Y为：

其中，α_n为所述接收信号的第n个信号幅度，θ_n为来波方向，b_R(θ_n)为θ_n处的接收导引矢量，a_T(θ_n)为θ_n处的发射导引矢量，N为接收机噪声，其中，s_n＝[s_n(1),…,s_n(L)]^T，(n＝1,…,N_T)；

计算所述接收信号的协方差矩阵并进一步计算所述接收信号的空间谱：

其中，所述空间谱的峰值所处的位置即为所述方向角；

在确定所述方向角时，在θ处分别代入来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号和来波方向，通过上述计算过程得到所述方向角θ_t、θ_c、θ_h。

4.根据权利要求3所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，在所述步骤S2中，基于所述估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h的所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值区间分别为[θ_t,l,θ_t,u]、[θ_c,l,θ_c,u]、[θ_h,l,θ_h,u]，其中，θ_t,l＝θ_t-Δ_t/2，θ_t,u＝θ_t+Δ_t/2，θ_c,l＝θ_c-Δ_c/2，θ_c,u＝θ_c+Δ_c/2，θ_h,l＝θ_h-Δ_h/2，θ_h,u＝θ_h+Δ_h/2，通过将上述区间进行离散化，得到所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值。

5.根据权利要求4所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，在所述步骤S3中：

所述发射能量e_t表示N_T个所述发射通道的发射波形能量之和，定义为：

其中，p(t)为脉冲宽度为t_b的成形脉冲，约定成形脉冲的发射能量为1，即则发射能量e_t进一步表征为：

所述发射信号的峰均比ρ定义为：

其中，所述峰均比ρ的取值范围为[1，L]；

记所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h包含的离散值为 和/>则所述对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h分别为其中，a_T(θ)＝[1，exp(j2πd/λsin(θ))，…，exp(j2π(N_T-1)d/λsin(θ))]^T。

6.根据权利要求5所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过对以下优化模型进行寻优迭代，来确定经优化的所述多入多出阵列的发射信号：

其中，Ω＝Ω_t∪Ω_c∪Ω_h，θ_k∈为集合Ω中的第k个元素， 当θ_k∈Ω_t时，d_k＝d_t；当θ_k∈Ω_c时，d_k＝d_c；当θ_k∈Ω_h时，d_k＝d_h。

7.根据权利要求6所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法，其特征在于，在所述方法中，确定所述经优化的多入多出阵列的发射信号后，进一步确定所述多入多出阵列向所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象发射的信号s_t′(t)、s_c′(t)、s_h′(t)：

其中，s′(t)表示所述经优化的多入多出阵列的发射信号。

8.一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化系统，其特征在于，所述探通扰一体化波形优化指通过优化的波形能够同时具备探测目标检测区域中的待检测目标、与通信接收方进行通信、向待干扰对象发射干扰信号的能力；所述系统包括多入多出阵列和处理单元；其中：

所述多入多出阵列为多输入多输出(MIMO)的天线阵列，其包括N_T个发射通道，每个使用不同的发射天线来发射相互独立的波形；

所述处理单元被配置为执行：

分别获取来自所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的接收信号，来确定所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象三者相对于所述多入多出阵列的方向角θ_t、θ_c、θ_h；

设定所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的估计误差Δ_t、Δ_c、Δ_h，通过对所述方向角θ_t、θ_c、θ_h的取值范围进行离散化处理来确定对应的方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h，其分别包含N_t、N_c、N_h个值；

设定所述多入多出阵列的发射能量e_t、发射信号的峰均比ρ以及能够实现探测所述目标检测区域中的所述待检测目标、与所述通信接收方进行通信、向所述待干扰对象发射干扰信号的参考信号d_t、d_c、d_h，并基于所述方向角离散值集合Ω_t、Ω_c、Ω_h计算对应的发射导引矢量S_t、S_c、S_h；

利用所述发射能量e_t、所述发射信号的峰均比ρ、所述参考信号d_t、d_c、d_h以及所述发射导引矢量S_t、S_c、S_h，优化所述多入多出阵列的发射信号，使得所述发射信号分别在所述目标检测区域、所述通信接收方、所述待干扰对象的方向上与对应的所述参考信号d_t、d_c、d_h的相似度超过阈值。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1至7中任一项所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法中的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至7中任一项所述的一种基于多入多出阵列的探通扰一体化波形优化方法中的步骤。