CN115113199A - 基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，该方法基于数字编码超表面建立了一种实现高效雷达通信一体化的机制，直接在超表面口面上实现时间和空间频率调制，从而与传统相控阵或MIMO天线相比，大大简化架构，降低系统成本。所述的无线安全系统的加密和解密、一维距离成像和雷达探测与无线通信的同时实现的功能通过仿真和实例得到很好的验证，从而展示了基于数字编码超表面的雷达通信一体化技术在未来成为通用、无处不在的智能终端的巨大潜力。

Description

基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法

技术领域

本发明涉及雷达通信一体化的技术领域，特别是涉及基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法。

背景技术

作为电子信息系统的重要组成部分，无线通信系统和雷达通信系统已经独立发展了多年。一般来说，雷达系统旨在利用已知源信号估计信道信息，而通信系统旨在利用已知信道信息估计源信号。在6G无线通信、智慧城市、智能合作等新型军用和民用需求的推动下，雷达探测和无线通信呈现了融合趋势。因此，雷达通信一体化技术被提出，旨在利用相同平台和相同信号同时实现雷达和通信功能。事实上，雷达通信一体化技术已经回归了电磁波作为信息载体的本质，正是在这个本质意义上，雷达通信一体化技术成为实现集成化、通用化、智能平台的重要途径。

目前雷达通信一体化系统主要在时域和频域上进行信号处理，只有配备相控阵天线或MIMO天线的雷达通信一体化系统才能对携带空间信息的信号进行处理，但是这些天线架构复杂，且处理信号复杂度高，这类系统的高成本，架构复杂的问题需要被解决。

数字可编程超表面由于具有动态调控电磁波的特性被广泛研究，其与雷达通信一体化的结合可以为实现通用和智能电磁系统提供方向。数字可编程超表面可以替代相控阵天线或MIMO天线，提高雷达通信一体化技术处理多维信息的灵活性，具体来说，雷达通信一体化中信号的空间信息可以在超表面中分离处理，从而降低信号处理复杂度，同时由于数字可编程超表面仅需要一个收发机作为照射源，从而减少了系统成本，简化系统架构，因此，基于数字可编程超表面的雷达通信一体化技术可以带来更高的灵活性，解决当前系统的高成本，架构复杂的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，在该方法中电磁波携带的信息经过数字可编程超表面进行收发，然后对其进行估计和处理。从而带来更高的灵活性，解决当前系统的高成本，架构复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，该方法基于雷达通信一体化系统，在该系统中包括发射端和接收端，其中，所述的发射端和接受端均设置有数字可编程超表面，所述的雷达通信一体化方法包括如下步骤：

步骤S1、执行通信传输，并且对发射信号执行加密，对接收信号执行解密，其包括：在发射端，对发射信号进行相位调制，在接收端对接收信号执行相位解调，并且验证发射信号与接收信号的一致性；

步骤S2、执行雷达方面的验证，其包括：在所述的雷达通信一体化系统中设置一目标，再应用基于数字可编程超表面的二相编码信号对所述目标进行一维距离成像，其中，在发射端通过数字可编程超表面对源信号进行180°相位差调制得到二相编码信号，该信号再经过所述目标反射后传输至接收端中，在接收端，通过匹配滤波算法对接收的信号进行处理，实现目标的一维距离成像；

步骤S3、执行雷达通信的一体化，通过所述的雷达通信一体化系统同时实现雷达探测和无线通信两种功能，其包括：通过编码设计使得所述数字可编程超表面生成双通道，其中，第一个通道进行步骤S1所述的通信传输，另一个通道进行步骤S2所述的雷达成像，由此实现雷达通信一体化。

进一步的，在所述步骤S1中，在发射端以及接收端各自设计一个时空系统函数，并且该两个时空系统函数相对应，通过该时空系统函数对信号实现相位调制和相位解调。

进一步的，所述步骤S1包括：

假设信号I(t)由传播矢量为k的平面波e^jωt携带，并且到达超表面参考单元的信号为s(t)＝I(t)e^jωt，其中t表示时间，I(t)表示信号幅度，ω为信号角频率，则到达超表面的第m个单元的信号表示为：

在该公式(1)中，

其中，k₀为传播常数，θ和

分别表示俯仰角和方位角，k是传播常数在xy平面上的分量；ρ_m＝[x_m,y_m]^T，x_m和y_m分别表示超表面第m个单元在x轴和y轴的坐标；ρ_m表示超表面第m个单元的坐标；

对于带宽为B的窄带信号，得：

因此得到：

如果第m个单元的反射或透射系数为Γ_m，则在与其距离为r_m的点观察到的信号为：

考虑全部M个单元，则观察点的总信号表示为：

在该公式(3)中，

是超表面中M个单元的考虑相位补偿的辐射特性的集合；

是超表面M个单元的方向矢量的集合；

定义超表面的系统函数为

则观察点信号表示为：

其中，该公式(4)表明输入信号由超表面的系统函数调制。

进一步的，所述步骤S2包括：

假设载波e^jωt经过系统函数h(t)包含相位调制的超表面调制，则超表面的发射信号写为：

g_t(t)＝h(t)e^jφ(t)e^jωt (5)

在公式(5)中，φ(t)为二进制相位调制项，表示为：

在公式(6)中，N和τ₀分别表示二相编码的长度和码元周期，c_k为二进制编码，取值为0或1；

假设接收机放置于发射机相同位置，则从距离R的目标接收到的信号为：

在公式(7)中，c表示光速；

对接收信号进行处理后，所得目标一维距离成像特性如下：

在公式(8)中，Δt为成像范围，易得相关系数在Δt＝2R/c处取得最大值，★表示卷积计算，

表示发射信号g_t(t)的共轭。

本发明的有益效果是：

本发明基于数字编码超表面建立了一种实现高效雷达通信一体化的机制，直接在超表面口面上实现时间和空间频率调制，从而与传统相控阵或MIMO天线相比，大大简化架构，降低系统成本。

附图说明

图1为实施例1中提供的基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法的示意图；

图2为实施例1中提供的基于数字可编程超表面的无线安全通信示意图及其信号示意图，其中，图2(a)表示为无线安全通信示意图，图2(b)表示为原信号的示意图，图2(c)表示为超表面的相位调制的示意图，图2(d)表示为加密信号的示意图，图2(e)表示为解密信号的示意图；

图3为实施例1中提供的基于数字可编程超表面的一维距离成像的示意图，其中，图3(a)为成像过程示意图，图3(b)为接收信号的示意图，图3(c)为一维距离成像的示意图；

图4为实施例1中提供的基于数字可编程超表面的雷达通信一体化的应用场景示意图，其中，图4(a)表示为具体的应用场景示意图，图4(b)-图4(e)表示为双波束的仿真结果，指向10°的波束的相位不变，指向-30°的波束相位从0°到270°以90°的步进变化，其中，图4(b)为0°，图4(c)为90°，图4(d)为180°，图4(e)为270°；

图5为独立相位调控的双波束辐射模式和相位的测量结果示意图，其中，图5(a)是固定波束二辐射相位为180°，调控波束一的辐射模式的幅度结果图、图5(b)是固定波束二辐射相位为90°，调控波束一的辐射模式的幅度结果图、图5(c)是固定波束二辐射相位为0°，调控波束一的辐射模式的幅度结果图、图5(d)是固定波束二辐射相位为270°，调控波束一的辐射模式的幅度结果图、图5(e)是固定波束二辐射相位为180°，调控波束一的辐射模式的相位结果图、图5(f)是固定波束二辐射相位为90°，调控波束一的辐射模式的相位结果图、图5(g)是固定波束二辐射相位为0°，调控波束一的辐射模式的相位结果图、图5(h)是固定波束二辐射相位为270°，调控波束一的辐射模式的相位结果图；

图6为测试结果的示意图，其中，图6(a)为通信信道采样信号的示意图，图6(b)为匹配滤波后的通信信号的示意图，图6(c)为雷达信道的采样信号的示意图，图6(d)为雷达目标的一维相关距离成像的示意图。

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。

实施例1

参见图1-图6，本实施例提供基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：

步骤S1、在数字可编程超表面孔径上对无线安全系统进行加密和解密测试，其包括：由发射机发射信号，经过发射超表面对信号进行相位调制，接收超表面进行相位解调，最终验证接收机上接收的信号与发射信号的一致性；

具体的说，在本实施例中，该步骤S1包括：

假设信号I(t)由传播矢量为k的平面波e^jωt携带，并且到达超表面参考单元的信号为s(t)＝I(t)e^jωt，其中t表示时间，I(t)表示信号幅度，ω为信号角频率，则到达超表面的第m个单元的信号可表示为：

在该公式(1)中，

其中k₀为传播常数，θ和

分别表示俯仰角和方位角，k是传播常数在xy平面上的分量；ρ_m＝[x_m,y_m]^T，x_m和y_m分别表示超表面第m个单元在x轴和y轴的坐标；ρ_m表示超表面第m个单元的坐标。对于带宽为B的窄带信号，可得：

因此得到：

如果第m个单元的反射或透射系数为Γ_m，则在与其距离为r_m的点观察到的信号为：

考虑全部M个单元，则观察点的总信号可表示为：

在该公式(3)中，

是超表面中M个单元的考虑相位补偿的辐射特性的集合；

是超表面M个单元的方向矢量的集合；

定义超表面的系统函数为

则观察点信号可以表示为：

其中，该公式(4)表明输入信号由超表面的系统函数调制。

上述为接收信号过程的分析，对于发射信号的过程同理。从无线通信的角度来看，数字可编程超表面已经变成了通信信道的一部分。特别地，该部分的可编程特性使得数字可编程超表面成为安全通信的适应性技术。

更具体的说，在本实施例中，如图2所示，图2(a)给出了基于数字可编程超表面的无线安全通信示意图。通过设计时空系统函数

源信号在经过超表面后进行了时域和空域上的调制。在时域上，超表面对源信号进行相位调制；在空域上，超表面将能量辐射至一特定方向上。所以源信号在时域和空域上都进行了调制。对于解密，另外一个系统函数为

的数字可编程超表面用于恢复加密信号。作为例子，仿真了基于超表面对相位调制信号的加密和解密。假设源信号用于调制超表面，图2(b)展示了包含四种相位状态(0°,90°,180°和270°)的源信号。通过对超表面的孔径进行编码生成方向波束，源信号通过方向波束辐射，并且带有额外相移(72.64°,-19.75°,252.7°和160°)，如图2(c)所示。相移由计算距离超表面2m的点的数值得出。在相同点计算的加密信号如图2(d)所示。可看出每个符号的相移趋近于0，因此有效信息得以隐藏。解码过程由另外一个具备共轭相移的超表面完成(72.64°,160°,252.7°,and-19.75°)。图2(e)展示的解码信号与源信号一致。

在上述分析中，源信号的每比特根据数字可编程超表面的一组口面编码加密。事实上，每个比特可以通过一系列口面编码加密以提高安全性能。加密过程本质上为码分多址技术，其最开始作为军事通信的安全技术。该过程表明数字可编程超表面可用于码分多址通信。更重要的是，所提出的基于超表面的安全通信具有显著优势，即超表面作为一个独立的即插即用模块，可以在不改变原有系统的前提下，在不同场景下任意修改或更新，从而节省大量时间和成本。

步骤S2、执行雷达方面的验证，应用基于超表面的二相编码信号对目标进行一维距离成像。具体是：发射机发射由超表面进行180°相位差调制的二相编码信号，信号经过目标反射后传输至接收机，信号经过匹配滤波算法处理后可实现目标的一维距离成像。

具体的说，在本实施例中，该步骤S2包括：

由于数字可编程超表面可以在口面上进行相位调制，其可用于生成二相编码信号，用于一维距离成像。假设载波e^jωt经过系统函数h(t)包含相位调制的超表面调制，则超表面的发射信号可写为：

g_t(t)＝h(t)e^jφ(t)e^jωt (5)

在公式(5)中，φ(t)为二进制相位调制项，表示为：

在公式(6)中，N和τ₀分别表示二相编码的长度和码元周期，c_k为二进制编码，取值为0或1。

假设接收机放置于发射机相同位置，则从距离R的目标接收到的信号为：

在公式(7)中，c表示光速。

对接收信号进行相关处理后，所得目标一维距离成像特性如下：

在公式(8)中，Δt为成像范围，易得相关系数在Δt＝2R/c处取得最大值，★表示卷积计算，

表示发射信号g_t(t)的共轭。

更具体的说，在本实施例中，如图3所示，该图3展示了基于超表面的一维距离成像样例，255位的m序列用于给c_k赋值，而后对应c_k的二进制数值的两组口面编码应用于超表面。在垂直距离超表面2m的点，计算出的辐射相位为-19.75°和160°，对应c_k的0和1。依据m序列切换两组口面编码，数字可编程超表面可生成特定的二相编码信号。口面切换速率设为10MHz，并且接收信号的采样率设为20Gsa/s。假设一个目标放置在距收发机2m的地方，则回波信号可通过匹配滤波获得，如图3(b)所示。图3(c)为目标的计算距离像。在1.995m处观察到波峰，与设定距离非常接近，因此验证了所提出的基于超表面的一维距离成像的有效性。

步骤S3、执行雷达通信一体化的验证，应用数字可编程超表面这个平台同时实现雷达探测和无线通信两种功能，其具体包括：通过编码设计使超表面生成双通道，一个通道进行步骤1所述的通信传输，另一个通道进行步骤2所述的雷达成像，由此实现雷达通信一体化。

具体的说，在本实施例中，该步骤S3包括：

雷达通信一体化是未来信息系统网络的重要内容，在应用方面，雷达通信一体化的形式包括时分复用、频分复用、码分复用和空分复用。在这些形式里，时分复用易于实现但是雷达和通信功能间的切换时间限制了实时性能。频分复用和码分复用拥有充足的时频使用资源，且雷达和通信功能可同时存在。空分复用可以使用指向不同方向的方向波束来独立执行雷达和通信。在实际应用中，由于通信用户和雷达目标一般分布在不同的空间区域，空分复用常与其他类型的复用形式结合。

鉴于数字编码超表面能在空域、时域和频域中操控电磁波，它们可用于实现各种复用形式。图4(a)展示了基于数字编码超表面的雷达通信一体化的应用示意图，图中超表面生成附带调制相位的双波束，两个波束生成两个独立信道，分别用于与合作用户通信和非合作目标探测。两个信道携带的相位调制信号可以是不同信号，也可以是雷达和通信系统共用的信号。

更具体的说，在本实施例中，超表面被配置于生成方位角指向10°和-30°的双波束。基于之前的分析，可以计算出拥有独立辐射相位的双波束。每个波束的辐射相位有四种状态。因此，需要16组口面编码对双波束进行正交相位调制。

图4(b)-图4(e)给出了远场模式的仿真结果，这些模式保持指向10°的波束的相位不变，指向-30°的波束相位以90°的步进变化。图5给出了独立相位调控的双波束辐射模式和相位的测量结果。可以看出，相位调制不会改变方向波束的指向，并且每个方向波束的相位调制可以独立调控。因此，超表面提供了一种灵活的方法以独特或混合的方式实现空分复用、频分复用和码分复用技术，这种功能为基于超表面的雷达通信一体化技术奠定了基础。

更具体的说，在本实施例中，搭建了基于数字可编程超表面的雷达通信一体化系统，利用超表面生成方位角指向20°和-20°的双波束，因此生成了两个空间信道。信道一用于雷达成像，探测(θ＝-20°)方向放置于2.5m外的金属片，接收喇叭作为雷达接收机，放置在超表面旁边。信道二用于无线通信，在(θ＝20°)方向距离1.42m放置另外一个喇叭作为通信接收机。两个通道的信号通过示波器独立测量，在这个实验中，m序列应用于两个信道，另外，两个通道中的m序列是时间同步的，因此可用来获得两个通道的相对时间延迟。此实验能够测量出两个信道的相关时延，并且在已知通信接收机距离的前提下，可以获得雷达目标的距离。

图6(a)和(c)展示了两个信道的采样信号，由于切换口面编码时辐射强度的不一致性，不同码元的幅度不完全一致，但是信号的包络表明载波信号已经按照m序列进行调制。包络的波动可以通过已经广泛应用于电子信息系统的自动增益控制消除。

通过匹配滤波技术，通信信道中接收的m序列的复原情况如图6(b)所示，与图3(b)的理想m序列相比，恢复的信号中存在一些幅度抖动，这些抖动是变频器的噪声和频移导致的。但是这些都懂对于符号估计影响很小。雷达信道中的接收信号也经过匹配滤波处理，并且两个信道的接收信号的相关系数可以由等式(8)计算。

根据相关时延，图6(d)的相关距离像的峰值出现在3.51m处。由于通信接收机和超表面的实际距离为1.42m，可得超表面和金属片的测试距离为4.93m，与实际距离5m非常接近。上述测试结果验证了所提出的基于数字可编程超表面的雷达通信一体化技术的有效性。

综上所述，雷达与通信功能的融合是未来世界信息网络系统发展的重要趋势，它通过电磁波实现通用和智能感知、表达和认知。本发明基于数字编码超表面建立了一种实现高效雷达通信一体化的机制，直接在超表面口面上实现时间和空间频率调制，从而与传统相控阵或MIMO天线相比，大大简化架构，降低系统成本。所述的无线安全系统的加密和解密、一维距离成像和雷达探测与无线通信的同时实现的功能通过仿真和实例得到很好的验证，从而展示了基于数字编码超表面的雷达通信一体化技术在未来成为通用、无处不在的智能终端的巨大潜力。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，其特征在于，该方法基于雷达通信一体化系统，在该系统中包括发射端和接收端，其中，所述的发射端和接收端均设置有数字可编程超表面，所述的雷达通信一体化方法包括如下步骤：

步骤S1、执行通信传输，并且对发射信号执行加密，对接收信号执行解密，其包括：在发射端，对发射信号进行相位调制，在接收端对接收信号执行相位解调，并且验证发射信号与接收信号的一致性；

步骤S2、执行雷达方面的验证，其包括：在所述的雷达通信一体化系统中设置一个目标，再应用基于数字可编程超表面的二相编码信号对所述目标进行一维距离成像，其中，在发射端通过数字可编程超表面对源信号进行180°相位差调制得到二相编码信号，该信号再经过所述目标反射后传输至接收端中，在接收端，通过匹配滤波算法对接收的信号进行处理，实现目标的一维距离成像；

步骤S3、执行雷达通信的一体化，通过所述的雷达通信一体化系统同时实现雷达探测和无线通信两种功能，其包括：通过编码设计使得所述数字可编程超表面生成双通道，其中，第一个通道进行步骤S1所述的通信传输，另一个通道进行步骤S2所述的雷达成像，由此实现雷达通信一体化。

2.根据权利要求1所述的基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，其特征在于，在所述步骤S1中，在发射端以及接收端各自设计一个时空系统函数，并且该两个时空系统函数相对应，通过该时空系统函数对信号实现相位调制和相位解调。

3.根据权利要求1所述的基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

假设信号I(t)由传播矢量为k的平面波e^jωt携带，并且到达超表面参考单元的信号为s(t)＝I(t)e^jωt，其中t表示时间，I(t)表示信号幅度，ω为信号角频率，则到达超表面的第m个单元的信号表示为：

在该公式(1)中，

其中，k₀为传播常数，θ和

分别表示俯仰角和方位角，k是传播常数在xy平面上的分量；ρ_m＝[x_m,y_m]^T，x_m和y_m分别表示超表面第m个单元在x轴和y轴的坐标；ρ_m表示超表面第m个单元的坐标；

对于带宽为B的窄带信号，得：

因此得到：

如果第m个单元的反射或透射系数为Γ_m，则在与其距离为r_m的点观察到的信号为：

考虑全部M个单元，则观察点的总信号表示为：

在该公式(3)中，

是超表面中M个单元的考虑相位补偿的辐射特性的集合；

是超表面M个单元的方向矢量的集合；

定义超表面的系统函数为

则观察点信号表示为：

其中，该公式(4)表明输入信号由超表面的系统函数调制。

4.根据权利要求3所述的基于数字可编程超表面的雷达通信一体化方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

假设载波e^jωt经过系统函数h(t)包含相位调制的超表面调制，则超表面的发射信号写为：

g_t(t)＝h(t)e^jφ(t)e^jωt (5)

在公式(5)中，φ(t)为二进制相位调制项，表示为：

在公式(6)中，N和τ₀分别表示二相编码的长度和码元周期，c_k为二进制编码，取值为0或1；

假设接收机放置于发射机相同位置，则从距离R的目标接收到的信号为：

在公式(7)中，c表示光速；

对接收信号进行处理后，所得目标一维距离成像特性如下：

在公式(8)中，Δt为成像范围，易得相关系数在Δt＝2R/c处取得最大值，★表示卷积计算，

表示发射信号g_t(t)的共轭。

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