基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法

摘要

本发明涉及一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法，属于雷达通信技术领域，解决了现有技术中无法实现波形空间三维分布操控的问题。通过确定阵列天线规模和布阵方式，并基于阵列天线与雷达目标、通信节点的位置关系建立三维空间坐标系；确定雷达目标和通信节点在三维空间坐标系中的位置，通过雷达波形和通信波形的各项参数得到相应位置处的期望波形；基于计算雷达目标和通信节点的阵列近场响应矩阵；以及雷达和通信的期望波形，得到发射波形的约束条件，通过对约束条件进行求解，最终得到雷达通信一体化波形，实现了在距离相同方向不同和方向相同距离不同的目标位置处同时合成任意期望波形，达到空域资源的精准操控。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达通信技术领域，尤其涉及一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法。

背景技术

随着科学理论和信息技术的不断发展，雷达系统和通信系统在频谱占用、波形处理和收发通道等方面的差异正逐步减小，电子设备增加引起的系统装备冗余、电磁兼容性差、频谱冲突等问题日益显著，对雷达通信一体化系统的需求越来越迫切。为实现不同功能间的信息融合和资源共享，国内外已开展了大量的研究，并逐步将重点转移至信号一体化研究，以实现对电磁资源的统一操控。

早期的雷达通信一体化波形设计主要集中在时频域方面，提出了时频复用波形、雷达共享波形和通信共享波形，该方面的研究已经较为充分。随着天线阵列技术的发展，数字阵列天线允许每个阵元独立生成任意波形，复杂的发射波形设计方案开始变得可行，因此基于阵列天线的一体化波形设计成为当前的研究热点。基于阵列天线进行雷达通信一体化波形的研究主要包括分阵面体制、共阵面单波束体制、共阵面多波束体制三种。其中，分阵面体制通过将阵面划分为不同的区域，分别实现雷达和通信功能，其中雷达波形和通信波形可以根据功能需求使用任意发射波形，不受限制，但该体制会分割发射能量，降低雷达探测距离，此外因雷达功率高于通信功率，雷达旁瓣不可避免的会对通信造成干扰；共阵面单波束体制利用发射方向图主瓣实现雷达功能，副瓣通过幅度、相位调制实现通信功能，此方法利用所有天线阵元同时实现雷达和通信功能，提高了发射功率效率，但通信功能只支持视距传输且传输速率较低，通信发射功率不可控；共阵面多波束体制同时生成多个波束，分别完成雷达和通信功能，该方法利用阵列天线的空间维自由度，兼顾雷达性能和通信性能，但雷达和通信工作区域受限，当两者之间的角度小于一定范围时，将无法实现多波束发射。综上所述，现有的一体化波形设计方案还未充分利用阵列天线的空间自由度，导致无法实现对空域资源的精确操控。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法，用以解决现有无法实现对空域资源精准操控的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法包括：

确定阵列天线规模和布阵方式，并基于阵列天线与雷达目标、通信节点的位置关系建立三维空间坐标系；

确定雷达目标和通信节点在三维空间坐标系中的位置，通过雷达波形和通信波形的各项参数得到相应位置处的期望波形；

计算雷达目标阵列近场响应矩阵和通信节点阵列近场响应矩阵；

基于雷达目标阵列近场响应矩阵、通信节点阵列近场响应矩阵，以最小化一体化波形的发射功率为准则，以雷达目标和通信节点的期望位置合成波形为约束，建立一体化波形优化模型并求解得到最优的雷达通信一体化波形。

可选地，所述确定阵列天线规模和布阵方式，并基于阵列天线与雷达目标、通信节点的位置关系建立三维空间坐标系，包括：

确定阵列天线规模和阵列方式；

以阵列中心为坐标原点，近场边界距离为上限，建立三维空间坐标系，保证阵列中心到目标的最大距离小于近场边界距离；其中，所述目标包括雷达目标和通信节点。

可选地，所述确定雷达目标和通信节点在三维空间坐标系中的位置，通过雷达波形和通信波形的各项参数得到相应位置处的期望波形包括：

基于雷达目标和通信节点的位置得到其在所述三维空间坐标系中的位置；

根据雷达目标和通信节点在所述三维空间坐标系中的位置以及雷达目标和通信节点的参数信息得到雷达目标在其位置处的期望波形和通信节点在其位置处的期望波形。

可选地，所述计算雷达目标的阵列近场响应矩阵和通信节点的阵列近场响应矩阵包括：

通过阵列近场信号传播模型，得到目标k在阵列近场范围内的接收模型；

对接收模型进行矢量化转换得到目标k对应的阵列近场响应矩阵；

基于得到的目标k对应的阵列近场响应矩阵进而得到雷达目标阵列近场响应矩阵以及通信节点阵列近场响应矩阵；其中，目标k为所述雷达目标或通信节点。

可选地，所述基于雷达阵列近场响应矩阵、通信节点阵列近场响应矩阵，以最小化一体化波形的发射功率为准则，以雷达目标和通信节点的期望位置合成波形为约束，建立一体化波形优化模型并求解得到最优的雷达通信一体化波形，具体包括：

根据雷达目标的期望波形，基于雷达目标阵列近场响应矩阵、得到雷达目标合成波形的约束条件；

根据通信节点的期望波形，基于通信节点阵列近场响应矩阵、得到通信节点合成波形的约束条件；所述合成波形为在目标位置处的期望波形；

基于雷达目标的约束条件和通信节点的约束条件进行矩阵化表示，得到波形合成约束；

基于波形合成约束，根据最小化一体化波形发射功率准则，得到波形的优化函数；

根据得到的波形优化函数进行求解得到雷达通信一体化波形。

可选地，所述根据雷达目标的合成波形，得到约束条件包括：

其中，s

可选地，所述根据通信节点的合成波形，得到约束条件包括：

其中，s

可选地，所述基于雷达目标的约束条件和通信节点的约束条件进行矩阵化表示，得到波形合成约束包括：

基于得到的雷达目标的约束条件以及通信节点的约束条件进行矩阵化表示，得到波形的合成约束条件为：

A

其中，X为各阵元一体化波形的矩阵化表示，A＝[a(x

可选地，所述根据得到的波形优化函数进行求解得到雷达通信一体化波形包括：

根据波形合成约束，根据最小化一体化波形发射功率准则，将优化模型变形；

基于变形后的优化模型，利用拉格朗日乘子法进行求解得到波形合成约束下的一体化波形；

基于波形合成约束下的一体化波形，根据恒模约束，得到恒模约束下的优化函数；

基于恒模约束下的优化函数进行求解，最终得到雷达通信的一体化波形。

可选地，根据波形合成约束，根据最小化一体化波形发射功率准则，将优化模型变形包括：

s.t.A

其中，X为一体化波形矩阵，A＝[a(x

另一方面，与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：

与现有技术相比，本发明充分利用阵列天线的近场布局方式，结合阵列近场响应矩阵，可以在同一方位不同距离的目标位置处合成不同功能的波形，同时满足雷达和通信功能对发射波形的要求，实现了距离向、方位向和俯仰向三个空间维度的精准操控。此外，本发明的实现过程相对简单，不涉及复杂运算。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例波形设计流程图；

图2为本发明实施目标场景分布情况示意图；

图3a为本发明实施例在波形合成约束下，雷达目标位置合成波形时域图；

图3b为本发明实施例在波形合成约束下，通信节点A位置合成波形时域图；

图3c为本发明实施例在波形合成约束下，通信节点B位置合成波形时域图；

图4为本发明实施例在波形合成约束下，雷达期望波形的空间相似性分布效果图；其中，图4a为整个辐射空间的波形表现，图4b为观察雷达目标周围±1000m的空间范围；

图5为本发明实施例在波形合成约束下，通信节点A期望波形的空间相似性分布效果图；其中，图5a为整个辐射空间的波形表现，图5b为观察了通信节点A周围±1000m的空间范围，图5c为观察了通信节点A周围±5m的空间范围；

图6为本发明实施例在波形合成约束下，通信节点B期望波形的空间相似性分布效果图；其中，图6a为整个辐射空间的波形表现，图6b为观察了通信节点B周围±1000m的空间范围，图6c为观察了通信节点B周围±5m的空间范围；

图7为本发明实施例在波形合成约束下，空间能量分布图；其中，图7a是整个辐射空间的能量分布，图7b是通信节点A周围±1000m范围的能量分布，图7c是雷达目标周围±1000m范围的能量分布，图7d是通信节点B周围±1000m范围的能量分布；

图8a为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下，雷达目标位置合成波形时域图；

图8b为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下，通信节点A位置合成波形时域图；

图8c为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下,通信节点B位置合成波形时域图；

图9为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下，雷达期望波形的空间相似性分布效果图；其中，图9a为整个辐射空间的波形表现，图9b为观察雷达目标周围±1000m的空间范围；图10为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下，通信节点A期望波形的空间相似性分布效果图；其中，图10a为整个辐射空间的波形表现，图10b为观察了通信节点A周围±1000m的空间范围，图10c为观察了通信节点A周围±5m的空间范围；

图11为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下，通信节点B期望波形的空间相似性分布效果图；图11a为整个辐射空间的波形表现，图11b为观察了通信节点B周围±1000m的空间范围，图11c为观察了通信节点B周围±5m的空间范围；

图12为本发明实施例在波形合成约束和恒模约束下，空间能量分布图；其中，图12a是整个辐射空间的能量分布，图12b是通信节点A周围±1000m范围的能量分布，图12c是雷达目标周围±1000m范围的能量分布，图12d是通信节点B周围±1000m范围的能量分布；。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法，具体包括：

步骤S1：确定阵列天线规模和布阵方式，并基于阵列天线与雷达目标、通信节点的位置关系建立三维坐标系；

具体地，阵列天线规模为M，阵列孔径总长度为D；为了保证目标在阵列对应的阵列近场范围内，因此目标和阵列天线之间应满足阵列近场关系，阵列孔径D与对应的目标到阵列中心的距离L满足关系：L≤2D

示例性地，确定阵列天线规模即阵元个数为M＝1024，将阵列天线均分为16个阵列单元，每个阵列单元内有64个均匀排列的阵元，阵元间距为d＝λ/2，阵列单元间间距为d

步骤S2：确定雷达目标和通信节点在三维空间坐标系中的位置，通过雷达波形和通信波形的各项参数得到相应位置处的期望波形；

根据雷达目标和通信节点在所述三维空间坐标系中的位置以及雷达目标和通信节点的参数信息得到雷达目标在其位置处的期望波形和通信节点在其位置处的期望波形。

具体地，雷达目标和通信节点的仿真参数如下：

表格1一体化波形设计相关仿真参数

获取得到雷达目标和通信节点的参数信息；所述雷达目标参数包括信号类型、带宽、脉冲宽度；所述通信节点参数包括调制方式、符号个数、调制阶数以及与雷达波形的功率差。

雷达目标在三维空间直角坐标系位置：(x

步骤S3：计算雷达目标的阵列近场响应矩阵和通信节点的阵列近场响应矩阵；

具体地，当雷达目标位于阵列近场范围内时，雷达目标位置处接收波形为球面波，波形的相位和幅度均与传播距离有关，因此需计算每个阵元的传播距离及其对应的响应矩阵。具体包括：

阵列近场信号传播模型为：

其中，t为发射波形的时间，A为发射波形的幅度，r为阵元与目标之间的距离，f为发射波形的频率，j为虚部单位，λ为一体化波形的工作波长。值得注意的是，由传播模型可知，雷达目标位置处接收波形的幅度衰减和相位延迟都受距离r的影响。

对于一个具有M个阵元的阵列天线来说，空间中任一目标k位于阵列天线的阵列近场范围内，根据公式(1)可知，任一目标k的接收信号模型可以表示为：

其中，r

任一目标k接收信号矢量化表示为：

其中，x(n)为一体化波形的第n个采样点，

因此，三维坐标系下，任一目标k对应的阵列近场响应矩阵为：

其中，r

在本实施例中，基于得到的目标k对应的阵列近场响应矩阵进而得到雷达目标阵列近场响应矩阵以及通信节点阵列近场响应矩阵；其中，目标k为所述雷达目标或通信节点。

步骤S4：基于雷达目标阵列近场响应矩阵、通信节点阵列近场响应矩阵，以最小化一体化波形的发射功率为准则，以雷达目标和通信节点的期望位置合成波形为约束，建立一体化波形优化模型并求解得到最优的雷达通信一体化波形。

具体地，对于空间中雷达目标，基于雷达阵列近场响应矩阵，要求其位置处的合成波形为线性调频(linear frequency modulation，LFM)波形，因此波形需满足的约束条件为：

利用阵列近场响应矩阵，将公式(5)进行矩阵化表示为：

对于空间中通信节点，要求其位置处的合成波形为携带信息的通信波形，波形需满足约束条件为：

利用阵列近场响应矩阵，将公式(6)进行矩阵化表示为：

由此，根据雷达目标和通信节点一体化波形满足的条件，构建波形合成约束为：A

其中，X为一体化波形矩阵，A＝[a(x

将公式(7)利用拉格朗日乘子法求解得到解析解为：

X

所述合成波形为在目标位置处的期望波形。

需要说明的是，在表1参数和图2所示场景下，对该方法进行仿真测试，为了衡量实际波形s与雷达期望波形s

其中，N为一体化波形的采样点数，M为阵元个数，x

在最小化一体化波形的发射功率准则下，结合波形合成约束和恒模约束，波形优化模型可建模为：

由于恒模约束是非凸的，采用交替投影法将波形优化模型拆分为两个子优化问题迭代求解；在波形合成约束下，子优化问题为：

其中，X

该优化问题利用拉格朗日乘子法可直接求得解析解为:

然后将解析解

该子优化问题的解析解为

其中，

通过对两个子优化问题迭代求解，当两次迭代结果满足收敛条件||X

当ρ

上述仿真表明，相较于现有的方法，本发明能够利用阵列天线近场效应进行一体化波形设计，在距离相同方向不同和方向相同距离不同的目标位置处同时合成任意期望波形，满足雷达和通信功能对发射波形的要求，实现空域资源的精准操控。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。