空频域雷达通信一体化设计方法、终端设备及存储介质

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种空频域雷达通信一体化设计方法、终端设备及存储介质。

背景技术

雷达通信一体化技术是目前电子作战领域的研究热点，其主要的特点是在完成雷达对目标探测的同时实现通信信息的传输。与传统的雷达和通信独立作战平台相比，雷达通信一体化具有更明显的优势。在作战环境中，采用雷达通信一体化设备不仅可以实现对我方周围的敌对目标进行探测和跟踪，还可以将通信信息传输到我方平台的设备。雷达通信一体化系统不仅可以提升作战效率，还可以解决作战设备过多带来的频谱资源浪费，设备管理混乱等问题。

传统的雷达通信一体化方案是将通信作为第二功能实现的。具体的实现方式有基于空域方向图的雷达通信一体化，该类方案通过发射方向图逼近期望方向图来形成期望的雷达主瓣，从而实现雷达的探测功能；通过对通信方位的方向图旁瓣进行幅度或者相位控制实现通信信息的传输。

现有技术中空域雷达通信一体化设计方法缺陷在于：只利用空域方向图进行通信信息的传输，只对空域方向图进行优化，没有对波形的频域功率谱进行优化，无法应对特定频域其他设备干扰的情况，通信效率不高，并且无法消除雷达和通信之间的干扰问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种空频域雷达通信一体化设计方法，其具体设计思路如图2所示，在空域和频域对多输入多输出（Multiple Input MultipleOutput，MIMO）发射波形进行优化，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，通过控制通信方向发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入，并基于MM算法对波形优化问题求解。

本发明的空频域雷达通信一体化设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据雷达探测区域以及所需传输的通信信息建立空频域雷达通信一体化波形优化问题，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，建立第一个子代价函数；通过控制通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入，分别建立两个子代价函数，将三个子代价函数进行组合得到最终的波形优化目标函数，添加波形序列的恒模特性为约束条件，建立相应的空频域雷达通信一体化波形优化问题；

步骤S2：根据MM算法求解步骤S1中所建立的空频域雷达通信一体化波形优化问题，得到最优解；

步骤S3：在雷达接收端和通信接收端进行信号处理，

在雷达接收端对回波信号进行时延估计和多普勒频移估计，从而得到探测目标的距离和速度，

在通信接收端空域上，在方向图旁瓣通信方位进行功率值的判决，若大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”；频域上，对回波信号在通信频带上的功率值进行判断，若大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”，从而解调得到所传输的比特信息；

步骤S4：进行雷达和通信性能的验证，

在雷达性能方面，根据优化得到的发射方向图主瓣对期望方向图的匹配程度来验证雷达探测功能，

在通信性能方面，利用星座图和误码率验证通信功能。

本发明采用空频域联合优化设计MIMO雷达通信一体化方法，不仅实现了发射方向图与期望方向图相匹配，保证了雷达的探测功能；同时还对通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带处功率谱密度进行控制，实现空域和频域同时传输通信信息，不仅提高了通信效率，还可避免雷达和通信的同频干扰。

本发明利用MM算法对复杂的波形空频域优化问题进行求解，即使是在采样序列较长和波形个数较多的情况下，利用MM算法能高效地解决优化问题，并且能够获得满足空频域性能要求的稳定波形。

根据本发明的一些实施例，其中步骤S2具体包括如下过程：首先分别对步骤S1中三个子代价函数展开化简；然后根据MM算法原理，针对每一个化简后的子代价函数，寻找易求解的上界函数，得到替代后的空频域波形优化问题，求出替代后波形优化问题的闭式解，并对闭式解的计算进行加速以降低计算复杂度，最后将每一次迭代求得的新的波形向量作为下一次迭代的初始波形向量，经过不断的循环迭代，直至当前波形向量减去上一次迭代得到的波形向量的模值小于给定阈值为止，从而得到空频域雷达通信一体化波形优化问题的最优解。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S1中建立空频域雷达通信一体化波形优化问题具体包括如下过程：

假设一个MIMO系统的发射阵列为包含

，

其中，

利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，具体为以发射方向图逼近期望方向图为目标来建立第一个子代价函数：

，

其中，

为雷达期望方向图，在发射方向图主瓣部分取1，其余部分取0；/>

控制通信方位发射方向图旁瓣水平实现通信信息的嵌入，具体为以最小化通信方位方向图旁瓣水平为目标建立第二个子代价函数：

，

其中，通信方位为

控制频域通信频带的功率谱密度水平来实现通信信息的嵌入，具体为以最小化通信频带上波形能量为目标建立第三个子代价函数：

，

其中，

建立一个空频域雷达通信一体化波形优化问题，具体为根据所要传输的通信比特信息，建立相应的波形空频域优化问题：

其中，

根据本发明第二方面实施例的终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

根据本发明第三方面实施例的存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的空频域雷达通信一体化设计方法的步骤。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的空频域雷达通信一体化设计方法的系统图；

图2为本发明的空频域雷达通信一体化设计方法的思路图；

图3为本发明的空频域雷达通信一体化设计方法的设计框图；

图4为本发明的空频域雷达通信一体化设计方法的回波信号处理框图；

图5为本发明的通信信息解调流程图；

图6为本发明仿真实验中的优化方向图仿真图；

图7为本发明仿真实验中的优化功率谱仿真图；

图8为本发明仿真实验中的优化收敛性分析图；

图9为本发明仿真实验中的星座图；

图10为本发明仿真实验中的误码率曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前，应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作（或步骤）描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例1

结合图1和图3进行说明，本实例给出的一种基于MM算法的MIMO雷达空频域雷达通信一体化设计方法，步骤如下：

步骤S1：根据雷达探测区域以及所需传输的通信信息建立空频域雷达通信一体化波形优化问题。利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，建立第一个子代价函数；通过控制通信方位发射方向图旁瓣水平以及通信频带的功率谱密度水平实现通信信息的嵌入，分别建立两个子代价函数。将该三个子代价函数进行组合得到最终的波形优化目标函数，添加波形序列的恒模特性为约束条件，建立相应的波形空频域优化问题。

假设一个MIMO系统的发射阵列为包含

（1），

其中，

具体地，步骤S1包括如下内容：

步骤S11，利用发射方向图的主瓣实现雷达对目标区域的探测功能，以发射方向图逼近期望方向图为目标来建立第一个子代价函数：

（2），

其中，

步骤S12，控制通信方位发射方向图旁瓣水平实现通信信息的嵌入，以最小化通信方位方向图旁瓣水平为目标建立第二个子代价函数：

（3），

其中，通信方位为

步骤S13，控制频域通信频带的功率谱密度水平来实现通信信息的嵌入，以最小化通信频带上波形能量为目标建立第三个子代价函数：

（4），

其中，

步骤S14，建立一个空频域雷达通信一体化波形优化问题，根据所要传输的通信比特信息，建立相应的波形空频域优化问题。所建立的空频域波形优化问题为：

其中，/>

步骤S2：利用MM算法求解步骤S1中所建立的波形空频域优化问题，得到最优解。先分别对步骤S1中所述的三个子代价函数展开化简；然后，根据MM算法原理，针对每一个化简后的子代价函数，寻找易求解的上界函数，得到替代后的空频域波形优化问题，求出替代后波形优化问题的闭式解,并对闭式解的计算进行加速以降低计算复杂度；最后，将每一次迭代求得的新的波形向量作为下一次迭代的初始波形向量，经过不断的循环迭代，直至当前波形向量减去上一次迭代得到的波形向量的模值小于给定阈值为止。

具体地，所述步骤S2包括如下内容：

对第一个子代价函数展开化简：

（6），

其中，式（6）由式（2）化简而来，且包含两个优化变量

，

其中，

（8），

对第二个子代价函数进行展开化简，具体如下：

（9），

其中，

对第三个子代价函数进行展开化简，具体如下：第三个子代价函数本质上为通信频带上波形功率，即

先定义傅里叶变换矩阵

（10），

其中，

所述步骤S2中的MM算法原理，具体如下：

假设要最小化的目标函数为

（11），

其中

然后寻找

（12），

因此可以使得目标函数满足：

（13），

为了求得子代价函数的上界函数，现引用以下定理：

定理1：对于厄米特矩阵当

（14）。

所述步骤S2中对第一个化简后的子代价函数寻求上界函数，具体如下：

第一个化简后的子代价函数为

，

其中，在套用式（14）的过程中，假设式（14）中的

将式（15）中不等式右边的表达式定义为

（16），

其中，在套用式（14）的过程中，假设式（14）中

将式（16）中不等式右边的表达式定义为

（17），

其中，常量

（18），

其中，

所述步骤S2中对第二个化简后的子代价函数寻求上界函数，具体如下：

由于第一个化简后的子代价函数

（19），

其中，常量

再选择

（20），

其中，常量

（21），

其中，定义

所述步骤S2中对第三个化简后的子代价函数寻求上界函数，具体如下：

由于

（22），

将式（22）中不等式右边的表达式定义为

（23），

其中，式（23）中常量为

（24），

其中，

所述步骤S2中求出替代后的空频域波形优化问题，并求出优化问题的闭式解，具体如下：

目标函数求上界后的空频域雷达波形优化问题为：

（25），

其中，式（25）是由式（5）用上界函数替代各自的子代价函数而来。

将每一次迭代求得的新的波形向量作为下一次迭代的初始波形向量，经过不断的循环迭代，直至当前波形向量减去上一次迭代得到的波形向量的模值小于给定阈值为止，从而得到波形空频域优化问题的最优解。

显然，式（25）中优化问题的最优解为：

（26），

其中，

（27），

式（26）给出的是当传输码元为“00”时的MM算法每次迭代中的最优解。由于传输码元为“01”“10”“11”时的最优解形式是传输码元“00”的特殊形式，因此下面将具体给出不同传输码元时对应的最优解。

当传输码元为

（28），

当传输码元为

（29），

当传输码元为

（30）。

所述步骤S2中的对闭式解的计算进行加速以降低计算复杂度，具体如下：

在利用MM算法求解过程中，由求得的最优解式（26）可知，闭式解的计算关键在于向量

先考虑参数

假设

对矩阵

先定义矩阵

（31），

其中，

（32），

由于

（33），

其中，

（34），

其中

（35），

对矩阵

类似地，由于

对

由于

（36），

其中，

对

类似地，由于

步骤S3：在雷达和通信接收端进行信号处理。根据图4回波信号处理框图，分别在雷达接收端和通信接收端进行信号处理。在雷达接收端对回波信号进行时延估计和多普勒频移估计，从而得到探测目标的距离和速度。在通信接收端，空域上，在方向图旁瓣通信方位进行功率值的判决；频域上，对回波信号在通信频带上的功率值进行判断，从而解调得到所传输的比特信息。

具体地，步骤S3包括如下内容：

步骤S31，步骤S3中在雷达接收端对回波信号进行时延估计，具体如下：

假设接收端的阵列信号处理可以估计出目标的来波方向

（37），

其中，

假设第

（38），

其中，

（39），

由式（39）估计得到离散时延点

步骤S32，所述步骤S3中的在雷达接收端对回波信号进行多普勒频移估计，具体如下：

假设总的相关积累时间为

，

其中，

步骤S33，所述步骤S3中在通信接收端空域上，在方向图旁瓣通信方位进行功率值的判决，具体如下：

在空域和频域进行通信信息的解调，具体的解调流程如图5所示。

空域解调过程为：在方向图旁瓣通信方位进行功率值的判决，大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”。计算在通信方位

（41），

其中，

根据所设计的发射方向图在通信方位

（42），

步骤S34，所述步骤S3中在通信接收端频域上，对回波信号在通信频带上的功率值进行判断，具体如下：

频域解调过程为：对回波信号在通信频带上的功率值进行判断，大于给定阈值即传输码元“1”，反之则传输码元“0”。计算通信信号在通信频带

（43），/>

其中，

根据所设计的发射波形在频域通信频带上的能量大小，设定频域判定门限值

（44），

步骤S4：此步骤进行雷达和通信性能的验证。在雷达性能方面，根据优化得到的发射方向图主瓣对期望方向图的匹配程度来验证雷达探测功能。在通信性能方面，利用星座图和误码率验证通信功能。

本发明的效果可以通过以下具体仿真实验实例进一步说明，包括如下内容：

仿真参数：

假设发射阵列为包含

仿真内容：

MM算法优化波形所形成的归一化方向图如图6所示，其中带圆形标记的实线方向图为传输码元为

此外，由图6可知，当传输码元为

通过MM算法优化得到的波形归一化功率谱如图7所示，其中带圆形标记的实线功率谱分布图为频域通信的第一种情况，即传输码元为

MM算法优化的迭代曲线如图8所示，其中目标函数是发射方向图逼近期望方向图的匹配误差。由图8可知MM算法能够实现目标函数的单调递减，且经过大约60次迭代可实现收敛。图8验证了MM算法对方向图优化的有效性。

本发明提出的基于MM算法的空频域雷达通信一体化方法中，在通信端的解调星座图如图9所示，图中对于发送的“00”，“01”，“10”和“11”四种码元信息，传输前的码元信息用黑点表示，虚线表示检测阈值，且空域判定门限值

本发明提出的基于MM算法的空频域雷达通信一体化方法中，在通信端的解调误码率与信噪比的关系曲线如图10所示。假设传输

实施例2

本实施例提供一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

实施例3

本实施例提供一种存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的空频域雷达通信一体化设计方法的步骤。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。