一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法，属于雷达与通信技术领域。该方法首先根据MIMO雷达系统构造参考字典和设计星座图；在发射端对发射波形进行相位旋转，更新星座图；然后将待发送的二进制通信数据流划分为若干码元，找出各码元对应的阵元‑波形配对方式；最后雷达发射端通过改变射频开关的状态调整发射阵列结构，发射对应的雷达脉冲波形。雷达接收端处理雷达回波，实现目标探测。通信接收端处理雷达脉冲信号，获得雷达发射阵列的有序导向矢量估计值；遍历星座图中的星座点，找出与有序导向矢量估计值距离最小的星座点，解调二进制信息。本发明专利技术实现了通信的下行传输，显著提高数据传输速率，降低通信误码率，增强系统可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法
本专利技术属于雷达与通信
，具体涉及一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法。
技术介绍
长久以来，雷达和通信因处理机制的差异作为两个独立的系统分别进行研究，两者在频谱上具有很大的重叠性，故二者视对方为干扰而互相抑制。各种各样的商业通信设备对射频频谱资源的需求呈指数倍增长，雷达不断地向民用领域失去频谱却还要维持正常功能。例如，现存的雷达系统，根据其类型和用途，可以部署在0.3～100GHz的射频频谱之间，而在此范围内，许多频带非常适合于国际移动通信，例如700～3600MHz频带就被广泛用于2G、3G和4G蜂窝移动通信标准中。可以预见的是，随着越来越多的无线通信设备接入无线网中，移动流量将持续增加，频谱资源竞争将愈发激烈，雷达与通信设备之间的干扰也会更加严重。实际上，雷达是一种通过对无线电回波进行分析处理以完成特定任务的通信系统，两者在技术上具有一定的相通性。利用雷达来实现通信功能，从而实现两者共存，可为缓解频段拥挤、提高频谱效率提供一种有效的解决方案。雷达通信一体化理念在20世纪60年代就已出现，此后的研究大致可以分为三类机制：第一种是分波束机制，即采用多个波束，不同波速执行不同功能，例如探测和通信；第二种是分时机制，雷达和通信功能分时复用孔径及其他软硬件资源，通信时不能兼顾探测，存在探测盲区。第三种是同时机制，即一体化机制，雷达探测波形和通信调制波形融合在一起；波形携带了通信数据，通信接收机解调该波形信号，提取通信信息；反射回波在雷达接收机做处理，提取目标信息。同时兼顾通信与雷达探测，不存在探测盲区。雷达通信一体化是利用雷达实现通信功能，在雷达信号上调制通信数据，是同时机制最自然的思路。但是，雷达通信一体化设计的最大问题是：二者在共享频谱与资源的同时如何消除相互干扰。针对该问题，现有技术文献1：双功能雷达通信：使用旁瓣控制和波形分集的信息调制.AboulnasrHassanien；MoenessG.Amin；YiminD.Zhang，IEEE信号处理汇刊，卷64,8(2015)，2168-2181；提出了一种基于旁瓣幅度调制(AmplitudeModulation,AM)的方法，其思路是通过控制通信方向上雷达波束的旁瓣水平(SidelobeLevels,SLL)来表示通信符号，通信接收机通过设置若干门限检测旁瓣水平解调不同的通信符号。但是，这种系统只有当通信接收机位于雷达波束旁瓣区域时才能进行信息传递，而当通信接收机位于雷达主瓣范围内时无法通信。文献2：基于相位旋转不变性的双功能雷达通信.AboulnasrHassanien；MoenessG.Amin；YiminD.Zhang；FauziaAhmad,第23届欧洲信号处理会议，2015,1346-1350；提出了一种基于相位旋转不变性的双功能雷达通信一体化机制，其思路是将通信符号映射到波形的相位旋转量，通过改变发射波束赋形权矢量，从而对发射正交波形进行相位旋转，调制通信符号，接收端通过检测相位旋转量解调得到二进制信息。上述两种一体化机制基于单输入多输出的相控阵雷达，并不适用于多输入多输出的MIMO(Multiple-inputMultiple-output)雷达。MIMO雷达作为一种新兴雷达体制，具有良好的波形分集、空间分集优势，可显著提高系统的性能。AboulnasrHassanien等人提出了一种利用跳频(FrequencyHopping,FH)波形实现MIMO雷达通信一体化的方法：如文献3：一种基于跳频波形的双功能MIMO雷达通信系统.AboulnasrHassanien；BrahamHimed；BrianD.Rigling,2017年IEEE雷达会议，2017，1721-1724；该文中发送跳频码产生的正交波形以实现雷达目标探测，同时在每个跳频中调制一个相移键控(PhaseShiftKeying,PSK)通信符号实现通信功能，每个雷达脉冲可以调制的通信符号数等于发射阵元数乘以跳频码的长度，在接收端通过鉴相器检测PSK符号进行解调。MIMO雷达与通信的共存不仅可以通过上述波形多样性实现，还可以充分利用天线阵列结构赋予的空间自由度，这在目前文献中尚未发现研究。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术旨在研发一种不影响雷达正常探测的功能，同时实现通信下行传输的MIMO雷达通信一体化机制；提出了一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法。具体步骤如下：步骤一、对MIMO雷达系统进行初始化，并构造参考字典和设计星座图；初始化具体包括：给定MIMO雷达均匀线性发射阵列的阵元数目为M、接收阵列的阵元数目为N、所有阵元均为全向天线，发射阵列呈等间距线性分布；射频前端数目为K，发射正交波形集Ψ(t)是由K个波形Ψk(t),k＝1,...i′,...j′,...,K组成；信号相互正交，即：构造参考字典具体为：在雷达发射端，每个雷达脉冲携带一个传递通信数据的码元，每个码元表示Nb比特信息；每种Nb比特信息组合各自对应一个阵元-波形配对方式；当改变发射阵列的组成方式以及阵元对应发射的正交波形时，即采用不同的阵元-波形配对方式，将产生不同的有序导向矢量，即发射阵列导向矢量中的元素为有序排列。出于系统对雷达性能或者通信性能的不同要求，从所有配对方式中选择最优的满足雷达性能或者通信性能要求的种阵元-波形配对方式，从进行排序，构成参考字典。经过阵元-波形配对后发射阵列的有序导向矢量计算如下：其中，M(τ)＝Q(τ)P(τ)，τ表示雷达脉冲数目；Q(τ)为均匀线性发射阵列的K×K维波形排列矩阵；P(τ)为均匀线性发射阵列的K×M维阵元选择矩阵；a(θ)为均匀线性发射阵列的M×1维导向矢量，e表示指数函数exp(·)；j表示虚数；k0＝2π/λ表示波数，λ为雷达发射波形的波长；pk∈{0,...,M-1}表示处于连接状态的阵元位置，K个正交的发射波形Ψk(t)通过位于pk的阵元同时发射出去；d为呈线性等间距分布的发射阵列阵元间距，θ表示角度。考虑雷达性能或者通信性能时，具体要求为：(a)当系统要求具有良好的雷达性能时，配对方式应使得发射阵列形成的波束方向图最大程度地拟合于期望方向图；(b)当系统要求具有良好的通信性能时，配对方式应使得不同发射阵列产生的有序导向矢量之间距离最大化。星座图的具体设计过程为：当通信接收机位于雷达发射阵列的θc方位上时，将参考字典中种阵元-波形配对方式对应的有序导向矢量作为星座点，确定星座点与Nb比特信息之间的映射关系，构成星座图。步骤二、针对雷达已知通信接收机的方位角，在发射端对发射波形进行相位旋转，并更新星座图；针对雷达已知通信接收机所处的方位角θc，在发射阵元处引入相位旋转矢量，对发射波形进行相位旋转；使得M根天线产生的相位均匀分布在圆周上，从而消除发射阵列导向矢量存在的相位模糊，增大有序导向矢量间距离；设相位旋转矢量其中相位旋转因子为：其中m表示均匀线性发射阵列的第m个阵元，m＝1,...,M。引入相位旋转后，更新后的发射阵列的导向矢量等效为:引入相位旋转后，发射阵列的导向矢量与通信方向无关，因而消除相位模糊，并保证码元之间的最大距离。步骤三、在雷达发射端，将待发送的二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、对MIMO雷达系统进行初始化，并构造参考字典和设计星座图；构造参考字典具体为：在雷达发射端，每个雷达脉冲携带一个传递通信数据的码元，每个码元表示Nb比特信息；每种Nb比特信息组合各自对应一个阵元‑波形配对方式；当改变发射阵列的组成方式以及阵元对应发射的正交波形时，即采用不同的阵元‑波形配对方式，将产生不同的有序导向矢量，即发射阵列导向矢量中的元素为有序排列；出于系统对雷达性能或者通信性能的不同要求，从所有配对方式中选择最优的满足雷达性能或者通信性能要求的

【技术特征摘要】
1.一种基于天线布阵调制的MIMO雷达通信一体化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、对MIMO雷达系统进行初始化，并构造参考字典和设计星座图；构造参考字典具体为：在雷达发射端，每个雷达脉冲携带一个传递通信数据的码元，每个码元表示Nb比特信息；每种Nb比特信息组合各自对应一个阵元-波形配对方式；当改变发射阵列的组成方式以及阵元对应发射的正交波形时，即采用不同的阵元-波形配对方式，将产生不同的有序导向矢量，即发射阵列导向矢量中的元素为有序排列；出于系统对雷达性能或者通信性能的不同要求，从所有配对方式中选择最优的满足雷达性能或者通信性能要求的种阵元-波形配对方式，从进行排序，构成参考字典；经过阵元-波形配对后发射阵列的有序导向矢量计算如下：其中，M(τ)＝Q(τ)P(τ)，τ表示雷达脉冲数目；Q(τ)为均匀线性发射阵列的K×K维波形排列矩阵；P(τ)为均匀线性发射阵列的K×M维阵元选择矩阵；a(θ)为均匀线性发射阵列的M×1维导向矢量，e表示指数函数exp(·)；j表示虚数；k0＝2π/λ表示波数，λ为雷达发射波形的波长；pk∈{0,...,M-1}表示处于连接状态的阵元位置，K个正交的发射波形Ψk(t)通过位于pk的阵元同时发射出去；d为呈线性等间距分布的发射阵列阵元间距，θ表示角度；星座图的具体设计过程为：当通信接收机位于雷达发射阵列的θc方位上时，将参考字典中种阵元-波形配对方式对应的有序导向矢量作为星座点，确定星座点与Nb比特信息之间的映射关系，构成星座图；步骤二、针对雷达已知通信接收机的方位角，在发射端对发射波形进行相位旋转，并更新星座图；针对雷达已知通信接收机所处的方位角θc，在发射阵元处引入相位旋转矢量，对发射波形进行相位旋转；使得M根天线产生的相位均匀分布在圆周上，从而消除发射阵列导向矢量存在的相位模糊，增大有序导向矢量间距离；设相位旋转矢量其中相位旋转因子为：其中m表示均匀线性发射阵列的第m个阵元，m＝1,...,M；引入相位旋转后，更新后的发射阵列的导向矢量等效为:引入相位旋转后，发射阵列的导向矢量与通信方向无关，因而消除相位模糊，并保证码元之间的最大距离；步骤三、在雷达发射端，将待发送的二进制通信数据流按照Nb比特/码元划分为若干码元，每个雷达脉冲携带一个码元，根据参考字典索引，找出各码元对应的阵元-波形配对方式；步骤四、针对划分的某码元A，雷达发射端改变射频开关的状态，按照码元A对应的阵元-波形配对方式重新调整发射阵列结构，发射对应的雷达脉冲波形；步骤五、雷达接收端处理雷达回波，正常实现目标探测；同时，通信接收端处理雷达脉冲信号，通过匹配滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向荣，龙倩，曹先彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11