一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统，其中，基于感知和通信一体化的阵列天线，包括：感知子阵列和通信子阵列；感知子阵列用于产生三维的感知波束，以实现感知和通信一体化系统中的感知功能；通信子阵列用于产生二维的通信波束，以实现感知和通信一体化系统中的通信功能。如此，能够扩展无人机感知的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统
本专利技术涉及通信
，特别是涉及一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统。
技术介绍
现有的无人机群间感知信息融合方案采用的是通信系统与感知系统相互独立的模式。具体地，感知系统与通信系统采用独立的射频天线，射频链路，数字处理设备等系统设备。无人机群中的每个无人机均具有感知系统和通信系统。感知系统形成波束对周围环境进行感知，并在感知系统中的数据处理设备中进行感知数据处理，当需要将感知结果数据融合时，发送无人机的感知系统将感知结果数据通过内部传输链路传给该发送无人机的通信系统的发射端口，发送无人机的通信系统再将该感知结果数据发送给作为融合中心的接收无人机，融合中心的接收无人机接收到其他无人机发送的感知结果数据并与自身感知结果数据进行融合，融合后的结果数据用于无人机群决策等后续过程。且现有独立地感知系统多采用的是基于频率调制连续波(FrequencyModulatedContinuousWave，FMCW)的馈源定向天线、线性阵列天线，通信系统采用与感知系统独立的全向天线，定向天线或是线性阵列天线。现有的采用线性阵列天线的感知系统只能产生二维波束，也就是说只能在具有二维运动性质的场景中使用，使得无人机感知的应用范围受限。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统，以扩展无人机感知的应用范围。具体技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于感知和通信一体化的阵列天线，包括：感知子阵列和通信子阵列；所述感知子阵列用于产生三维的感知波束，以实现感知和通信一体化系统中的感知功能；所述通信子阵列用于产生二维的通信波束，以实现所述感知和通信一体化系统中的通信功能。可选的，所述感知子阵列包括发送天线子阵列和接收天线子阵列；所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列均为圆形天线阵列，且所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列的尺寸相同；所述通信子阵列包括线性天线阵列。可选的，所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列外围均包括电磁屏蔽结构，且所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列之间存在电磁屏蔽解耦结构。第二方面，本专利技术实施例提供了一种波束成形方法，应用于上述第一方面所述的基于感知和通信一体化的阵列天线，包括：确定所述阵列天线中感知子阵列对应的第一导向矩阵，以及确定所述阵列天线中通信子阵列对应的第二导向矩阵；基于所述第一导向矩阵计算第一波束成形向量，基于所述第二导向矩阵计算第二波束成形向量；根据所述第一波束成形向量和第一导向矩阵确定感知子阵列对应的实际波束成形响应，以及根据所述第二波束成形向量和第二导向矩阵确定通信子阵列对应的实际波束成形响应。可选的，所述确定所述阵列天线中感知子阵列对应的第一导向矩阵，包括：确定所述感知子阵列的第K个远场信号的导向向量ak为：其中，为感知子阵列中第p层的第q个天线阵元接收到第K个远场信号与相位中心天线阵元接收到第K个远场信号的相位差，θk为所述感知子阵列的第K个远场信号Sk的接收来波角度，b为正整数；将多个所述导向向量组成的矩阵作为所述第一导向矩阵；其中，所述感知子阵列对应的实际波束成形响应满足优化条件：其中，wrHA为所述感知子阵列对应的实际波束成形响应，wr为所述第一波束成形向量，A为所述第一导向矩阵，rd为期望的波束成形响应。可选的，所述确定所述阵列天线中通信子阵列对应的第二导向矩阵，包括：确定所述通信子阵列对应的导向向量为：其中，θi为抵达所述通信子阵列的信号i的抵达角度，d为所述通信子阵列中天线的间距，λ为载波波长，Mcom为所述通信子阵列中天线的个数；根据所述导向向量确定所述第二导向矩阵D为：其中，Kc为具有不同抵达角度的信号的个数。第三方面，本专利技术实施例提供了一种感知和通信一体化系统，包括：一个中心无人机和多个从属无人机；所述中心无人机是所述感知和通信一体化系统中可用计算资源最丰富的无人机；所述中心无人机通过所述中心无人机的通信波束广播握手发起帧，其中，所述握手发起帧包括各个从属无人机被分配的通信时隙和搜索运动方向信息；针对各个从属无人机，该从属无人机通过该从属无人机的通信波束接收所述广播握手发起帧，并解析所述广播握手发起帧，得到该从属无人机被分配的通信时隙和搜索运动方向信息；该从属无人机根据所述搜索运动方向信息运动，并通过该从属无人机的感知波束进行感知，得到感知数据；在该从属无人机对应的通信时隙内将得到的所述感知数据发送至所述中心无人机；其中，所述感知波束为阵列天线中感知子阵列产生的三维的感知波束；所述通信波束为阵列天线中通信子阵列产生的二维的通信波束。可选的，所述中心无人机接收各个从属无人机的感知波束经过多径反射和散射后传播至所述中心无人机的最大感知干扰Isen：其中，M为从属无人机的个数，Pr为感知波束的功率，λ为无人机工作的载波波长，gts为发送感知波束的旁瓣增益，grs为接收感知波束的旁瓣增益，为平均雷达截面积，xQ为最大协同半径，Rg为从属无人机与中心无人机之间的距离，h为无人机的飞行高度。可选的，各个无人机包括一个中心无人机和多个从属无人机，针对各个无人机，该无人机的最小信噪比(SINR)min为：(SINR)min＝[Q-1(αf)-Q-1(αD)]2其中，Q为标准正态分布的右尾函数，αf为误警概率的最大可接受值，αD为检测概率的最小可接受值。可选的，针对各个无人机，该无人机的最大感知距离Rmax(βR)为：其中，βR为感知功率分配比，P为总可用功率，gts为发送感知波束的旁瓣增益，grs为接收感知波束的旁瓣增益，c为光速，f为载波频率，σ为感知反射截面积，Gp为数字信号处理增益，(SINR)min为无人机的最小信噪比，k为玻尔兹曼常数，k值的单位为焦耳/开尔文，T0为290开尔文，Fn为接收机噪声系数，B为接收机带宽，Isen为中心无人机对应的最大感知干扰，Ls为能量吸收损耗。本专利技术实施例提供的阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统，可以通过基于感知和通信一体化的阵列天线中的感知子阵列，产生三维的感知波束，以实现感知和通信一体化系统中的感知功能；通过基于感知和通信一体化的阵列天线中的通信子阵列，产生二维的通信波束，以实现感知和通信一体化系统中的通信功能。如此，可以应用于无人机三维感知探测场景等，能够扩展无人机感知的应用范围。且基于天线阵列可以形成感知和通信一体化系统，可以实现无需为感知过程与传输感知数据的通信过程分别部署独立的设备，感知和通信一体化系统中无人机通过感知波束实现感知过程，通过通信波束实现通信过程，即可以实现感知与通信的一体化，能够避免独立感知系统对独立通信系统的干扰。当然，实施本专利技术的任一产品或方法必不一定需要同时达到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于感知和通信一体化的阵列天线，其特征在于，包括：/n感知子阵列和通信子阵列；/n所述感知子阵列用于产生三维的感知波束，以实现感知和通信一体化系统中的感知功能；/n所述通信子阵列用于产生二维的通信波束，以实现所述感知和通信一体化系统中的通信功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于感知和通信一体化的阵列天线，其特征在于，包括：
感知子阵列和通信子阵列；
所述感知子阵列用于产生三维的感知波束，以实现感知和通信一体化系统中的感知功能；
所述通信子阵列用于产生二维的通信波束，以实现所述感知和通信一体化系统中的通信功能。


2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述感知子阵列包括发送天线子阵列和接收天线子阵列；所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列均为圆形天线阵列，且所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列的尺寸相同；
所述通信子阵列包括线性天线阵列。


3.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列外围均包括电磁屏蔽结构，且所述发送天线子阵列和所述接收天线子阵列之间存在电磁屏蔽解耦结构。


4.一种波束成形方法，其特征在于，应用于上述权利要求1至3任一项所述的基于感知和通信一体化的阵列天线，包括：
确定所述阵列天线中感知子阵列对应的第一导向矩阵，以及确定所述阵列天线中通信子阵列对应的第二导向矩阵；
基于所述第一导向矩阵计算第一波束成形向量，基于所述第二导向矩阵计算第二波束成形向量；
根据所述第一波束成形向量和第一导向矩阵确定感知子阵列对应的实际波束成形响应，以及根据所述第二波束成形向量和第二导向矩阵确定通信子阵列对应的实际波束成形响应。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述阵列天线中感知子阵列对应的第一导向矩阵，包括：
确定所述感知子阵列的第K个远场信号的导向向量ak为：



其中，为感知子阵列中第p层的第q个天线阵元接收到第K个远场信号与相位中心天线阵元接收到第K个远场信号的相位差，θk为所述感知子阵列的第K个远场信号Sk的接收来波角度，b为正整数；
将多个所述导向向量组成的矩阵作为所述第一导向矩阵；
其中，所述感知子阵列对应的实际波束成形响应满足优化条件：



其中，wrHA为所述感知子阵列对应的实际波束成形响应，wr为所述第一波束成形向量，A为所述第一导向矩阵，rd为期望的波束成形响应。


6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述阵列天线中通信子阵列对应的第二导向矩阵，包括：
确定所述通信子阵列对应的导向向量为：



其中，θi为抵达所述通信子阵列的信号i的抵达角度，d为所述通信子阵列中天线的间距，λ为载波波长，Mcom为所述通信子阵列中天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志勇，尉志青，陈旭，姜旺俊，马昊，方子希，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11