一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法技术

一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，利用基础波形和随机矩阵在OFDM波形上构造随机矩阵调制‑OFDM波形库，在发射端根据不同的通信方式确定不同的发射方式，并根据雷达性能和通信传输要求选取相应的参数，最后在雷达接收端，利用发射信号的伪正交性分离出回波信号实现雷达成像；在通信接收端，利用接收信号在与发射波形相对应的匹配滤波器的输出端有较高的目标尖峰，来解调出通信信息。本发明专利技术在保留该波形优异的雷达成像性能同时，利用该波形实现了共享通信；基于随机矩阵调制‑OFDM波形数量的丰富性以及良好的正交性，本发明专利技术可以保证较大的数据通信速率及较高的数据通信质量。

【技术实现步骤摘要】
一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法
本专利技术属于无线通信
，涉及一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，特别是将一种基于随机矩阵调制的OFDM雷达成像波形用于雷达通信双功能共享的方法。
技术介绍
共享雷达通信是指通过共享信号、信道、天线等软件或硬件资源，同时实现雷达探测与数据通信的功能，其具有资源集约化和功能增强等优点，能有效解决传统功能叠加体制的资源浪费、功能冲突、成本高和机动性差等缺点。利用波形实现雷达通信功能共享具有简化结构、节约频谱资源、避免产生大量电磁干扰、提高雷达系统和通信系统的工作效率等优点。从实现方式上，利用波形实现雷达通信双功能共享主要分为两种：利用雷达探测波形实现通信功能共享和利用数据通信波形实现雷达功能共享。前者是指在已有雷达波形中按照一定调制方式嵌入通信信息，在保证雷达性能的同时实现共享通信；后者是指利用数据通信信号波形直接实现雷达功能(探测或成像)，在保证通信性能的同时实现共享雷达；本专利技术属于前者。利用OFDM波形实现雷达通信功能共享是一种广泛使用的方法。OFDM波形在通信中有着广泛的应用，具备良好的抗干扰能力，高速传输能力和子载波调制灵活的优势；同时OFDM波形基于良好的频谱利用率、大时间带宽积的优势，在雷达领域应用广泛。目前，OFDM波形正取代超宽带波形，成为雷达SAR成像的典型波形。随机矩阵调制OFDM波形是用于MIMO雷达SAR成像的一种优异波形，具备低峰均功率比、大时间带宽积、弱互相关干扰等优势。(WangWQ.MIMOSAROFDMchirpwaveformdiversitydesignwithrandommatrixmodulation[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2014,53(3):1615-1625.)文献中给出了不同随机矩阵调制波形的构造方法；按照子载波的调频规律可以分为上升调频基、下降调频基、混合调频基；并讨论了子载波个数、每一列所用波形基个数、子载波的调频规律对峰均功率比、互相关干扰等的影响。以上文献所设计的随机矩阵调制-OFDM波形(RandomMatrix-OFDM，RM-OFDM)仅针对于线性调频基础波形进行讨论，没有考虑利用其他可用基础波形(如非线性调频波形等)获取更丰富的波形组。以上文献仅考虑利用随机矩阵调制-OFDM波形实现雷达SAR成像，没有考虑利用该波形实现共享通信的能力。
技术实现思路
本专利技术提出了一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，在不影响雷达成像能力的同时进行数据通信，从而实现雷达功能和通信功能的共享。本专利技术是通过以下技术解决方案实现的。本专利技术所述的一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，步骤如下：步骤1：利用基础波形和随机矩阵在OFDM波形结构上构造随机矩阵调制-OFDM波形库；步骤2：选取参数仿真步骤1中的波形的自模糊函数和互模糊函数，若自模糊函数近似图钉状，不同的波形之间的互模糊函数的旁瓣低，则证明该波形的相关性能佳，否则返回步骤1；步骤3：采用步骤1中构造的随机矩阵调制-OFDM波形库，在发射端根据不同的通信方式确定不同的发射方式，并根据雷达性能和通信传输要求选取相应的参数；步骤4：在雷达接收端，利用发射信号的伪正交性分离出回波信号实现雷达成像；在通信接收端，利用接收信号在与发射波形相对应的匹配滤波器的输出端有较高的目标尖峰，来解调出通信信息；步骤5：在雷达接收端，进行雷达SAR成像，以验证该波形的雷达成像性能；在通信接收端，计算数据通信误码率，以验证该波形的通信性能；若雷达和通信性能验证不通过则重新返回步骤3进行设计。本专利技术突出的特点和显著的有益效果是：本专利技术利用随机矩阵调制-OFDM波形之间的正交性，在实现雷达SAR成像的同时，实现了共享数据通信；并有效解决了通信数据随机性对OFDM雷达成像能力的影响，在几乎不影响雷达成像能力的基础上实现了通信的功能；该波形的通信性能优异，其较低的峰均功率比(PeaktoAveragePowerRatio,PAPR)降低了通信系统复杂性，正交波形库的丰富性保证了数据通信质量和通信效率；同时，本专利技术在接收端以较小的处理复杂度实现了雷达通信无干扰波形共享。附图说明图1为本专利技术方法流程图。图2为本专利技术中利用随机矩阵调制-OFDM雷达成像波形实现共享通信的架构图。图3为本专利技术中实施例仿真中采用的RM-OFDM波形的例子，其中，图3-a是8种RM-OFDM-LFM波形，图3-b是8种RM-OFDM-NLFM波形。图4为本专利技术中实施例仿真中8种RM-OFDM-LFM波形的自模糊函数仿真图，图5为本专利技术中实施例仿真中8种RM-OFDM-NLFM波形的自模糊函数仿真图。图6为本专利技术中实施例仿真中采用的RM-OFDM波形的互模糊函数示意图。其中，图6-a是RM-OFDM-LFM波形的互模糊函数仿真图，分别是波形和波形波形和波形波形和波形波形和波形图6-b是与图6-a同等条件下RM-OFDM-NLFM波形互模糊函数仿真图。图7为本专利技术中利用随机矩阵调制-OFDM雷达成像波形实现共享通信的过程图。图8为本专利技术中实施例仿真中多天线通信模式中波形选择的过程。图9为本专利技术中单天线单用户通信模式接收端的解调流程。图10为本专利技术中单天线多用户通信模式接收端的解调流程。图11为本专利技术中多天线单用户通信模式接收端的解调流程。图12为本专利技术中多天线多用户通信模式接收端的解调流程。图13为本专利技术中实施例雷达SAR成像仿真结果比较图。图14为本专利技术中实施例通信误码率随信噪比变化曲线仿真结果比较图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1。结合图1对本实施例进行说明，本实施例给出的一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，步骤如下：步骤1：利用基础波形和随机矩阵在OFDM波形上构造随机矩阵调制-OFDM波形库；步骤2：选取参数验证该波形的相关性能，若性能不佳返回步骤1；步骤3：在发射端根据不同的通信方式确定不同的发射方式，并根据雷达性能和通信传输要求选取相应的参数；步骤4：在雷达接收端，利用发射信号的伪正交性分离出回波信号实现雷达成像；在通信接收端，利用接收信号在与发射波形相对应的匹配滤波器的输出端有较高的目标尖峰，来解调出通信信息；步骤5：在雷达接收端，进行雷达SAR成像，以验证该波形的雷达成像性能；在通信接收端，计算数据通信误码率，以验证该波形的通信性能；若雷达和通信性能验证不通过则重新返回步骤3进行设计。实施例2。本实施例所述一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法还包括该波形的应用场景：一体化系统架构如图1所示，雷达和通信接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，其特征是按如下步骤：/n步骤1：利用基础波形和随机矩阵在OFDM波形结构上构造随机矩阵调制-OFDM波形库；/n步骤2：选取参数仿真步骤1中的波形的自模糊函数和互模糊函数，若自模糊函数近似图钉状，不同的波形之间的互模糊函数的旁瓣低，则转入步骤3，否则返回步骤1；/n步骤3：采用步骤1中构造的随机矩阵调制-OFDM波形库，在发射端根据不同的通信方式确定不同的发射方式，并根据雷达性能和通信传输要求选取相应的参数；/n步骤4：在雷达接收端，利用发射信号的伪正交性分离出回波信号实现雷达成像；在通信接收端，利用接收信号在与发射波形相对应的匹配滤波器的输出端有较高的目标尖峰，解调出通信信息；/n步骤5：在雷达接收端，进行雷达SAR成像，以验证该波形的雷达成像性能；在通信接收端，计算数据通信误码率，以验证该波形的通信性能；若雷达和通信性能验证不通过，则重新返回步骤3进行设计。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，其特征是按如下步骤：
步骤1：利用基础波形和随机矩阵在OFDM波形结构上构造随机矩阵调制-OFDM波形库；
步骤2：选取参数仿真步骤1中的波形的自模糊函数和互模糊函数，若自模糊函数近似图钉状，不同的波形之间的互模糊函数的旁瓣低，则转入步骤3，否则返回步骤1；
步骤3：采用步骤1中构造的随机矩阵调制-OFDM波形库，在发射端根据不同的通信方式确定不同的发射方式，并根据雷达性能和通信传输要求选取相应的参数；
步骤4：在雷达接收端，利用发射信号的伪正交性分离出回波信号实现雷达成像；在通信接收端，利用接收信号在与发射波形相对应的匹配滤波器的输出端有较高的目标尖峰，解调出通信信息；
步骤5：在雷达接收端，进行雷达SAR成像，以验证该波形的雷达成像性能；在通信接收端，计算数据通信误码率，以验证该波形的通信性能；若雷达和通信性能验证不通过，则重新返回步骤3进行设计。


2.根据权利要求1所述的一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，其特征是步骤1中所述的构造波形库的过程包括：
构造M个子载波和N个子码元的OFDM波形，利用0/1随机矩阵和波形基矩阵构造随机矩阵-OFDM波形；随机矩阵-OFDM波形包含多个不同子载波频率和恒定的子持续时间的基础调频波形，基础调频波形选大时间带宽积的雷达波形：线性调频波形或非线性调频波形；波形基矩阵，有三种形式，上升调频，下降调频，以及混合调频，其中混合调频基的相关性能最佳；
所述的0/1随机矩阵是每行每列分别取0或1的值的稀疏矩阵，对于M×N维的矩阵，其中N≥M，当M为偶数时共存在种混合随机矩阵；当M为奇数时共存在种混合随机矩阵；基础调频波形具有相等或相反的调频速率；
具有M个子载波和N个子码元的随机矩阵-OFDM波形可以表示为：



式中，ap表示调制到第p个波形上的码元符号，Tb是子码元持续时间，Bb是子载波带宽，T＝NTb为波形脉冲持续时间，B＝MBb表示信号的可用带宽，fmn是第m个子载波的第n个子码元下的起始频率，φmn(t)为基础调频波形的相位函数。


3.根据权利要求2所述的一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，其特征是所述的基础调频波形为线性调频波形或者非线性调频波形；
1)当以线性调频波形为基础调频波形构造随机矩阵--OFDM-LFM波形时，波形的相位函数φmn(t)可表示为：



式中kmn是第m个子载波在信号Sp(t)的第n个子码元的线性调频斜率，如果满足fmn＝mBb，kmn＝Bb/Tb，该子线性调频基是上升型线性调频基，反之，fmn＝(m+1)Bb和kmn＝-Bb/Tb时，该子线性调频基是下降型线性调频基；
2)当以非线性调频波形为基础调频波形构造RM-OFDM-NLFM波形时，波形的相位函数φmn(t)可表示为非线性调频波形可利用三次样条插值的方法构造，具体如下：
首先选定海明窗函数，如下：
W(f)＝0.54+0.46cos(2πf/Bb),f∈[-Bb/2,Bb/2]
然后，离散逼近求和得到群时延T(f)，如下：
T(f)＝(Tb/Bb)f+(0.46/0.54)(Tb/2π)sin(2πf/Bb)
再次，利用三次样条插值求反函数f(t)＝T-1(f)，从而得到调频特性规律f(t)；
最后，利用已得到的调频规律f(t)得到NLFM的相位函数如下：



选取参数设计出包含P种RM-OFDM波形的波形库。


4.根据权利要求1所述的一种利用随机矩阵调制雷达成像波形实现共享通信的方法，其特征是步骤2所述的波形相关性能验证步骤如下：
该波形集中波形的相关性能由波形集的自模糊函数和互模糊函数来表征：若自模糊函数近似图钉状，不同的波形之间的互模糊函数的旁瓣低，则表明该波形的相关性能佳；
1)利用随机矩阵--OFDM波形中的信号模型sp(t)得到该波形集的自模糊函数和互模糊函数分别为：
自模糊函数为其中p＝q
互模糊函数为其中p≠q
上式表示第p个波...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪升，朱琪，董延涛，杨凯凯，叶延恒，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36