一种抽取注水成型的雷达嵌入式通信波形设计方法技术

本发明专利技术涉及隐蔽通信领域，特别涉及一种抽取注水成型的雷达嵌入式通信波形设计方法，该方法是一种具备低截获概率特性的雷达嵌入式通信波形设计方法。传统REC通信波形设计方法运算复杂度较高，小巧便携的RF标签不能满足其运算需求。本发明专利技术基于经典的SWF波形生成方法，可以使算法复杂度降低数倍，同时又保持通信波形的可靠性能和LPI性能没有降低。形的可靠性能和LPI性能没有降低。形的可靠性能和LPI性能没有降低。

【技术实现步骤摘要】
一种抽取注水成型的雷达嵌入式通信波形设计方法


[0001]本专利技术涉及隐蔽通信领域，特别涉及一种抽取注水成型的雷达嵌入式通信波形设计方法，该方法是一种具备低截获概率(Low Probability of Interception，LPI)特性的雷达嵌入式通信波形设计方法。

技术介绍

[0002]随着5G、物联网、卫星等通信业务的快速发展，无线用频设备急剧增多，随之带来的一个问题就是频谱资源的拥挤，不同通信业务之间的频谱交叠日益严重，不同通信用户之间的干扰现象日渐凸显，给无线通信的发展带来了极大的挑战。同样对于占据大量频谱资源的雷达业务而言，为了实现对高分辨率性能的追求，其也在极力扩张自己的频带宽度，这进一步加剧了频谱资源的紧张。因此，使雷达系统和通信系统可以共享频谱资源的频谱共享技术，近年来越来越成为雷达和通信领域的研究热点。
[0003]从另一个角度出发，随着信息对抗手段的日益提升，传统无线通信系统天然的开放性和广播性特点使其极易被侦测和截获，其安全性越来越受到挑战，难以适应安全通信的需求，因此开发具有高度安全性的无线通信体制或系统刻不容缓。一个好的思路是将其它信号作为隐蔽载体，将通信信号隐藏在隐蔽载体之中而完成隐蔽通信，如扩频通信，其通过频谱扩展的方式降低信噪比，将通信信号淹没在环境的噪声之中，难以被发现，具有很好的抗截获特性，但扩频通信的带宽远远大于被传输的原始信息的带宽，具有很高的用频宽度，不利于提高频谱资源的利用效率；且因其提出较早，已经有很多针对性的检测方法，使其技术优势逐渐丧失。另一个更好的解决方案是将通信信号隐藏在高功率的雷达信号之中，即雷达嵌入式通信(Radar
‑
Embedded Communication,REC)。
[0004]REC作为一种使雷达信号和通信信号共用频段的新型频谱共享技术，可以同时满足上述提高频谱资源利用效率和保证信息传输隐蔽性的需求。对于使雷达系统和通信系统共用频谱资源的雷达
‑
通信频谱共享技术而言，最常见的方案是将通信视为信道资源中的主体用户，而雷达作为其中的辅助用户，必须在通信用户优先的频谱资源中工作，这样可以提高频谱利用效率，但其不具有通信隐蔽性。而REC则与这种方案相反，REC是将雷达视为频谱资源中的主用户，而通信系统则必须在以雷达用户为主体的频段中工作，其主要优点是可以将雷达信号视为隐藏载体，使通信系统具有很好的抗截获特性，同时使得频谱利用效率大大提升。
[0005]REC的工作原理如图1所示，其可以概括为以下四个方面：
[0006](1)REC工作区域被雷达照射，友方目标所携带的射频(Radio Frequency，RF)标签和通信接收方都可以接收到雷达信号；
[0007](2)RF标签可以对雷达信号进行感知、提取和处理，按照波形生成算法生成具有隐蔽特性的通信波形，并在特定时刻发送合适功率的通信信号，使通信信号和雷达回波信号在共享频谱的同时保持隐蔽特性；
[0008](3)合作接收机利用与友方目标约定好的先验信息，对雷达回波中的通信信号进
行检测和提取，完成隐蔽通信；
[0009](4)最后，还可能存在一个截获接收机，对通信信号进行侦测和截获。
[0010]REC的优势在于其不需要对现有雷达体制进行修改，只需要为其添加简单的RF标签和通信接收机，REC系统就可以被构建。通信波形设计是REC技术的核心，现有的REC通信波形设计方法主要有三种：主空间处理(Dominant Projection，DP)、成型主空间处理(Shaped Dominant Projection，SDP)和成型注水(Shaped Water Filling，SWF)(METCALF J G,SAHIN C,BLUNT S D,et al.Analysis of symbol
‑
design strategies for intrapulse radar
‑
embedded communications[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2015,51(4):2914
‑
2931.)，其中SWF算法生成的通信波形具有最好的通信可靠性能和LPI性能。
[0011]在REC系统中，RF标签要求小巧便携，甚至有可能是无源的，这注定RF标签的运算能力将大大受到制约。在上述三种REC通信波形设计算法中，主要将通信可靠性和LPI性能作为重点优化目标进行考量，而算法复杂度并没有作为一个重要的指标去重点关注。因此，有必要设计低复杂度的REC通信波形生成算法，来减轻RF标签的运算压力。

技术实现思路

[0012]本专利技术要解决的技术问题是：传统REC通信波形设计方法运算复杂度较高，小巧便携的RF标签不能满足其运算需求。本专利技术基于经典的SWF波形生成方法，提出一种抽取注水成型(Extraction Shaped Water
‑
Filling，ESWF)雷达嵌入式通信波形设计方法，可以使算法复杂度降低数倍，同时又保持通信波形的可靠性能和LPI性能没有降低。
[0013]本专利技术采用的技术方案为：一种抽取注水成型的雷达嵌入式通信波形设计方法，该方法包含以下步骤：
[0014]S1 REC工作区域被雷达照射后，RF标签对雷达信号进行过采样。采样长度为NM的雷达信号矢量表示为：
[0015]s＝[s1,s2,...,s
NM
][0016]其中，s
n
为采样的雷达信号，n＝1,2,
…
,NM，N为满足奈奎斯特准则的采样点数，M为RF标签中AD采样器的过采样因子，表示1
×
NM的复矩阵。
[0017]特别的，对于常见的线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)雷达，采样信号可以表示为：
[0018][0019]S2对上述过采样得到的雷达信号矢量进行循环移位构建托普利兹矩阵为：
[0020][0021]S3对托普利兹矩阵S
b
进行左奇异值分解来分析雷达信号的特征，生成特征向量矩阵Q：
[0022][0023]其中Q
H
表示Q的共轭转置。Λ＝diag(σ1,σ2,
…
,σ
NM
)为奇异值对角矩阵，σ1,σ2,
…
,σ
NM
为奇异值，满足σ1≥σ2≥
…
≥σ
NM
≥0；
[0024]S4根据奇异值大小将S3中的特征向量矩阵Q分为主导空间成分和非主导空间成分：
[0025][0026]其中m定义为主导空间大小，满足1≤m≤NM
‑
1，一般选择为m＝0.5NM或m＝0.75NM。均为奇异值对角矩阵Λ的子矩阵，Λ
D,m
＝diag(σ1,σ2,...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抽取注水成型的雷达嵌入式通信波形设计方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：S1 REC工作区域被雷达照射后，RF标签对雷达信号进行过采样，采样长度为NM的雷达信号矢量表示为：s＝[s1,s2,...,s
NM
]其中，s
n
为采样的雷达信号，n＝1,2,
…
,NM，N为满足奈奎斯特准则的采样点数，M为RF标签中AD采样器的过采样因子，签中AD采样器的过采样因子，表示1
×
NM的复矩阵；S2对上述过采样得到的雷达信号矢量进行循环移位构建托普利兹矩阵为：S3对托普利兹矩阵S
b
进行左奇异值分解来分析雷达信号的特征，生成特征向量矩阵Q：其中Q
H
表示Q的共轭转置，Λ＝diag(σ1,σ2,
…
,σ
NM
)为奇异值对角矩阵，σ1,σ2,
…
,σ
NM
为奇异值，满足σ1≥σ2≥
…
≥σ
NM
≥0；S4根据奇异值大小将S3中的特征向量矩阵Q分为主导空间成分和非主导空间成分：其中m定义为主导空间大小，满足1≤m≤NM
‑
1，均为奇异值对角矩阵Λ的子矩阵，Λ
D,m
＝diag(σ1,σ2,
…
,σ
m
)，Λ
ND,NM
‑
m
＝diag(σ
m+1
,σ
m+2
,
…
,σ
NM
)；Q
D,m
、Q
ND,NM
‑
m
均为特征向量矩阵Q的子矩阵，为由特征向量矩阵Q前m个特征向量组成的主导空间成分，为由特征向量矩阵Q后NM
‑
m个特征向量组成的非主导空间成分；S5由S4中的对角矩阵构建注水成型矩阵为：S6假设特征向量矩阵Q含有的NM个特征向量为q1,q2,
…
,q
NM
，Λ
P
的对角线元素为λ1,λ2,

【专利技术属性】
技术研发人员：李保国，张澄安，王翔，黄知涛，徐强，刘毅远，姚怡舟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：