一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法技术

本发明专利技术公开了一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法，包括以下步骤：步骤1、设置问题所需参数；步骤2、生成通信信道矩阵、信号矩阵；步骤3、生成时延移位矩阵；步骤4、采用交替迭代算法求得问题的最优解；步骤5、求解发射信号矩阵、接收信号矩阵、拉格朗日乘子矩阵；步骤6、利用CVX求解器求解最优解；步骤7、更新拉格朗日乘子矩阵；步骤8、统计各种残差、目标函数信息；步骤9、通过步骤4至步骤8的迭代计算，输出最优发射矩阵，统计各种残差、目标函数等信息。本发明专利技术采用交替迭代算法和黎曼共轭梯度算法来求得问题的最优解，以最大限度地抑制距离旁瓣，同时保证多用户干扰较低。同时保证多用户干扰较低。同时保证多用户干扰较低。

【技术实现步骤摘要】
一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法


[0001]本专利技术属于雷达通信
，涉及一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法，尤其涉及在保证通信质量的同时最大限度的抑制雷达距离旁瓣的方法。

技术介绍

[0002]近年来，同时具备无线通信和感知的智能设备在商业领域的需求呈现出急剧增长的态势，通信感知一体化技术似乎是解决这一问题的最佳选项。为了实现通信感知一体化，最具潜力的研究方向就是雷达探测技术和无线通信技术的相辅相成。另外现有的可利用频谱资源越来越紧张稀缺，开发共用频谱的多功能设备迫在眉睫。现代无线通信系统需要极大地扩展现有的频谱分配，以实现高数据速率，以确保未来几代无线系统的成功。
[0003]而雷达与通信系统之间的频谱竞争问题，能够通过共存或联合传输来解决——雷达与通信平台共存于同一频段，需要两个系统协同工作，以减轻相互干扰。另一方面，实现联合传输的策略，如双功能雷达通信(DFRC)，在利用相同的频谱资源的情况下，在雷达功能之外还要执行通信操作。
[0004]DFRC系统中最关键的挑战之一是同时用于目标探测和通信的联合波形的设计。现有的思路主要是利用发射波束图的空间旁瓣设计雷达通信双功能波形用于通信，主瓣用于目标检测，而通信和雷达的性能权衡就成了一个重大议题。也就是说，设计波形使得雷达和通信功能能够同时实现的同时，还要保证二者互相干扰尽可能小。
[0005]简单来理解，雷达通信一体化实质就是借用雷达固有的硬件资源发射携带通信信息的雷达信号，既能实现雷达获取目标特征信息的功能，又能同时实现平台之间的信息实时传输。在接收端，处理单元对信号能够正确解调，并且雷达和通信互相影响尽可能小。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要针对的是在恒定信号模值、保证通信质量下的MIMO
‑
DFRC系统的距离旁瓣(即时域互相关性)抑制。考虑到此类问题建立的模型目标函数都是非凸的，一般难以直接获得闭合解，并且直接优化波形会面临较大的计算复杂度的挑战，因此本专利技术整体上采用交替迭代算法(ADMM)来求得问题的最优解，在实现恒模约束问题上，采用了一种基于流形优化框架的一阶下降算法——黎曼共轭梯度(RCG)算法。
[0007]为了实现以上技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、设置问题所需参数；
[0010]步骤2、生成通信信道矩阵H∈C
Nu
×
Nt
、信号矩阵S∈C
Nu
×
L
；
[0011]步骤3、生成时延移位矩阵J；
[0012]步骤4、采用交替迭代算法求得问题的最优解；
[0013]步骤5、在每个迭代中，先保存上一次迭代的发射信号矩阵X，然后求解发射信号矩阵X、接收信号矩阵Y、拉格朗日乘子矩阵D；
[0014]步骤6、利用CVX求解器求解最优解；
[0015]步骤7、更新拉格朗日乘子矩阵D；
[0016]步骤8、统计各种残差、目标函数信息，并画出信号星座图与性能指标曲线；
[0017]步骤9、通过步骤4至步骤8的迭代计算，得到DFRC雷达通信双功能波形的设计方法，输出最优发射矩阵，统计各种残差、目标函数等信息，并画出信号星座图与性能指标曲线。
[0018]进一步地，步骤1中所需参数，包括接收天线数目N
u
、发射天线数目N
t
、码元数目L、M进制数据调制、时间旁瓣范围Range、发射信号能量E。
[0019]进一步地，步骤2中生成通信信道矩阵H∈C
Nu
×
Nt
、信号矩阵S∈C
Nu
×
L
，其中信道矩阵H中的元素服从高斯分布，输入高斯信道，信号矩阵S根据需求随机生成，或导入预处理的信号矩阵生成；
[0020]进一步地，为了保证系统的通用性和鲁棒性，信道矩阵和信号矩阵都随机生成。
[0021]进一步地，步骤3中所述的移位矩阵J的时间移位范围为[
‑
8,8]。
[0022]进一步地，步骤4中采用交替迭代算法求得问题的最优解，其中使用基于流形优化框架的一阶下降算法——黎曼共轭梯度算法。
[0023]进一步地，步骤6中利用CVX求解器求解最优解，其中限制发射信号矩阵X的功率和通信残差，最小化目标函数。
[0024]进一步地，步骤7中的拉格朗日乘子矩阵D的更新采用梯度下降法。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有如下技术优势：
[0026](1)本专利技术是一种基于交替迭代算法(ADMM)的信道估计算法，用于多输入多输出(MIMO)雷达通信一体化系统(DFRC)中，以期获得更高的传输速率和更好的传输质量。该算法根据接收到的信号以及一个先验信息，以逐步的方式对信道进行估计。
[0027](2)本专利技术采用交替迭代算法求得问题的最优解，交替迭代算法(ADMM)采用分布式处理方式，实现并行计算。相比于其他优化算法，ADMM算法在处理大规模问题时表现出较好的鲁棒性，具有更高的计算效率和可扩展性。
[0028](3)本专利技术在使用基于流形优化框架的一阶下降算法——黎曼共轭梯度算法时，采用黎曼共轭梯度(RCG)算法可实现恒模约束问题的优化，相比于传统的梯度下降法，RCG算法不仅有更快的收敛速度，更好的数值稳定性，更好的优化性能，而且还可以应用于欧几里得空间中的优化问题，还可以应用于更一般的黎曼流形上的优化问题，如流形优化等。
[0029](4)本专利技术方法采用交替迭代算法(ADMM)和黎曼共轭梯度(RCG)算法来求得问题的最优解，以最大限度地抑制距离旁瓣，同时保证多用户干扰较低。
[0030](5)在本专利技术中，CVX求解器用于求解最优解，该求解器能够在限制发射信号矩阵X的功率和通信残差的情况下，快速求解，重复的迭代次数在30次以内。
附图说明
[0031]图1为本专利技术的一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法的流程图。
[0032]图2为γ＝9、15的距离旁瓣归一化电平ISL比较图(N
t
＝16,N
u
＝4,L＝100,E＝1,Range＝8，ρ＝5e2)。
[0033]图3为γ＝9、15的通信可达和率R比较图(N
t
＝16,N
u
＝4,L＝100,E＝1,Range＝8，ρ
＝5e2)。
[0034]图4为γ＝9、15的通信误码率SER比较图(N
t
＝16,N
u
＝4,L＝100,E＝1,Range＝8，ρ＝5e2)。
具体实施方式
[0035]为了更好地描述本专利技术实施例，首先进行了如下定义：
[0036]MIMO雷达：多输入多输出雷达，即具有多个发射天线和多个接收天线的雷达。它可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设置问题所需参数；步骤2、生成通信信道矩阵H∈C
Nu
×
Nt
、信号矩阵S∈C
Nu
×
L
；步骤3、生成时延移位矩阵J；步骤4、采用交替迭代算法求得问题的最优解；步骤5、在每个迭代中，先保存上一次迭代的发射信号矩阵X，然后求解发射信号矩阵X、接收信号矩阵Y、拉格朗日乘子矩阵D；步骤6、利用CVX求解器求解最优解；步骤7、更新拉格朗日乘子矩阵D；步骤8、统计各种残差、目标函数信息，并画出信号星座图与性能指标曲线；步骤9、通过步骤4至步骤8的迭代计算，得到DFRC雷达通信双功能波形的设计方法，输出最优发射矩阵，统计各种残差、目标函数等信息，并画出信号星座图与性能指标曲线。2.根据权利要求1所述的降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法，其特征在于，步骤1中所需参数，包括接收天线数目N
u
、发射天线数目N
t
、码元数目L、M进制数据调制、时间旁瓣范围Range、发射信号能量E。3.根据权利要求1所述的降低距离旁瓣的雷达通信双功能波形设计方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：程子扬，陈一丹，李明，汪博文，李会勇，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院衢州，
类型：发明
国别省市：