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CN113489573B - 双基地雷达通信一体化波形设计方法、计算机设备及介质 - Google Patents

双基地雷达通信一体化波形设计方法、计算机设备及介质 Download PDF

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CN113489573B
CN113489573B CN202111040918.5A CN202111040918A CN113489573B CN 113489573 B CN113489573 B CN 113489573B CN 202111040918 A CN202111040918 A CN 202111040918A CN 113489573 B CN113489573 B CN 113489573B
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Abstract

本发明提供一种双基地雷达通信一体化波形设计方法、计算机设备及介质，包括：根据通信调制方式确定内层码组数；根据传递信息比特数以及通信调制方式确定外层码的码长；根据系统最大发射信号时长以及发射信号带宽确定内层码的码长；以内层码的相位序列为设计变量，以最小化内层码自相关旁瓣能量和互相关能量为优化目标，构建内层码优化模型，优化设计内层码；以外层码的相位序列为设计变量，以最小化外层码自相关旁瓣能量为优化目标，构建外层码优化模型，优化设计外层码。本发明设计的双基地雷达通信一体化波形经相关处理后在特定距离区间具有极低旁瓣，从而能够实现多目标场景下弱小目标的检测。

Description

双基地雷达通信一体化波形设计方法、计算机设备及介质
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，涉及一种面向多目标探测的双基地雷达通信一体化波形设计方法、计算机设备及介质。
背景技术
为缓解电磁频谱日益拥挤的矛盾，雷达、通信、导航等无线射频系统需要在相同频段共存，以实现高效利用频谱资源，并服务于多种民用与军用新兴应用场景。特别地，在军事领域中，双/多基地雷达通过收发分置，在保证接收站隐蔽性的前提下提高了系统的可靠性，同时具有一定的反隐身性能，抗干扰性能以及探测距离优势。但多数双基地雷达系统需要在收发站间建立直视链路，这使得系统的灵活性及适应能力受到了制约。为了消除该制约，雷达系统需要一种新型的数据同步方式。
针对上述问题，可以通过在雷达发射波形中嵌入发射站位置、发射时刻、波束指向等信息，将发射站从传统的能量辐射源扩展为“信息源+能量源”，将接收站从传统的目标检测扩展为“目标参数提取+信息获取”，从而实现雷达探测与通信传输功能的组合。该方案的实现关键是发射端的波形设计以同时满足目标检测、参数测量以及信息传输的任务。
针对发射端的波形设计问题，有人提出了一种正交复合调制波形，通过设计内层正交波形和外层低自相关旁瓣波形，实现了双基地雷达对单个目标的检测和双基地之间的信息传递。然而，该波形对多目标的探测性能有限，尤其是对强目标附近的弱目标检测时，弱目标的回波会被强目标的旁瓣淹没，从而造成弱目标的漏检。此外，如果选用巴克码作为外层码，将无法实现传输任意位数信息的功能，限制了其实际使用。
发明内容
为了解决通信化雷达对多目标的检测和信息传递，以及实现传输任意信息位数的功能，本发明提供一种双基地雷达通信一体化波形设计方法、计算机设备及介质。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
双基地雷达通信一体化波形设计方法，包括以下步骤：
根据通信调制方式确定内层码组数；
根据传递信息比特数以及通信调制方式确定外层码的码长；
根据系统最大发射信号时长以及发射信号带宽确定内层码的码长；
以内层码的相位序列为设计变量，以最小化内层码自相关旁瓣能量和互相关能量为优化目标，构建内层码优化模型，优化设计具有所述内层码长度以及所述发射信号带宽的内层码；
以外层码的相位序列为设计变量，以最小化外层码自相关旁瓣能量为优化目标，构建外层码优化模型，优化设计具有所述外层码长度的外层码。
进一步地，本发明根据通信调制方式确定内层码的组数。本发明一实施例中采用MPSK调制时，内层码组数为M，M为2的幂数。
进一步地，本发明根据传递信息比特数以及通信调制方式确定外层码的码长，为：
Figure 677175DEST_PATH_IMAGE001
其中I为传递信息比特数。
进一步地，本发明根据系统最大发射信号时长以及发射信号带宽确定内层码的码长，为：
Figure 295238DEST_PATH_IMAGE002
其中T为系统最大发射信号时长，B为发射信号带宽，N 2为外层码的码长。
进一步地，M组码长为N 1、发射信号带宽为B的内层码波形，表示为：
Figure 706628DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 597092DEST_PATH_IMAGE004
以及
Figure 283289DEST_PATH_IMAGE005
以内层码的相位序列
Figure 959121DEST_PATH_IMAGE006
为设计变量，构建的内层码优化模型如下：
Figure 541412DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 732222DEST_PATH_IMAGE008
表示取模运算，
Figure 159792DEST_PATH_IMAGE009
为内层码旁瓣区间加权因子，
Figure 939398DEST_PATH_IMAGE010
为内层码的自相关函数，
Figure 489328DEST_PATH_IMAGE011
为任意两组内层码之间的互相关函数。
进一步地，内层码自相关函数
Figure 370696DEST_PATH_IMAGE012
和任意两组内层码之间的互相关函数
Figure 601958DEST_PATH_IMAGE013
表示为：
Figure 252382DEST_PATH_IMAGE014
Figure 707634DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 59987DEST_PATH_IMAGE016
表示取共轭运算，以及
Figure 94939DEST_PATH_IMAGE017
Figure 662186DEST_PATH_IMAGE018
进一步地，本发明所构建的外层码优化模型为：
Figure 226023DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 878721DEST_PATH_IMAGE020
为外层码的相位序列，
Figure 451785DEST_PATH_IMAGE021
为外层码旁瓣区间加权因子，
Figure 607960DEST_PATH_IMAGE022
为外层码的自相关函数。
进一步地，外层码的自相关函数
Figure 123124DEST_PATH_IMAGE023
为：
Figure 935222DEST_PATH_IMAGE024
进一步地，本发明采用Matlab中的fminunc求解器分别对内层码优化模型、外层码优化模型进行求解，得到优化后的内层码和外层码。
本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
根据通信调制方式确定内层码组数；
根据传递信息比特数以及通信调制方式确定外层码的码长；
根据系统最大发射信号时长以及发射信号带宽确定内层码的码长；
以内层码的相位序列为设计变量，以最小化内层码自相关旁瓣能量和互相关能量为优化目标，构建内层码优化模型，优化设计具有所述内层码长度以及所述发射信号带宽的内层码；
以外层码的相位序列为设计变量，以最小化外层码自相关旁瓣能量为优化目标，构建外层码优化模型，优化设计具有所述外层码长度的外层码。
本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据通信调制方式确定内层码组数；
根据传递信息比特数以及通信调制方式确定外层码的码长；
根据系统最大发射信号时长以及发射信号带宽确定内层码的码长；
以内层码的相位序列为设计变量，以最小化内层码自相关旁瓣能量和互相关能量为优化目标，构建内层码优化模型，优化设计具有所述内层码长度以及所述发射信号带宽的内层码；
以外层码的相位序列为设计变量，以最小化外层码自相关旁瓣能量为优化目标，构建外层码优化模型，优化设计具有所述外层码长度的外层码。
相比于现有波形设计方法，具有适用范围广，波形旁瓣性能低、传输信息位数可设置等优点。通过上述技术方案，本发明能够达到的有益技术效果是：
本发明在确定系统参数和波形参数的基础上，设计多组正交内层码实现信息序列的内嵌，接着根据信息序列的长度设计具有特定长度的低自相关旁瓣的外层码，在提取传递信息的同时实现多目标场景下的检测和测量。
本发明在波形设计过程中，可根据实际应用场景，对特定距离旁瓣区间进行抑制，从而在所关注的探测区间实现更低旁瓣，可传输任意位数信息，以利于多目标场景下的目标探测。
本发明设计的双基地雷达通信一体化波形经相关处理后在特定距离区间具有极低旁瓣，从而能够实现多目标场景下弱小目标的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是一实施例的流程示意图；
图2是一实施例中所设计的内层码1的自相关函数图；
图3是一实施例中所设计的内层码2的自相关函数图；
图4是一实施例中所设计的内层码1和内层码2的互相关函数图；
图5是一实施例中所设计的外层码自相关函数图；
图6是一实施例中嵌入的真实传递信息序列图；
图7是利用本发明设计的波形进行一次脉压后对图6所示信息序列解调后信息0对应结果；
图8是利用本发明设计的波形进行一次脉压后对图6所示信息序列解调后信息1对应结果；
图9是利用本发明设计的波形对双目标的归一化目标检测结果；
图10是利用本发明设计的波形对双目标的归一化目标检测结果(dB表示)。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本公开发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。以下实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1所示，本发明一实施例提供面向多目标探测的双基地雷达通信一体化波形设计方法，包括以下步骤：
（S1）根据传递信息比特数、发射信号时宽、通信调制方式等系统参数确定内层码长度N 1，内层码组数M，外层码长度N 2。
具体实施例中，首先根据传递信息比特数
Figure 374293DEST_PATH_IMAGE025
以及通信调制方式确认外层码波形参数。例如，当采用MPSK调制时，即内层码组数为M，这里M一般为2的幂数，即M=2,4,8,16...。外层码的码长为：
Figure 853816DEST_PATH_IMAGE026
Figure 25035DEST_PATH_IMAGE027
进一步根据系统最大发射信号时长T，发射信号带宽B，确定内层码的码长为：
Figure 386746DEST_PATH_IMAGE028
Figure 550880DEST_PATH_IMAGE029
由此，得到了双基地雷达通信一体化波形参数N 1，M以及N 2。
（S2）根据内层码长度N 1和内层码组数
Figure 884909DEST_PATH_IMAGE030
对内层码进行优化设计。
根据雷达信号处理理论，M组码长为N 1、发射信号带宽为B的编码波形可以表示为
Figure 289346DEST_PATH_IMAGE031
Figure 76036DEST_PATH_IMAGE032
其中
Figure 794593DEST_PATH_IMAGE033
Figure 45446DEST_PATH_IMAGE034
以及
Figure 807735DEST_PATH_IMAGE035
Figure 144038DEST_PATH_IMAGE036
为了实现信息传递和目标检测，要求单个内层码具有类冲激函数似的自相关函数以及两个内层码之间全零的互相关函数。因此，波形设计的目标就是寻找相位序列
Figure 666286DEST_PATH_IMAGE037
使得内层码具有良好的自相关和互相关特性。
内层码的自相关函数
Figure 709329DEST_PATH_IMAGE038
和任意两内层码之间的互相关函数
Figure 658830DEST_PATH_IMAGE039
可以表示为
Figure 216850DEST_PATH_IMAGE040
Figure 526478DEST_PATH_IMAGE041
Figure 486344DEST_PATH_IMAGE042
Figure 606746DEST_PATH_IMAGE043
其中
Figure 855325DEST_PATH_IMAGE044
表示取共轭运算，以及
Figure 516114DEST_PATH_IMAGE045
Figure 533748DEST_PATH_IMAGE046
为了实现设计要求，以降低编码波形相关函数能量为优化目的，建立如下的内层码优化模型
Figure 74320DEST_PATH_IMAGE047
Figure 606932DEST_PATH_IMAGE048
其中，
Figure 274674DEST_PATH_IMAGE049
表示取模运算，
Figure 881236DEST_PATH_IMAGE050
为内层码旁瓣区间加权因子。在一些典型应用场景，例如对空目标探测时，目标往往分布比较集中，仅在相关函数主瓣及其附近出现，在主瓣远距离的旁瓣处往往没有目标，针对该场景，只需要相关函数在局部具有低旁瓣即可，加权因子
Figure 405758DEST_PATH_IMAGE051
即可选择特定的距离旁瓣区间进行优化。
针对内层码优化模型即式（9），使用Matlab中的fminunc求解器对其进行求解。具体地，fminunc求解器的调用格式为
Figure 363350DEST_PATH_IMAGE052
Figure 818471DEST_PATH_IMAGE053
其中
Figure 607435DEST_PATH_IMAGE054
为初始解，fun为目标函数。对于内层码优化模型即式（9），式（10）中的fun即为
Figure 240542DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 685430DEST_PATH_IMAGE056
可以通过随机初始化产生，即
Figure 491712DEST_PATH_IMAGE057
，其中rand(N,M)表示产生由[0,1]内均匀分布随机数构成的
Figure 338445DEST_PATH_IMAGE058
维矩阵。
（S3）根据外层码长度
Figure 391720DEST_PATH_IMAGE059
对外层码进行优化设计。
为了实现目标检测，要求外层码具有类冲激函数似的自相关函数。参照模型（9）可以得出，设计码长为
Figure 386221DEST_PATH_IMAGE059
的具有良好自相关性能的外层码优化模型可以表示为
Figure 668298DEST_PATH_IMAGE060
Figure 431855DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure 406764DEST_PATH_IMAGE062
为外层码的相位序列，
Figure 826244DEST_PATH_IMAGE063
为外层码旁瓣区间加权因子，
Figure 974329DEST_PATH_IMAGE064
为外层码自相关函数，可以表示为：
Figure 44922DEST_PATH_IMAGE065
Figure 190732DEST_PATH_IMAGE066
同样地，采用Matlab工具箱中fminunc求解器对外层码优化模型即式（11）进行求解可以得到具有良好自相关性能的外层码。
在本发明一实施例中设置的典型参数如下：
Figure 894246DEST_PATH_IMAGE067
。本实施例中通过步骤（S2）得到的关于内层码设计的结果如图2、图3和图4所示。具体地，两组内层码（即内层码1和内层码2）的自相关函数图分别如图2和图3所示，两组内层码（即内层码1和内层码2）的互相关函数图如图4所示。从中可以看出，在特定的距离旁瓣区间，内层码自相关函数旁瓣和互相关函数峰值低于
Figure 783705DEST_PATH_IMAGE068
，具备较好的自相关和互相关特性。
在本发明一实施例中设置的典型参数如下：
Figure 459536DEST_PATH_IMAGE069
，其中外层码长度
Figure 572986DEST_PATH_IMAGE070
是任意可调。本发明通过步骤（S3）得到的关于外层码设计的结果如图5所示。从外层码自相关函数图可以看出，在特定的距离旁瓣区间，外层码自相关函数旁瓣低于
Figure 216326DEST_PATH_IMAGE071
，具备较好的自相关特性。
图6至图10所示为利用本发明方法按照通信化雷达信号处理流程得到的信息序列解调和目标检测结果。假设该场景存在两个目标，雷达散射截面积分别为1和0.1，即相差
Figure 643896DEST_PATH_IMAGE072
。图6为所嵌入的理论信息序列，图7和图8表明利用本发明方法设计的波形进行一次脉压后可以准确的对信息序列进行解调。图9和图10所示为利用本发明设计的波形进行目标检测的结果，表明利用本发明方法设计的波形进行二次脉压后可以实现对强弱不同的多目标进行准确检测。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (11)

1.双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据通信调制方式确定内层码组数；
根据传递信息比特数以及通信调制方式确定外层码的码长；
根据系统最大发射信号时长以及发射信号带宽确定内层码的码长；
以内层码的相位序列为设计变量，以最小化内层码自相关旁瓣能量和互相关能量为优化目标，构建内层码优化模型，优化设计具有所述内层码长度以及所述发射信号带宽的内层码；
以外层码的相位序列为设计变量，以最小化外层码自相关旁瓣能量为优化目标，构建外层码优化模型，优化设计具有所述外层码长度的外层码。
2.根据权利要求1所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，通信调制方式采用MPSK调制时，内层码组数为M，M为2的幂数。
3.根据权利要求2所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，外层码的码长为：
Figure 746700DEST_PATH_IMAGE001
其中I为传递信息比特数。
4.根据权利要求1所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，内层码的码长为：
Figure 158090DEST_PATH_IMAGE002
其中T为系统最大发射信号时长，B为发射信号带宽，N 2为外层码的码长。
5.根据权利要求3或4所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，M组码长为N 1、发射信号带宽为B的内层码波形，表示为：
Figure 189500DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 78958DEST_PATH_IMAGE004
以及
Figure 665709DEST_PATH_IMAGE005
以内层码的相位序列
Figure 248001DEST_PATH_IMAGE006
为设计变量，构建的内层码优化模型如下：
Figure 766707DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 725435DEST_PATH_IMAGE008
表示取模运算，
Figure 865561DEST_PATH_IMAGE009
为内层码旁瓣区间加权因子，
Figure 618753DEST_PATH_IMAGE010
为内层码的自相关函数，
Figure 624755DEST_PATH_IMAGE011
为任意两组内层码之间的互相关函数。
6.根据权利要求5所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，内层码的自相关函数
Figure 121596DEST_PATH_IMAGE012
和任意两组内层码之间的互相关函数
Figure 145921DEST_PATH_IMAGE013
表示分别表示为：
Figure 70015DEST_PATH_IMAGE014
Figure 438679DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 863844DEST_PATH_IMAGE016
表示取共轭运算，以及
Figure 634354DEST_PATH_IMAGE017
。
7.根据权利要求5所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，构建的外层码优化模型为：
Figure 729349DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 460676DEST_PATH_IMAGE019
为外层码的相位序列，
Figure 564898DEST_PATH_IMAGE020
为外层码旁瓣区间加权因子，
Figure 48969DEST_PATH_IMAGE021
为外层码的自相关函数。
8.根据权利要求7所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，外层码的自相关函数
Figure 580445DEST_PATH_IMAGE021
为：
Figure 658122DEST_PATH_IMAGE022
。
9.根据权利要求6、7或8所述的双基地雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，采用Matlab中的fminunc求解器分别对内层码优化模型、外层码优化模型进行求解，得到优化后的内层码和外层码。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述双基地雷达通信一体化波形设计方法的步骤。
11.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述双基地雷达通信一体化波形设计方法的步骤。
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