智能反射面辅助的雷达通信协同目标检测方法与电子设备

1.本发明属于雷达探测技术领域，更具体地，涉及一种智能反射面辅助的雷达通信协同目标检测方法与电子设备。


背景技术：

2.智能反射面是一种由大量低成本的被动无源反射元件组成的平面，每个元件能都能够独立地对入射信号进行相位改变。目前，已有研究将智能反射面运用到无线通信中。通过将智能放射面放置于发送方与接收方之间，使得接收方能更好地接收发送方发送的信号。文献《towards smart wireless communications via intelligent reflecting surfaces:a contemporary survey》(ieee communications surveys&tutorials,2020)总结和展望了智能反射面在无线通信中的巨大潜力和应用前景。智能反射面在雷达领域也有一定的应用潜力，比如文献《intelligent reflecting surface-enhanced target detection in mimo radar》(ieee sensors letters,2021)。由此可见，智能反射面在雷达和无线通信中都具有较大的应用潜力。
3.另外，用于通信的基站的规模和覆盖范围越来越大，基站也是不断向外辐射通信信号，这些基站的通信信号遇到目标也会发生反射现象。通过利用通信信号也能够进行目标探测。因此，雷达通信一体化基站也是未来的重要发展方向，并受到广泛关注和研究。
4.因此，如果综合利用通信信号和雷达信号进行目标探测，同时合理布置使用智能反射面来进行信号发射和信号接收，将能够进一步提高目标探测性能。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种智能反射面辅助的雷达通信协同目标检测方法。利用智能反射面，改善mimo雷达和雷达通信一体化基站的接收信号强度，改善雷达探测性能；同时利用雷达通信一体化基站的通信信号和mimo雷达的雷达信号进行目标探测进一步提升目标检测性能。本发明目的在于同时利用智能反射面和雷达通信一体化基站的通信信号，改善雷达目标探测性能。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种智能反射面辅助的雷达通信协同目标检测方法。在雷达通信一体化基站和雷达附近都放置智能反射面，雷达和雷达通信一体化基站进行协同目标探测。在信号发射时，同时调整雷达和雷达通信一体化基站附近的智能反射面；在回波接收时，同时调整雷达和雷达通信一体化基站附近的智能反射面。mimo雷达和雷达通信一体化基站同时接收目标直接反射的通信信号回波和雷达信号回波，以及目标经过智能反射面反射的通信信号回波和雷达信号回波。具体包括以下步骤：
7.步骤s1：在信号发射阶段，根据目标探测方位、雷达天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达附近的智能反射面与雷达接收阵列之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达附近的智能反射面每个阵元的优化相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达附近的智能反射面的每个阵元的相移量进行优化控制。
8.考虑窄带集中式mimo雷达系统，雷达阵列等效为线型阵列，按照半波长间距安装有n个天线；雷达通信一体化基站等效安装单天线。雷达附近的智能反射面和雷达通信一体化基站附近的智能反射面都等效为线型阵列，按照半波长间距分别安装有m1和m2个反射阵元。
9.假设目标处在与mimo雷达阵列法向夹角为θ1的某距离处，雷达到目标的信道为可表示为
[0010][0011]
其中为雷达阵列的发射导向矢量，θ1为目标与雷达阵列的法向夹角；g1为由于天线增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0012]
雷达经过其附近的智能反射面到目标的信道为可表示为
[0013][0014]
其中为雷达附近的智能反射面的导向矢量，θ4为目标与智能反射面的法向夹角；g2为由于雷达阵列增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为对角矩阵，其第n个对角元素为智能反射面的反射阵元n的移相量构成的元素为雷达和智能反射面间的信道矩阵。
[0015]
雷达通信一体化基站到目标的信道为h3，可表示为
[0016]
h3＝g3，
[0017]
其中g3表示由于雷达通信一体化基站天线增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0018]
雷达通信一体化基站经过其附近的智能反射面到目标的信道为h4，可表示为
[0019][0020]
其中为雷达通信一体化基站附近的智能反射面的导向矢量，θ
′4为目标与智能反射面的法向夹角；g4为由于雷达通信一体化基站的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为对角矩阵，其第n个对角元素为由智能反射面反射阵元n的移相量构成的元素为雷达和智能反射面间的信道矩阵。
[0021]
在目标回波信号接收时，目标到雷达的信道为可表示为
[0022][0023]
其中为雷达阵列的接收导向矢量；为由于雷达的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0024]
目标经过智能反射面到雷达的信道为可表示为
[0025][0026]
其中为接收回波时由于雷达的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为智能反射面接收目标回波的导向矢量；为对角矩阵，其第n个对角元素为在接收回波时反射阵元n的移相量构成的元素
为智能反射面与雷达间的信道矩阵。
[0027]
在目标回波信号接收时，目标到雷达通信一体化基站的信道为可表示为
[0028][0029]
其中表示由于雷达通信一体化基站天线增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0030]
目标经过智能反射面到雷达通信一体化基站的信道为可表示为
[0031][0032]
其中为接收回波时由于雷达通信一体化基站的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为智能反射面接收目标回波的导向矢量；为对角矩阵，其第n个对角元素为在接收回波时反射阵元n的移相量构成的元素为智能反射面与雷达间的信道矩阵。
[0033]
假设雷达和雷达通信一体化基站发射的信号互相正交，分别表示为和l为信号采样后的长度，且l为信号采样后的长度，且in为n维单位矩阵。假设雷达和雷达通信一体化基站的发射信号同时到达目标距离处，且雷达和雷达通信一体化基站都有发射信号信息s
ra
和s
bs
。mimo雷达接收的信号可表示为
[0034][0035]
其中为噪声矩阵；p
ra
为雷达的发射功率；p
bs
为基站的发射功率；α
ra
和α
bs
为目标相对于雷达和雷达通信一体化基站的反射截面积。
[0036]
接收信号经过与s
ra
和s
bs
匹配滤波后，可表示为
[0037][0038]
其中为高斯噪声经过匹配滤波后的矩阵。
[0039]
将接收信号矩阵x1矢量化表示为
[0040][0041]
其中h
12
＝h1+h2，h
34
＝h3+h4，其中vec(x)表示将x进行矢量化操作，表示kronecker积。
[0042]
雷达通信一体化基站接收的信号可以表示为
[0043][0044]
其中为噪声矩阵。
[0045]
雷达通信一体化基站接收的信号经过与s
ra
和s
bs
匹配滤波后，可表示为
[0046][0047]
其中为高斯噪声经过匹配滤波后的矩阵。
[0048]
将接收信号矩阵x2矢量化表示为
[0049][0050]
将x1和x2合并成矢量x为
[0051][0052]
其中为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，其中||
·
||2表示2范数的平方。为了使接收信号的信噪比最大化，首先需要针对信号发射期间，对h
12
表达式中雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，t
进行优化，使其满足最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，t
进行优化求解，得到智能反射面每个阵元的移相量，并按照移相量对其进行相应的相移。
[0053]
步骤s2：在信号发射阶段，根据目标探测方位、雷达通信一体化基站天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达通信一体化基站附近的智能反射面与雷达通信一体化基站之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达通信一体化基站附近的智能反射面每个阵元的优化相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的每个阵元进行相应的相移优化控制。
[0054]
为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，需要针对信号发射期间，对h
34
表达式中雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，t
进行优化，使其满足||p
bs α
bs h
34
||2最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，t
进行优化求解。
[0055]
步骤s3：在回波信号接收阶段，根据目标探测方位、雷达天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达附近的智能反射面与雷达接收阵列之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达附近的智能反射面的每个阵元的相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达附近的智能反射面的每个阵元进行相应的相移优化控制。
[0056]
为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，需要针对回波信号接收期间，对表达式中雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，r
进行优化，使其满足最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，r
进行优化求解。
[0057]
步骤s4：在回波信号接收阶段，根据目标探测方位、雷达通信一体化基站天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达通信一体化基站附近的智能反射面与雷达通信一体化基站之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达通信一体化基站附近的智能反射面的每个阵元的相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的每个阵元进行相应的相移优化控制。
[0058]
为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，需要针对回波信号接收期间，对表达式中雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，r
进行优化，使其满足最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，r
进行优化求解。
[0059]
步骤s5：雷达通信一体化基站将接收信号传输到mimo雷达进行协同处理，进行目标检测。如果检测统计量大于门限值，则该距离处存在目标；否则，则该距离处不存在目标。
[0060]
根据neyman-pearson准则，检测统计量t为：
[0061][0062]
其中δ为根据虚警率决定的门限；h0表示该距离处无目标；h1表示该距离处有目标；||x||2表示x的2范数的平方。
[0063]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的基于智能反射面的雷达通信协同目标检测方法，通过同时利用mimo雷达信号和雷达通信一体化基站的通信信号进行目标探测，控制雷达附近的智能反射面和雷达通信一体化基站附近的智能反射面上反射阵元的相移量，改善雷达接收的目标回波信号的信噪比，从而改善目标检测性能。
附图说明
[0064]
图1为本发明实施例中智能反射面辅助的雷达通信协同目标探测系统示意图；
[0065]
图2为本发明实施例中智能反射面辅助的雷达和通信协同目标探测方法的流程示意图；
[0066]
图3为本发明实施例中智能反射面辅助的雷达和通信协同目标探测方法的信噪比增益示意图。
具体实施方式
[0067]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0068]
由于智能发射面可以根据无线环境，灵活的改变反射面上每个阵元的相位和幅度，从而增加接收方的信号功率或者抑制接收方的干扰信号。本发明利用智能反射面来增
强mimo雷达接收阵列的信号强度，改善目标检测的性能。同时利用雷达通信一体化基站的通信信号来协同探测，从而实现目标探测性能的进一步提升。
[0069]
如图1所示，在雷达通信一体化基站和mimo雷达附近都放置智能反射面，雷达和雷达通信一体化基站进行协同目标探测。mimo雷达的雷达信号处理器与雷达通信一体化基站之间通过控制信号的传输实现时间同步和相关信息共享。雷达信号处理器分别与智能反射面控制器1和智能反射面控制器2连接，实现对智能反射面1和智能反射面2的优化控制。在信号发射时，同时调整雷达和雷达通信一体化基站附近的智能反射面；在回波接收时，同时调整雷达和雷达通信一体化基站附近的智能反射面。雷达通信一体化基站和mimo雷达同时接收目标直接反射的通信信号回波和雷达信号回波，以及目标回波经过智能反射面反射的通信信号回波和雷达信号回波。雷达通信一体化基站可将接收信号传输到雷达信号处理器，与mimo雷达的接收信号进行协同处理。具体包括以下步骤：
[0070]
步骤s1：在信号发射阶段，根据目标探测方位、雷达天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达附近的智能反射面与雷达接收阵列之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达附近的智能反射面每个阵元的优化相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达附近的智能反射面的每个阵元的相移量进行优化控制。
[0071]
考虑窄带集中式mimo雷达系统，雷达阵列等效为线型阵列，按照半波长间距安装有n个天线；雷达通信一体化基站等效安装单天线。雷达附近的智能反射面和雷达通信一体化基站附近的智能反射面都等效为线型阵列，按照半波长间距分别安装有m1和m2个反射阵元。
[0072]
假设目标处在与雷达阵列法向夹角为θ1的某距离处，雷达到目标的信道为可表示为
[0073][0074]
其中为雷达阵列的发射导向矢量，θ1为目标与雷达阵列的法向夹角；g1为由于天线增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0075]
雷达经过其附近的智能反射面到目标的信道为可表示为
[0076][0077]
其中为雷达附近的智能反射面的导向矢量，θ4为目标与智能反射面的法向夹角；g2为由于雷达阵列增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为对角矩阵，其第n个对角元素为智能反射面的反射阵元n的移相量构成的元素为雷达和智能反射面间的信道矩阵。
[0078]
雷达通信一体化基站到目标的信道为h3，可表示为
[0079]
h3＝g3，
[0080]
其中g3表示由于雷达通信一体化基站天线增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0081]
雷达通信一体化基站经过其附近的智能反射面到目标的信道为h4，可表示为
[0082][0083]
其中为雷达通信一体化基站附近的智能反射面的导向矢
量，θ
′4为目标与智能反射面的法向夹角；g4为由于雷达通信一体化基站的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为对角矩阵，其第n个对角元素为由智能反射面反射阵元n的移相量构成的元素为雷达和智能反射面间的信道矩阵。
[0084]
在目标回波信号接收时，目标到雷达的信道为可表示为
[0085][0086]
其中为雷达阵列的接收导向矢量；为由于雷达的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0087]
目标经过智能反射面到雷达的信道为可表示为
[0088][0089]
其中为接收回波时由于雷达的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为智能反射面接收目标回波的导向矢量；为对角矩阵，其第n个对角元素为在接收回波时反射阵元n的移相量构成的元素为智能反射面与雷达间的信道矩阵。
[0090]
在目标回波信号接收时，目标到雷达通信一体化基站的信道为可表示为
[0091][0092]
其中表示由于雷达通信一体化基站天线增益、路径传输引起的衰落和相移。
[0093]
目标经过智能反射面到雷达通信一体化基站的信道为可表示为
[0094][0095]
其中为接收回波时由于雷达通信一体化基站的天线增益、智能反射面增益、路径传输引起的衰落和相移；为智能反射面接收目标回波的导向矢量；为对角矩阵，其第n个对角元素为在接收回波时反射阵元n的移相量构成的元素为智能反射面与雷达间的信道矩阵。
[0096]
假设雷达和雷达通信一体化基站发射的信号互相正交，分别表示为和上为信号采样后的长度且上为信号采样后的长度且in为n维单位矩阵。假设雷达和雷达通信一体化基站的发射信号同时到达目标距离处，且雷达和雷达通信一体化基站都有发射信号信息s
ra
和s
bs
。mimo雷达接收的信号可表示为
[0097][0098]
其中为噪声矩阵；p
ra
为雷达的发射功率；p
bs
为基站的发射功率；α
ra
和α
bs
为目标相对于雷达和雷达通信一体化基站的反射截面积。
[0099]
接收信号经过与s
ra
和s
bs
匹配滤波后，可表示为
[0100]
[0101]
其中为高斯噪声经过匹配滤波后的矩阵。
[0102]
将接收信号矩阵x1矢量化表示为
[0103][0104]
其中h
12
＝h1+h2，h
34
＝h3+h4，其中vec(x)表示将x进行矢量化操作，表示kronecker积。
[0105]
雷达通信一体化基站接收的信号可以表示为
[0106][0107]
其中为噪声矩阵。
[0108]
雷达通信一体化基站接收的信号经过与s
ra
和s
bs
匹配滤波后，可表示为
[0109][0110]
其中为高斯噪声经过匹配滤波后的矩阵。
[0111]
将接收信号矩阵x2矢量化表示为
[0112][0113]
将x1和x2合并成矢量x为
[0114][0115]
其中为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，其中||
·
||2表示2范数的平方。为了使接收信号的信噪比最大化，首先需要针对信号发射期间，对h
12
表达式中雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，t
进行优化，使其满足最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，t
进行优化求解，得到智能反射面每个阵元的移相量，并按照移相量对其进行相应的相移。
[0116]
步骤s2：在信号发射阶段，根据目标探测方位、雷达通信一体化基站天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达通信一体化基站附近的智能反射面与雷达通信一体化基站之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达通信一体化基站附近的智能反射面每个阵元的优化相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的每个阵元进行相应的相移优化控制。
[0117]
为了使接收信号的信噪比最大化，即
最大化，需要针对信号发射期间，对h
34
表达式中雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，t
进行优化，使其满足||p
bs α
bs h
34
||2最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，t
进行优化求解。
[0118]
步骤s3：在回波信号接收阶段，根据目标探测方位、雷达天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达附近的智能反射面与雷达接收阵列之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达附近的智能反射面的每个阵元的相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达附近的智能反射面的每个阵元进行相应的相移优化控制。
[0119]
为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，需要针对回波信号接收期间，对表达式中雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，r
进行优化，使其满足最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
1，r
进行优化求解。
[0120]
步骤s4：在回波信号接收阶段，根据目标探测方位、雷达通信一体化基站天线和智能反射面增益、路径传输损耗、雷达通信一体化基站附近的智能反射面与雷达通信一体化基站之间的信道状态信息等，雷达信号处理器计算得到雷达通信一体化基站附近的智能反射面的每个阵元的相移量，雷达通过智能反射面控制器对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的每个阵元进行相应的相移优化控制。
[0121]
为了使接收信号的信噪比最大化，即最大化，需要针对回波信号接收期间，对表达式中雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，r
进行优化，使其满足最大化。通过坐标下降法或者凸优化等方法可对雷达通信一体化基站附近的智能反射面的移相量矩阵ψ
2，r
进行优化求解。
[0122]
步骤s5：雷达通信一体化基站将接收信号传输到mimo雷达进行协同处理，进行目标检测。如果检测统计量大于门限值，则该距离处存在目标；否则，则该距离处不存在目标。
[0123]
根据neyman-pearson准则，检测统计量t为：
[0124][0125]
其中δ为根据虚警率决定的门限；h0表示该距离处无目标；h1表示该距离处有目标；||x||2表示x的2范数的平方。
[0126]
为进一步说明本发明的效果，图3中给出了仅仅使用mimo雷达的接收信号x1进行目标探测时的信噪比增益。通过同时利用雷达信号和雷达通信一体化基站的通信信号，并
且在雷达通信一体化基站和雷达附近布置智能反射面，并进行相应的优化控制，可以明显改善雷达的接收信号的信噪比。若同时使用雷达通信一体化基站的接收信号x2将可进一步提升目标检测性能。图3中的“相位2比特量化”和“相位连续量化”表示智能反射面的每个阵元的相移量的量化精度，“相位2比特量化”表示计算得到的移相量均匀量化到0到2π间4个值中的一个；“相位连续量化”表示直接采用计算得到的移相量。由此可见，智能反射面移相量的量化也会带来一定的性能损失。
[0127]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。