基于方向调制的分布式天线阵列双功能雷达通信设计方法

本发明属于雷达通信，尤其涉及基于方向调制的分布式天线阵列双功能雷达通信设计方法。

背景技术：

1、物联网技术已被广泛研究，它通过互联网连接和通信技术连接各种物理设备、传感器、软件和网络，实现设备之间的智能互联和数据交换。由于物联网涉及大量设备和数据交换，安全性成为一个重要问题。方向调制作为一种物理层安全技术，已经在物联网系统的背景下进行了研究。它可以在一个或多个所需的方向上保持已知的星座映射，并在其他方向上干扰星座点。将方向调制技术与雷达通信双功能结合，可以将通信信息嵌入到雷达波形中，且可以保证通信的安全性。在现代通信系统中，雷达和通信是两个独立的系统，分别用于目标检测和数据传输，而雷达通信则在争夺频谱。雷达通信双功能作为一种雷达通信技术，不仅可以解决无线频谱拥塞的问题，还可以降低平台的整体尺寸和硬件成本。同时分布式天线阵列作为均匀直线阵列的进一步扩展，分布式天线阵列具有许多优点，如更好的机动性、灵活性、可靠性和经济性，子阵列可以布置在多个移动平台上进行快速转移或实时阵列配置切换，对场景变化的适应性强。

2、现有的雷达通信一体化设计中，有幅度调制和相位调制两种方法将通信信息嵌入到雷达波形中：幅度调制不可避免一个缺点是通信方向的可区分旁瓣幅度间隔设计迫使其通信方向处在很低的水平，而过低的电平不利于通信传输，而且会导致误码率大大提高，在已有的相位调制中，只关注通信方向的设计，这样的设计在其他方向上的相位没有进行置乱，这样无法确保通信的安全性。且目前发射阵列都采用均匀直线阵列或标准的分布式阵列，均匀直线阵列的主瓣会比较宽，方向性不好，对于雷达探测有一定的影响，标准的分布式阵列主瓣很窄，但同时大大提升最大旁瓣值，这导致旁瓣占用多了过多的发射功率。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了基于方向调制的分布式天线阵列双功能雷达通信设计方法，将分布式阵列与上述系统相结合，同时为了降低分布式阵列的高旁瓣，通过入侵杂草优化算法优化子阵列之间的位置成功将旁瓣降低。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于方向调制的分布式天线阵列双功能雷达通信设计方法，包括：

3、考虑分布在大空间间隔的多个小孔径天线组成的分布式阵列，建立基于均匀直线阵列的分布式双功能雷达通信系统；

4、根据所述系统建立接收机接收到的信号模型和雷达接收机接收到的信号模型；

5、根据所述系统模型设计发射波形要求，波形在通信方向上满足预设相位调制，在其他方向上相位置乱，雷达方向满足最大的发射功率；

6、根据发射波形要求以及阵列要求建立优化模型，通过入侵杂草优化算法优化子阵列之间的距离来获得最佳的阵列位置，获得最低的最大旁瓣值。

7、可选的，建立基于均匀直线阵列的分布式双功能雷达通信系统包括：m个均匀线性子阵列沿同轴线放置，每个子阵列配备n个天线元件，每个元件之间的距离是半波长(λ/2)，d表示每个子阵列之间的距离，l表示整个阵列的孔径，target位于雷达主瓣方向，user位于通信的传输方向，lt和lu分别表示目标到分布式阵列和通信接收机到分布式阵列的距离，d远小于lt和lu，完成建立基于均匀直线阵列的分布式双功能雷达通信系统。

8、可选的，通信接收机接收到的信号模型为：

9、

10、雷达接收机接收到的信号模型为：

11、

12、其中，表示对于传输第q个信号时响应的权向量，h表示矩阵转置运算，k表示远场目标在雷达主波束的范围内个数，n为均值为0方差为σ2的加性高斯白噪声，b为接收端转向矢量，发射天线的发射方向θ∈[0°,180°]，θc,θml分别为通信方向、雷达主瓣方向以及旁瓣方向，s(ω,θc),s(ω,θml)分别为发射端通信转向矢量、雷达主瓣转向矢量以及旁瓣转向矢量，ω为角频率。

13、可选的，发射波形在通信方向上满足预设相位调制，在其他方向上相位置乱，雷达方向满足最大的发射功率的设计包括：

14、

15、

16、

17、其中，s(ω,θsl)为旁瓣区域的转向矢量，lq(ω,θc),lq(ω,θml),lq(ω,θsl)分别为通信方向、雷达主瓣方向以及旁瓣区域的波束期望响应。

18、可选的，通过入侵杂草优化算法优化子阵列之间的距离来获得最佳的阵列位置包括：

19、(1)初始化杂草：随机生成杂草数量为n的初始解：r＝(r1,r2...,rn)，其中杂草数量n小于最大杂草数量nmax，每个杂草是一个p×1向量；

20、(2)生长和繁殖：通过初始化的杂草计算每个杂草的适应度值。每种杂草产生的种子数量与其适应度值呈线性关系，随适应度值的增大产生的种子数量越多，每个杂草在产生的种子数量由下式给出：

21、

22、其中，fmax和fmin分别表示在进化中所有父代中具有最大适应度和最小适应度的值，vmax和vmin是每个杂草允许产生的最大和最小种子数量，f(ri)是第i个杂草个体的适应度值(i＝1,2,...,n)，ffloor表示将括号内的值四舍五入；

23、(3)空间分布：生成的种子在p维搜索空间中随机分布在父代杂草附近，具有正态分布第i个杂草产生的第u个种子ri+u的分布由下式给出：

24、

25、其中，ri表示当前迭代生成中的第i个杂草，εg表示进化第g代中的标准偏差，由下式给出：

26、εg＝εfinal+((gmax-g)/gmax)γ(εintial-εfinal)

27、其中，εintial和εfianl是初始和最终标准偏差值，γ是一个非线性调节因子；

28、(4)竞争生存定律：当杂草数量超过最大nmax时，将所有个体的适应度值从最大适应值到最小适应值进行排序，然后从最大到最小选择nmax个体，并将其视为在这一代进化中最终保留的杂草；剩余的个体被消除，保留的杂草可以进入下一轮进化，直到适应度函数收敛或达到最大迭代次数。

29、可选的，对旁瓣区域的波束相应进行归一化包括：

30、

31、其中，表示对于传输第q个信号时响应的权向量，h表示矩阵转置运算，θsl,θml分别为旁瓣方向、雷达主瓣方向，s(ω,θsl),s(ω,θml)分别为发射端旁瓣转向矢量、雷达主瓣转向矢量，ω为角频率。

32、可选的，根据发射波形要求以及阵列要求建立优化模型包括：

33、

34、subject to di-dj≥de,0≤j≤i≤m

35、d1＝0,dm＝l-n·(λ/2),

36、其中，de半波长，m个子阵列的孔径为l，dm表示，其中m＝(1,2,...,m)表示第m个子阵列的第一个元素的位置，为归一化后的旁瓣区域响应。

37、可选的，杂草中的适应度函数包括：

38、

39、其中，为归一化后的旁瓣区域响应。

40、可选的，对于前m-1子阵列，相邻子阵列之间的间隔为de，所占用的阵列孔径长度为[(m·n-1)de]，则孔径上的剩余可优化间隔sp表示为：

41、sp＝l-[(m·n-1)de]

42、其中，l为总口径大小，m表示子阵列个数，n表示每个子阵列中阵元个数，de表示半波长。

43、可选的，分布式天线阵列的子阵列位置在第i个杂草的时候表示：

44、[di(1),di(2),...,di(m-1),di(m)]＝[0,de,...,(m-2)de,l-n·de]+[0,ci(1),...,ci(m-2),0]

45、其中，di(m)(m＝1,2,...,m)表示m个子阵列每一个子阵列中第一个阵元位移后的位置，de表示半波长，l表示总口径，n表示每个子阵列中阵元个数，ci为第i个杂草的矩阵，ci(m)(m＝1,2,...,m-2)表示子阵列位移距离。本发明技术效果：本发明公开了基于方向调制的分布式天线阵列双功能雷达通信设计方法，将方向调制应用到雷达通信双功能系统中，保证了通信的安全性；为进一步提高指向性，本发明将分布式阵列与上述系统相结合，同时为了降低分布式阵列的高旁瓣，通过入侵杂草优化算法优化子阵列之间的位置成功将旁瓣降低。