一种基于方向调制的雷达通信一体化宽窄波束设计方法

本发明属于雷达通信，更具体地，涉及一种基于方向调制的雷达通信一体化宽窄波束设计方法。

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。定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。

2、目前全球对于雷达通信一体化的研究快速发展，雷达要面临检测目标的场景越来越多，窄带聚焦设计具有高分辨率，抗干扰能力强等优点，可以实现对特定方向的目标探测，宽带平顶设计具有抗多径干扰，较高的覆盖范围等优点，可以对一定范围内进行目标探测。将两种设计方法应用到雷达通信一体化中可以得到很好的效果。

技术实现思路

1、提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种基于方向调制的雷达通信一体化宽窄波束设计方法，在窄带聚焦波束设计中，通过在通信方向上固定波束电平的同时进行调制，同时权衡雷达雷达克拉美-劳界和通信在其它方向上对星座点的置乱，通过改变权衡系数可以改变雷达和通信在发射中的主次功能；在宽带平顶波束设计中，在通信方向上固定波束电平的同时进行调制，同时在雷达范围内实现与期望的雷达波形最接近的波形，除通信方向外对星座点进行置乱。

2、提供一种轨道交通列车牵引齿轮副接触性能测量方法，建立雷达通信一体化系统的发射与接收信号模型；

3、根据所述发射与接收信号模型建立对应的雷达和通信接收机的性能指标；

4、建立窄带聚焦波束的优化问题，所述窄带聚焦波束用于实现对精准角度的雷达探测，在通信方向上固定波束电平的同时进行调制，同时权衡雷达雷达克拉美-劳界和通信在初通信方向外的其它方向上对星座点的置乱，通过改变权衡系数以改变雷达和通信在发射中的主次功能；

5、建立宽带平顶波束的优化问题，所述宽带平顶波束用于实现对一定范围内的雷达探测，在通信方向上固定波束电平的同时进行调制，同时在雷达范围内实现与期望的雷达波形最接近的波形，除通信方向外对星座点进行置乱。

6、进一步地，所述方法包括：

7、所述发射与接收信号模型包括发射端、通信接收机以及雷达接收机，所述发射端具有n个阵元，所述n个阵元按均匀线性排列，间距为λ/2，λ为半波长，目标位于雷达探测方向，用户位于通信的传输方向；

8、所述通信接收机和所述雷达接收机接收到的信号分别为：

9、

10、

11、其中，ycom表示通信接收机接收到的信号，yrad表示雷达接收机接收到的信号，β表示探测目标的反射系数，wq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编号；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分别为通信方向和雷达方向，s(ω,θc),s(ω,θml)分别为发射端通信转向矢量以及雷达主瓣转向矢量，ω为角频率，β(ω,θml)表示雷达方向接收转向矢量。

12、进一步地，根据所述发射与接收信号模型建立对应的雷达和通信接收机的性能指标，具体包括：

13、对于通信性能，在θc方向，通过计算误码率来测量通信性能，生成大量调制符号用于传输，并且在接收机侧使用所获得的星座符号与iq空间中的理想星座符号之间的最小欧几里得距离作为解调标准；

14、对于雷达性能，以方向调制发射机的权向量相关的克拉美-罗界crb，为无偏估计量方差的下界，用作雷达性能指标，crb的公式由下式给出：

15、

16、其中，crb(θml)表示雷达性能度量，用于评估雷达系统在估计目标参数时的最佳性能。为了简化公式，公式中的sa＝s(ω,θml)b(ω,θml)h，tr表示矩阵的迹，为sa的导数，h表示矩阵转置运算。

17、进一步地，在所述crb的公式中，为了简化公式，s(ω,θml)和b(ω,θml)的导数分别用和表示，则公式中的可以化简为：

18、

19、将c1，c2，c3带入到crb的公式中，则crb在该方向调制系统中由下式表示：

20、

21、进一步地，建立的窄带聚焦波束的优化问题如下所示：

22、

23、其中，ρ∈[0,1]，表示权重系数，lq(ω,θsl)，lq(ω,θc)和lq(ω,θml)分别表示发射第q个信号时旁瓣范围，通信方向和雷达方向上的期望响应，subject to表示约束条件，表示求出一组wq可以满足下列约束条件时，最小化s(ω,θsl)表示旁瓣转向矢量，表示将除通信方向以外对其它方向的星座点进行置乱，权重系数越大，雷达的crb越小，星座点的置乱越弱，则雷达性能得到提升，相应通信安全度下降，权重系数越小，雷达性能下降，通信安全度上升，约束条件使通信方向实现调制且电平为期望值，等式约束保证雷达方向的响应幅度且相位随机，为功率约束，po为功率预算。

24、进一步地，基于所述窄带聚焦波束的优化问题，最小化crb(θml)等价于最大化然而方程约束阻止了这一优化，因此，通过引入变量t以使雷达方向振幅最大化，得到的窄带聚焦波束的优化问题如下式：

25、

26、进一步地，建立的宽带平顶波束的优化问题如下所示：

27、

28、其中，r·ejφ表示预先设置的雷达响应，其中r和φ分别表示雷达范围内所设置的幅度和相位，j表示虚数单位，，γ表示失配阈值，通过最小化期望发射波形与实际发射波形之间的差异来实现平顶设计，约束条件使通信方向实现调制且电平为期望值，使除通信外其它方向的星座点进行置乱，为功率约束，po为功率预算。

29、进一步地，在雷达范围内的幅度r和相位φ随机设置的情况下，预设的值极大影响结果，因此，为找到最优预设值，基于窄带聚焦波束设计中引入辅助变量t的方法，提出辅助问题：

30、

31、进一步地，对所述辅助问题求解得到最佳的宽带平顶雷达实际响应。

32、进一步地，所述发射与接收信号模型的调制模式包括bpsk、qpsk和qam。

33、本发明至少具有以下有益效果：

34、窄带聚焦波束设计中通过在通信方向固定波束电平的同时进行相位调制，且在其他方向将相位置乱，同时权衡了雷达和通信的性能，可以通过调整权衡系数改变雷达通信的主次功能；在宽带平顶波束设计中，在通信方向上固定波束电平的同时进行调制，同时在雷达范围内实现与期望的雷达波形最接近的波形，除通信方向外对星座点进行置乱。