技术领域
[0001] 本发明属于雷达通信技术领域，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。
相关背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
具体实施方式
[0052] 为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
[0053] 本发明实施例公开一种基于方向调制的雷达通信一体化宽窄波束设计方法。如图2所示，该方法采用的方向调制与传统的通过缩放定向功率来施加干扰的物理层安全问题不同，方向调制系统直接在用户处设计接收到的符号，将数字调制星座信号投射到预先定义的空间方向(合法的安全通信方向)，同时在自由空间的其他地方置乱星座。即使窃听者和用户的信道是相关的，窃听者的接收性能也会因故意对窃听者施加破坏性干扰而变差。
本实施例基于方向调制技术，将通信很好的嵌入到雷达系统中，在通信方向上实现QPSK调制，并且在不影响主要雷达功能的情况下在其他方向上干扰相位值，本实施例公开的基于方向调制的雷达通信一体化宽窄波束设计方法具体包括如下步骤：
[0054] 步骤1：首先建立双功能雷达‑通信系统的发射与接收信号模型。
[0055] 示例性地，如图1所示，为该本发明的一个实施例的雷达通信一体化系统应用场景示意图，在该应用场景中所示出的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(Target)位于雷达主瓣方向(Rad)，用户(User)位于通信的传输方向(Com)，其中发射端可以是至少一个发射阵列，各个发射阵列包括N根发射天线对应于N个阵元，N个阵元呈均匀线性阵列排列。发射方向θ∈[0°,180°]，θc,θML,θSL分别为通信方向，雷达探测方向以及旁瓣方向，同上，s(ω,θc),s(ω,θML),s(ω,θSL)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，其中ω为角频率。wn(1,2,...,N)用于表示第n个天线的权重矢量。
[0056] 所述通信接收机和所述雷达接收机接收到的信号分别为：
[0057]
[0058]
[0059] 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，n2
为均值为0方差为σ的加性高斯白噪声；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。
[0060] 步骤2：根据上述模型建立对应的雷达目标检测指标以及通信接收机的接收指标。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；
[0061] 对于雷达性能，考虑了方向调制发射机的权向量相关的克拉美‑罗界Cramér‑Rao bound(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：
[0062]
[0063] 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H能。为了简化公式，公式中的sa＝s(ω,θML)b(ω,θML)，tr表示矩阵的迹， 为sa的导数，H表示矩阵转置运算。
[0064] 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：
[0065]
[0066] 将c1，c2，c3带入到CRB表达式中，则CRB可以在该方向调制系统中由下式表示：
[0067]
[0068] 步骤3：根据上述结构构建优化问题，窄带聚焦波束的优化问题如下：
[0069]
[0070] 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，相反权重系数越小，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
保证了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。
[0071] 步骤4：为解决非凸优化问题，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，优化问题如下式：
[0072]
[0073] 步骤5：建立宽带平顶波束的优化问题如下：
[0074]
[0075] 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。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：
[0076]
[0077] 步骤6：根据本发明公开的基于方向调制的双功能雷达通信设计方法，优选地，所求出的wq， 为辅助问题中雷达方向的响应，因辅助问题与宽带平顶波束设计其它约束条件相同，所以辅助问题所求的雷达响应为宽带平顶波束设计的期望响应，此时可以求出最佳的宽带平顶雷达实际响应。
[0078] 根据上述实施例，假设在窄带聚焦波束设计中，雷达方向为40°，通信方向为90°，通信方向的幅度和相位分别为0dB和QPSK调制，其它方向的相位值都是混乱的。在宽带平顶波束设计中，雷达范围为[25°,35°]，通信方向与窄带设计相同。上述两种设计的功率预算都为0dB。
[0079] 图3和图4分别表示ρ＝0.2和ρ＝0.8时的窄带聚焦设计发射波束图，权重系数小雷达幅度相比通信幅度变小，则雷达性能下降，通信安全性上升，权重系数大雷达幅度相比通信幅度变大，则雷达性能上升，通信安全度下降。图5和图6分别表示上述两种情况的相位图，其中在90°满足QPSK调制，分别为45°,135°,‑135°,‑45°，其它方向的相位值都是混乱2 2
的。图7表示ρ＝0.8时通信用户信噪比(SNR)和CRB的关系，其中SNR通过|lq(ω,θc)|/δ 获得，通信用户接收信噪比越大，CRB越大，则雷达的性能下降。图8表示ρ＝0.8时功率预算和CRB的关系，功率预算越大，CRB越小，雷达的性能上升。
[0080] 图9表示采用本发明方法的宽带平顶设计发射波束图，在雷达范围内雷达幅度基本保持平顶。图10表示采用本发明方法的宽带平顶设计相位图，其中在通信方向满足QPSK调制，在其它方向相位都时置乱的。图11表示随机的雷达响应和本发明方法的对比波束图，随机的幅度r∈[0.5,1.5]，相位φ∈[‑π,π]，红色线为随机50次结果的平均响应波束图，蓝色为本发明方法，红色线对比蓝色线在雷达范围内有明显凹陷，不能保持相同幅度的平顶，则雷达在这个范围内的目标探测将会受到影响，雷达的性能下降。图12表示通信用户信噪2 2
比(SNR)和CRB的关系，其中SNR通过|lq(ω,θc)|/σ获得，通信用户接收信噪比越大，CRB越大，则雷达的性能下降。图13为功率预算和CRB的关系，功率预算越大，CRB越小，雷达的性能上升。
[0081] 图14为两种方法的通信误码率图，其中红色线为窄带聚焦设计，蓝色线为宽带平顶设计，其中除了90°的通信方向误码率很低外，其它所有方向的误码率基本都大于0.1，说明采用方向调制发射机的安全性。
[0082] 上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来控制相关的硬件来完成，该程序可以存储于可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read—Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read‑only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One‑timeProgrammable Read‑Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically‑Erasable Programmable Read‑Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read—Only Memory，CD‑ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的可读的任何其他介质。
[0083] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
