一種基于稀疏頻率的雷達(dá)通信波形設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種雷達(dá)嵌入通信的稀疏頻率波形設(shè)計(jì)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)的主要功能是探測(cè)、目標(biāo)定位和引導(dǎo)。通信系統(tǒng)和雷達(dá)的構(gòu)成原理類(lèi)似，均包 含電磁波的發(fā)射和接收過(guò)程。在實(shí)現(xiàn)頻段、天線等資源共享的前提下，同一個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 雷達(dá)探測(cè)和通信功能，這就是雷達(dá)通信綜合化的概念。雷達(dá)通信綜合化波形設(shè)計(jì)的三種途 徑：一、在雷達(dá)波形上調(diào)制通信數(shù)據(jù)；二、通信信號(hào)改造為雷達(dá)探測(cè)波形；三、雷達(dá)波形和通 信信號(hào)獨(dú)立產(chǎn)生，然后疊加合成。
[0003] -般雷達(dá)通信綜合化研宄中的通信系統(tǒng)，主要為兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)端（發(fā)射機(jī)/接 收機(jī)）之間進(jìn)行大帶寬的數(shù)據(jù)通信。雷達(dá)通信綜合化的另一種模式為脈內(nèi)雷達(dá)嵌入通信。 與一般的雷達(dá)通信綜合化主要研宄雷達(dá)波形與通信信號(hào)的共享能力相比，脈內(nèi)雷達(dá)嵌入通 信還重點(diǎn)考慮了通信信號(hào)的隱蔽性。這種通信的隱蔽性，對(duì)雷達(dá)識(shí)別和定位目標(biāo)起到重要 的作用。
[0004] 雷達(dá)嵌入通信的基本原理為：在脈沖雷達(dá)探照范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)雷達(dá)響應(yīng)標(biāo)識(shí) (Tag)系統(tǒng)，接收雷達(dá)波形并進(jìn)行再調(diào)制；再調(diào)制的結(jié)果是在回波中嵌入通信信號(hào)；Tag系 統(tǒng)最后將混合波形發(fā)送至雷達(dá)接收機(jī)達(dá)到通信的目的。由于Tag系統(tǒng)中再調(diào)制過(guò)程的特殊 性，通信過(guò)程可以達(dá)到隱蔽通信信息的目的。
[0005] 然而，用線性調(diào)頻（LFM)脈沖實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)嵌入通信，所嵌入的通信信號(hào)只能利用 較少的頻帶資源，從而導(dǎo)致通信樣本數(shù)較少、通信效率低。
[0006] 稀疏頻率波形設(shè)計(jì)是雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研宄方向。對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)，稀疏頻 率波形具有抑制干擾、改善檢測(cè)性能等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)特定的稀疏頻率波形，可以用功 率譜密度匹配的方法得到目標(biāo)函數(shù)，用擬牛頓法可以對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)用線性調(diào)頻（LFM)脈沖實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)嵌入通信，所嵌入的通 信信號(hào)只能利用較少的頻帶資源，從而導(dǎo)致通信樣本數(shù)較少、通信效率低的問(wèn)題，提出了一 種雷達(dá)嵌入通信的稀疏頻率波形設(shè)計(jì)方法。該方法可以提高通信信號(hào)的頻帶利用率和通信 樣本數(shù)，同時(shí)保證低誤碼率、低攔截率和雷達(dá)的探測(cè)特性。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0009] 一種基于稀疏頻率的雷達(dá)通信波形設(shè)計(jì)方法，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1)雷達(dá)標(biāo)識(shí) (Tag)系統(tǒng)接收雷達(dá)散射回波，對(duì)雷達(dá)散射回波采用功率譜密度匹配方法設(shè)計(jì)稀疏頻率雷 達(dá)波形；（2)然后對(duì)該稀疏頻率波形的序列進(jìn)行特征值分解，得到特征向量組；用其中的一 部分特征向量設(shè)計(jì)得出通信波形信號(hào)。（3)然后Tag系統(tǒng)在回波中嵌入該通信信號(hào)，然后 將混合波形發(fā)送至雷達(dá)接收機(jī)。那么雷達(dá)接收機(jī)接收雷達(dá)散射回波信號(hào)與雷達(dá)嵌入通信波 形，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)與通信兩種功能，其中通信過(guò)程可以達(dá)到隱蔽的目的。
[0010] 其中，步驟（1)中采用功率譜密度匹配方法時(shí)，得到的目標(biāo)函數(shù)為四次方無(wú)約束 非凸優(yōu)化問(wèn)題，可以應(yīng)用擬牛頓法求解，從而獲得相應(yīng)的稀疏頻率雷達(dá)波形，實(shí)際上還可以 采用交替投影法或遺傳算法等經(jīng)典優(yōu)化算法求解；
[0011] 其中，步驟（2)中通信波形的獲得途徑也可以采用如下步驟S21和S22實(shí)現(xiàn)，即 S21 :對(duì)稀疏頻率雷達(dá)波形的序列進(jìn)行特征分解，得到波形序列的主空間；S22 :由正交偽隨 機(jī)向量在所述波形序列的主空間的垂直子空間進(jìn)行投影，得到多個(gè)該子空間的基向量，這 些基向量組成通信波形。在實(shí)際中，也可以通過(guò)對(duì)波形序列的特征值的其它變換獲得，不同 的變換方式會(huì)影響通信波形之間的正交性、通信波形與雷達(dá)波形的相關(guān)性。
[0012] 與一般的雷達(dá)通信綜合化主要研宄雷達(dá)波形與通信信號(hào)的共享能力相比，這種混 合信號(hào)重點(diǎn)考慮通信樣本的隱蔽性，將Tag通信信號(hào)嵌入在雷達(dá)回波中，避免了被Tag所在 目標(biāo)區(qū)的敵方偵測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)。
[0013] 所述步驟（1)中的基于雷達(dá)標(biāo)識(shí)（Tag)系統(tǒng)應(yīng)用，建立雷達(dá)嵌入通信模型。具體 為：
[0014] 設(shè)Tag系統(tǒng)輸出信號(hào)yr(t)為：
[0015] yr(t) =akck(t)+ys(t)+n(t) (I)
[0016] 其中，n(t)為系統(tǒng)噪聲；ys(t)表示Tag系統(tǒng)接收到的雷達(dá)散射回波；ak表示路徑 損失等對(duì)通信信號(hào)的混合影響；Ck (t)為所設(shè)計(jì)的通信信號(hào)；k= 1，2, ...，K表示第k個(gè)通 信樣本，K表示通信樣本總數(shù)。
[0017] 對(duì)式⑴用向量運(yùn)算表示為如下所示：
[0018] Yr=akck+Sx+n(2)
[0019] 其中，ck表示通信信號(hào)；n表示噪聲向量；x為雷達(dá)散射的距離樣本；Sx是雷達(dá)波 形與散射響應(yīng)卷積過(guò)程的離散表示。
[0020] 所述步驟（1)通過(guò)功率譜密度匹配及擬牛頓法設(shè)計(jì)稀疏頻率雷達(dá)波形的實(shí)施步 驟如下：
[0021] 步驟a.給定了功率譜密度u的分布后，稀疏頻率雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)用
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于稀疏頻率波形的雷達(dá)嵌入通信方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟（1)、雷達(dá)標(biāo)識(shí)Tag系統(tǒng)接收雷達(dá)散射回波，對(duì)雷達(dá)散射回波采用功率譜密度匹配 方法設(shè)計(jì)稀疏頻率雷達(dá)波形； 步驟（2)、對(duì)稀疏頻率雷達(dá)波形的序列進(jìn)行特征分解，得到特征向量組；利用所述特征 向量組中的一部分設(shè)計(jì)通信波形； 步驟（3)、將步驟（2)得到的通信波形嵌入至所得的稀疏頻率雷達(dá)波形，將獲得的混合 波形發(fā)送至雷達(dá)接收機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達(dá)嵌入通信的稀疏頻率波形設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述 步驟（2)具體包括如下子步驟： 521 ;對(duì)稀疏頻率雷達(dá)波形的序列進(jìn)行特征分解，得到波形序列的主空間； 522 ;由正交偽隨機(jī)向量在所述波形序列的主空間的垂直子空間進(jìn)行投影，得到多個(gè)該 子空間的基向量，該些基向量組成通信波形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雷達(dá)嵌入通信的稀疏頻率波形設(shè)計(jì)方法，其特征在于：設(shè)化g 系統(tǒng)輸出信號(hào)y,(t)為： yr(t) =akCk(t)+y曰(t)+n(t) (1) 其中，n(t)為系統(tǒng)噪聲；y,(t)表示Tag系統(tǒng)接收到的雷達(dá)散射回波；ak表示路徑損失 對(duì)通信信號(hào)的混合影響；Ck(t)為組成通信波形的第k個(gè)基向量；k= 1，2, . . .，K，K表示組 成通信波形的基向量個(gè)數(shù)；同一時(shí)刻只將K個(gè)通信波形樣本中的1個(gè)嵌入稀疏頻率雷達(dá)波 形； 式（1)用向量運(yùn)算表示如下所示：yr=akCk+Sx+n(2) 其中，Ck為通信波形信號(hào)的向量表示；n表示噪聲向量；X是一個(gè)長(zhǎng)度為2N-1的向量表 示的雷達(dá)散射的距離樣本；Sx是稀疏頻率雷達(dá)波形與散射響應(yīng)卷積過(guò)程的離散表示；若稀 疏頻率雷達(dá)波形的矢量S= [S。Si. . .Sw_i]T，則矩陣S可表示為：
口） 其中，N為稀疏頻率雷達(dá)波形的序列長(zhǎng)度； 則步驟（2)的具體步驟如下： 步驟a、給定了功率譜密度U的分布后，稀疏頻率波形設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)用
表示，其中X為所設(shè)計(jì)稀疏頻率雷達(dá)波形，其相位矢量0 =4J，&D，n= 1，2,. . .，N為第n時(shí)刻雷達(dá)波形的相位值；N為稀疏頻率雷達(dá)波形 的序列長(zhǎng)度；A為離散傅里葉變換矩陣，A中的元素Am"=exp(-iX2 3TXnXm/Nf)，i為虛數(shù) 單位，表示A中第m行、第n列的元素；Nf與N相等；用u作為理想稀疏頻率雷達(dá)波形功 率譜密度的離散表示形式，U中元素個(gè)數(shù)為Nf，即U=的-心.\JT;在每一次迭代中計(jì)算所述 目標(biāo)函數(shù)f(0)的梯度，即關(guān)于0的導(dǎo)數(shù)，且用g表示：
步驟b、初始化0為0。，并確定一個(gè)極小值e，設(shè)迭代次數(shù)k= 0，S的初始值或二I， I為單位矩陣，計(jì)算g的初始值g。； 步驟C、設(shè)dk=-Skgk，計(jì)算f(?k+alA)并找出令其最小的ak，記為akmin，設(shè)5k= 口wndk，?k+i= 0k+Sk; 步驟t如果II5JI《e，那么迭代結(jié)束，輸出結(jié)果?wtim= 0w，則得到稀疏頻率雷 達(dá)波形；如果II5kl I>e，那么進(jìn)行步驟e; 步驟e、計(jì)算gk+i，計(jì)莫
，其中丫k= gk+1-gk，令k加1，然后回到步驟C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雷達(dá)嵌入通信的稀疏頻率波形設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述 步驟S21和S22的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟S21 ;對(duì)S進(jìn)行特征值分解；SSH=VAVH 其中，V=[V。vi...Vw_J包含N個(gè)特征向量；A是包含N個(gè)相關(guān)特征值的對(duì)角矩陣；V的前L個(gè)特征向量屬于非主空間，后N-L個(gè)特征向量屬于主空間；其中L的具體值由稀疏 頻率波形的稀疏度決定； 步驟S22 ;生成一組K個(gè)N-1維的正交偽隨機(jī)向量表示為bk，k= 1，2,. ..，K;由正交偽 隨機(jī)向量bk在所述波形序列的主空間的垂直子空間進(jìn)行投影得出通信波形，第一個(gè)通信波 形信號(hào)Cl設(shè)計(jì)為：
其中：馬,〇=KVw…Vw_i]是V的主空間組成的一個(gè)N-L維特征向量； 要得到第二個(gè)通信波形信號(hào)，將Cl與矩陣S結(jié)合得到一個(gè)NX2N矩陣： Sp，i=[SCJ 用它進(jìn)行新的特征值分解：
該樣，第二個(gè)通信信號(hào)可計(jì)算得：
其中馬Vi...Vw-i]是Vp,立空間組成的N-L+1維特征向量；如此類(lèi)推，第 k個(gè)通信波形信號(hào)Ck可由NX(2化k-1)維矩陣Sp,k_i的特征值分解SpwS?_, =V,，wAV^_. 得到；
其中馬w=[v, /,IVz…v.、i]是Vp,k_立空間組成的N-L+k-1維特征向量混樣就 得到了一組相互正交的、與雷達(dá)散射回波具有相關(guān)性的K個(gè)通信波形信號(hào)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雷達(dá)嵌入通信的稀疏頻率波形設(shè)計(jì)方法，該方法的步驟為：步驟(1)雷達(dá)標(biāo)識(shí)Tag系統(tǒng)接收雷達(dá)散射回波，對(duì)雷達(dá)散射回波采用功率譜密度匹配方法設(shè)計(jì)稀疏頻率雷達(dá)波形；步驟(2)對(duì)稀疏頻率雷達(dá)波形的序列進(jìn)行特征分解，得到特征向量組；利用所述特征向量組中的一部分設(shè)計(jì)通信波形；步驟(3)將步驟(2)得到的通信波形嵌入至所得的稀疏頻率雷達(dá)波形，將獲得的混合波形發(fā)送至雷達(dá)接收機(jī)。本發(fā)明相比線性調(diào)頻波形，稀疏頻率波形的應(yīng)用可以提高通信信號(hào)的頻帶占用空間，因而可以獲得更高的通信速率，同時(shí)通信信號(hào)樣本之間相互正交，且與稀疏頻率波形具有一定的相關(guān)性，可以保證通信信號(hào)的低誤碼率和低截獲率。
【IPC分類(lèi)】G06F17-50, G01S13-88
【公開(kāi)號(hào)】CN104794264
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510152988
【發(fā)明人】張冰塵, 麥超云, 孫進(jìn)平, 畢輝, 洪文
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月1日