一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法_刘柳.pdf

一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法刘柳梁兴东*李焱磊曾致远唐海波(中国科学院空天信息创新研究院微波成像技术国家级重点实验室北京100190)(中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049)摘要：雷达通信一体化波形设计是近年来的研究热点。基于紧凑式阵列的一体化波形支持多方向目标探测和多用户通信，但面对主瓣内同方向不同距离的干扰和窃听行为时，存在抗主瓣干扰能力差、通信信息泄露等问题。因此，该文提出了一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法以操控波形在三维空间的分布。首先，根据近场信号传播模型建立波形合成约束，在指定位置合成所需的雷达和通信波形。然后，对各个子孔径增加恒模约束，构建以最小化发射功率为准则的一体化波形优化模型。由于模型的非凸性，采用交替投影算法进行迭代求解。仿真结果表明，该文所提方法在雷达目标和通信目标位置同时合成了期望波形，实现了三维空间波形操控。关键词：雷达通信一体化；分布式孔径；三维空间操控；波形合成；恒模约束中图分类号：TN95文献标识码：A文章编号：2095-283X(2023)02-0297-15DOI:10.12000/JR23019引用格式：刘柳,梁兴东,李焱磊,等.一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法J.雷达学报,2023,12(2):297311.doi:10.12000/JR23019.Reference format:LIULiu,LIANGXingdong,LIYanlei,et al.Anoveljointradar-communicationwaveformdesignmethodbasedondistributedapertureJ.Journal of Radars,2023,12(2):297311.doi:10.12000/JR23019.A Novel Joint Radar-communication Waveform Design MethodBased on Distributed ApertureLIULiuLIANGXingdong*LIYanleiZENGZhiyuanTANGHaibo(National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology,Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China)(School of Electronic,Electrical and Communication Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Jointradar-communicationwaveformdesignhasbeenthefocusofintensiveresearchinrecentyears.Theintegratedwaveformbasedonacollocatedantennacansimultaneouslydetecttargetsandcommunicatewithmultipleusersindifferentdirections.However,integratedwaveformspossesspooranti-jammingpropertiesandlacksecurecommunicationabilities,whichlimitstheircapacitytoaddressthejammingandeavesdroppingbehaviorsthatgenerateatvariousrangesinthesamebeamdirection.Inthisstudy,anoveljointradar-communicationwaveformdesignmethodbasedonadistributedapertureisproposedtocontrolwaveformdistributionsinthethree-dimensionalspace.First,thewaveformsynthesisconstraintisestablishedtosynthesizethedesiredradarandcommunicationwaveformsindesignateddirections.Second,theconstantmodulusconstraintisaddedtoeachsub-aperture,followingwhichanintegratedwaveformoptimizationmodelisestablishedbasedontheminimumtransmissionpower.Finally,thealternatingprojectionalgorithmisused收稿日期：2023-02-08；改回日期：2023-03-22；网络出版：2023-04-14*通信作者：梁兴东*CorrespondingAuthor:LIANGXingdong,基金项目：国家部委基金FoundationItem:TheNationalMinistriesFoundation责任主编：廖桂生CorrespondingEditor:LIAOGuisheng第12卷第2期雷达学报Vol.12No.22023年4月JournalofRadarsApr.2023toiterativelysolvethenonconvexoptimizationproblem.Simulationresultsdemonstratethattheproposedmethodsynthesizesdesiredwaveformsattargetpositionsandrealizesthree-dimensionalspatialwaveformmanipulation.Key words:Jointradar-communication;Distributedaperture;Three-dimensionalspatialmanipulation;Waveformsynthesis;Constantmodulusconstraint 1 引言随着现代信息技术不断发展，信息化在各行各业的应用越来越广泛，智能交通1、智慧家居2等新型应用需要同时具备高速率数据通信和高分辨率雷达感知能力。雷达通信一体化波形可在同时同频条件下完成雷达和通信功能，成为满足上述需求的不二选择36。同时数字阵列技术的进步，为一体化波形设计提供了丰富的空间自由度和巨大的波形分集增益，基于阵列天线进行雷达通信一体化波形设计引发广泛关注79。根据各阵元发射波形的相关性，可以将基于阵列天线的雷达通信一体化波形设计方案分为两类：(1)基于正交波形的一体化波形设计方案1015；(2)基于相关波形的一体化波形设计方案1625。基于正交波形的一体化波形设计方案中，文献10,11将雷达跳频正交波形(FrequencyHopping,FH)与相移键控(PhaseShiftKeying,PSK)相结合，实现了雷达通信一体化。文献12,13将正交频分复用(Ortho-gonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术引入到多输入多输出(Multi-InputMulti-Output,MIMO)体制中，并提出了目标距离和角度的高分辨率估计算法，在满足MIMO雷达波形正交性要求的同时，提高了通信传输速率。文献14提出了一种空时编码一体化波形，通过对波形空时编码矩阵进行改进，在距离-多普勒域实现了雷达和通信功能的分离。文献15利用正交波形的置换矩阵传递通信信息，并对通信用户和窃听用户密码本进行约束，以防止通信信息的泄露。基于相关波形的一体化波形设计方案中，文献1618利用发射波束图主瓣完成探测功能，调整通信方向的旁瓣电平或相位，传递通信信息。文献1921综合考虑下行链路通信用户干扰、发射方向图形态和发射功率分配等指标，构建一体化波形优化模型，并提出了高效的求解算法。在文献2225中，一体化波形在空间相参叠加，分别在雷达和通信方向上合成了期望的波形，同时形成指向目标方向的多个波束，进一步支撑多功能的实现。基于阵列天线的雷达通信一体化波形设计方案将空域自由度引入波形设计中，发挥了空间复用优势，支持多方向的目标探测和多用户通信需求。然而现有方案主要基于紧凑式阵列体制，仅能实现方位向和俯仰向的二维空间操控，不具备距离向操控能力。面对来自主瓣方向的干扰和信息截获2628时，一体化波形的干扰抑制效果和通信安全性能将大大降低，并且高辐射功率的主瓣会增大一体化系统的暴露概率。值得注意的是，频率分集阵列29,30的发射方向图具有角度-距离-时间三维耦合特性，可实现“定点”波束，但方向图的时变性无法消除，波束在目标位置的驻留时间缩短，无法同时执行多方向目标探测和用户通信功能。因此，本文提出一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方案，可在任意时间、任意空间、任意频段合成任意功能波形，操控波形在三维空间的分布，满足主瓣干扰抑制和信息安全保障需求，提升一体化系统的生存能力。具体而言，发射阵列由多个间隔较远的子孔径31,32构成，每个子孔径对目标的观测角度互不相等，来自多个角度的一体化波形在目标位置相参叠加，其中假设各子孔径已完成时空频同步33,34。为满足雷达和通信功能需求，建立波形合成约束，使得一体化波形在目标位置相参合成雷达期望波形和通信期望波形；为避免波形通过饱和功率放大器后发生失真，进一步对各个子孔径施加恒模约束。在最小化发射功率准则下，结合波形合成约束和恒模约束，构建基于分布式孔径的雷达通信一体化波形优化模型，并采用交替投影法对优化模型迭代求解。仿真结果证明了本文所提方法的可行性和优越性。2 信号模型基于紧凑式阵列的雷达通信一体化波形可在不同方向分别完成雷达探测功能和通信信息传递功能，但无法避免来自目标方向的干扰和信息泄露问题。分布式孔径具有灵活性高、扩展性强等优势，可为一体化波形设计提供更精细的空间操控能力。下文将首先分析如何利用分布式孔径实现空间三维操控，随后提出相应的一体化波形优化模型。2.1 基于分布式孔径的“波胞形成”技术根据阵元在空间中的分布情况，MIMO雷达可分为紧凑式MIMO雷达35和分布式MIMO雷达36。在紧凑式阵列体制中，阵元间距较小，阵列与目标298雷达学报第12卷满足远场关系，即各阵元辐射至目标的电磁波近似平行，利用波束形成技术对阵元间距引起的相位误差进行补偿，形成指向目标的发射波束图，将发射能量主要集中在目标方向。雷达通信一体化波形设计利用波束形成技术在不同方向同时完成雷达和通信功能，提高了雷达探测性能和信息传输速率，如图1所示。36.8745面对雷达抗主瓣干扰和保密通信等需求时，远场波束形成因仅具备二维角度操控能力，无法实现距离向操控，致使现有基于紧凑式阵列的雷达通信一体化波形设计方案难以应对。以文献22所提一体化波形设计方案为例，一体化波形在方向雷达目标A处合成了期望的线性调频(LinearFre-quencyModulation,LFM)波形，在方向通信用户B处合成了期望的通信调制波形，同时完成了雷达探测和无线通信功能，如图2所示。忽略时延对波形的影响，位于雷达波束方向的位置C处同样合成了LFM，位于通信波束方向的位置D处的波形也具备传递通信信息的能力，文献22所提方案仅实现了波形的定向操控，不具备波形“定点”操控的能力，难以抵抗来自主瓣方向的干扰或窃听。因此，基于紧凑式阵列的雷达通信一体化波形无法抑制雷达主瓣干扰和避免通信信息泄露。本文考虑分布式阵列体制，提出了基于分布式孔径的“波胞形成”技术。MNMMPkrm0,k如图3所示，考虑分布式阵列由个线性排列的子孔径构成，每个子孔径为个阵元等间距