基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法

本发明属于无线通讯，具体涉及一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法。

背景技术：

1、作为电子信息行业的两大主流技术，雷达感知和无线通信在军事和民用方面都广泛使用。由于工作方式的不同，两者通常在不同的硬件平台上实现，信号波形也存在较大差异。雷达感知所发送的信号波形大多是规则的已知信号，要求具有优良的自相关特性、大信号带宽、高动态范围。而无线通信信号波形是随机、不确定的，要求具有高频谱效率。随着相控阵雷达及6g通信技术的不断发展，两者的频段越来越接近，甚至出现频段重叠。感知和通信在某些方面互有增益及其之间的差异越来越小。实际上，雷达感知和无线通信的系统架构相似，都有天线、发射机、接收机、信号处理器等。因此考虑将两者进行一体化设计，以满足频谱稀缺和电子设备不断小型化的需求。混沌波形特有的宽频谱、易生成、非周期等特性，使其不仅具有抗干扰、抗多径和天然隐蔽性等优势，而且可由低成本、低功耗的电路实现，便于实际系统的设计和集成化应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法，提出基于混沌理论的一体化波形设计，并对采用该波形的目标感知算法和通信解码算法进行设计，使雷达感知和无线通信结合后具备更好的目标探测性能和通信误码性能。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1，准备待发射数据；

4、步骤2，利用混沌成型滤波器对待发射数据进行混沌成型滤波，生成混沌波形信号；

5、步骤3，利用无线系统的射频模块和发射天线对混沌波形信号进行发射和传输；

6、步骤4，利用接收天线进行混沌波形信号接收，并将接收到的混沌波形信号去载频，得到混沌基带信号；

7、步骤5，利用通信模块对接收得到的混沌基带信号进行混沌匹配滤波和通信解码，得到回波信号；

8、步骤6，感知模块利用回波信号对目标的距离和速度进行估计。

9、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤1中，发射数据的时域帧结构，包括训练序列和数据序列两部分。

10、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中：利用混沌成型滤波器生成的混沌波形信号表示如下：

11、

12、其中，t为时间变量，表示对变量t进行向下取整运算，np是与混沌基函数相关的参数，m为变量循环序号，sm表示第m个待发射符号；

13、混沌基函数p(t)的表达式如下：

14、

15、其中，β和ω为系统参数，取值需要一体化系统的要求来确定，一般情况下β＝ln2，ω＝2π。

16、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，训练序列和数据序列都需要进行混沌成型以生成具有混沌波形信号；混沌成型滤波器采用有限冲激响应滤波器的结构，s为混沌成型滤波器的输入符号序列，sm为序列的第m个元素，为该混沌成型滤波器输入序列单位符号的时延；混沌成型滤波器的抽头数目为np+1，从左至右的抽头系数分别表示为p0,p1,…,第n个抽头系数pn表示如下：

17、

18、对于上述混沌成型滤波器，np的取值越大，滤波性能越好，np取值的原则是使得p(t-np)趋于0。

19、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤5中，混沌匹配滤波器基函数g(t)为混沌基函数的时间逆函数，即g(t)＝p(-t)；匹配滤波利用单位脉冲响应g(t)与混沌基带信号r(t)进行卷积运算；在加性高斯信道下，若接收信号r(t)＝x(t)+w(t)，匹配滤波后的通信接收信号为：

20、

21、设置对应的判决门限θn，若第n个抽样时刻的抽样信号表示为yn，则该时刻信号判决如下：

22、

23、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤6中，回波信号ra(t)的表示如下：

24、

25、其中a表示经过目标反射后的无线信道衰减系数，tτ为目标的回波时延，x(t-tτ)为时延后的系统发射信号，fd为多普勒频率，其大小与目标移动速度有关，n(t)表示加性高斯白噪声；

26、采用基于相关法的目标距离估计，发射信号x(t)和回波信号ra(t)的互相关函数表示如下：

27、

28、由于发射信号x(t)与噪声信号n(t)不相关，上式第二项趋于0；从式(7)第一项可以看出，在τ＝tτ时，互相关系数rxr(τ)的模值最大，即：

29、

30、利用互相关系数峰值对应的时刻，可以计算目标的距离为：

31、d＝c·tτ/2                                (9)

32、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤6中，采用基于速度music的目标速度估计；当目标发生移动时，目标反射路径长度会发生改变，由此引起接收信号频率的变化，称为多普勒效应；多普勒频移表示为：

33、

34、式中，f为载波频率，v为目标移动方向速度，c为光速；

35、时刻t0回波信号为将时刻t＝t0+m·δt时的采样值表示为：

36、

37、其中t0和δt为开始时间和采样间隔，m＝0,1,…,m-1表示用于采样序号，a表示经过目标反射后的无线信道衰减系数。在一体化系统帧结构中，设计m个采样点m＝0,1,…,m-1对应的源信号x(t0+m·δt-tτ)相同，因此m个采样得到的向量表示为：

38、

39、其中n＝[n0,n1,…,nm-1]t，nm＝n(t0+m·δt)为噪声信号的第m个采样点；a(v)为速度导向矢量，其表达式如下：

40、

41、式(13)意味着在m个连续帧的传输过程中，目标速度保持不变；δt＝nf/r表示的是每个数据帧的传输时间，其中nf为一个数据帧中的符号数，r为符号速率；变量δt和m影响速度测量的精度；分析式(12)可以看出，m个时间采样得到的回波信号向量与多天线系统中m个阵列采样信号向量具有一致的表达形式，可以采用速度music算法来估计目标速度v。

42、作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤6中，速度music算法采用如下步骤进行实现：

43、6.1计算回波信号的协方差矩阵：

44、

45、6.2对协方差矩阵rrr进行特征值分解，按特征值大小进行排序；考虑单目标探测情况，则最大特征值对应的特征向量为信号子空间，剩余m-1个特征值对应的特征向量为噪声子空间；qi表示第i个特征值对应的特征向量，则噪声子空间g表示为：

46、g＝[q2,q3,…,qm]                         (15)

47、6.3遍历速度v，计算速度谱函数

48、

49、由于噪声子空间与信号子空间正交，因此对于目标的实际速度v，满足(a(v))hg＝0；因此可根据式(16)的最大值估计出目标速度；

50、

51、本发明的有益效果是：(1)本发明的一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法，使用混沌波形代替传统一体化波形，能够满足感知所需的大带宽和通信所需的低误码率，解决一体化波形设计中两者兼顾的最大难题；(2)本发明的一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法，所采用的混沌波形具有良好自相关特性，在基于相关法的距离感知中取得更好的测距性能；(3)本发明的一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法，基于传统music算法利用不同天线间距引起的相位差构造空间导向矢量的思路，本方法提出单天线情况下利用时间不同所引起的相位差构造速度导向矢量的方法，提出速度music算法完成目标速度的估计；(4)本发明的一种基于混沌波形的雷达通信一体化系统实现方法，接收端基于信号的混沌特性，采用合理设置的判决门限进行符号判决，完成通信解码过程，对比四种一体化波形的通信性能，本发明所提的混沌波形取得更好的误码率性能。