基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法
【专利摘要】本发明属于雷达技术领域，公开了基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，能同时满足通信和雷达系统的性能要求，包括：确定数字阵列天线的发射波束权矢量；确定数字阵列雷达的发射信号波形；对恒定模值的OFDM信号添加循环前缀；将带循环前缀的OFDM信号与发射波束权矢量相乘，完成信号发射；获取数字阵列天线的接收数据，确定数字阵列天线接收端的雷达权系数和通信权系数；根据接收数据和雷达权系数得到雷达信道接收信号，对其进行匹配滤波，得到雷达目标的距离信息；根据接收数据和通信权系数得到通信信道接收信号，对其依次进行信号均衡、相干数字解调，从而得到通信基站传输的数据比特流。
【专利说明】
基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法
技术领域
[0001] 本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收 发方法，用于数字阵列雷达的通信一体化信号发送和接收，通信雷达一体化信号是指在雷 达信号波形上调制通信信息，两者共享一个信号波形，从而实现通信雷达一体化。
【背景技术】
[0002] 随着雷达技术和数字技术的发展，现代雷达正在逐步数字化，数字化雷达得到了 越来越多的重视和研究，数字阵列雷达是数字化雷达的主要类型。不同于传统的相控阵雷 达，数字阵列雷达是一种发射和接收波束均采用数字波束形成技术的全数字阵列扫描雷 达，在数字域上对发射或者接收信号进行幅相加权来形成高质量的所需波束，能有效的克 服模拟相控阵雷达的固有缺陷。传统的模拟相控阵雷达有着对来自内外部的射频干扰及环 境温度与湿度等因素十分敏感，且使用的模拟器件价格较贵，功耗较大，可靠性差等固有缺 陷。
[0003] 在通信雷达一体化系统中，一体化信号的波形设计是一个重要的且具有挑战性的 问题。正交频分复用0FDM波形已成功地应用于宽带高速数据传输的通信系统中，近年来， 0FDM波形也在通信雷达一体化应用中得到研究。0FDM雷达信号通过同时发射多个载波或通 过一定的变换实现多载波传输，具有高距离分辨率，同时还具有低自相关函数旁瓣，频谱利 用率高等优良特性。
[0004] 随着数字通信技术在雷达中的应用，基于阵列天线的通信雷达一体化课题也得到 越来越多的关注和研究。然而传统的分天线阵列信号收发模式是在时间上先后发送雷达和 通信信号，很浪费时间资源;而共天线分块阵列信号收发模式虽然是同时发送通信和雷达 信号，但是由于是一部分天线发雷达信号，一部分发通信信号，使得二者的增益同时被减 弱。因此通信雷达一体化系统的信号收发方法的难点在于一体化信号的共天线同时收发。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于数字阵列天线的通信雷达 一体化收发方法，能同时满足通信和雷达的性能要求，使得信号共天线同时收发，获得较高 的增益，同时节省时间资源;主要解决现有技术中基于传统模拟相控阵的信号发射与接收 波束切换不灵活，零点位置控制不便捷、波束低旁瓣较难实现等问题。
[0006] 本发明技术方案借鉴通信波形和通信信号处理，提出了基于数字阵列天线的通信 雷达一体化收发方法，数字阵列雷达具有传统模拟相控阵雷达所无法比拟的优势。数字阵 列雷达在阵列前端得到数字中频信号，在后端进行数字波束形成与处理，与模拟相控阵雷 达相比可以获得很高的动态范围，有利于检测小信号；而且数字阵列雷达形成多波束要比 相控阵雷达灵活便捷很多，数字回波信号数据可以精确灵活的设定不同距离单元上的波束 权值与脉压权值，从而兼顾了近距离低副瓣和远距离低耗损;数字阵列雷达的波束控制灵 活准确，波束扫描精度高，范围广，并且雷达可在不同模式或工作方式之间瞬时切换。
[0007] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。
[0008] -种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，用于数字阵列雷达的信号发 送和接收，通信雷达一体化信号是指在雷达信号波形上调制通信信息，两者共享一个信号 波形，所述方法包括如下步骤：
[0009] 步骤1，确定数字阵列天线的发射波束权矢量，所述发射波束权矢量使得数字阵列 雷达在探测目标方向形成主波束，并在通信基站方向上的增益低于所述主波束的增益；
[0010] 步骤2,确定通信基站的发射信号波形，所述发射信号波形为恒定模值的时域0FDM 信号；
[0011] 步骤3，对所述恒定模值的0FDM信号添加循环前缀，得到带循环前缀的0FDM信号； [0012]步骤4,将所述带循环前缀的0FDM信号与所述发射波束权矢量相乘，完成数字阵列 雷达的信号发射；
[0013]步骤5,获取所述数字阵列天线的接收数据，确定数字阵列天线接收端的雷达权系 数和通信权系数，所述雷达权系数在数字阵列雷达探测目标方向形成主波束，在通信基站 方向形成零点，所述通信权系数在数字阵列雷达探测目标方向形成零点，在通信基站方向 形成主波束；
[0014]步骤6,根据所述接收数据和所述雷达权系数得到雷达信道接收信号，截去所述雷 达信道接收信号的循环前缀，对不带循环前缀的雷达信道接收信号进行匹配滤波，从而得 到雷达目标的距离信息；
[0015] 步骤7,根据所述接收数据和所述通信权系数得到通信信道接收信号，截去所述通 信信道接收信号的循环前缀，对不带循环前缀的通信信道接收信号依次进行信道均衡、相 干数字解调，从而得到通信基站传输的数据比特流。
[0016] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0017] 第一，本发明由于采用数字阵列天线技术，能同时满足通信和雷达的性能要求，并 且具有幅度和相位连续精确可调，易于实现低旁瓣的发射波束、波束跃变度低、波束切换快 捷灵活和零点位置灵活可控等优势。由于通过优化来设计数字阵列天线的权矢量，具有更 高的稳健性，应用范围更广泛。
[0018] 第二，本发明由于利用控制信号接收波束成形的零点位置的方法分别得到雷达信 号和通信信号，因此可使得后续的雷达信号处理和通信信号处理相互不影响，且更加灵活 可控，可用于通信雷达一体化系统设计。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为本发明实施例提供的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法的 流程示意图；
[0021] 图2为本发明方法产生的数字阵列天线发射信号的波束方向图；
[0022] 图3为本发明方法产生的数字阵列天线接收端得到雷达信号的波束方向图；
[0023]图4为本发明方法产生的数字阵列天线接收端得到通信信号的波束方向图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] -种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，用于数字阵列雷达的信号发 送和接收，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
[0026] 步骤1，确定数字阵列天线的发射波束权矢量，所述发射波束权矢量使得数字阵列 雷达在探测目标方向形成主波束，并在通信基站方向上的增益低于所述主波束的增益。
[0027] 发射数字波束形成:采用优化确定数字阵列天线的发射波束权矢量，使得在探测 目标方向形成主波束的同时，根据通信距离在通信基站方向形成较高的增益。
[0028] 步骤1中，确定数字阵列天线的发射波束权矢量，其约束条件为：
[0030] 其中，W为发射波束权矢量，a(0)为导向矢量，θ〇为雷达探测目标方向，0:为通信基 站方向，θε为发射波束副瓣方向，S为除雷达探测方向和通信基站方向外的发射波束副瓣方 向的增益。
[0031] 步骤2,确定通信基站的发射信号波形，所述发射信号波形为恒定模值的时域0FDM 信号。
[0032]发射信号波形确定:采用优化确定0FDM波形方法，得到恒定模值的0FDM信号，并使 之带宽同时满足目标探测和通信的需要。
[0033]步骤2中，具体包括如下子步骤：
[0034] (2a)所述确定通信基站的0FDM频域信号，其约束条件为：
[0036] 其中，S (w)为0FDM频域信号，(FDM频域信号的幅度已归一化，w = [W1，w2，…，wN]为 子载频矢量，N是0FDM频域信号的子载频数；
[0037] (2b)产生初始子载频信号Sm，SmS〇FDM频域信号S(w)中的任意一列，m=l，2,…，M， Μ为发射天线个数；
[0038] (2c)对初始子载频信号SJi行离散傅里叶逆变换，得到时域信号I;提取该时域信 号之的相位
，得到恒定模值的时域信号& 其中Z表示复信号的相 位，a tan表示取反正切函数，real( ·)和imag( ·)分别表示取复数的实部和虚部；
[0039] (2d)对所述恒定模值的时域信号兄进行离散傅里叶变换得到频域信号&，并提 取频域信号I的相位,得到恒定模值的频域信号& ，然后对恒定模值的频域信 号^进行离散傅里叶逆变换得到恒定模值的时域0FDM信号s。
[0040] 步骤3,对所述恒定模值的OFDM信号添加循环前缀，得到带循环前缀的OFDM信号。 [00411步骤3具体包括：
[0042]在所述恒定模值的时域0FDM信号s前加入循环前缀， 得到带循环前缀的0FDM信号u;
[0043]其中，Ns为恒定模值的时域0FDM信号s的长度，L为循环前缀的长度，且L > hax，τΜΧ = πι&Χ{τι，τ2}，其中τι为由多径效应造成的最大时延差，1 2为由目标长度引起的最大时延 差。
[0044]加入循环前缀避免了信号符号间干扰（ISI)和通道间干扰（ICI)，保证了 0FDM信号 的正交性不被破坏。
[0045]步骤4,将所述带循环前缀的0FDM信号与所述发射波束权矢量相乘，完成数字阵列 雷达的信号发射。
[0046] 步骤5,获取所述数字阵列天线的接收数据，确定数字阵列天线接收端的雷达权系 数和通信权系数，所述雷达权系数在数字阵列雷达探测目标方向形成主波束，在通信基站 方向形成零点，所述通信权系数在数字阵列雷达探测目标方向形成零点，在通信基站方向 形成主波束。
[0047] 接收数字波束形成:在数字阵列天线的接收端，各接收天线首先优化确定两组接 收权系数Wi和W2，称之为雷达权系数和通信权系数。
[0048]步骤5具体包括如下子步骤：
[0049] (5a)获取所述数字阵列天线的接收数据X = Au+nt，其中，A=[a(00) 为 带循环前缀的0FDM信号，m为噪声信号，T表示转置，a(0Q)为雷达探测目标方向的导向矢量， a(90为通信基站方向的导向矢量；
[0050] (5b)雷达权系数I在数字阵列雷达探测目标方向形成主波束，在通信基站方向形 成零点，
[0051] (5c)通信权系数W2在数字阵列雷达探测目标方向形成零点，在通信基站方向形成 主波束，
[0052]其中，Η表示共辄转置，R为数字阵列天线的接收数据X的协方差矩阵。
[0053]步骤6,根据所述接收数据和所述雷达权系数得到雷达信道接收信号，截去所述雷 达信道接收信号的循环前缀，对不带循环前缀的雷达信道接收信号进行匹配滤波，从而得 到雷达目标的距离信息。
[0054]根据所述数字阵列天线的接收数据X和所述雷达权系数1得到雷达信道接收信号 yiiW^X，去除雷达信道接收信号71的循环前缀得到不带循环前缀的雷达接收信号Z1，然后 将所述不带循环前缀的雷达接收信号21变换到频域有2^，) =命u，):::H(u〇 ,由此得到目标的
式中，ZKw)为不带循环前缀的雷达接收信号Z1的频域信号，的 为恒定模值的时域OFDM信号s的频域信号，再对目标的频域响应H(w)做逆傅里叶变换，从中 获取雷达目标的距离信息。
[0055] 步骤7,根据所述接收数据和所述通信权系数得到通信信道接收信号，截去所述通 信信道接收信号的循环前缀，对不带循环前缀的通信信道接收信号依次进行信道均衡、相 干数字解调，从而得到通信基站传输的数据比特流。
[0056] 根据所述接收数据X和所述通信权系数％得到通信信道接收信号J: ，去除 通信信道接收信号y2的循环前缀得到不带循环前缀的通信接收信号Z2，对所述不带循环前 缀的通信信道接收信号22依次进行信道均衡，并在基带进行相干数字解调得到通信基站传 输的数据比特流。
[0057]本发明实施例提供的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，能同时 满足通信和雷达的性能要求，主要解决现有技术中基于传统模拟相控阵的信号发射与接收 波束切换不灵活，零点位置控制不便捷、波束低旁瓣较难实现等问题。通过发射数字波束形 成，采用优化发射权矢量，使得在探测目标方向形成主波束的同时在通信基站方向形成较 高增益;发射信号波形设计，优化设计恒模0FDM信号，通过IFFT变换到时域，并在时域波形 前加入循环前缀，在每个天线与优化权相乘后送到各发射天线，完成发射信号过程;接收数 字波束形成，各接收天线优化设计出雷达权系数和通信权系数，雷达权系数在探测目标方 向形成主波束同时在通信方向形成零点，通信权系数在雷达方向形成零点同时在通信方向 形成主波束;雷达信号接收处理，由加雷达权系数的接收波束形成得到雷达信号，去除循环 前缀，进行频域相除的匹配滤波得到目标响应;通信信号接收处理，由加通信权系数的接收 波束形成得到通信信号，去除循环前缀，再做信道均衡，进行相干数字解调得到信号符号， 对信号符号执行符号判决获得通信信息。本发明能够在通信雷达一体化信号发射过程中同 时形成探测目标方向主波束并使得通信基站方向有较高增益，在信号接收过程中通过控制 波束成形的零点位置来分别得到雷达信号和通信信号，使得后续的雷达和通信信号处理互 不影响，可用于基于数字阵列天线的通信雷达一体化的信号收发。
[0058]本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：
[0059] 1、仿真条件：
[0060]本仿真实验中设定数字阵列雷达的发射和接收天线个数都为M=20,雷达探测方 向为θ〇 = 0°，通信基站方向。
[0061 ] 2、仿真内容：
[0062] 仿真1，采用本发明方法对数字阵列天线的发射波束方向图进行仿真，结果如图2， 其中雷达探测方向为主波束，同时通信基站方向有较高增益；
[0063] 仿真2,采用本发明方法对数字阵列天线接收端得到雷达信号的接收波束方向图 进行仿真，结果如图3;
[0064] 仿真3,采用本发明方法对数字阵列天线接收端得到通信信号的接收波束方向图 进行仿真，结果如图4;
[0065] 3、仿真结果分析：
[0066] 从图2中可以看出，本发明方法所设计的数字阵列天线发射波束方向图可以同时 实现雷达探测和通信传输的功能，其在雷达探测方向形成主波束，同时在通信基站方向有 较高增益，从而实现了雷达通信一体化信号的发射过程。
[0067] 从图3中可以看出，本发明方法所设计的数字阵列天线接收端得到雷达信号的接 收波束方向图可以在雷达信号方向形成主波束，在通信信号方向形成零陷，从而得到雷达 探测目标的回波。在接收意义上实现了通信雷达一体化信号的雷达回波信号分离，与现有 信号分离方法有较大区别。
[0068] 从图4中可以看出，本发明方法所设计的数字阵列天线接收端得到通信信号的接 收波束方向图可以在通信信号方向形成主波束，在雷达探测方向形成零陷，从而得到通信 基站的通信信号。如此在数字阵列天线的接收端，分别优化设计雷达权系数和通信权系数 就可以得到两组信号数据，分别用于目标探测和数据通信，从而实现了雷达通信一体化的 信号接收过程。
[0069] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，用于数字阵列雷达的通信雷达 一体化信号发送和接收，通信雷达一体化信号是指在雷达信号波形上调制通信信息，两者 共享一个信号波形，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤1，确定数字阵列天线的发射波束权矢量，所述发射波束权矢量在数字阵列雷达在 探测目标方向形成主波束，并在通信基站方向上的增益大于0且小于所述主波束的增益； 步骤2,确定数字阵列雷达的发射信号波形，所述发射信号波形为恒定模值的时域OFDM 信号； 步骤3,对所述恒定模值的OFDM信号添加循环前缀，得到带循环前缀的OFDM信号； 步骤4,将所述带循环前缀的OFDM信号与所述发射波束权矢量相乘，得到数字阵列雷达 的发射信号，并将所述发射信号进行发射； 步骤5,获取所述数字阵列天线的接收数据，确定数字阵列天线接收端的雷达权系数和 通信权系数，所述雷达权系数在数字阵列雷达探测目标方向形成主波束，在通信基站方向 形成零点，所述通信权系数在数字阵列雷达探测目标方向形成零点，在通信基站方向形成 主波束； 步骤6,根据所述接收数据和所述雷达权系数得到雷达信道接收信号，对所述雷达信道 接收信号进行匹配滤波，从而得到雷达目标的距离信息； 步骤7,根据所述接收数据和所述通信权系数得到通信信道接收信号，对所述通信信道 接收信号依次进行信号均衡、相干数字解调，从而得到通信基站传输的数据比特流。2. 根据权利要求1所述的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，其特征 在于，步骤1中，确定数字阵列天线的发射波束权矢量，其约束条件为：其中，W为发射波束权矢量，a(0)为Θ方向的导向矢量，θ〇为雷达探测目标方向，θι为通信 基站方向，θε为发射波束副瓣方向，δ为除雷达探测方向和通信基站方向外的发射波束副瓣 方向的增益。3. 根据权利要求1所述的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，其特征 在于，步骤2中，具体包括如下子步骤： (2a)所述确定通信基站的OFDM频域信号，其约束条件为：其中，S(w)为(FDM频域信号，OFDM频域信号的幅度已归一化，w= [W1 ,W2,…，WN]为子载 频矢量，N是OFDM频域信号的子载频数； (2b)产生初始子载频信号Sm，Sm为OFDM频域信号S(w)中的任意一列，m=l，2,…，M，M为 发射天线个数； (2c)对初始子载频信号Sm进行离散傅里叶逆变换，得到时域信号提取该时域信号4 的相但得到恒定模值的时域信^i中Z表示复信号的相位， atan表示取反正切函数，real( ·)和imag( ·)分别表示取复数的实部和虚部； (2d)对所述恒定模值的时域信号馬进行离散傅里叶变换得到频域信号或，并提取频域 信号氏的相位^是，得到恒定模值的频域信号然后对恒定模值的频域信号进 行离散傅里叶逆变换得到恒定模值的时域OFDM信号S。4. 根据权利要求3所述的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，其特征 在于，步骤3具体包括： 在所述恒定模值的时域OFDM信号S前加入循环前缀，利用公苗得到带循环前缀的OFDM信号U; 其中，化为恒定模值的时域OFDM信号S的长度，L为循环前缀的长度，且L〉Tmax，Tmax=max {τι，T2}，其中τι为由多径效应造成的最大时延差，Τ2为由目标长度引起的最大时延差。5. 根据权利要求1所述的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，其特征 在于，步骤5具体包括如下子步骤： 巧a)获取所述数字阵列天线的接收数据X = Au+nt，其中，A=[a(0〇) ,a(0i)]T，u为带循环 前缀的(FDM信号，nt为噪声信号，上标T表示转置，曰(目日)为雷达探测目标方向的导向矢量，a (9i)为通信基站方向的导向矢量； (5b)根据所述数字阵列天线的接收数据X，确定数字阵列天线接收端的雷达权系数和 通信权系数Wi，雷达权系数Wi在数字阵列雷达探测目标方向形成主波束，在通信基站方向形 成零点，其约束条件为：(5c)通信权系数化在数字阵列雷达探测目标方向形成零点，在通信基站方向形成主波 束，其约束条件为其中，上标Η表示共辆转置，R为数字阵列天线的接收数据X的协方差矩阵。6. 根据权利要求1所述的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，其特征 在于，步骤6具体包括： 根据所述数字阵列天线的接收数据X和所述雷达权系数Wi得到雷达信道接收信号yi = WiHx，去除雷达信道接收信号yi的循环前缀得到无循环前缀的雷达接收信号Z1，然后将所述 不带循环前缀的雷达接收信号Z1变换到频域有Ζ|(·Λ') = ,如V)*巧W)，由此得到目标的频域响 应式中，Zi(w)为不带循环前缀的雷达接收信号Ζ1的频域信号，为恒定模 值的时域OFDM信号S的频域信号，再对目标的频域响应H(w)做逆傅里叶变换，从中获取雷达 目标的距离信息。7. 根据权利要求1所述的一种基于数字阵列天线的通信雷达一体化收发方法，其特征 在于，步骤7具体包括： 根据所述接收数据X和所述通信权系数W2得到通信信道接收信号於，对所述通 信信道接收信号y2依次进行信号均衡，在基带对通信信道接收信号矣进行相干数字解调得 到通信基站传输的数据比特流。
【文档编号】G01S13/88GK106093931SQ201610374339
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】曹运合, 吴文华, 张晓波, 夏香根, 栾苏珍, 苏洪涛
【申请人】西安电子科技大学