一种基于投影几何调控的雷达自适应抗干扰与通信一体化方法及其系统与流程

本发明涉及雷达信号处理、抗干扰技术和雷达通信一体化，具体涉及一种基于投影几何调控的雷达自适应抗干扰与通信一体化方法及其系统。本发明可应用于相控阵雷达、机载雷达、舰载雷达、电子战系统、5g/6g通信感知一体化基站、综合射频系统等领域，尤其适用于复杂电磁环境下的自适应干扰抑制与雷达通信功能融合场景。雷达抗干扰是雷达技术的核心难题之一。随着电子战技术的快速发展，干扰手段日益多样化、智能化，对雷达自适应抗干扰能力提出了更高要求。同时，雷达通信一体化（radar-communication integration）作为未来综合射频系统和多功能相控阵雷达的核心发展方向，也面临着功能融合与性能优化的挑战。现有技术主要存在以下问题：（一）自适应波束形成抗干扰计算量大通过调整阵列天线的权值在干扰方向形成零陷是最典型的抗干扰手段。最小方差无失真响应波束形成器需要精确估计干扰协方差矩阵，计算量高达 ，在干扰方向快速变化时零陷跟踪滞后，非平稳环境下性能严重退化。（二）零陷展宽技术缺乏自适应调控现有零陷展宽方法（导数约束法、协方差矩阵锥削法等）计算复杂度更高，零陷展宽宽度固定无法自适应调整，展宽过大会导致主瓣展宽，目标检测性能下降。（三）雷达通信一体化功能耦合矛盾现有雷达通信一体化方案（时分复用、频分复用、波形共用、mimo通信雷达一体化等）存在频谱资源利用率低、计算复杂度过高、雷达探测与通信速率之间存在固有矛盾、缺乏功能模式的灵活切换能力等问题。（四）缺乏基于物理层调控的统一手段现有技术中，抗干扰和通信一体化通常作为两个独立的技术方向分别处理，缺乏基于同一物理层调控机理的统一实现框架，导致系统冗余度高、集成度低。针对上述问题，本发明提供了一种基于投影几何调控的雷达自适应抗干扰与通信一体化方法及其系统。

背景技术：

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有雷达抗干扰技术中依赖协方差矩阵求逆计算量大、零陷无法自适应调控、对快速变化干扰跟踪能力不足，以及雷达通信一体化技术中功能耦合矛盾、频谱利用率低、缺乏灵活切换等技术问题，提供一种基于投影几何调控的雷达自适应抗干扰与通信一体化方法及其系统。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于投影几何调控的雷达自适应抗干扰与通信一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

5、第一部分：自适应抗干扰

6、（1）构建拓扑材料相控阵天线阵列

7、在雷达阵列天线的每个阵元后端集成拓扑非平凡材料相位调制单元，所述材料具有非零拓扑陈数 ，其投影角  可通过外部场实时调控。

8、（2）实时感知干扰环境

9、通过接收信号的功率谱分析或协方差矩阵特征分解，实时检测干扰方向集合  及其强度，其中  为干扰源数量，， 为阵列阵元数。

10、（3）计算投影角调控方案

11、针对检测到的每个干扰方向 ，计算对应的投影角调控量 ，使得在该方向的合成方向图增益为零或接近零，而在目标方向  的增益保持不变。所述调控方案由以下优化问题确定：

12、

13、

14、其中  为经投影角调控后的阵列方向图函数， 为各阵元的投影角调控向量。

15、零陷宽度  由投影角调制范围  自适应控制：

16、

17、其中  为雷达工作波长， 为阵元间距，比例系数由阵列拓扑结构决定。

18、（4）执行投影角调制

19、通过外部场（电场、磁场或光场）对所述拓扑非平凡材料施加调制信号，使各阵元的投影角  按照所述调控方案同步或异步变化，调制频率范围为  至 ，响应时间 。

20、（5）闭环自适应跟踪

21、通过反馈回路持续监测干扰方向的变化，当干扰方向漂移超过预设阈值 （通常为波束宽度的 ）时，自动更新调控方案并重新执行调制，实现对抗干扰的自适应跟踪。

22、（6）多干扰源协同抑制

23、当存在多个干扰源时，通过叠加投影角调控方案，在多个干扰方向同时形成零陷，各零陷深度独立可控。所述叠加满足线性叠加原理：

24、

25、第二部分：通信一体化扩展

26、（7）定义投影角工作模式区间

27、定义以下投影角工作区间： - 雷达探测模式：，投影角调控使阵列形成高增益窄波束； - 通信传输模式：，投影角调控使阵列形成多波束覆盖； - 一体化模式：，投影角调控使阵列同时形成探测波束和通信波束。

28、（8）实时感知应用场景需求并选择模式

29、通过环境感知模块实时判断当前应用场景：当需要优先探测时选择雷达模式；当需要优先通信时选择通信模式；当需要同时兼顾时选择一体化模式。

30、（9）执行投影角模式切换

31、根据场景判断结果，通过外部场对拓扑材料施加相应的调制信号，使各阵元的投影角  从当前模式切换至目标模式，切换时间 。

32、（10）投影角空间正交化（一体化模式）

33、在一体化模式下，将阵列的投影角空间  划分为两个正交或准正交的子空间 和 ：

34、

35、其中  表示子空间直和， 表示投影角空间的内积。通过子空间正交化，雷达波束和通信波束在投影角域实现分离，互不干扰。

36、（11）多用户通信与多目标探测协同

37、在一体化模式下，将通信子空间  进一步划分为多个用户子空间，同时支持  个用户的独立通信。雷达子空间  同时保持对 个目标的同步探测。

38、核心数学框架：

39、投影角  定义为：

40、

41、其中  和  满足投影约束 。

42、零陷深度由以下公式决定：

43、

44、其中  为零陷深度（db）， 为阵元  的静态权值， 为由投影角调控  引入的相位增量。

45、零陷宽度  与投影角调制范围的关系为：

46、

47、其中  为由阵列几何结构决定的常数（）， 为雷达工作波长， 为阵元间距。

48、通信容量与投影角的关系：

49、

50、其中  为用户  对应的投影角， 为用户  的信干噪比。

51、雷达探测概率与投影角的关系：

52、

53、其中  为最优探测概率， 为最优投影角， 为探测概率的投影角展宽参数。

54、一体化模式的正交化条件：

55、

56、其中  为预设的正交容差（典型值 ）。

57、（三）有益效果

58、计算复杂度大幅降低：无需协方差矩阵求逆，仅需对投影角进行优化调控，计算复杂度从  降至 ， 为迭代次数；

59、零陷自适应调控：零陷宽度和深度可通过投影角调制范围精确控制，实现从窄带零陷到宽带零陷的连续调节；

60、快速响应：拓扑材料相变响应时间 ，可实现对抗干扰的实时跟踪；

61、多干扰源协同抑制：可同时在多个方向形成独立可控的零陷，抑制能力与干扰源数量线性相关；

62、功能无缝切换：通过投影角调控实现雷达与通信模式的  级快速切换，优于现有技术；

63、频谱资源共享：雷达和通信共享同一频段，无需时分或频分，频谱利用率显著提升；

64、投影角空间正交分离：雷达和通信在投影角域正交，互不干扰；

65、室温工作：不依赖超导或极低温环境，可在室温下正常工作；

66、低功耗：拓扑相变能量消耗极低（低于  每单位陈数变化）；

67、与现有系统兼容：可直接集成于现有相控阵雷达前端，无需大规模系统改造。