在MIMO雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法与流程

在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法
技术领域
1.本发明涉及mimo雷达技术领域，尤其涉及一种在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法。


背景技术：

2.随着雷达技术和无线通信技术的发展，无线频谱资源变得日益稀缺。在此背景下，雷达与通信的一体化设计技术引起了工业界和学术界的极大关注。具体来说，雷达通信一体化技术在雷达的探测波形中嵌入调制好的通信信息，在不明显影响雷达探测功能的前提下同时实现向接收设备传输信息的功能。因此，该技术不仅有利于缓解频谱资源稀缺，还有望降低雷达、通信的硬件设计成本。
3.目前，提供了一种在雷达探测波的副瓣中利用正交幅度调制传输通信信息的单波形设计方法。然而，由于单发射波形的存在同时可探测的目标数少、旁瓣抑制能力较差的问题，导致设计的发射波形无法达到需求。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法，以解决现有技术中由于单发射波形的存在同时可探测的目标数少、旁瓣抑制能力较差，导致发射波形无法达到需求的问题。
5.本技术实施例提供了一种在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法，包括：
6.建立mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型；
7.将所述发射波形设计模型转化为等价的无约束优化模型；
8.根据所述无约束优化模型，采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形。
9.在一实施例中，所述根据所述无约束优化模型，采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形，包括：
10.步骤a：根据所述无约束优化模型，分别计算第一下降方向以及第二下降方向；
11.步骤b：计算所述无约束优化模型在所述第一下降方向以及所述第二下降方向上的最优更新步长以及最大下降量；
12.步骤c：根据所述最优更新步长以及最大下降量，计算组合系数；
13.步骤d：根据所述组合系数，采用梯度下降法，计算出所述最优发射波形。
14.在一实施例中，所述根据所述无约束优化模型，分别计算第一下降方向以及第二下降方向，包括：
15.设定参考发射波形的可行解为y1，初始迭代变量t＝1，设定辅助变量m0与和v0为所述参考发射波形的m行n列的全零复数矩阵；
16.第一下降方向与第二下降方向通过如下公式获取：
17.第一下降方向
18.第二下降方向
19.在一实施例中，所述根据所述最优更新步长以及最大下降量，计算组合系数，包括：
20.所述第一下降方向上对应的最优更新步长为α
t,gd
，最大下降量为d
t，gd
)所述第二下降方向上对应的最优更新步长为α
t,amsgrad
，最大下降量为d
t,amsgrad
；
21.所述组合系数
22.所述根据所述组合系数，采用梯度下降法，计算出所述最优发射波形，包括：
23.将所述组合系数带入至预设公式中，可得：
24.y
t 1
＝y
t
w
t
×
(α
t,gd
δy
t,gd
) (1-w
t
)
×
(α
t,amsgrad
δy
t,amsgrad
)；
25.更新迭代所述变量t＝t 1，并重复执行步骤a至步骤c，直到y
t
＝y
t 1
，得到所述最优发射波形。
26.在一实施例中，所述第一下降方向为负梯度方向，所述第二下降方向为ams梯度方向。
27.在一实施例中，所述建立mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型，包括：
28.确定mimo雷达的天线数、发射波形的序列数、期望发射方向图以及参考发射波形；
29.获取所有通信接收设备的角度以及调幅通信信号的幅度；
30.根据所述mimo雷达的天线数、发射波形的序列数、期望发射方向图、参考发射波形、所有通信接收设备的角度以及调幅通信信号的幅度，建立所述mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型。
31.在一实施例中，所述建立所述mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型，包括：
32.建立方向图设计损失函数；
33.建立互相关损失函数；
34.建立波形相似度损失函数；
35.建立调幅通信设计损失函数；
36.根据所述方向图设计损失函数、互相关损失函数、波形相似度损失函数以及调幅通信设计损失函数，构建恒模约束下的所述发射波形设计模型。
37.在一实施例中，所述发射波形设计模型p1如下所示：
[0038][0039][0040]
其中，所述f
bm
(α，x)为方向图设计损失函数，f
cc
(x)为互相关损失函数，f
rs
(x)表示波形相似度损失函数，f
cp
(x)表示调幅通信设计损失函数，x是发射波形，所述ω、ρ、τ为调和系数，变量α用来匹配实际发射方向图与所述期望发射方向图之间的幅度差异。
[0041]
在一实施例中，所述将所述发射波形设计模型转化为等价的无约束优化模型，包括：
[0042]
计算实际发射方向图与期望发射方向图之间的幅度差异的最优解；
[0043]
将所述最优解带入至所述方向图设计损失函数，可得到只关于所述发射波形x的函数；
[0044]
将所述发射波形x替换为将所述只关于发射波形的函数，以及所述带入至所述发射波形设计模型，可得到所述等价的无约束优化模型。
[0045]
在一实施例中，所述无约束优化模型p2如下所示：
[0046][0047]
其中，为只关于发射波形的函数，所述为互相关损失函数，表示波形相似度损失函数，表示调幅通信设计损失函数，所述ω、ρ、τ为调和系数。
[0048]
上述一种在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法，包括：建立mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型；将所述发射波形设计模型转化为等价的无约束优化模型；根据所述无约束优化模型，采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形。本技术中，通过给定的多个探测目标和多个通讯接收设备的方位角，构建以发射方向图匹配为设计目标的恒模约束下多波形设计优化问题，并设计了一种组合下降方向的算法，可实现雷达的发射方向图和通信幅度调制的联合最优化设计，从而形成最优的发射波形。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0050]
图1是本发明一实施例中在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法的一流程示意图；
[0051]
图2是本发明一实施例中采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形的计算方法的一流程示意图。
具体实施方式
[0052]
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作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。
[0053]
在一实施例中，如图1所示，提供一种在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法，包括如下步骤：
[0054]
在步骤s110中，建立mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模
型；
[0055]
在本技术一实施例中，建立mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型，具体包括：
[0056]
确定mimo雷达的天线数、发射波形的序列数、期望发射方向图以及参考发射波形；
[0057]
获取所有通信接收设备的角度以及调幅通信信号的幅度；
[0058]
根据所述mimo雷达的天线数、发射波形的序列数、期望发射方向图、参考发射波形、所有通信接收设备的角度以及调幅通信信号的幅度，建立所述mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型。
[0059]
在本技术实施例中，该mimo雷达的天线数、发射波形的序列数可根据实际需要嵌入幅度信号的mimo雷达进行确定。该期望发射方向图以及参考发射波形可为用户预先设置。该所有通信接收设备的角度可为所有通信接收设备的接收天线的方位角。
[0060]
在本技术实施例中，所述建立所述mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型，包括：
[0061]
建立方向图设计损失函数；
[0062]
建立互相关损失函数；
[0063]
建立波形相似度损失函数；
[0064]
建立调幅通信设计损失函数；
[0065]
根据所述方向图设计损失函数、互相关损失函数、波形相似度损失函数以及调幅通信设计损失函数，构建恒模约束下的所述发射波形设计模型。
[0066]
具体的，在一个具有m根以半波长间隔均匀线性排列天线的mimo雷达中，设定发射波形序列数为n，假定发射波形为x(x是一个m行n列的复数矩阵，其中第m行n列的元素表示第m根天线发射的第n个波形)，期望的发射方向图pd(θ)，θ∈[0,180
°
]，参考波形为x0，通信设备的角度以及调幅通信信号的幅度为(θ
l
，δ
l
),l＝1,.....l。
[0067]
则，方向图设计损失函数如下所示：
[0068][0069]
互相关损失函数如下所示：
[0070][0071]
波形相似度损失函数如下所示：
[0072][0073]
调幅通信设计损失函数如下所示：
[0074][0075]
其中，变量α用来匹配实际发射方向图与期望发射方向图之间的幅度差异，a(θ)＝[1,exp(jπsinθ),
…
,exp(jπ(m-1)sinθ)]
t
是角度θ上的导向矢量，exp(x)表示自然常数的x
次幂，j是虚数单位，pd(θi)是指在角度θi上的期望方向图，集合包含所有需要追踪的角度，x0是预先设置的参考发射波形，集合是所有通信接收设备所在的角度，δ
l
是预定义的向处于θ
l
角度通讯设备传输的调幅通信信号的幅度。考虑到实际中常用的恒模约束，该mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计模型如下所示：
[0076][0077][0078]
其中，所述f
bm
(α，x)为方向图设计损失函数，f
cc
(x)为互相关损失函数，f
rs
(x)表示波形相似度损失函数，f
cp
(x)表示调幅通信设计损失函数，x是发射波形，所述ω、ρ、τ为调和系数，变量α用来匹配实际发射方向图与所述期望发射方向图之间的幅度差异，m和n表示发射波形x矩阵中的第m行第n列。
[0079]
在步骤s120中，将所述发射波形设计模型转化为等价的无约束优化模型；
[0080]
在本技术实施例中，该发射波形设计模型为有约束优化问题，因此可将其转换为等价的无约束优化问题。
[0081]
在本身申请实施例中，将所述发射波形设计模型转化为等价的无约束优化模型，包括：
[0082]
计算实际发射方向图与期望发射方向图之间的幅度差异的最优解；
[0083]
将所述最优解带入至所述方向图设计损失函数，可得到只关于所述发射波形x的函数；
[0084]
将所述发射波形x替换为将所述只关于发射波形的函数，以及所述带入至所述发射波形设计模型，可得到所述等价的无约束优化模型。
[0085]
具体的，对于给定的发射波形x，变量α最优解可通过如下公式获取：
[0086][0087]
将其带入至方向图设计损失函数f
bm
(α，x)中，可得到只关于发射波形x的函数，具体如下所示：
[0088][0089]
然后，将发射波形x替换为y是一个m行n列的复数矩阵，则可通过如下公式将问题p1转换为无约束优化问题p2。
[0090][0091]
其中，为只关于发射波形的函数，所述为互相关损失函数，表示波形相似度损失函数，表示调幅通信设计损失函数，所述ω、ρ、τ为调和系数。
[0092]
在步骤s130中，根据所述无约束优化模型，采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形。
[0093]
参见图2，在本技术实施例中，所述根据所述无约束优化模型，采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形，包括：
[0094]
步骤a：根据所述无约束优化模型，分别计算第一下降方向以及第二下降方向；
[0095]
步骤b：计算所述无约束优化模型在所述第一下降方向以及所述第二下降方向上的最优更新步长以及最大下降量；
[0096]
步骤c：根据所述最优更新步长以及最大下降量，计算组合系数；
[0097]
步骤d：根据所述组合系数，采用梯度下降法，计算出所述最优发射波形。
[0098]
具体的，所述根据所述无约束优化模型，分别计算第一下降方向以及第二下降方向，包括：
[0099]
设定初始发射波形的可行解为y1，初始迭代变量t＝1，设定辅助变量m0与和v0为所述初始发射波形的m行n列的全零复数矩阵；
[0100]
第一下降方向与第二下降方向通过如下公式获取：
[0101]
第一下降方向
[0102]
第二下降方向
[0103]
其中，第一下降方向为传统的目标函数的负梯度方向，而第二下降方向则为ams梯度方向。该ams梯度方向可通过如下公式获取：
[0104]mt
＝βm
t-1
(1-β1)g
t
；
[0105][0106][0107][0108][0109]
然后可计算f(y)在第一下降方向以及第二下降方向上得到最优更新步长以及最大下降量。
[0110]
具体的，对于y
t
处给定的下降方向δy，最优更新步长可以通过求解以下问题获得：
[0111]
α
★
＝argmin
α
f(y
t
αδy)；
[0112]
该问题是一个一维搜索问题，可以直接使用优化工具包，例如matlab软件自带的
fminbnd方法，或者可以穷搜的方式进行求解，对应的最大下降量为：f(y
t
)-f(y
t
αδy)。
[0113]
由上述公式可得到所述第一下降方向上对应的最优更新步长为α
t,gd
，最大下降量为d
t，gd
，所述第二下降方向上对应的最优更新步长为α
t,amsgrad
，最大下降量为d
t,amsgrad
。
[0114]
则所述根据所述最优更新步长以及最大下降量，计算组合系数，包括：
[0115]
所述组合系数：e为自然常数。
[0116]
所述根据所述组合系数，采用梯度下降法，计算出所述最优发射波形，包括：
[0117]
将所述组合系数带入至预设公式中，可得：
[0118]yt 1
＝y
t
w
t
×
(α
t,gd
δy
t,gd
) (1-w
t
)
×
(α
t,amsgrad
δy
t,amsgrad
)；
[0119]
更新迭代所述变量t＝t 1，并重复执行步骤a至步骤c，直到y
t
＝y
t 1
，得到所述最优发射波形。
[0120]
本技术实施例中，提供了一种在mimo雷达嵌入幅度调制通信信息的发射波形设计方法，包括：建立mimo雷达发射方向图中嵌入幅度调制信号的发射波形设计模型；将所述发射波形设计模型转化为等价的无约束优化模型；根据所述无约束优化模型，采用组合式梯度下降法，确定最优发射波形。本技术中，通过给定的多个探测目标和多个通讯接收设备的方位角，构建以发射方向图匹配为设计目标的恒模约束下多波形设计优化问题，并设计了一种组合下降方向的算法，可实现雷达的发射方向图和通信幅度调制的联合最优化设计，从而形成最优的发射波形。
[0121]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0122]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。