CN110007277A - 雷达通信一体化***及该***的扩容方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达通信一体化***及该***的扩容方法，其中，所述雷达通信一体化***具体包括距离为R2的雷达和控制中心，所述雷达用于发射射频信号s1(t)，对距离为R1的目标观测区间进行侦查，以及接收由目标观测区间内的N个目标反射回来的回波信号，从中提取位置信息并传递给控制中心；所述控制中心用于对雷达传递的信号进行数据处理，得到目标的位置。所述扩容方法在总功率受限时，以雷达通信***的容量作为优化目标函数，对雷达***和通信网络进行功率分配，并对雷达的位置进行合理规划，来实现***容量最大化。本发明可以实现实时通信，且在相同的发射功率条件下，本发明提出的雷达通信***与一般的雷达***相比较，可以传输更多的数据。

Description

雷达通信一体化***及该***的扩容方法
技术领域
本发明涉及雷达技术，尤其涉及一种雷达通信一体化***及该***的扩容方法。
背景技术
雷达是英文Radar的音译，全称为radio detection and ranging，意思是“无线电探测和测距”，即通过无线电的方式发现目标并测定它们的空间位置。雷达通过发射电磁波照射目标，并接收它们的回波信号，从中获取目标相对于电磁波发射位置的距离、仰角、方位和径向速度等信息。
面对作战范围日益扩大、作战环境日益复杂化的情况，雷达技术不断发展，随着各种新技术、新体制雷达的出现，一部单一任务的雷达已经无法适应现代作战因素的快速变化，多任务与多功能的综合雷达***已经成为现代雷达的重要发展方向。现代战争的信息化作战要求雷达面对不可预知的环境时，必须能够采集各种情报资源并及时发布给数据处理终端。目前，现有的雷达模型如图1所示，控制中心处的固定雷达发射电磁波信号，对相距为R的观测区间进行侦查，观测区间内的N个目标反射电磁波，且相互之间不存在距离向上的遮挡，雷达接收机提取回波信号中的有用信息，并交由控制中心直接处理，但是雷达获取的数据一般需要通过人工录取后再通过有线或无线电通知后方，于是就存在情报传递速度慢、保密性差和误报等缺陷。而机载通信电台又存在着传输速度慢、传输容量小的问题，比如当飞机收集到大量的数据后，现有的数据链无法及时将数据传回地面，只有当飞机着陆后进行。因此，如何通过现有技术令雷达具有实时通信的功能，不仅能够满足作战时效性，还能大大提高通信质量、增加作战距离，这也使得“雷达通信一体化”设计成为现代雷达技术研究的一个热门话题。
国内外很多研究已经对“雷达通信一体化”设计的可行性进行了探索，目前，针对雷达通信一体化的研究大致分为以下三个方向：(1)波形设计：LFM信号最早被应用于雷达与通信共享信号设计，通过分别产生雷达信号和通信信号，并结合通信技术将两者叠加，实现共享波形设计，基于LFM信号的雷达通信一体化设计，针对传统的雷达波形，分开产生雷达和通信信号，就存在两种信号相互干扰，信息传输速率慢等问题，而采用OFDM技术可以有效地对抗符号间干扰，并具有更高的频谱效率，在近年来得到了广泛的研究；(2)信号处理：为实现一体化信号目标检测、测距测速、雷达成像等功能，并保证情报数据能够准确无错地传递给接收端，需要对一体化信号分别进行雷达处理(消除多普勒模糊性等)和通信处理(降低数据传输错误率)；(3)***设计。
1948年香农《通信的数学理论》论文的发表，标志着信息论的诞生，首次采用数理统计的方法描述了信息传递的科学规律，是研究通讯和控制***的重要理论基础。其后Woodward等人将信息论应用于雷达领域，得到了雷达探测中目标位置互信息的表达式。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种雷达通信一体化***及该***的扩容方法。
技术方案：本发明所述的雷达通信一体化***包括距离为R2的雷达和控制中心，其中：
所述雷达用于发射射频信号s1(t)，对距离为R1的目标观测区间进行侦查，以及接收由目标观测区间内的N个目标反射回来的回波信号，从中提取位置信息并传递给控制中心；其中，雷达接收到的由目标观测区间内的第i个目标反射回来的回波信号和信噪比为：
ri(t)＝αs1(t-τi)+ni(t),1≤i≤N
式中，ri(t)为雷达接收到的由第i个目标反射回来的回波信号，ρ2为雷达接收信号信噪比，α、τi分别为发射信号s1(t)的幅度衰减因子和传播时延，ni(t)为回波信号ri(t)的加性噪声，功率谱密度为N0；
所述控制中心用于对雷达传递的信号进行数据处理，得到目标的位置；其中，控制中心接收到的信号和信噪比为：
c(t)＝Γs2(t-τ)+w(t)
式中，c(t)为控制中心接收到的信号，snr为c(t)信噪比，s2(t)为雷达向控制中心传输的信号，Γ、τ分别为信号s2(t)的幅度衰减因子和传播时延，w(t)为信号c(t)的加性噪声，功率谱密度为N0。
本发明所述的对上述***进行扩容的方法包括：
(1)获取所述***的雷达对目标观测区间内N个目标进行探测时，单位时间内获取的总位置信息量；
(2)在保证所述总位置信息量都能传输到控制中心的前提下，以最大化***容量为目标建立目标优化函数，求解后得到所述***的雷达探测和通信传输功率分配以及雷达位置；
(3)按照步骤(2)得到的所述功率分配结果对所述***进行功率分配，按照得到的雷达位置重新布置雷达，实现容量扩容。
进一步的，所述步骤(1)中获取的总位置信息量具体为：
式中，It为获取的总位置信息量，T为雷达观测时间，Tr为雷达探测的脉冲重复周期，Br为雷达信号带宽，β为均方根带宽。
进一步的，步骤(2)中建立的目标优化函数为：
max：CI
式中，CI为雷达通信一体化***的容量，It为获取的总位置信息量，Ct为雷达通信一体化***通信时的信道容量，Br为雷达信号带宽，且0＜kb＜＜1，BC为信道带宽，Gt和Gr分别为发射、接收天线增益，λ为发射信号的波长，σ为雷达目标散射截面积，fr＝1/Tr为脉冲重复频率，为雷达探测时的发射平均功率，为雷达通信时的发射平均功率，P为***总功率，h为雷达平台飞行高度，R为目标观测区间与控制中心的距离。
进一步的，步骤(3)具体包括：
按照步骤(2)求解得到的雷达探测和雷达通信的功率分配结果对所述***进行功率分配，按照步骤(2)求解得到的雷达位置、探测中心位置重新布置雷达和控制中心，实现容量扩容。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明提出的雷达通信一体化***，在雷达现有设备基础上，加载通信功能，很少影响探测性能的同时，使雷达也可以实时通信，其在纯雷达***的基础上考虑雷达前置来获取信息量增益。本发明提出的扩容方法在总功率受限时，以雷达通信***的容量作为优化目标函数，对雷达***和通信网络进行功率分配，并对雷达的位置进行合理规划，来实现***容量最大化，满足雷达通信***传输大量数据信息的要求。仿真结果表明，在相同的发射功率条件下，本发明提出的雷达通信***与一般的雷达***相比较，可以传输更多的数据；或者说，当有一定量的情报数据待传输时，本发明提出的雷达通信***可以节省更多的功率资源。
附图说明
图1是现有雷达***的***模型图；
图2是本发明提供的雷达通信一体化***的***模型图；
图3是是不同带宽比下，***容量随总功率的变化曲线图；
图4是不同带宽比下的优化分配方案。
具体实施方式
如图2所示，本实施例提供了一种雷达通信一体化***，包括距离为R2的雷达和控制中心，其在纯雷达***的基础上考虑雷达前置来获取信息量增益，探测过程与普通雷达***一致，其中，所述雷达用于发射射频信号s1(t)，对距离为R1的目标观测区间进行侦查，以及接收由目标观测区间内的N个目标反射回来的回波信号，从中提取位置信息并传递给控制中心；所述控制中心用于对雷达传递的信号进行数据处理，得到目标的位置。
其中，雷达接收到的由目标观测区间内的第i个目标反射回来的回波信号为：
ri(t)＝αis1(t-τi)+ni(t),1≤i≤N
接收信号与发射信号相比经历了幅度上的衰减αi和电磁波传播时延τi，ni(t)表示第i个回波信号中的加性噪声，其功率谱密度为N0。定义为第i个回波信号的信噪比，有
假设所有噪声都是独立同分布的，雷达接收天线对N个目标的回波信号进行合并得到
其中是雷达接收机处的总噪声。
实际中，雷达在进行目标探测时，观测区间要比雷达探测距离小得多，于是各目标与雷达终端间的微小距离差可以忽略不计，因此雷达接收机接收到的每个目标的回波信号幅度衰减可以看作αi(i＝1,2,…,…,N)＝α，即信噪比也可以统一为如下形式
雷达从回波信号提取位置信息s2(t)并传递给控制中心，控制中心接收到的信号为：
c(t)＝Γs2(t-τ)+w(t)
接收信号的信噪比为：
式中，s2(t)为雷达向控制中心传输的信号，Γ、τ分别为信号s2(t)的幅度衰减因子和传播时延，w(t)为信号c(t)的加性噪声，功率谱密度为N0。
本实施例还提供了一种对上述雷达通信一体化***进行扩容的方法，包括：
(1)获取所述***的雷达对目标观测区间内N个目标进行探测时，单位时间内获取的总位置信息量。
获取位置信息量采用Woodward的雷达信息论，根据Woodward研究成果，可以知道雷达对单个目标进行探测时，一个脉冲重复周期Tr内所获得的位置信息量为
忽略上式中的无穷小量，则单位时间内获得的单目标信息量为
其中，ρ2表示雷达接收端的信噪比。T表示雷达观测时间，通常情况下，T＜Tr，本***中令T＝ktTr(0＜kt＜1)。β表示均方根带宽，若雷达信号带宽为Br，则
在观测区间内有N＝BrT个目标，则单位时间内N个目标的总距离信息为
通过合理假设每个目标的回波信号在雷达接收端的信噪比相同，可以简化计算过程。则
It即为一定信噪比下，雷达对观测区间内N个目标进行探测时，单位时间内获取的总位置信息量。
(2)在保证所述总位置信息量都能传输到控制中心的前提下，以最大化***容量为目标建立目标优化函数，求解后得到所述***的雷达探测和通信传输功率分配以及雷达位置。
根据香农信道容量定理，有通信***的信道容量为
Ct＝Bc log2(1+snr)
其中，Bc为通信带宽，snr表示控制中心处的接收信噪比。
本***中采用通信***占用雷达带宽模式，有利于节省信道带宽资源，令Bc＝kbBr(0＜kb＜＜1)，则
Ct＝kbBr log2(1+snr)
Ct为通信***的信道容量，即单位时间内信道允许通过的最大信息量。
假设雷达发射的有限能量信号为则发射信号能量为
由雷达方程可以得到R1处目标的回波信号能量
式中：为发射信号能量，Gt和Gr分别为发射、接收天线增益，λ为发射信号的波长，σ为雷达目标散射截面积(RCS)。
于是发射信号的衰减因子可以定义为
雷达接收端每个目标的回波信号信噪比可以表示为
定义雷达发射平均功率
其中，Tr为雷达脉冲重复周期，则信噪比用平均功率表示为
fr＝1/Tr为脉冲重复频率。
在一定的信噪比ρ2下，可以求出此时雷达探测所获取的目标位置信息量。雷达完成探测任务后，将有用信息传输给后方R2处的数据处理终端，实现雷达和控制中心的通信，通过对目标信号的估计和恢复，控制中心决定雷达是否继续完成探测、跟踪任务或实施精确打击。
假设雷达发射的通信信号为其信号能量为
由雷达方程可知，控制中心的接收能量为
假设此时平均发射功率为则控制中心处的接收信噪比为
为保证控制中心能够无差错地恢复目标信号，准确进行目标估计，需满足It≤Ct，即
特别地，当上式取等号时，表明所有的信息量都能传输到数据处理中心，信道资源完全被占用，定义此时的总信息量为雷达通信一体化***的容量CI，
在总功率受限的条件下，对雷达***和通信网络进行功率分配，并合理规划雷达位置，得到最大化***容量的方程式；假设***总发射功率受限，即雷达探测、通信传输功率之和恒定：
假设机载雷达平台飞行高度为h，若要进一步规划雷达位置，有距离约束条件
要使雷达通信***的容量最大，可以得到如下带有约束的优化模型：
max：CI
令可以适当简化以上优化模型：
max：CI
(3)按照步骤(2)得到的所述功率分配结果对所述***进行功率分配，按照得到的雷达位置重新布置雷达，实现容量扩容。
具体是按照步骤(2)求解得到的雷达探测和雷达通信的功率分配结果对所述***进行功率分配，按照步骤(2)求解得到的雷达位置、探测中心位置重新布置雷达和控制中心，实现容量扩容。
图3分别给出了带宽比为0.05和0.025时，雷达通信***(考虑雷达位置、不考虑雷达位置)和纯雷达***的容量比较，可以看出***容量随着***总功率的增加而增大。如图3(a)所示，通信带宽占比为0.05时，雷达位置固定(即不考虑距离分配)，雷达通信***与纯雷达***相比，可以获取大约0.15Mbit的容量增益，而考虑距离分配，当雷达位于最优探测位置时，***容量增益可高达0.8Mbit。图3(b)所示，通信带宽占比为0.025时，不考虑雷达位置时，雷达通信***与纯雷达***相比，其容量增益大约为0.1Mbit。考虑距离分配与否，***容量增益由0.15Mbit逐渐缩小至无差距，这是由于随着总功率的增加，雷达的最优位置逐渐靠近仿真时所选取的那个固定位置，因此两者之间差距逐渐减小。
图4给出了对应图3的优化分配方案，包含功率分配和最优位置规划。由于在通信带宽不受限(例如带宽比为0.05)时，通信带宽不再是限制***容量的因素，因此雷达可以尽可能地接近探测目标来获取更多的探测信息量，使控制中心对目标的估计更加准确，由于本发明仿真参数设置为理想条件，因此结果表明，探测距离为0，即雷达置于目标处，性能最优，但在实际探测情形下，机载雷达平台还需要考虑安全问题和隐蔽性要求，在确保电台安全的前提下，尽可能靠近目标，完成探测任务。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种雷达通信一体化***，其特征在于：包括距离为R2的雷达和控制中心，其中：
所述雷达用于发射射频信号s1(t)，对距离为R1的目标观测区间进行侦查，以及接收由目标观测区间内的N个目标反射回来的回波信号，从中提取位置信息并传递给控制中心；其中，雷达接收到的由目标观测区间内的第i个目标反射回来的回波信号和信噪比为：
ri(t)＝αs1(t-τi)+ni(t),1≤i≤N
式中，ri(t)为雷达接收到的由第i个目标反射回来的回波信号，ρ2为雷达接收信号信噪比，α、τi分别为发射信号s1(t)的幅度衰减因子和传播时延，ni(t)为回波信号ri(t)的加性噪声，功率谱密度为N0；
所述控制中心用于对雷达传递的信号进行数据处理，得到目标的位置；其中，控制中心接收到的信号和信噪比为：
c(t)＝Γs2(t-τ)+w(t)
式中，c(t)为控制中心接收到的信号，snr为c(t)信噪比，s2(t)为雷达向控制中心传输的信号，Γ、τ分别为信号s2(t)的幅度衰减因子和传播时延，w(t)为信号c(t)的加性噪声，功率谱密度为N0。
2.一种对权利要求1所述***进行扩容的方法，其特征在于，包括：
(1)获取所述***的雷达对目标观测区间内N个目标进行探测时，单位时间内获取的总位置信息量；
(2)在保证所述总位置信息量都能传输到控制中心的前提下，以最大化***容量为目标建立目标优化函数，求解后得到所述***的雷达探测和通信传输功率分配以及雷达位置；
(3)按照步骤(2)得到的所述功率分配结果对所述***进行功率分配，按照得到的雷达位置重新布置雷达，实现容量扩容。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中获取的总位置信息量具体为：
式中，It为获取的总位置信息量，T为雷达观测时间，Tr为雷达探测的脉冲重复周期，Br为雷达信号带宽，β为均方根带宽。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中建立的目标优化函数为：
max：CI
式中，CI为雷达通信一体化***的容量，It为获取的总位置信息量，Ct为雷达通信一体化***通信时的信道容量，Br为雷达信号带宽，且0＜kb＜＜1，BC为信道带宽，Gt和Gr分别为发射、接收天线增益，λ为发射信号的波长，σ为雷达目标散射截面积，fr＝1/Tr为脉冲重复频率，为雷达探测时的发射平均功率，为雷达通信时的发射平均功率，P为***总功率，h为雷达平台飞行高度，R为目标观测区间与控制中心的距离。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：
按照步骤(2)求解得到的雷达探测和雷达通信的功率分配结果对所述***进行功率分配，按照步骤(2)求解得到的雷达位置、探测中心位置重新布置雷达和控制中心，实现容量扩容。
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