雷达通信一体化系统分析

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雷达通信一体化研究现状

雷达通信一体化研究现状摘要:在科学技术快速发展的背景下，雷达通信一体化发展趋势愈加明显，有效满足了人类对雷达通信技术的需求。

虽然国内国外在雷达通信一体化发展方面已经取得一系列研究成果，提升了通信水平，但是相关研究人员仍然需要继续地投入到雷达通信一体化研究工作，进一步地丰富研究成果，推进现代社会发展。

关键词：雷达通信；一体化；研究现状；发展趋势引言雷达与通信既存在相似性，又存在差异。

随着社会发展，雷达与通信技术两者进行了结合，进而保证了系统工作效果。

在现代社会下，美、德、英、法等国家积极地推进了雷达通信一体化研究工作，希望打开雷达通信一体化发展新局面。

对于我国来讲，其需要分析雷达通信一体化研究现状，吸收与借鉴其他国家在雷达通信一体化发展形成的经验，以便合理地指导自身研究工作，保证研究效果。

1雷达通信一体化概念雷达通信一体化指的是基于同一个平台实现雷达功能与通信功能。

在雷达通信一体化下，可以更好地完成信息接收、信息处理、信息分析等多项工作，满足了人们对雷达通信技术的需求。

正是如此，国家主动地投入到雷达通信一体化的研究中。

2雷达通信一体化研究现状2.1波形设计2.1.1 LFM一体化波形设计波形设计是雷达通信一体化研究的重点，因此研究人员围绕着波形设计开展了研究工作。

其中，就从LFM一体化波形设计的角度推进了研究工作，并形成了研究成果。

Shannon等人就以LFM一体化波形作为波形设计工作的研究切入点。

在研究的过程中，分析了波形设计工作要点，即应把波形指标、波形分集、波形种类、模糊函数各个因素考虑在研究工作之中。

众人通过实践研究发现了LFM信号和扩频信号对于提升波形设计水平具有积极意义，因此将LFM信号和扩频信号作为研究要点。

为保证研究水平，他们大量的阅读了文献资料，将文献资料进行分类整理与分析，得出了研究思路。

即可通过结合传统雷达波形与通信技术的方式，确保波形设计效果。

Lin等人通过脉冲位置调制加载通信数据至时跳超宽带雷达脉冲上，研究出了具有“图钉形”模糊函数的雷达通信波形。

雷达-通信一体化系统设计

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面向雷达和通信一体化应用的阵列天线设计简析

面向雷达和通信一体化应用的阵列天线设计简析摘要:随着科技的发展，雷达和通信一体化应用成为了现代通信和雷达领域中的重要发展趋势。

其中，阵列天线是实现雷达和通信一体化的重要手段之一。

在雷达和通信一体化应用中，阵列天线需要同时实现雷达探测、通信传输、数据处理等多个功能，而这些功能都需要以阵列天线为基础。

阵列天线作为一种重要的天线结构，具有较高的增益和方向性，能够满足雷达和通信一体化应用的需求。

关键词:；雷达通信；一体化应用；阵列天线；设计简析本文首先介绍了阵列天线的概念及特性，包括其结构、工作原理和性能指标。

接着，分析了雷达和通信一体化应用的需求，探讨了阵列天线在这一领域的应用前景。

然后，对阵列天线设计方法进行了详细分析，包括阵元配置、波束形成和信号处理等方面。

最后，通过实际应用实例的分析，验证了阵列天线在雷达和通信一体化应用中的有效性和可行性。

通过本文的研究，可以为相关领域的研究人员提供一定的参考和借鉴。

1.阵列天线的概念及特性阵列天线是一种由多个天线单元组成的天线系统，它们按照特定的排列方式连接在一起。

相比于传统的单个天线，阵列天线具有更高的增益和方向性，能够更好地接收和发送无线信号。

阵列天线的设计主要涉及到天线单元的选择、排列方式的确定以及天线间的耦合问题。

首先，天线单元的选择是阵列天线设计的关键之一。

天线单元的性能将直接影响整个阵列天线系统的性能。

在选择天线单元时，需要考虑天线的频率响应、增益、辐射图案等参数。

此外，天线单元之间的互相干扰也需要进行充分的考虑，以避免信号的干扰和失真。

其次，阵列天线的排列方式也是设计中需要注意的要点。

不同的排列方式将会对阵列天线的性能产生不同的影响。

常见的排列方式有线性排列、面阵排列等。

线性排列方式适用于狭窄的覆盖区域，而面阵排列方式适用于宽广的覆盖区域。

在确定排列方式时，需要综合考虑覆盖区域的大小、天线单元的数量以及成本等因素。

最后，天线间的耦合问题也是阵列天线设计中需要关注的方面。

雷达通信一体化的设计与实现

雷达通信一体化的设计与实现摘要：雷达通信一体化是一种新型的雷达技术，它将雷达和通信系统进行了有机的结合，实现了雷达和通信的共享资源和信息交互。

本文主要介绍了雷达通信一体化的设计和实现，包括雷达通信一体化的基本原理、系统结构、关键技术和实现方法等方面。

通过对雷达通信一体化的研究，可以为未来雷达技术的发展和应用提供有益的参考。

关键词：雷达通信；一体化；关键技术；实现方法1引言基于IT行业的飞速发展，雷达技术已经被广泛应用于航海、航空等多个领域，发挥着重要的作用。

然而，由于雷达之间缺乏有效的信息交流，使得它们的性能无法满足人类日益增长的需求，从而限制了其在各种领域的应用。

雷达通信一体化是一种新型的雷达技术，它将雷达和通信系统进行了有机的结合，实现了雷达和通信的共享资源和信息交互。

雷达通信一体化技术的出现，不仅可以提高雷达的探测能力和通信的传输速率，还可以减少系统的成本和复杂度，具有广泛的应用前景。

本文主要介绍了雷达通信一体化的设计和实现，包括雷达通信一体化的基本原理、系统结构、关键技术和实现方法等方面。

2研究背景雷达通信一体化系统的基本原理是将雷达和通信系统有机地结合在一起，共享它们的资源和信息。

这种结合可以实现雷达探测信号的同时传输通信信息，也可以通过通信信号来实现雷达的目标探测。

具体来说，雷达通信一体化系统可以通过雷达的探测信号来传输通信信息，从而提高通信的传输速率；同时，它也可以通过通信信号来实现雷达的目标探测，从而提高雷达的探测能力。

这种结合不仅可以提高系统的性能，还可以减少系统的成本和复杂度。

因此，雷达通信一体化系统在军事、民用等领域都有广泛的应用前景。

3现状分析3.1问题现状采用雷达通信一体化技术，可以构建一个完整的系统，以便将不同的雷达之间的数据进行有效的交互，使其具备最佳的结构，从而获取更准确的目标信息，并且可以有效地克服单个雷达的性能限制。

但是，在雷达通信技术的发展过程中，仍然面临一些问题：（1）雷达通信一体化系统的集成难度较大，这是因为该系统需要整合多个技术领域的知识和技能，包括雷达技术、通信技术、信号处理技术等。

基于OFDM的雷达通信一体化设计方法研究

基于OFDM的雷达通信一体化设计方法研究基于OFDM的雷达通信一体化设计方法研究一、引言雷达通信一体化是目前无线通信领域的一个热点研究方向。

雷达系统的监测、测量和目标识别能力可以与通信系统的高速数据传输能力相结合，实现信息传输和目标追踪的一体化。

正交频分复用（OFDM）作为一种高效率的调制技术，已经在现代无线通信中得到广泛应用。

本文旨在研究基于OFDM的雷达通信一体化设计方法，探索其在雷达和通信系统中的应用。

二、基于OFDM的雷达通信一体化原理OFDM是一种将带宽分成多个独立的子信道，并在每个子信道上进行调制和解调的技术。

在雷达通信一体化中，可以将雷达系统作为通信系统的一个子信道，通过OFDM的频域复用技术和时域码分复用技术，实现雷达信息与通信信息的混合传输。

在雷达信号的传输中，通过OFDM技术的调制和解调过程，可以提高雷达系统的抗干扰性能和目标分辨率，同时实现雷达信息的传输。

三、基于OFDM的雷达通信一体化设计方法1. 频域资源分配：在OFDM系统中，频域资源的分配对于雷达信号的传输至关重要。

基于OFDM的雷达通信一体化设计中，可以通过动态频率选择和可变带宽的方式，根据雷达信号和通信信号的需要，灵活分配频域资源。

通过对频域资源的合理分配，可以使雷达信号和通信信号在中心频点附近相互重叠，实现一体化传输。

2. 波形设计：在雷达通信一体化设计中，波形设计是关键的一步。

通过对波形的设计，可以实现雷达信号和通信信号的同步传输和解耦。

具体的设计可以采用索引调制技术，将雷达信号和通信信号映射到不同的子信道上，利用OFDM的调制和解调过程，实现雷达信号和通信信号的分离。

3. 多输入多输出（MIMO）技术：MIMO技术在OFDM系统中可以提高雷达信号和通信信号的传输性能。

通过采用多天线发射和接收，可以实现雷达信号的波束形成和目标定位，同时增强通信信号的容量和抗干扰性能。

MIMO技术能够提高雷达通信一体化系统的性能，同时降低系统复杂度。

雷达与通信信号一体化测向技术相关分析

雷达与通信信号一体化测向技术相关分析摘要：雷达和通信存在着共同性，这就为实现雷达和通信的一体化提供了基础，两者的硬件共享也是有可行性的。

本周文主要对雷达与通信信号一体化测向技术进行了简要分析，以供参考。

关键词：雷达；通信信号；一体化引言现代战场环境越来越复杂，电磁环境也日益严峻，各种电磁辐射源，如通信、雷达、导航、电子战设备等覆盖的频谱越来越广，而且在有限的区域内往往密集开设着大量电子设备。

因此，当前的简单的、独立的、各自为战的电子战设备已经不再适应日益复杂的战场环境。

现代战场对电子侦察设备的要求是功能齐全、一体化、综合化，即可以对多类型辐射源展开侦察。

因此，雷达与通信一体化侦察技术的研究便成为了必要。

1雷达与通信信号的基本特点（1）频率范围。

雷达和通信信号占用的电磁频段不同，一般情况下雷达信号比通信信号的频段要高。

通信信号占据的频段一般包括 3-30MHz的高频段、30-300MHz的甚高频段和300-3000MHz的特高频段。

除此之外，还有一些特殊的通信链路，比如潜艇通信中所用到的3-30kHz的甚低频段和30-300Hz的极低频段以及卫星通信中所用到的X波段等。

但是一般来说，通信侦察系统所覆盖的频谱范围在2-2000MHz区间内。

雷达的工作频谱范围就要宽很多了。

一般来说，大多数雷达的工作频段范围在 0.5GHz-18GHz之间。

某些远程监视雷达会工作在甚高频、特高频和L波段，中程雷达一般工作在S、C、X波段。

从通信信号与雷达信号的频率覆盖范围可以看出，其虽然各自不同，但是覆盖范围却又各有重叠，因此在设计接收机时，可以同时兼顾雷达信号与通信信号，（2）信号带宽。

从带宽上来讲，通信信号与雷达信号也有不同。

对于通信信号来说，其带宽一般比较窄，常见的通信电台的带宽一般只有 12.5kHz、25kHz以及 50kHz等，对于扩频通信信号来说，其带宽相对要宽一些，可以达到几MHz。

对于雷达信号来说，带宽明显比通信信号要宽的多，一般都是MHz。

通信雷达一体化波形设计及信号处理

用价值。
研究不足与展望
由于时间限制，本研究仅对通信雷达一体化波形设计及信号处理进行了初步探索，尚未对其他性能指标进行深入研究。
在实际应用中，还需要考虑其他因素的影响，如环境噪声、多径效应等，需要进一步研究和改进。
未来可以进一步优化该方法，提高其性能指标，并探索其在其他领域的应用前景。
应用前景与展望
傅里叶变换
将时域信号转换为频域信号，用于频谱分析和滤波。
拉普拉斯变换
将时域信号转换为复数域信号，用于系统分析和稳定性判断。
Z变换
将离散信号转换为复数域信号，用于系统分析和稳定性判断。
小波变换
将信号分解成不同尺度的成分，用于图像处理、信号压缩和去噪等。
神经网络算法
模拟人脑神经元网络结构，用于模式识别、分类和预测等任务。
信号预处理
对采集到的信号进行滤波、放大等操作，以提高信噪比和信号质量。
模式识别与分类
利用提取的特征信息对信号进行分类和识别。
信号采集
通过传感器将待处理的物理信号转换为电信号。
特征提取
从预处理后的信号中提取出与目标相关的特征信息。
决策与控制
根据分类和识别的结果进行决策和控制。
常见信号处理算法
硬件校准
对实验平台的各个硬件设备进行校准，确保实验数据的准确性。
波形设计与生成
波形设计
根据通信和雷达的需求，设计合适的波形，如线性调频（LFM）波形、相位编码波形等。
波形生成
利用数字信号处理技术，生成所需的波形。
波形调制
将信息加载到波形上，实现信息的传输。
信号处理与分析
信号接收
通过天线接收来自目标的信号，并进行初步的信号处理。

通信与雷达一体化工作原理

通信与雷达一体化工作原理通信与雷达一体化是一种集通信和雷达功能于一体的技术，其工作原理十分重要。

本文将以生动、全面、有指导意义的方式介绍通信与雷达一体化的工作原理。

通信与雷达一体化是一种将通信系统和雷达系统集成在一起的技术，可以同时实现通信和雷达功能的传输与探测。

通信系统主要用于信息的传递和交流，而雷达系统主要用于目标的探测和跟踪。

通过将两个系统集成在一起，可以共享资源，提高系统的效率和性能。

首先，让我们了解通信与雷达一体化的组成部分。

通信系统主要由发射机、接收机、天线和信号处理器组成。

发射机负责产生和发送信号，接收机负责接收和解调信号，天线负责发射和接收信号，信号处理器则负责对信号进行处理和分析。

雷达系统也包括类似的组件，主要是用于探测和追踪目标。

在通信与雷达一体化的系统中，发射机和接收机可以共享天线，这样可以减少天线的数量和体积。

通过合理设计天线的结构和参数，可以实现通信和雷达信号的同时传输。

而信号处理器可以根据需要将信号分成通信和雷达两部分进行相应的处理和解调。

其次，让我们了解通信与雷达一体化的工作原理。

在通信与雷达一体化系统中，可以通过频分复用或时分复用的方法将通信和雷达信号进行分离。

通信信号一般具有较低的带宽要求，而雷达信号一般具有较高的带宽要求。

通过合理选择载波频率或时隙，可以将两者互相分离，以避免干扰。

当通信和雷达信号被分离后，可以通过相应的信号处理器对信号进行处理和解调。

通信信号可以通过解调器解调成有用的信息，如语音、数据等。

而雷达信号则可以通过相关算法进行处理和分析，以实现目标的探测、跟踪和定位。

最后，让我们了解通信与雷达一体化的应用和指导意义。

通信与雷达一体化技术在军事、航空航天、船舶、交通运输、无人机等领域具有广泛的应用前景。

在军事领域，通信与雷达一体化可以提高通信保密性和抗干扰性，强化雷达的目标探测和跟踪能力。

在航空航天领域，通信与雷达一体化可以减少设备的体积和重量，提高系统的性能和可靠性。

雷达通信系统的原理与应用

雷达通信系统的原理与应用雷达通信系统是一种广泛应用于军事、航空、海洋、气象等领域的高科技通信设备。

本文将围绕雷达通信系统的原理和应用展开阐述，旨在帮助读者深入了解该系统并掌握相关知识。

一、雷达通信系统的原理雷达通信系统利用电磁波与目标物之间的相互作用，通过探测和分析反射回来的信号来实现通信。

其基本原理如下：1. 发射器：雷达通信系统通过发射器产生电磁波，并将其发送到目标物上。

发射器通常采用一定频率的无线电波，如微波、毫米波等。

2. 目标物的反射：被发送的电磁波遇到目标物时，会发生反射，并将一部分能量回传给雷达通信系统。

目标物的反射特性会对回传信号产生影响。

3. 接收器：接收器是雷达通信系统中的重要组成部分，用于捕获目标物反射回来的信号。

接收器会将接收到的信号进行放大、滤波、解调等处理，以便后续的分析和处理。

4. 信号处理：接收到的信号经过一系列处理后，可以提取出目标物的相关信息，如距离、速度、方位等。

这些信息可以用于通信或其他应用领域。

二、雷达通信系统的应用雷达通信系统在多个领域都有广泛的应用。

以下是一些主要应用领域的简要介绍：1. 军事领域：雷达通信系统在军事领域起着至关重要的作用。

它可以用于目标探测、情报获取、导航引导、火力打击等方面，并在战争中具备重要的战略和战术价值。

2. 航空航天领域：雷达通信系统在航空航天领域中广泛应用。

它可以用于飞行员导航、飞行器定位、空中交通管制等任务，提高了航空器的飞行安全性和效率。

3. 海洋领域：雷达通信系统也在海洋领域发挥重要作用。

它可以用于船舶导航、渔业资源调查、海上救援等任务，对于保障海上行动的安全性和有效性起到了至关重要的作用。

4. 气象领域：雷达通信系统在气象领域中被广泛应用于天气预报、降水检测、风暴追踪等任务。

它可以通过对大气中的杂波和降水反射信号的探测和分析，提供准确的气象信息。

5. 地质勘探领域：雷达通信系统可以用于地质勘探领域，如矿产资源勘测、油气田勘探等。

雷达通信一体化综述

硕士论文：基于chirp扩频技术的雷达通信一体化研究研究现状关于雷达和通信一体化，美国海军早在1999 年就开始了有关该方面的基础研究。

目前，在雷达高速数据链方面，美国在技术和工程应用方面的工作已经取得了初步的成果，2007 年开始，由美国航空与国防工业厂商诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司以及L-3 通信公司组成的团队已经完成了把有机载源相控阵雷达作为宽带通信系统使用的演示验证工作。

由上述三方组成的小组利用有源相控阵雷达与地面的一部通用数据链(CDL：Common Data Link)调制仿真器之间发射和接收高数据率的通信数据，验证了系统进行空对空和空对地的视线范围内的通信能力[41]实验证明，合成孔径雷达图像和视频数据流通过AESA 雷达能够以高达274Mbps 的数据率传送到L-3 通信公司的地面站，它极大地弥补了当前通信链能力的缺陷，为未来第4 代战斗机执行任务的性能的提升提供了巨大的潜力，实现远距离、大容量、高速度的双向数据通信，而且不影响雷达的正常工作。

同一时期，雷声(Raytheon)公司与L-3 通信公司以及波音(Boeing)公司也组成了专门的雷达通用数据链研究团队，并且在2007 年开始为美国空军有源电子扫描阵列雷达系统设计并研发新一代宽带通用数据链路，通过他们的合作使得现代的飞机有源相控阵(AESA)雷达可以获得高速、高数据率的通信能力，并准备投入生产和使用。

用于进行试飞的配装在飞机上和地面的硬件和软件都已完成了演示。

用于通信的软件命名为“战机实时通信使者”(Warfighter InstantMessenger)，它非常容易加载在雷声公司为空军F-15C 和海军的F/A-18E/F 研制的战斗机有源相控阵(AESA)雷达，以及E/A-18G 电子战攻击机的AESA 雷达上。

简单地说，仅仅需要L-3 公司提供一个能够产生新的波形的调制解调器(Modem)以及由雷声公司为雷达开发的一套“战机实时通信使者”通信软件。

基于动态超表面天线的雷达通信一体化设计

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.05.021引用格式:高克,张海洋,王保云.基于动态超表面天线的雷达通信一体化设计[J].无线电通信技术,2023,49(5):946-952.[GAO Ke,ZHANG Haiyang,WANG Baoyun.Beamforming Design for Dual-functional Radar-communication Systems with Dynamic Metasurface Antennas[J].Radio Communications Technology,2023,49(5):946-952.]基于动态超表面天线的雷达通信一体化设计高㊀克,张海洋,王保云(南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003)摘㊀要:雷达通信一体化(Dual-Functional Radar-Communication,DFRC)利用相同的硬件平台㊁频谱资源同时实现雷达感知和无线通信双功能,是当前无线通信领域研究的热点技术㊂针对动态超表面天线(Dynamic Metasurface Antenna,DMA)辅助的雷达通信一体化系统,研究了最优波束成形设计问题㊂最优波束成形设计是一个非凸优化问题,很难直接求解㊂设计全数字天线架构下的最优波束,将动态超表面天线雷达波束设计转换为拟合最优编码矩阵问题㊂转换后的波束设计问题仍为非凸,为此将其分解为两个子问题交替最小化,其中两个子问题分别采用黎曼共轭梯度和半正定松弛算法求解㊂数值仿真表明,满足通信质量约束的情况下,动态超表面天线架构的DFRC 雷达波束性能接近于无频谱共享时的纯雷达波束性能㊂关键词:雷达通信一体化;动态超表面天线;交替最小化;黎曼共轭梯度;半正定松弛中图分类号:TN929.5㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)05-0946-07Beamforming Design for Dual-functional Radar-communicationSystems with Dynamic Metasurface AntennasGAO Ke,ZHANG Haiyang,WANG Baoyun(Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)Abstract :Dual-Functional Radar-Communication (DFRC)uses same hardware platform and spectrum re-sources to realize dualfunctions of radar detection and wireless communication simultaneously,which is a hot topic in the field of wireless communications.Forthe Dynamic Metasurface Antennas (DMA)-assisted DFRC system,an optimal beamforming design problem is studied.The optimalbeamforming design is a non-convex optimization problem that is difficult to solve directly.In this paper,an optimal beam with a digitalantenna architecture is designed first,and then the dynamic metamaterial antenna radar beam design is converted into a fitting optimalcoding matrix problem.Though the resulting design problem is still non-convex.it can be decom-posed into two sub-problems and then been solved alternately.In particular,the two sub-problems are solved by riemannian conjugate gradient and semidefinite relaxation algo-rithms,respectively.Finally,numerical results show that the performance of our proposed beamforming design for DMA-assisted DFRC system is close to that of the radar only beamforming without communication requirement.Keywords :DFRC;DMA;alternate minimization;riemannian conjugate gradient;semidefinite relaxation收稿日期:2023-05-050　引言随着5G 时代的到来,无线设备数量和种类均呈现出了爆发性增长,全球通信产业对无线频谱的需求日益迫切㊂有很多场景需要感知与通信联合设计,例如:自动驾驶㊁智慧城市和智能家居等[1]㊂与此同时,随着无线通信速率需求的不断提高,载波频率被推向了传统上分配给雷达系统的毫米波频率频段[2]㊂未来后5G 及6G 时代,为提高频谱效率以及降低雷达与通信系统之间的电磁干扰问题,雷达通信一体化(Dual-Functional Radar-Communication,DFRC)系统成为了一个有前途的热门研究领域㊂在雷达通信一体化系统中,雷达与通信系统之间共享相同的硬件平台和频谱资源,同时实现通信和雷达感知的双功能㊂在雷达通信一体化系统中,由于雷达和通信具有不同的需求且共享相同的资源,因此需要精心设计传输波束以平衡二者的性能㊂为了在保证通信用户服务质量的同时提高雷达的性能,文献[3]研究了发射波束成形优化设计㊂针对全数字天线架构,文献[4]考虑波束之间的相互干扰因素,设计了性能更优的雷达波束㊂考虑到全数字天线功耗大㊁成本高的问题,目前对雷达通信一体化系统研究比较广泛的是基于相移器的混合波束天线架构[5-10],其中文献[5-6]研究了设计模拟和数字预编码矩阵,使其与最优通信预编码矩阵和最优雷达波束预编码矩阵之间误差的加权总和最小;文献[7-8]研究主要集中在雷达波束与理想波束差距小于一定阈值作为约束条件,最大化用户通信质量;文献[9-10]研究了在保证用户通信质量前提下,最优化雷达波束性能,其雷达的波束性能直接由雷达接收机的信干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)决定㊂智能超表面是当前无线通信领域的另外一个研究热点,其可用于增强无线通信盲区覆盖㊁物理层辅助安全通信㊁大规模D2D(Device-to-Device)通信㊁物联网中无线携能通信以及室内覆盖等领域[11]㊂然而,智能超表面除了用来做被动的反射外,还可以用来实现低功耗的主动收发天线㊂动态超表面天线(Dynamic Metasurface Antennas,DMA)是一种典型的基于超表面天线的收发天线㊂在基于DMA的收发器中,每个超表面天线单元是由低功耗的超表面组成,且每个天线单元的幅频特性可以动态实时调控[12]㊂DMA天线架构可以被视为混合模拟数字天线架构,即它不需要额外的专用模拟相移器网络,仅利用自身的信号处理功能便可实现模拟预编码[13]㊂此外,DMA可以包含大量可调谐的超表面天线元件,并且其天线单元之间的距离可以是亚波长,DMA需要的物理面积可以更小,有助于设备的小型化[14]㊂1㊀系统模型和问题描述1.1㊀系统模型雷达通信一体化系统场景示意图如图1所示,一个雷达通信一体化基站拥有N T根天线,为K个单天线用户提供通信服务并探测区域内目标㊂基站使用的动态超表面天线架构,其由数字预编码矩阵㊁L T条射频链路和模拟预编码矩阵组成㊂图1㊀雷达通信一体化系统场景示意图Fig.1㊀Schematic diagram of DFRC基带信号表示为sɪKˑ1,s i~(0,1),iɪ{1, 2, ,K}为第i个用户接收到的信息符号㊂发射信号可以表示为:y=UF DMA F BB s,(1)式中:F DMAɪN TˑL T为DMA天线模拟预编码矩阵, F BBɪN DMAˑK为数字预编码矩阵,DMA微带内的信号传播公式为:u i,j=e-ρi,j(αi+jβi),∀i,j,其中αi为波导衰减系数,βi为波数,ρi,j表示第i微带中第l个单元的位置,其中U((i-1)L+l,(i-1)L+l)=u i,l,L为每条微带上单元的个数[13]㊂功率约束条件为 UF DMA F BB 2FɤP max,P max为基带最大分配功率㊂F DMA矩阵满足以下形式[15]:F DMA=t10 00t2 0︙︙︙00 t L Téëêêêêêùûúúúúú,(2)式中:t iɪN TN DMAˑ1,非零相q i,l=j+e jφi,l2,{φi,lɪ[0,2π]}ɪF DMA,∀i,l㊂雷达在θ角方向的传输功率波束图可以表示为:P(θ;R)=a H(θ)Ra(θ),(3)式中:RɪN TˑN T为传输波束的协方差矩阵,R= UF DMA F BB ss H F H BB F H DMA U-H=UF DMA F BB F H BB F H DMA U H㊂对于N个天线单元的均匀线性天线阵列,其导向矢量为:a(θ)=1N[1,e j2πλdsin(θ), ,e j2πλd(N-1)sin(θ)]T,(4)式中:λ为信号波长,d=λ/2为天线单元间距㊂雷达在θ1和θ2两角之间的波束互相关可以表示为:P c(θ1,θ2;R)=a H(θ1)Ra T(θ2)㊂(5)由式(3)和式(5)可以看出,雷达的传输功率波束图和波束互相关都是由传输波束的协方差矩阵R决定㊂通过波束方向误差和波束互相关两部分的加权和组成一个损失函数,用损失函数评估雷达性能㊂第一部分可以用接收到的波束与理想波束之间的均方差来评估:L r,1(R,α)=1LðL l=1|αd(θl)-P(θl;R)|2,(6)式中:α为比例因子,d(θl)为θl方向理想接收波束㊂第二部分用波束互相关均方差来评估:L r,2(R)=2P2-PðP-1p=1㊀ðP q=p+1|P c(θ-p,θ-q);R|2㊂(7)㊀㊀将以上两部分加权和后,雷达波束图的损失函数表示为:L r(R,α)=L r,1(R,α)+ωL r,2(R)㊂(8)在本文雷达通信一体化系统中,假设通信用户是单天线的,则第k个用户接收信号为:y k=h H k UF DMA F BB,k s k+ðK iʂk h H k UF DMA F BB,i s i+n k,(9)式中:h kɪN Tˑ1为基站与第k个用户之间的下行通道,n k~(0,σ2k)为第k个用户加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)㊂第k个用户接收信号的SINR可以表示为:γk=|h H k UF DMA F BB,k|2σ2k+ðK iʂk|h H k UF DMA F BB,i|2㊂(10)1.2㊀问题描述雷达通信一体化系统需要权衡通信和雷达之间的性能㊂基于动态超表面天线的雷达通信一体化系统,在保证每个通信用户的SINR高于给定阈值前提下的式(10),使雷达传输波束的性能达到最优的式(8)㊂另外,加上预编码矩阵有功率限制和模拟预编码矩阵相位限制的式(2),雷达通信一体化系统传输波束成形设计问题可以表示为:㊀min FBB,F DMA L r(R,α)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀s.t.㊀ UF DMA F BB 2FɤP max,F DMA(i,l)=j+e jφi,l2,φi,lɪ[0,2π],|h H k UF DMA F BB,k|2σ2k+ðK iʂk|h H k UF DMA F BB,i|2ȡΓ,(11)式中:Γ为给定用户的SINR阈值㊂式(11)涉及到数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵的联合设计,并且问题本身也是非凸的,很难求解㊂当天线架构为全数字天线架构时,该问题对应的问题容易求解,并且在用户SINR满足一定阈值时,其最优预编码矩阵获得的波束与理想波束十分相似㊂因此可以先求出全数字天线最优预编码矩阵,然后将动态超表面天线的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵拟合全数字天线的最优预编码矩阵,由此得到动态超表面天线的模拟与数字最优预编码矩阵㊂2㊀雷达通信一体化波束成形设计2.1㊀基于全数字天线架构先设计基于全数字天线架构的雷达通信一体化系统预编码矩阵W,使其在满足功率约束和用户SINR高于一定阈值前提下,雷达波束性能达到最优㊂其问题表示为:㊀㊀㊀min R L r(R,α)s.t.㊀R=WW HɪS+MW 2FɤP max|h H k w k|2σ2k+ðK iʂk|h H k w i|2ȡΓ,(12)式中:w i为W的第i列,W=(w1,w2 ,w K)㊂将第三个约束化简后的问题为:min R,RkL r(R,α)s.t.㊀R=WW HɪS+MW 2FɤP maxRkɪS+M,rank(R k)=1,k=1,2, ,K(1-Γ-1)h H k R k h kȡh H k Rh k+σ2k,(13)式中:R k=w k w H k,R=ðK k=1R k㊂由于其中的约束条件rank(R k)=1,k=1,2, , K是非凸的,可以先将其松弛掉,松弛后的问题是凸问题:min R,RkL r(R,α)s.t.㊀R=WW HɪS+MW 2FɤP maxRkɪS+M,k=1,2, ,K(1-Γ-1)h H k R k h kȡh H k Rh k+σ2kW=(w1,w2, ,w K),R k=w k w H k㊂(14)可以用Matlab中CVX工具箱求得最优解:R^, R^k,k=1,2, ,K㊂如果式(14)全局最优解满足R^kɪS+M,k=1,2, ,K 秩为1,那么求解式(13)中使用的松弛就是紧的,即松弛后问题的解也是原非凸问题的解㊂定理1㊀式(13)存在最优解R ~,R ~k ,k =1,2, ,K ,满足rank(R ~k )=1,k =1,2, ,K ㊂证明㊀R ^,R ^i ,i =1,2, ,K 为式(14)的全局最优解,将R ^,R ^i,i =1,2, ,K 做以下变换:R ~=R ^,w ~i =(h H i R ^i h i )-1/2R ^i h i ,R ~i =w ~i w ~H i ,R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为半正定矩阵且秩为一㊂因为R ~=R^,并且式(13)和式(14)的最终问题是相同的,所以R ~是式(13)全局最优解㊂现在只要证明R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为式(13)的可行解,则R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为式(13)的全局最优解㊂由于h H kR ~k h k =h H kw ~k w ~H k h k =h H k R ^k h k ,将其带入到(1-Γ-1)h H k R ~k h k=(1-Γ-1)h H k R ^k h k ȡh H k R ^k h k +σ2k =h H k R ~k h k +σ2k 满足式(13)的限制条件㊂所以R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为原问题的全局最优解㊂由定理1可知将式(14)最优解做以下变换:R ~=R ^,w ~k =(h H k R ^k h k )-1/2R ^k h k ,R ~k=w ~k w ~H k ,R ~k ɪS +M ,k=1,2, ,K 且秩为1,并且R ~仍为原问题的解㊂由此可以求解得到全数字天线最优预编码矩阵的列向量w k ,全数字天线架构的最优预编码矩阵W 也就可以求出㊂2.2㊀基于动态超表面天线架构在上节求解得到了全数字天线最优预编码矩阵,本节设计动态超表面天线架构预编码矩阵,使雷达通信一体化系统在满足功率约束㊁模拟预编码矩阵相位约束和通信用户信干扰加噪声比高于一定阈值前提下,最优拟合全数字天线预编码矩阵,其问题表示为:min F BB ,F DMAUF DMA F BB -W ~2Fs.t.㊀ UF DMA F BB 2F ɤP maxq i ,l =j +ej φi ,l2,φi ,l ɪ[0,2π]}{ɪF DMA ,∀i ,l|h H kUF DMA F BB,k|2σ2k+ðKi ʂk|h H kUF DMA F BB,i|2ȡΓ㊂(15)由于此问题不是凸问题,故将问题分解成设计两个子问题相互迭代来求解,两个子问题分别设计数字和模拟预编码矩阵㊂然而,数字和模拟预编码矩阵的设计问题都是非凸问题㊂为此,本文分别采用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR )技术[16-17]和黎曼共轭梯度(Riemannian Conjugate Gra-dient,RCG)算法[18]分别设计最优数字和模拟预编码矩阵㊂2.2.1设计模拟预编码矩阵当固定数字预编码矩阵F BB 设计最优模拟预编码矩阵时,限制条件只有模拟预编码矩阵的相位限制㊂其问题为:min FDMAUF DMA F BB -W ~2Fs.t.㊀q i ,l =j +ej φi ,l2,φi ,l ɪ[0,2π]}{ɪF DMA ,∀i ,l ㊂(16)由于问题是矩阵形式,不方便求解,所以将矩阵向量化:min FDMAUF DMA F BB -W ~2F =min F DMA(F T BB U )vec(F DMA )-w 2F ,式中:w =vec(W ~)㊂因为vec(F DMA )中的元素除了相位限制元素,其他为零元素㊂由于零元素的具体位置是已知的,所以可以先将零元素剔除掉㊂令q 为vec(F DMA )去除零元素后的向量,A 为(F T BB U )去除掉与vec(F DMA )零元素相对应的列向量㊂此时的问题转换为:㊀min F DMA(F T BB U )vec(F DMA )-w 2F =min q(Aq -w )H (Aq -w )=min qq H A H Aq -2q H A H w +w H w ㊂(17)由于模拟预编码矩阵的非零元素q i ,l 可以描述为圆心点为0,12e j π2(),半径为12的复平面圆上:q i ,l -12e j π2=12,定义向量b 为:b k =2q k -e j π2,所以q =12b +e j π21(),|b k |=1㊂最终可以将问题转换为关于向量b 的问题:min bq H A H Aq -2q H A H w +w H w =min b 14b +e j π21()H A H A b +e j π21()-b +e j π21()H A H w +w H w s.t.㊀|b k |=1ɪb ,(18)这时搜索空间为N T 个复数圆上,是一个N T的黎曼子流形,可以通过RCG 求得最优解b opt ㊂其中该问题的黎曼梯度为Δf (bt +1k)=AH㊃12A b t +1k +e j π21()-w ()㊂由于F DMA 非零位置是已知的,所以将最优解bopt扩展成矩阵形式,可以得到最优模拟预编码矩阵F opt DMA ㊂2.2.2设计模拟预编码矩阵当固定模拟预编码矩阵F DMA 时,限制条件为预编码矩阵功率约束和通信SINR 阈值约束,其问题为:㊀㊀㊀㊀min F BBUF DMA F BB -W ~ 2F㊀㊀㊀㊀s.t.㊀ UF DMA F BB 2FɤP maxh H k UF DMA F BB,k2σ2k+ðKi ʂk|h H kUF DMA F BB,i |2ȡΓ㊂(19)由于式(19)中第二个限制条件F BB 是按列展开的,所以将问题中的矩阵F BB 和W ~也按列展开:ðKk =1UF DMA F BB,k-W ~k 2F =ðK k =1F H BB,k F H DMA U H UF DMA F BB,k -2F H BB,k F H DMA U H W ~k +W ~Hk W ~k ㊂(20)展开后的问题并不容易求解,引入辅助变量t 2=1,可以化解成二次约束二次规划问题(Quadrati-cally Constrained Quadratic Programs,QCQP):v -k =F BB,kt(),Q k =F H DMA U H UF DMA ,-F H DMA U HW ~k ㊀㊀-W ~H k UF DMA ,W ~H k W ~k(),F H BB,k F H DMA U H U F DMA F BB,k -2F H BB,k F H DMA U H W ~k +W ~H k W ~k=v -H k Q v -k ㊂但此时,由于式(20)中第二个限制条件是非凸的,所以该问题也是非凸的㊂引用SDR 技术将问题进行化简,令V k =v -k v -H k ,rank(V k )=1,可以将问题简化为SDR 的标准形式:min V k ðKk =1tr(Q k V k )s.t.㊀ðKk =1trF H DMA U HUF DMA ,00,()V k ()ɤP max ,∀k ,trH k ,00,0()V k ()Γ-ðKi ʂktrH k ,00,()V i ()ȡσ2k ,tr0K ∗K ,00,1()V k ()=1,V k ȡ0,rank(V k )=1,H k =F H DMA U H h k h Hk UF DMA ㊂(21)由于约束项rank(V k )=1是非凸的,先将其松弛掉,之后的问题是凸问题,可以用Matlab 中CVX 工具箱求最优解V opt k ㊂如果该问题可解或有界,则ðKk =1[rank(V opt k )]ɤK +1,又因为每个用户的SINR 阈值限制,最优解满足:rank (V opt k )ȡ1,所以其最优解满足rank(V opt k )=1㊂由此证得rank(V k )=1的松弛是紧的,V opt k是原问题的最优解㊂F opt BB,k 是V optk的最大特征向量乘以最大特征值的平方根,因此,可以得到最优数字预编码矩阵F opt BB ㊂3　仿真分析本节采用数值仿真验证DMA 雷达通信一体化设计算法的性能,并且与全数字天线架构㊁基于相移器的混合波束天线架构和理想雷达波束进行对比㊂考虑雷达通信一体化基站的天线为均匀线性天线阵列,总发射功率为1W 和天线数量为24,其为用户提供通信服务并探测区域内目标㊂在探测区域内设置了方向为-40㊁0ʎ和40ʎ的3个理想目标,其波束表达式为:d (θ)=1,θ0-Δ2ɤθɤθ0+Δ20,㊀㊀otherwise{,(22)式中:Δ为理想波束的宽度,设置为2ʎ㊂当系统设计的DMA 射频链路为12个,信噪比设置为20dB 时,不同天线架构随角度变化的波速比较如图2所示㊂不同天线架构在满足用户需求前提下,使雷达波束达到最优的仿真,图中K =0㊁FD㊁DMA 和BP 线分别为理想目标波束㊁全数字天线架构波束㊁DMA 天线架构波束和基于相移器架构波束㊂可以看出,全数字天线的雷达波束图基本与理想的波束重合,DMA 天线架构和基于相移器架构也很好地还原了最优波束图,并且从中很容易查找出在-40ʎ㊁0ʎ和40ʎ方向有目标,因为这3个方向的波束峰值明显高于其他方向㊂图3是在4个通信用户SINR 的阈值从6dB 调整到14dB,不同天线架构随角度变化的波束比较㊂图2与图3对比可知,在通信用户阈值提高的情况下,DMA 架构和基于相移器的混合架构的目标雷达波束图峰值有明显的变差㊂图4是在6个通信用户信SINR 的阈值为6dB 情况下,不同天线架构随角度变化的波束比较㊂图2与图4对比可知,服务通信用户增加,目标雷达波束图峰值会变差㊂图5是在4个通信用户信SINR 的阈值为6dB,功率约束调整为2W 情况下,不同天线架构随角度变化的波束比较㊂图2与图5对比可知,增加发射功率,图5中目标雷达波束图峰值接近图2中目标峰值的2倍㊂图2㊀不同天线架构随角度变化的波束比较Fig.2㊀Comparison of beams varying by angle fordifferent antennaarchitectures图3㊀调整用户SINR 后的波束比较Fig.3㊀Beam comparison after adjusting theuser sSINR图4㊀调整用户个数后的波束比较Fig.4㊀Beam comparison after adjusting the number ofusers图5㊀调整功率约束后的波束比较Fig.5㊀Beam comparison after adjusting power constraints图6展示了基于DMA 的雷达一体化系统在不同发射功率情况下,用户SINR 阈值约束和雷达波束性能之间的权衡㊂可以看出,在发射功率一定时,随着用户SINR 阈值的增加,DMA 天线预编码矩阵与全数字天线预编码矩阵之间的均方差也在增加,并且发射功率为2W 时的均方差明显大于功率为1W 的设计㊂这是因为当通信质量要求增加时,为满足用户质量需要消耗更多的功率,而生成雷达波束的功率会变少,雷达波束性能也会变差㊂因此,降低通信质量要求,可以提高雷达波束性能㊂图6㊀用户SINR 阈值与雷达波束均方差之间关系Fig.6㊀Relationship between the user s SINR threshold andthe mean square deviation of the radarbeam4　结束语本文研究了基于动态超表面天线的雷达通信一体化系统,设计了相应的最优波束成形策略㊂采用了数字预编码矩阵与模拟预编码矩阵设计联合交替优化设计,分别应用半正定松弛和黎曼共轭梯度算法求解㊂数值仿真结果表明,所提算法设计的动态超表面天线架构的雷达通信一体化系统,在满足通信用户性能的前提下,其雷达性能接近理想雷达波束㊂动态超表面天线架构与基于相移器的混合波束天线架构整体性能相似,其雷达通信一体化系统中雷达与通信性能之间存在负相关,雷达性能随着通信性能的提高而降低㊂参考文献[1]㊀刘凡,袁伟杰,原进宏,等.雷达通信频谱共享及一体化:综述与展望[J].雷达学报,2020,10(3):467-484. [2]㊀ZHENG L,LOPS M,ELDAR Y C,et al.Radar and Com-munication Coexistence:An Overview:A Review of RecentMethods[J].IEEE Signal Processing Magazine,2019,36(5):85-99.[3]㊀CHU J,LIU R,LIU Y,et al.AN-aided Secure Beamform-ing Design for Dual-functional Radar-communication Sys-tems[C]ʊ2021IEEE/CIC International Conference onCommunications in China(ICCC Workshops).Xiamen:IEEE,2021:54-59.[4]㊀LIU X,HUANG T,SHLEZINGER N,et al.Joint TransmitBeamforming for Multiuser MIMO Communications andMIMO Radar[J].IEEE Transactions on Signal Process-ing,2020,68:3929-3944.[5]㊀KAUSHIK A,MASOUROS C,LIU F.Hardware EfficientJoint Radar-communications with Hybrid Precoding andRF Chain Optimization[C]ʊICC2021-IEEE InternationalConference on Communications.Montreal:IEEE,2021:1-6.[6]㊀LIU F,MASOUROS C.Hybrid Beamforming with Sub-arrayed MIMO Radar:Enabling Joint Sensing and Commu-nication at mmWave Band[C]ʊICASSP2019-2019IEEE International Conference on Acoustics,Speech andSignal Processing(ICASSP).Brighton:IEEE,2019:7770-7774.[7]㊀CHENG Z,LIAO B,HE Z.Hybrid Transceiver Design forDual-functional Radar-communication System[C]ʊ2020IEEE11th Sensor Array and Multichannel Signal Process-ing Workshop(SAM).Hangzhou:IEEE,2020:1-5. [8]㊀CHENG Z,HE Z,LIAO B.Hybrid Beamforming for Multi-carrier Dual-function Radar-communication System[J].IEEE Transactions on Cognitive Communications and Net-working,2021,7(3):1002-1015.[9]㊀CHEN C Y,VAIDYANATHAN P.MIMO Radar Wave-form Optimization with Prior Information of the ExtendedTarget and Clutter[J].IEEE Transactions on Signal Pro-cessing,2009,57(9):3533-3544.[10]DAI Y,HAN K,WEI G,et al.Hybrid Beamforming forDFRC System Based on SINR Performance Metric[C]ʊ2021IEEE/CIC International Conference on Communicationsin China(ICCC Workshops).Xiamen,IEEE,2021:82-87.[11]LAN G,IMANI M F,DEL HOUGNE P,et al.WirelessSensing Using Dynamic Metasurface Antennas:Challengesand Opportunities[J].IEEE Communications Magazine,2020,58(6):66-71.[12]SMITH D R,YURDUSEVEN O,MANCERA L P,et al.Analysis of a Waveguide-fed Metasurface Antenna[J].Physical Review Applied,2017,8(5):054048. 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[17]ZHANG S.Quadratic Maximization and Semidefinite Re-lax-ation[J].Mathematical Programming,2000,87:453-465.[18]YU X,SHEN J C,ZHANG J,et al.Alternating Minimiza-tion Algorithms for Hybrid Precoding in Millimeter WaveMIMO Systems[J].IEEE Journal of Selected Topics inSignal Processing,2016,10(3):485-500.作者简介:㊀㊀高㊀克㊀男,(1994 ),硕士研究生㊂主要研究方向:雷达通信信号处理㊂张海洋㊀男,(1987 ),博士研究生㊂主要研究方向:无线通信信号处理㊁面向6G近场无线通信㊂王保云㊀男,(1967 ),博士,教授㊂主要研究方向:香农信息论㊁无线通信中的博弈与协作㊁无线通信中的信号处理技术㊁视频信息的分析与理解㊂。

雷达-通信一体化系统设计

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｄａｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：ｓｏｕｒｃｅｐｈａｓｅｄａｒｒａｙｒａｄａｒ
随着科学技术的发展，现代战场与传统战场相比发生了巨以下三点：大的变化，其中战场信息化的发展尤为迅速。传统的电子设备功能单一，而且电子设备的集成程度较低，设备彼此之间相对独立，（１）雷达通信一体化的研究可以为战场中电子技术的运用方
ＣｈｅｎｇＺｈｉｇａｎｇ
（Ｌｉａｏｎｉｎｇｈｕｌｕｄａｏ９１２０２ｔｒｏｏｐｓ，１２５００４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｍｏｄｅｒｎｂａｔｔｌｅｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂａｔｔｌｅｆｉｅｌｄｃｏｍｐａｒｅｄｔｏａｈｕｇｅｃｈａｎｇｅ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂａｔｔｌｅｆｉｅｌｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉＳｐａｒｔｉｃｕ１ａｒｌｙｒａｐｉｄ．ＴｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄａｒａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉＳｆｅａｓｉｂｌｅｂｏｔｈｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｈａｖｅｖｅｒｙｌａｒｇｅｏｖｅｒｌａｐ，ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒａｄａｒａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｈａｖｅａｌｏｔｏｆＳｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ，ｓｏｉｔｉＳｆｅａｓｉｂｌｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｒａｄａｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙａｎａｌｙｓｉＳｏｆｒａｄａｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｒａｄａｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｇｒａｍｓ．

雷达_通信一体化系统设计

图1 雷达－通信一体化系统框图
C2 ，然后再进行乘性混合，其形之前分别加上大直流分量 C1 ，式为： s = （ x + C1 ）（ c + C2 ）于是 ls = lns = ln［（ x + C1 ）（ c + C2）］ = ln（ x + C1 ） + ln（ c + C2 ） ≈k1 x + k2 c 3． 2 修正的盲源分离算法盲源分离通常处理的模型为 x = As，通过寻求线性变换 W，使得估计分量 y = Wx 尽可能统计独立。这里 x 为已知的 m 维观测向量， s 为未知的 N 维源向量，且其各分量统计独立； A 为一个未知的 M × N 线性混合矩阵。盲源分离算法是针对阵列信号的，而对单一信号不适用。而本系统中接收机采用单天线接收，因此，要对盲源信号进行修正，使其符合阵列信号的要求。以雷达信号作为参考信号，使接收信号经同态滤波后的信号和雷达信号组合成为一阵列信号。即：（ 5）（ 4）
H（ f） =
{
1， 1 2
{1 + cos [ π（ 2Ts
— 1 —
使雷达具有通信功能，需将通信信号调制到雷达信号传播，
2
2． 1
雷达－通信一体化设计方案
雷达－通信一体化系统设计雷达系统和通信系统在原理上都是电磁波的发射和接
形成一体化信号。中，假设雷达发射的信号形式为： c（ t） = Acos（ 2 πf c t + θ（ t）） = c1 （ t） cos（ 2 πf c t）（ 1） A 为载波的幅度； f c 为载波频率； θ（ t）为相位调制函数；其中，
本系统中，雷达信号采用线性调频（ LFM ）信号，通信信号调制方式采用 BPSK 调制方式。

雷达通信一体化系统设计与实现

雷达通信一体化系统设计与实现摘要：雷达通信一体化通过一套共用的硬件设备实现雷达探测与通信传输，相比于传统单一的雷达或者通信设备，更易集成化、小型化和高效利用频谱。

该文系统地介绍了雷达通信一体化的原理与特点，指出了一体化研究中急需解决的问题，从典型的基于线性调频(LFM)的雷达通信一体化信号出发，全面梳理了国内外针对雷达通信一体化的相关研究，着重归纳了正交频分复用(OFDM)与多入多出(MIMO)技术在雷达通信一体化波形设计、信号处理、一体化系统设计等几个重点方向的研究进展，并分析了雷达通信一体化未来的可能发展趋势及其在军事领域和民用智能交通领域的重要应用前景。

关键词：雷达通信；一体化；源相控阵雷达一、雷达通信—体化的研究意义雷达通信一体化的研究是十分有必要的，其研究意义主要有以下三点：1.1雷达通信一体化的研究可以为战场中电子技术的运用方式提供更多的工作方式，给设备带来更大的利用空间。

现代战争与传统战争不同，信息化的要求越来越高，现代战争实际上就是信息的战争，谁能在信息的竞争上取得先机，谁就在战争中取得巨大的优势。

因此不断提高作战军队的信息化和技术化的程度，为赢得现代战争打下坚实的基础。

随着信息化程度而不断提高，作战的综合指挥方式也发生了巨大的变化，为了在指挥和执行上更好的交互，就要不断提高资源的利用率，提高信息化的程度，以达到现在作战信息化的要求。

1.2雷达通信一体化的研究可以极大地提升军队空中的作战能力。

如通过对雷达进行简单的基础改造，让雷达实现通讯，不仅可以减少通讯设备，简化通讯系统，节约空间资源和作战成本，是十分有意义的。

1.3雷达通信一体化的研究还可以实现通信设备的多样化，给信息的传递带来极大的便利，使得指挥部更具有智能性和灵活性。

将雷达与通信结合起来，不仅可以提高设备的工作效率，并且也简化了设备的开发过程。

开发者不用再研究一部新的设备，而把研究重点放到提高设备的功能多样性上来，利用雷达的优势，能实现设备的多样化。

雷达通信一体化的设计与实现

雷达通信一体化的设计与实现作者：顾凌俊来源：《科学与信息化》2020年第26期摘要随着雷达技术应用于人类生产和生活等许多领域，单部雷达执行的任务变得越来越繁重，并且常常无法满足需求，因此，可以创建一个集成的平台来进行雷达通信和形成多部雷达网络，这样大大提高了雷达的性能。

本文分析和探索了集成雷达通信技术，并简要介绍了其设计和实现。

关键词雷达通信;集成;设计;实施引言1 集成系统的主要技术1.1 雷达通信综合传输系统设计雷达系统使用脉冲系统，脉冲雷达定期以脉冲形式向外部空间发射电磁波。

脉冲持续时间只是发射周期的很小一部分。

在脉冲系统中，当发送器发送脉冲信号时，接收器开关工作在“关闭”状态，而当发送器不发送脉冲信号时，接收器开关工作在“开”状态，准备接收回波。

信号。

通信系统基于雷达系统，共享信号处理系统，射频系统，平台天线系统。

从操作系统的角度来看，如果雷达功率放大器的脉冲功率高，则功率放大器不能长时间连续工作，通信系统会选择脉冲系统的工作模式，并根据脉冲工作模式，设计一个双高速分组通信系统。

1.2 雷达通信一体化通信信号技术在数字通信系统中有许多类型的通信信号。

通常，增加的旁瓣功率以及相对大量的相邻信道的相互干扰，是PSK（相移键控）信号在载波相位上会发生突然变化而引起的。

由于强烈的信号干扰，引入带宽限制滤波器来过滤旁瓣也会使信号波动并降低传输质量，从而使PSK信号不适用于通信信号。

在FSK（频移键控）和MSK（最小相移键控）信号中，载波相位在码元间隔内出现线性变化，因此相位连续变化。

码元间信号没有相位跳变，并且与PSK（相移键控）信号相比，选择了MSK（最小相移键控）信号作为集成雷达通信信号，以有效消除其他的弊端。

1.3 全共享波形设计根据共享波形设计方法，完全共享系统是其中通信信号和检测信号被叠加的完全共享波形，基于检测的波形完全共用波形以及基于通信波的全共用信号。

完全共用的通信波形与探查波形首先分别生成，然后直接重合并组合为完全共享的信号。

基于OFDM的雷达通信一体化信号问题研究

基于OFDM的雷达通信一体化信号问题研究摘要：如今，现代科技越来越发达，人们在潜心科研，设计雷达一体化，能够实现实时共享，传统的技术装备过于沉重，不便于携带，雷达一体化具有通信功能，本文向人们介绍了雷达一体化的概念、性能、意义。

关键词：雷达一体化；扩频技术；频率估计补偿引言：科技发达的今日，雷达和通信装备越来越复杂，并且一般都是独立携带，操作费时费力。

所以，我国现在针对于雷达一体化技术十分注重。

雷达一体化具有通信功能，可以检测到敌人的方位，并且雷达一体化的灵敏度高，传输距离远，传输质量强，在使用雷达一体化进行传输信号时降低了被截获的可能性，增加了通信的保密性。

1.基于MSK-LFM一体化信号的研究2.1传统MSK-LFM信号分析2.1.1 MSK信号概述MSK是一种调制技术，它可以实现传输信号，调节信息的幅值，频率。

MSK 具有包络恒定、包络起伏小、功率小等特性。

目前我国还在研究如何能使MSK更加完善。

MSK的信号较集中，内频谱的下降速度比较慢，而外衰减速度变得更加快，抑制性强，这种信号可以控制在一个范围内，即节约了成本，又对信号主体不产生影响。

2.1.2 MSK-LFM信号结构分析MSK调制后的波形相位连续，利用两个波形结合，能够形成一体化波形。

雷达信号不受到影响，检测功能有所损失，但是一直保持着线性调频的特点。

2.2 模糊函数定义及性质模糊函数是一种指标，可以用来检测雷达波形的重要工具。

雷达的模糊函数是二维相关的函数模，检测额灵敏度极高,雷达模糊图可以体现出信号的特性，通过雷达信号图可以比较雷达系统的优劣，在雷达信号图中，我们可以明显看出信号发射的距离、质量、精度。

模糊函数是再雷达接收机接收到信号后进行回波信号。

它反映了目标的距离和频率的信息。

但是，模糊函数并不是很完美，它精确的速度不是很严格，许多雷达对模糊函数依赖性很大。

2.3 MSK-LFM一体化信号性能分析2.3.1 MSK-LFM一体化信号通信性能分析在不受外界干扰的前提下，MSK-LFM的误码率与传统信号以的误码率几乎一致，当一体化的信号发生泄漏时，随着能量的下降，信噪比也会随之下降，通信的误码率会随之变差。

QAM-OFDM雷达通信一体化共享信号相参积累分析

QAM-OFDM雷达通信一体化共享信号相参积累分析杨勇军;梅进杰;胡登鹏;雷云龙【摘要】Conventional radar system generally emits the pulses with same waveform, whereas it need to transmit different sharing signal waveforms for different pulses in the quadrature amplitude modulation-orthogonal frequency division multiplexing (QAM-OFDM) radar-communication integrated system to carry communication data.The diversities among different pulses of sharing signal waveform may result in the performance reduction of target energy accumulation during the multi-pulse coherent integration.For this problem, a coherent integration algorithm based on the communication information preprocessing is ing the characteristics of communication information known to the system, demodulation and matrix division are performed on the sharing signals, and the parameter information of the coherent integration is retained.Theoretical analysis and simulation results show that the algorithm can effectively improve the coherent integration performance of the sharing signals.%常规雷达系统一般发射具有相同波形的脉冲,而在正交幅度调制-正交频分复用(QAM-OFDM)雷达通信一体化系统中,为了携带通信数据,不同脉冲需要发射不同共享信号波形.在进行多脉冲相参积累时,共享信号波形不同脉冲间的差异可能会导致目标能量积累性能下降.针对该问题采用基于通信信息预处理的相参积累算法.利用系统对通信信息已知的特点对共享信号进行解调和矩阵相除运算,保留相参积累的参数信息.理论分析和仿真结果表明,该算法能有效提高共享信号的相参积累性能.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2019(042)001【总页数】5页(P62-66)【关键词】正交频分复用;雷达通信一体化;共享信号;相参积累【作者】杨勇军;梅进杰;胡登鹏;雷云龙【作者单位】空军预警学院, 湖北武汉 430019;空军预警学院, 湖北武汉 430019;空军预警学院, 湖北武汉 430019;空军预警学院, 湖北武汉 430019【正文语种】中文【中图分类】TN957.50 引言随着现代技术的不断发展，对系统综合性能的需求不断提升，多功能一体化系统逐渐成为发展趋势。

雷达通信一体化研究现状与发展趋势

雷达通信一体化研究现状与发展趋势摘要：对于雷达通信依一体化来说是指在探测过程中的一种发展趋势，它是在现代化技术应用过程中的一种新型理念，相较于传统的雷达探测模式来说，这种雷达通信一体化的技术设备可以增加频谱的利用率，实现软件和硬件的有效结合，并且提高了在应用过程中的范围，扩大了它的功能，在军事、航空以及探测等领域都有着广泛的应用。

本篇文章通过对雷达通信一体化进行阐述，分析雷达通信一体化的现状，并且就雷达通信一体化的未来发展方向进行探讨。

关键词：雷达通信一体化；发展趋势；波形设计；引言雷达是指一种通过电磁波进行目标探测的电子设备，它可以根据目标的设定完成对空间位置上的有效测距，因此，雷达也被称为是无线电定位的一种方式。

雷达在工作过程中的主要原理是通过发射电磁波并且经过一系列的照射后，完成电磁波接收的过程，从而通过各种数据和参数的范围对目标的距离、方位以及高度等因素进行分析计算的过程。

雷达在现代化的社会中有着非常广泛的应用，可以实现不同方式下的搜索和跟踪功能，它在武器中的应用可以提高武器的基础功能，并且最大限度的发挥它的作用，而且雷达还是工程无损检测中的一种手段，对于社会的发展来说有着重要的作用。

在科学技术的研究下，雷达在应用中逐渐与通信技术结合在一起，实现雷达通信的一体化发展，这也就带来了更多的应用空间，实现了更多的功能。

1、关于雷达通信一体化1.1雷达通信一体化的概念雷达通信一体化，就是将软件和硬件结合起来的一种形式，在具有雷达功能的电子设备应用过程中实现不同设备之间信息的有效传输，从而达到随时获取数据信息的目的，雷达通信一体化的发展为数据的无线传播提供了一定的可能性，并且它在具体的应用中，操作非常简单，可以直接通过电磁波的发射与接收，就可以完成信号处理的过程，雷达与通信技术在应用过程中，可以实现在发射机、接收机以及信号处理器等设备之间的通用性。

1.2雷达通信一体化的特点对于目前的雷达通信一体化来说，它在我国的起步时间较短，但是有关部门一直致力于这方面的研究，也在加大相应的投资力度。

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雷达通信一体化系统分析
作者：田红袁吉珊
来源：《电子技术与软件工程》2017年第23期
摘要随着电子、通信等技术的发展，战场作战环境日趋复杂，面临的战场威胁与日俱增，各种电子设备的性能也在不断提高。

传统的做法只是在单个设备上进行性能优化，而利用各种电子技术，把不同用途的设备进行整合，构成一体化的电子系统已经成为一个新的研究方向。

研究雷达通信一体化系统，将在很大程度上提升作战平台的作战威力和信息化水平。

雷达与通信不仅有相似的工作原理，而且系统资源也有很多的共同性，所以雷达和通信实现一体化完全是具有可操作性的。

本文就二者的相似性方面进行分析，并且提供实现一体化的构想。

【关键词】雷达通信一体化
1 引言
雷达与通信由于研究对象存在差异，导致了二者被严格区分，从而产生了目前存在的雷达对抗和通信对抗的现象。

现实中，雷达和通信两者作为获取、处理、传输、交换信息的两种方式，虽然在软硬件上面有所区别，但是二者又有相似的工作原理、工作频率以及系统结构等。

所以，雷达和通信存在着共同性，这就为实现雷达和通信的一体化提供了基础，两者的硬件共享也是有可行性的。

如果将雷达系统与通信系统有效的结合在一起，不仅对提高军队在战场上的作战能力具有极大的帮助，还能有效克服情报传递速度慢，错误率高以及保密性不高等方面的不足。

该系统与原有的雷达系统相比加入了通信的调制与解调设备，把发射端的信号调配到雷达信号一起表达，这样就能表达出一体化的信号，在接收端对两种信号进行区别分离，使系统实现探测与通信的功能，从而实现雷达和通信一体化。

2 雷达与通信一体化研究的目的
实现雷达与通信一体化具有十分重要的意义，具体表现在以下三个方面：
（1）雷达与通信系统一体化可以实现资源共享，最大限度地利用雷达设备，使雷达的优良性能为通信服务。

在接收方能实现雷达与通信信号的完全分离与处理，并分别实现雷达与通信两种功能且不相互影响。

（2）雷达和通信的一体化可以大大提高作战平台的作战威力。

首先一体化设计提高了设备的可用性和可靠性。

高科技电子装备，承担着信息获取和联网传递等方面的任务，是信息化条件下电子对抗体系的核心要素。

一体化系统可实现资源共享、动态可组和高可靠利用，同时减小系统电磁干扰和能源消耗，提高电子系统的综合性能。

其次，可以实现雷达目标信息和通信信息同时传输，提高信息传递的实时性，降低对通信设备的依赖程度，保密性也有所提高。

（3）雷达和通信的一体化可应用于多个领域。

雷达和通信一体化不仅可提高军队作战水平，在航空、汽车等领域也大有用处，它能够极大地便利信息传递，同时还有利于提高指挥的灵活性以及智能性。

3 雷达与通信系统的互通性分析
要想实现雷达和通信的有效结合，就必须对二者进行透彻研究，以此做为实现一体化的基础。

二者在以下几个方面具有互通性：
（1）雷达系统和通信系统的理论基础均涉及电磁场、数字信号处理、计算机技术等。

数据融合、人工智能等一些新的技术也分别运用于两者。

因此雷达与通信系统的一体化从理论上讲是完全可以实现的。

（2）雷达系统和通信系统在原理上都以发射和接收电磁信号实现其功能。

（3）雷达系统和通信系统整体结构相同，雷达系统是通过天线、发射、接收、信号处理，然后达到终端。

而通信系统是通过接收机、天线以及信号发射器组成。

（4）雷达系统和通信系统使用的频率及信号的调制特征有相似之处，两者之间的差异变得越来越小，未来必定会朝着一体化的方向发展。

4 雷达通信系统一体化设计可行方案
对于雷达和通信系统的一体化设计，不仅理论基础已具备，硬件资源也可共享。

其中一种方案是雷达天线、发射机和接收机与通信硬件共享。

雷达通信系统一体化设计框图如图1所示。

图1中，虚线框内的部分为雷达系统的硬件资源，虚线外的部分是系统为增加通信功能所需要增加的硬件。

雷达通信一体化系统是在原有雷达系统的基础上增加通信调制、解调设备，在发射端把通信信号调制到雷达信号上，用雷达天线、发射机和接收机完成收发功能，雷达系统与通信系统一体化是在接收端增加信号分离器，用多种信号算法分离并还原两种信号，通信信号分离出来进行解码和恢复即可获得通信信息；而对于雷达方，目标回波信号分离出来后，送至雷达信号处理分系统，进行相应的信号处理和数据处理，然后送至终端进行显示。

雷达通信一体化系统既要有雷达的目标探测功能，又要有通信的信息传输功能，关键在于一体化信号设计和信号分离。

4.1 一体化信号要同时满足雷达和通信设备的要求
一体化信号调制方式的选择尤为重要，它不但会影响通信的性能，更可能会对雷达的探测性能产生影响。

雷达信号选用LFM或二相编码都可与通信信号进行一体化设计而不影响雷达的探测性能。

4.2 信号分离是信息处理和识别的基础，在信号分析与处理中占有重要地位
目前，信号分离主要有乘法性信号分离和加法性信号分离两种。

其中，对于加法性信号分离，已有众多成熟算法，如： ICA分离、LMS分离、谱分离、盲分离、自适应分离等。

对于乘法性信号的分离，可采用同态滤波算法，先将乘法性信号转变为加法性信号，然后用已有的加法性信号分离方法实现雷达信号与通信信号的分离。

5 结束语
在分析了雷达与通信的相似之处后提出里雷达通信一体化设计方案，该方案不仅能节省资源，更能提高军队的作战实力。

但是目前雷达通信一体化系统刚刚起步，尚有许多难点需要我们进行深入探究。

参考文献
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作者单位
南京长江电子信息产业集团有限公司江苏省南京市 210038。