雷达通信一体化系统射频隐身技术295

雷达通信一体化系统射频隐身技术第一章绪论主要内容射频隐身技术背景及意义13雷达通信一体化系统2主要内容射频隐身技术背景及意义13雷达通信一体化系统21.1背景及意义为了适应高技术条件下现代战争环境的需要，现代武器装备需要配备多种型号的雷达设备和通信设备，以完成必要的战场态势感知与战术数据链功能。1.1背景及意义由于模块化程度低、体积大、成本高、电磁干扰严重，雷达设备、通信设备等射频传感器难以适应现代化智能作战平台的设计要求。1.1背景及意义在有限的平台体积和孔径资源下，将雷达系统与通信系统进行有机结合并共享资源，是解决上述问题的有效途径。1.1背景及意义雷达通信一体化系统可以有效提高设备的可用性和可靠性，实现资源共享与动态可组合，同时可减少系统电磁干扰和能量消耗，利于提升战场态势感知与信息传输能力。1.1背景及意义然而，随着先进材料与电子技术的发展，无源态势感知、电子情报系统等敌方无源探测系统具有作用距离远、隐蔽性强、不易被发现等优点，对我军射频装备构成了严峻的威胁。1.1背景及意义射频隐身技术是通过控制己方有源电子设备的射频辐射特征，缩短敌方无源探测系统对有源信号的有效作用距离，实施对敌目标探测、跟踪、识别、打击的核心技术。1.1背景及意义雷达通信一体化系统射频隐身技术的研究，利于提升对抗敌方先进无源探测系统时的效益，形成对敌作战优势，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。主要内容射频隐身技术背景及意义13雷达通信一体化系统21.2雷达通信一体化系统

雷达通信一体化系统充分利用软硬件系统资源，可以实现战场态势感知、指挥控制、通信、情报、监视与侦察等系统的有机融合。1、系统设计2、信号处理3、波形设计1.2雷达通信一体化系统

1、系统设计雷达与通信系统的工作原理和硬件构成却存在较大相似性。雷达信号和通信信号趋于相同，雷达与通信工作频段也存在部分重合。1.2雷达通信一体化系统1、系统设计因此，雷达通信一体化系统具有物理上的可实现性。1.2雷达通信一体化系统1、系统设计短波通信与超视距雷达集成系统设计框图1.2雷达通信一体化系统1、系统设计测距、通信一体化激光雷达系统1.2雷达通信一体化系统1、系统设计合作式MIMO雷达通信一体化系统1.2雷达通信一体化系统1、系统设计雷达通信一体化系统在未来城市交通中的应用场景1.2雷达通信一体化系统

2、信号处理为实现雷达通信一体化系统的目标探测功能和信息传输功能，需要对一体化接收信号进行相应的信号处理，从而提高雷达目标探测性能，并降低数据传输误码率。1.2雷达通信一体化系统

3、波形设计一方面，波形要具有优良的分辨能力和较低的误码率，满足目标探测、定位、跟踪、识别、通信、组网等功能性需求；另一方面，波形还需要具有较好的自适应、电磁兼容、射频隐身和抗干扰等能力。1.2雷达通信一体化系统

3、波形设计单载波方案：利用传统的雷达信号体制，具有较好的雷达目标探测性能。多载波方案：具有高数据传输速率、高频谱利用率和抗干扰等优点。主要内容射频隐身技术背景及意义13雷达通信一体化系统21.3射频隐身技术近年来几次高技术局部战争的经验教训告诉我们，夺取战场制电磁权、获得制空权对战争的胜利起着决定性作用。要在战争中做到先敌发现、先敌攻击，就必须大力发展射频隐身技术。1.3射频隐身技术20世纪70年代，美国最先开始进行射频隐身技术的相关研究，现在美国在射频隐身技术方面的研究已走在世界的前列。射频隐身技术实验最早出现在美军F-117轰炸机上。1.3射频隐身技术我国对机载雷达、通信等航空电子设备的低截获研究起步较早，取得了一定的研究成果，但在射频隐身技术方面的研究还与国外存在较大差距。1.3射频隐身技术1、射频隐身表征参量2、最低辐射能量控制3、数字波束形成4、射频隐身信号波形设计5、多传感器协同与管理1.3射频隐身技术1、射频隐身表征参量射频隐身性能的表征参量：

1）截获因子

2）截获圆等效半径

3）截获球等效半径

4）截获概率1.3射频隐身技术射频目标的表征参量：

1）射频辐射强度

2）信号波形特征不确定性1、射频隐身表征参量1.3射频隐身技术有源电子设备发射机自适应地调节其发射功率，采用低峰值功率或连续波发射，并尽可能地减少发射时间，从而降低无源探测系统的截获概率和截获距离。2、最低辐射能量控制1.3射频隐身技术采用特定的自适应波束形成算法，能够有效降低目标方向的发射天线增益，亦可在截获接收机方向形成波束零陷，从而进一步提高机载雷达的射频隐身性能。3、数字波束形成1.3射频隐身技术要满足一定的雷达性能和作战任务，还要保证雷达波形的的抗检测、抗分选识别性能。实质是设计具有射频辐射峰值功率低、信号时频域不确定性大的雷达信号波形。4、射频隐身信号波形设计1.3射频隐身技术1）伪随机编码连续波信号波形设计2）频率跳变波形设计3）相位编码波形设计4）具有超低旁瓣的波形设计5）混合波形设计4、射频隐身信号波形设计1.3射频隐身技术将多传感器通过特定的协议与通信网络连接成一个有机整体，根据传感器已提供的先验知识以及战场态势的发展，实现多传感器协同管理，从而获得更多、更新的战场信息。5、多传感器协同与管理雷达通信一体化系统射频隐身技术第二章面向射频隐身的雷达通信频谱复用方法主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析4主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析42.1引言随着现代战场无线射频装备数量的急剧增加及工作频谱的日益展宽，传统用于解决雷达与无线通信系统射频频谱拥塞的方法已经越来越难以满足实际需求。2.1引言借助认知无线电的思想，雷达与通信系统可采用波形优化设计、功率控制、频谱资源管理等技术工作于同一频段，从而有效地避免对彼此的工作性能的影响，提高频谱利用率。主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析42.2系统模型2.2.1信号模型首先考虑一部雷达通信一体化系统，既可以实现对目标的探测跟踪，又可以与通信基站进行无线数据传输。雷达通信一体化系统模型2.2系统模型2.2.1信号模型假设雷达信号带宽为，则雷达发射信号假设通信信号带宽为，则通信发射信号2.2系统模型2.2.1信号模型假设目标探测信道与通信信道的冲激响应服从二阶矩已知的宽平稳高斯随机过程，且这两个信道特性在观测期间均保持不变。2.2系统模型2.2.1信号模型则雷达通信一体化系统所接收到的雷达目标散射信号和通信信号可分别表示为：2.2系统模型2.2.2互信息在雷达发射信号给定的情况下，目标探测信道冲激响应与雷达目标散射信号之间的互信息可以表征雷达获取的目标信息量。2.2系统模型2.2.2互信息互信息越大，测量后的先验不确定性降低程度就越大，对目标探测信道的参数估计也就越准确。2.2系统模型2.2.3数据传输速率数据传输速率可用来表征通信链路的性能。数据传输速率越大，则单位时间内通信信道所传输的最大比特数就越大，通信性能也就越好。2.2系统模型2.2.3数据传输速率根据香农定理，雷达通信一体化系统的数据传输速率可以表示为：主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析42.3算法面向射频隐身的雷达通信频谱复用算法：1）传统频谱非复用模式2）雷达为主频谱复用模式3）通信为主频谱复用模式2.3.1问题描述2.3算法在保证一定互信息阈值和数据传输速率阈值的情况下，通过优化设计雷达波形能量谱密度和通信辐射功率，达到降低雷达通信一体化系统射频辐射资源消耗的目的。2.3.1问题描述2.3算法分别采用互信息和数据传输速率来作为目标探测信道估计与通信信息传输性能的表征指标，并采用KKT必要条件对三种不同频谱复用模式下的优化模型进行求解。2.3.1问题描述2.3算法2.3.2传统频谱非复用模式传统雷达通信频谱非复用模式结构框图2.3算法以最小化雷达通信一体化系统的射频辐射资源消耗为优化目标，以满足一定的互信息阈值和通信传输速率阈值为约束条件。2.3.2传统频谱非复用模式2.3算法定理2.1：在传统雷达通信频谱非复用模式下，当满足一定互信息阈值的情况时，最小化雷达通信一体化系统总辐射能量的最优雷达波形应满足：2.3.2传统频谱非复用模式2.3算法算法2.1：最优雷达波形设计算法：2.3.2传统频谱非复用模式2.3算法定理2.2：在传统雷达通信频谱非复用模式下，当满足一定数据传输速率阈值的情况时，最小化通信基站总辐射功率的最优通信辐射功率分配应满足：2.3.2传统频谱非复用模式2.3算法算法2.2：最优通信功率分配算法：2.3.2传统频谱非复用模式2.3算法2.3.3雷达为主频谱复用模式雷达为主频谱复用模式结构框图2.3算法对于第

个雷达独立子频带，雷达目标回波信号不受通信信号的干扰，相应的互信息为：2.3.3雷达为主频谱复用模式2.3算法对于第个复用子频带，既存在雷达目标回波信号，又存在通信信号，而通信信号会对雷达目标回波信号造成干扰，则相应的互信息为：2.3.3雷达为主频谱复用模式2.3算法雷达通信一体化系统所获得的总互信息可以表示为：2.3.3雷达为主频谱复用模式2.3算法雷达为主频谱复用模式下雷达波形优化设计模型可以表述为：2.3.3雷达为主频谱复用模式2.3算法定理2.3：在雷达为主频谱复用模式下，当满足一定互信息阈值的情况时，最小化雷达通信一体化系统总辐射能量的最优雷达波形满足：2.3.3雷达为主频谱复用模式2.3算法算法2.3：最优雷达波形设计算法：2.3.3雷达为主频谱复用模式2.3算法2.3.4通信为主频谱复用模式通信为主频谱复用模式结构框图2.3算法对于第

个通信独立子频带，通信信号不受雷达目标回波信号的干扰，则相应的数据传输速率为：2.3.4通信为主频谱复用模式2.3算法对于第个复用子频带，既存在通信信号，又存在雷达目标回波信号，且雷达目标回波信号会对通信信号造成干扰，则相应的数据传输速率为：2.3.4通信为主频谱复用模式2.3算法雷达通信一体化系统所获得的总数据传输速率可以表示为：2.3.4通信为主频谱复用模式2.3算法通信为主频谱复用模式下通信辐射功率优化分配模型可以表述为：2.3.4通信为主频谱复用模式2.3算法定理2.4：在通信为主频谱复用模式下，当满足一定数据传输速率阈值的情况时，最小化通信基站总辐射功率的最优通信辐射功率分配满足：2.3.4通信为主频谱复用模式2.3算法算法2.4：最优通信辐射功率分配算法：2.3.4通信为主频谱复用模式主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析42.4仿真结果与分析雷达通信一体化系统参数设置2.4.1仿真参数设置2.4仿真结果与分析系统相对于目标和通信基站的目标探测信道频率响应和通信信道频率响应先验已知。2.4.1仿真参数设置2.4仿真结果与分析不同信道功率：（a）目标探测信道；（b）通信信道2.4.1仿真参数设置2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果1、传统频谱非复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果1、传统频谱非复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果1、传统频谱非复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果2、雷达为主频谱复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果2、雷达为主频谱复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果2、雷达为主频谱复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果3、通信为主频谱复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果3、通信为主频谱复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果3、通信为主频谱复用模式：2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果结论：面向射频隐身的雷达通信频谱复用算法依据注水原理对雷达波形和通信辐射功率进行优化设计，即将更多的雷达辐射能量与通信辐射功率分配给具有更好信道条件的子频段。2.4仿真结果与分析2.4.2仿真结果结论：雷达通信一体化系统的雷达波形设计与通信辐射功率分配结果取决于雷达通信频谱复用模式、目标探测信道与通信信道频率响应以及预先设定的系统性能需求。2.4仿真结果与分析2.4.3射频隐身性能分析1、对比雷达为主频谱复用模式相对于传统频谱非复用模式对雷达通信一体化系统射频隐身性能的提升效果。定义雷达通信一体化系统射频隐身性能提升率其值越大，则射频隐身性能就越好。2.4仿真结果与分析2.4.3射频隐身性能分析随着通信所用子频带数目的增加，传统频谱非复用模式和雷达为主频谱复用模式之间雷达通信一体化系统的射频隐身性能差距将变得更加明显。2.4仿真结果与分析2.4.3射频隐身性能分析2、对比通信为主频谱复用模式相对于传统频谱非复用模式对雷达通信一体化系统射频隐身性能的提升效果。定义通信基站的射频隐身性能提升率其值越大，则射频隐身性能就越好。2.4仿真结果与分析2.4.3射频隐身性能分析当雷达所用子频带数目逐渐增加时，传统频谱非复用模式和雷达为主频谱复用模式之间通信基站的射频隐身性能差距将变大。雷达通信一体化系统射频隐身技术第三章面向射频隐身的雷达通信一体化系统辐射功率优化分配主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析4主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析43.1引言射频装备一体化不仅能够将不同类型、不同用途的射频装备进行有机整合，有利于实时控制射频装备的工作状态，合理分配系统资源，而且可以实现射频装备的通用性和小型化。OFDM雷达通信一体化3.1引言OFDM技术不仅具有良好的抗选择性衰落信道的能力，而且能够较好地对抗码间干扰和载波间干扰。OFDM雷达通信一体化3.1引言由于OFDM采用宽带信号体制，具有良好的数据率和稳健性，同时其信号形式有利于提取雷达目标特征信息。因此，OFDM波形也被认为是雷达通信一体化系统的最优候选波形之一。OFDM雷达通信一体化主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析43.2系统模型考虑一部基于OFDM体制的雷达通信一体化系统。该系统在同一带宽内通过发射一体化波形，同时完成目标探测跟踪和无线通信任务。雷达通信一体化系统模型3.2系统模型具体而言，雷达通信一体化系统发射并接收经目标散射的OFDM信号以对目标进行探测跟踪。同时，该系统通过向通信基站发射OFDM信号来进行数据传输。3.2系统模型假设雷达通信一体化系统发射机的高增益、窄波束定向天线主瓣指向目标用于探测跟踪，旁瓣指向通信基站用于数据传输。3.2系统模型假设雷达通信一体化系统采用具有个子载波的OFDM信号形式，则一体化发射信号3.2系统模型系统接收机接收到的信号时域表达式为主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析43.3算法面向射频隐身的雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法：在满足一定目标参数估计性能和通信任务需求的条件下，通过优化各子载波的功率分配，实现系统总辐射功率最小化。3.3.1问题描述3.3算法分别采用互信息和数据传输速率作为目标参数估计性能和通信任务性能的衡量尺度，并用KKT必要条件对此凸优化问题进行求解。3.3.1问题描述3.3算法由雷达接收到的目标散射回波和目标探测信道频率响应之间的互信息表征目标的参数估计性能。互信息值越大，说明回波中所包含的目标与信道信息越多，相关的信息损失就越少。3.3.2优化模型的建立3.3算法第个子载波上目标探测信道的传播损耗为：3.3.2优化模型的建立3.3算法第个子载波上的数据传输速率为：3.3.2优化模型的建立3.3算法通过优化OFDM雷达通信一体化系统各子载波功率分配，在保证一定目标参数估计性能和各子载波上数据传输速率的条件下，最小化系统总辐射功率。3.3.2优化模型的建立3.3算法为简化计算，将（P3.1）重写为：3.3.3优化模型的求解3.3算法定义如下变量：3.3.3优化模型的求解3.3算法令，化简后（P3.2）可写为：3.3.3优化模型的求解可证，（P3.3）为凸优化问题。假设雷达通信一体化系统相对于目标和通信基站的信道频率响应、路径传播损耗以及有色噪声功率谱密度等信息先验已知。3.3.3优化模型的求解3.3算法定理3.1：在保证一定目标参数估计性能和各子载波上数据传输速率的条件下，使得系统总辐射功率最小化的各子载波功率分配结果应满足：3.3.3优化模型的求解3.3算法算法3.1：辐射功率优化分配算法3.3.3优化模型的求解3.3算法算法3.2：二分搜索法3.3.3优化模型的求解3.3算法主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析43.4仿真结果与分析3.4.1仿真参数设置设雷达通信一体化系统发射信号载频为3GHz，带宽为512MHz，平均分为K=128个子载波。3.4仿真结果与分析雷达通信一体化系统参数设置3.4.1仿真参数设置3.4仿真结果与分析目标探测信道功率3.4.1仿真参数设置3.4仿真结果与分析有色噪声功率谱密度3.4.1仿真参数设置3.4仿真结果与分析3.4.2辐射功率优化分配结果3.4仿真结果与分析3.4.2辐射功率优化分配结果3.4仿真结果与分析结论：系统的辐射功率分配主要由目标探测信道频率响应和有色噪声功率水平决定，在分配过程中，系统辐射功率主要分配给目标探测信道频率响应高且有色噪声功率水平低的子载波。3.4.2辐射功率优化分配结果3.4仿真结果与分析结论：另外，随着目标参数估计互信息阈值和数据传输速率阈值的不断增大，雷达通信一体化系统在各子载波上分配的功率也逐渐增大。3.4.2辐射功率优化分配结果3.4仿真结果与分析3.4.3射频隐身性能分析不同目标参数估计互信息阈值和数据传输速率阈值下不同算法的总辐射功率对比：3.4仿真结果与分析3.4.3射频隐身性能分析定义雷达通信一体化系统射频隐身性能提升率其值越大，则射频隐身性能就越好。3.4仿真结果与分析3.4.3射频隐身性能分析在目标参数估计互信息阈值一定的情况下，值随着数据传输速率阈值的增大而减小，这是由于为了满足数据传输速率需求，系统需要在更多的子载波上分配功率资源。雷达通信一体化系统射频隐身技术第四章面向射频隐身的雷达通信一体化系统子载波与辐射功率联合优化分配主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析4主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析44.1引言单载波信号作为雷达通信一体化信号能够获得良好的雷达探测性能，但其频谱利用率低，难以满足高数据率通信需求。子载波与功率分配4.1引言对OFDM子载波和辐射功率进行联合优化分配，能够降低系统射频辐射和误码率，提升频谱利用率、数据通信速率或系统容量。子载波与功率分配4.1引言自适应资源分配技术可以根据OFDM系统中各个子信道的信道实际状态和各个用户需求灵活动态地分配子载波、比特和辐射功率，从而更有效地利用无线资源，以显著提升通信系统的吞吐量和频谱利用率。雷达通信一体化系统子载波与功率分配4.1引言因此，可将子载波、辐射功率等资源分配思想与雷达通信一体化系统相结合，从而提升系统性能和资源利用率。雷达通信一体化系统子载波与功率分配主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析44.2系统模型考虑一部基于OFDM体制的雷达通信一体化系统。该系统可发射一体化OFDM波形，同时完成目标探测跟踪和无线数据传输任务。雷达通信一体化系统模型4.2系统模型OFDM雷达通信一体化系统的发射信号可表示为：4.2系统模型假设系统所发射的雷达信号和通信信号均为确定信号。目标探测信道和通信信道的冲激响应在观测期间保持不变，且均服从二阶矩已知的宽平稳高斯随机过程。4.2系统模型系统所接收到的雷达目标散射信号和通信基站接收到的通信信号可分别表述为：主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析44.3算法面向射频隐身的雷达通信一体化系统子载波与辐射功率联合优化分配算法就是在保证一定目标参数估计性能和通信任务性能需求的情况下，通过联合优化子载波选择与各子载波上的辐射功率分配，最小化总辐射功率。4.3.1问题描述4.3算法采用条件互信息和数据传输速率作为目标参数估计性能和通信任务性能的衡量指标，并利用循环最小法结合KKT必要条件对该多变量混合整数非线性规划问题进行求解。4.3.1问题描述4.3算法针对确定的雷达通信一体化系统发射信号，目标探测信道频率响应和接收到的目标散射回波信号之间的互信息：4.3.2优化模型的建立4.3算法对于目标参数估计任务，雷达通信一体化系统所获得的目标参数估计互信息量：4.3.2优化模型的建立4.3算法对于无线通信任务，雷达通信一体化系统的数据传输速率：4.3.2优化模型的建立4.3算法数据传输速率可以通过利用所定义的子载波选择二元变量重新表示如下：4.3.2优化模型的建立4.3算法通过联合优化子载波选择和所选定子载波的辐射功率分配，在保证预先设定的条件互信息阈值和数据通信速率阈值的条件下，最小化系统总辐射功率。4.3.2优化模型的建立4.3算法对原问题进行松弛，将（P4.1）变为：4.3.3优化模型的求解4.3算法为简化计算，定义如下变量：4.3.3优化模型的求解4.3算法将（P4.2）转化为：4.3.3优化模型的求解利用三步求解算法对上述子优化模型（P4.2.1）和（P4.2.2）分别进行求解，该算法不仅能够有效降低计算复杂度，而且可以得到子载波与辐射功率联合优化分配的闭式解析表达式。4.3.3优化模型的求解4.3算法（1）针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统子载波选择算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法1）为求解（P4.2.1），可采用KKT必要条件来求解（P4.2.1）这一凸优化问题。（1）针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统子载波选择算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法求解可得，雷达通信一体化系统子载波k上的最优辐射功率可以表示为：算法4.1：目标参数估计最优辐射功率分配算法4.3.3优化模型的求解4.3算法算法4.2：二分搜索法4.3.3优化模型的求解4.3算法（1）针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统子载波选择算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法2）将求解优化模型（P4.2.1.1）所得的最优辐射功率带入子优化模型（P4.2.1）中，则针对目标参数估计任务的系统最优子载波分配可通过求解以下凸优化模型得到：（1）针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统子载波选择算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法通过KKT必要条件求解，得：算法4.3：目标参数估计最优子载波分配算法4.3.3优化模型的求解4.3算法（1）针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统子载波选择算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法3）跳转到1）中，直到连续两次迭代得到的雷达通信一体化系统总辐射功率之差小于一个固定值。这时即可得到最优子载波分配方案。然后，只需将其前个最大值设为1，而其余的均置0，即可获得针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统最优子载波分配结果。（2）针对目标参数估计任务的雷达通信一体化系统最优辐射功率分配算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法为在得到最优子载波分配结果后，系统最优辐射功率分配结果可以表示为：（3）针对无线通信任务的雷达通信一体化系统最优辐射功率分配算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法在步骤（1）和步骤（2）分别获得了针对目标参数估计任务的系统最优子载波和辐射功率分配结果后，其余子载波则均用于无线通信任务。（3）针对无线通信任务的雷达通信一体化系统最优辐射功率分配算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法子优化（P4.2.2）可重写为：（3）针对无线通信任务的雷达通信一体化系统最优辐射功率分配算法：4.3.3优化模型的求解4.3算法通过KKT必要条件来求解，其最优解：算法4.4：无线通信最优辐射功率分配算法4.3.3优化模型的求解4.3算法主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析44.4仿真结果与分析4.4.1仿真参数设置设雷达通信一体化系统发射信号载频为3GHz。雷达通信一体化系统参数设置4.4仿真结果与分析4.4.1仿真参数设置假设雷达通信一体化系统相对于目标和通信接收机的目标探测信道频率响应和通信信道频率响应等信息先验已知。4.4仿真结果与分析目标探测信道功率4.4.1仿真参数设置4.4仿真结果与分析通信信道功率4.4.1仿真参数设置4.4仿真结果与分析4.4.2子载波与辐射功率优化分配结果4.4仿真结果与分析4.4.2子载波与辐射功率优化分配结果结论：算法依据注水原理进行辐射功率分配，即更多的功率资源被分配给具有更优信道特性的子载波。随着条件互信息阈值和数据传输速率阈值的不断增大，雷达通信一体化系统在各子载波上分配的功率也随之增大。4.4仿真结果与分析4.4.3射频隐身性能分析对比算法：基于信道信息的子载波与辐射功率联合优化分配（CI-JSAPA）算法子载波优化分配与辐射功率均匀分配（SAUPA）算法子载波随机分配与辐射功率优化分配（RSAPA）算法子载波随机分配与辐射功率均匀分配（RSAUPA）算法4.4仿真结果与分析4.4.3射频隐身性能分析4.4仿真结果与分析4.4.3射频隐身性能分析结论：面向射频隐身的雷达通信一体化系统子载波和辐射功率联合优化分配算法能够通过联合优化分配子载波与辐射功率资源，实现最少的总辐射功率消耗，从而获得最好的射频隐身性能。4.4仿真结果与分析4.4.3射频隐身性能分析为保证一定目标参数估计精度所消耗的雷达辐射功率随着分配给雷达任务的子载波数目增加而单调递降。相反，随着分配给无线通信任务的子载波数目逐渐减少，为满足预先设定的无线通信性能所消耗的辐射功率则单调递增。4.4仿真结果与分析4.4.3射频隐身性能分析随着的增加，总辐射功率呈现先减小再增加的趋势，并且能够达到最小值。这为基于多载波体制的雷达通信一体化系统辐射资源优化分配开辟一个新的维度：可以根据信道特性，通过为不同任务选定最优的子载波数目来进一步提升雷达通信一体化系统的射频隐身性能。雷达通信一体化系统射频隐身技术第五章面向射频隐身的双基地雷达通信一体化系统辐射功率优化分配主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析4主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析45.1引言双基地雷达指使空间上处于不同位置的雷达天线进行发射和接收工作所组成的雷达工作体制。双基地雷达5.1引言由于双基地雷达系统能够有效避免单基地雷达距离盲区等突出问题，且允许其平台上的通信系统采用半双工通信，因此，在工作模式上，双基地雷达与通信系统可实现较好地兼容。双基地雷达通信一体化主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析45.2系统模型考虑由一部雷达与一部通信基站构成的雷达通信一体化系统。双基地雷达通信一体化系统模型5.2系统模型雷达只能接收到经目标散射的雷达信号，而接收不到通信系统到雷达的直达波信号。双基地雷达通信一体化系统模型5.2系统模型通信基站还可作为双基地雷达接收机，能够接收并处理经目标散射的雷达信号。双基地雷达通信一体化系统模型5.2系统模型通过目标探测信道（雷达-目标-雷达）和双基地信道（雷达-目标-通信基站）对目标进行跟踪。双基地雷达通信一体化系统模型5.2系统模型假设目标探测信道和双基地信道的频率响应信息先验已知，双基地雷达通信一体化系统采用具有个子载波的OFDM信号形式。5.2系统模型对于探测信道，雷达接收到的目标回波信号可以表示为：通信基站接收到的信号可以表示为：5.2系统模型雷达和通信基站接收到信号的频域表示形式为：5.2系统模型假设通信基站可通过数据链路获得雷达发射信号形式，则通信基站可根据预测的目标时延对经目标散射的雷达信号进行重构。通信基站重构后的雷达信号可以表示为：5.2系统模型类似地，雷达接收到的信号频域表示形式可以重写为：主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析45.3算法面向射频隐身的双基地雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法：在保证预先设定的目标时延估计性能阈值的条件下，通过优化各子载波的功率分配，使系统总辐射功率最小化。5.3.1问题描述5.3算法CRLB是费舍尔信息（FI）的逆，可以用来确定目标参数估计性能的下限。当信噪比值较大时，对于无偏估计或渐近无偏估计，其最大似然估计的均方误差逼近CRLB。5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法采用CRLB表征雷达系统的目标时延估计精度。假设目标探测信道和双基地信道的频率响应信息先验已知。5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法假设雷达系统量测矢量服从复高斯分布，即，均值矢量和协方差矩阵可以表示为：5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法双基地雷达通信一体化系统的FI可以表示为：5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法于是，双基地雷达通信一体化系统目标时延估计的CRLB可以表示为：5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法类似地，单基地雷达通信一体化系统的FI可以表示为：5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法需要注意的是，双基地的FI比单基地的多了

。因此，在同样的系统参数情况下，双基地雷达通信一体化系统的目标时延估计CRLB低于单基地雷达通信一体化系统，即双基地雷达通信一体化系统的目标时延估计精度优于单基地情况。5.3.2目标时延估计的克拉美-罗下界5.3算法通过优化各子载波上的辐射功率，在保证一定目标时延估计CRLB阈值的条件下，最小化雷达通信一体化系统的总辐射功率，可建立如下优化模型：5.3.3优化模型的建立与求解5.3算法由于是的倒数，则优化模型（P5.1）可以重写为：5.3.3优化模型的建立与求解算法5.1：双基地雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法5.3.3优化模型的建立与求解5.3算法主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析45.4仿真结果与分析5.4.1仿真参数设置设双基地雷达通信一体化系统的信号载频为3GHz，目标时延估计CRLB阈值为10-8。双基地雷达通信一体化系统参数设置5.4仿真结果与分析目标探测信道功率5.4.1仿真参数设置5.4仿真结果与分析双基地信道功率5.4.1仿真参数设置5.4仿真结果与分析5.4.2辐射功率优化分配结果（a）双基地（b）单基地5.4仿真结果与分析结论：雷达通信一体化系统的辐射功率资源配置主要由目标探测信道和双基地信道的频率响应决定，在分配过程中，系统辐射功率主要分配给目标探测信道和双基地信道频率响应高的子载波。双基地雷达通信一体化系统的总辐射功率小于单基地雷达通信一体化系统的总辐射功率，前者仅为后者的70%。5.4.2辐射功率优化分配结果5.4仿真结果与分析5.4.2辐射功率优化分配结果（a）双基地（b）单基地5.4仿真结果与分析结论：当雷达回波信号减弱时，双基地雷达通信一体化系统与单基地情况所得的目标时延估计CRLB之间的差距增大。通信基站作为双基地雷达接收机，通过接收并处理经目标散射的雷达回波信号，可在一定程度上抵消微弱雷达回波信号引起的系统射频隐身性能下降。5.4.2辐射功率优化分配结果5.4仿真结果与分析5.4.3射频隐身性能分析不同下不同算法的雷达通信一体化系统总辐射功率对比：5.4仿真结果与分析5.4.3射频隐身性能分析在一定目标时延估计CRLB阈值的情况下，面向射频隐身的双基地雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法可以得到最小的总辐射功率。通信基站作为双基地雷达接收机，通过接收并处理经目标散射的雷达回波信号，可有效降低雷达系统的总辐射功率，从而提升其射频隐身性能。5.4仿真结果与分析5.4.3射频隐身性能分析定义雷达系统射频隐身性能的提升率其值越大，则射频隐身性能就越好。5.4仿真结果与分析5.4.3射频隐身性能分析面向射频隐身的双基地雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法所得的值明显大于单基地雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法所得的值。雷达通信一体化系统射频隐身技术第六章面向射频隐身的分布式MIMO雷达通信一体化系统辐射功率优化分配主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析4主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析46.1引言分布式MIMO雷达系统作为一种有别于传统单基地相控阵雷达的新体制雷达，在目标检测、目标跟踪、目标识别、目标参数估计以及分辨能力等方面具有潜在的优势。分布式MIMO雷达6.1引言MIMO雷达由于具有波形分集、空间分集等特点，在目标检测、目标跟踪、目标识别、目标参数估计以及分辨能力等方面展现出了巨大的性能优势。分布式MIMO雷达通信一体化6.1引言MIMO通信所具备的空间分集能力能够在不改变带宽的情况下，改善多径衰落对通信性能的影响，成倍地提高系统容量。分布式MIMO雷达通信一体化6.1引言MIMO雷达和MIMO通信的诸多关键系统参数非常相似。因此，在MIMO背景下实现雷达通信一体化，能够很好地将二者优点结合在一起，从而提高系统射频辐射资源利用率。分布式MIMO雷达通信一体化主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析46.2系统模型考虑在二维坐标条件下，分布式MIMO雷达通信一体化系统由部雷达通信一体化发射机、部雷达接收机和部通信接收机组成。分布式MIMO雷达通信一体化系统模型6.2系统模型各雷达通信一体化发射机能够产生多个波束，以同时执行目标状态参数估计和无线数据传输任务。分布式MIMO雷达通信一体化系统模型6.2系统模型假设各部雷达接收机均能接收并处理任何一体化发射机所发射的雷达信号，且各部通信接收机同样能接收并处理任何一体化发射机所发射的通信信号。。分布式MIMO雷达通信一体化系统模型6.2系统模型为简便起见，假设分布式MIMO雷达通信一体化系统相对于目标的探测路径传播损耗、目标RCS、通信路径传播损耗、通信信道增益和接收机噪声功率等信息先验已知。6.2系统模型对于雷达目标参数估计任务而言，假设雷达通信一体化发射机发射一系列具有单位功率且相互正交的窄带信号满足：雷达信号模型6.2系统模型定义目标状态参数矢量来表示目标位置和速度参数：雷达信号模型6.2系统模型第n部雷达接收机在第q个脉冲周期内接收到的信号可表示为雷达信号模型6.2系统模型对于无线通信任务而言，假设一体化发射机发射一系列具有单位功率且相互正交的窄带信号，满足：通信信号模型6.2系统模型第m部雷达通信一体化发射机发射而第c部通信接收机接收到的通信信号可表示为通信信号模型主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析46.3算法面向射频隐身的分布式MIMO雷达通信一体化系统辐射功率优化分配算法：在满足预先给定的目标状态参数估计精度和通信任务需求的条件下，通过优化分配各发射机雷达辐射功率和通信辐射功率，使系统总辐射功率最小化。6.3.1问题描述6.3算法采用CRLB来表征分布式MIMO雷达通信一体化系统的目标位置和速度参数估计精度。费舍尔信息矩阵可表示为：6.3.2目标状态参数估计的克拉美-罗下界6.3算法目标状态参数估计的CRLB矩阵6.3.2目标状态参数估计的克拉美-罗下界其对角元素分别表示目标位置和速度参数估计的CRLB。6.3算法从第m部雷达通信一体化发射机到第l部通信接收机的数据传输速率6.3.3数据传输速率于是，分布式MIMO雷达通信一体化系统的总数据传输速率6.3算法通过通过优化分配各发射机的雷达辐射功率和通信辐射功率，在满足一定目标状态参数估计精度和通信任务需求的情况下，最小化系统的总辐射功率。6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法利用一种三步求解算法求解优化模型（P6.1）6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法（1）第m部雷达通信一体化发射机的雷达辐射功率和通信辐射功率不存在耦合关系，（P6.1）可以等价转化为以下两个子优化模型：6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法（2）（P6.2）是一个凸优化问题，可转化为如下SDP模型进行求解：6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法（3）（P6.3）也是一个凸优化问题，采用KKT必要条件进行求解。解得：6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法6.3.4优化模型的建立与求解子优化模型（P6.3）所得的最优通信辐射功率可以表示为：算法6.1：分布式MIMO雷达通信一体化系统通信辐射功率优化分配算法6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法算法6.2：二分搜索法6.3.4优化模型的建立与求解6.3算法主要内容算法引言13系统模型2仿真结果与分析46.4仿真结果与分析6.4.1仿真参数设置考虑由8部雷达通信一体化发射机、8部雷达接收机和4部通信接收机构成的分布式MIMO雷达通信一体化系统。分布式MIMO雷达通信一体化系统参数设置6.4仿真结果与分析6.4.1仿真参数设置第一种目标状态参数：目标位于[-20,0]km处，速度为[300,-400]m/s第二种目标状态参数：目标位于[-80,-60]km处，速度为[-100,300]m/s6.4仿真结果与分析6.4.1仿真参数设置第一种目标RCS起伏模型：目标相对于各部雷达通信一体化发射机和雷达接收机的RCS均为1m2。第二种目标RCS起伏模型：目标相对于各部发射机和雷达接收机的RCS均匀分布在0m2和2m2之间。6.4仿真结果与分析第二种目标RCS模型6.4.1仿真参数设置6.4仿真结果与分析6.4.1仿真参数设置第一种通信信道模型：假设所有通信信道增益均为1；第二种通信信道模型：假设所有通信信道增益服从瑞利分布。6.4仿真结果与分析通信信道增益6.4.1仿真参数设置6.4仿真结果与分析6.4.1仿真参数设置【场景1】第一种目标状态参数、第一种目标RCS起伏模型、第一种通信信道模型；【场景2】第二种目标状态参数、第一种目标RCS起伏模型、第一种通信信道模型；【场景3】第一种目标状态参数、第二种目标RCS起伏模型、第二种通信信道模型；【场景4】第二种目标状态参数、第二种目标RCS起伏模型、第二种通信信道模型。6.4仿真结果与分析6.4.2辐射功率优化分配结果场景16.4仿真结果与分析6.4.2辐射功率优化分配结果场景26.4仿真结果与分析6.4.2辐射功率优化分配结果场景36.4仿真结果与分析6.4.2辐射功率优化分配结果场景46.4仿真结果与分析结论：算法优先选择距离目标或通信接收机较近、相对位置较好的一体化发射机来执行目标状态参数估计任务和无线通信任务。此外，在已选择的雷达通信一体化发射机中，更多的辐射功率资源会分配给距离目标或通信接收机更远的一体化发射机，从而保证分布式MIMO雷达通信一体化系统的总辐射功率消耗最少。6.4.2辐射功率优化分配结果6.4仿真结果与分析对比算法分别如下