【最新成果】一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法（视频）

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论文短视频 | 一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法

背景介绍

随着现代信息技术不断发展，信息化在各行各业的应用越来越广泛，智能交通、智慧家居等新型应用需要同时具备高速率数据通信和高分辨率雷达感知能力。雷达通信一体化波形可在同时同频条件下完成雷达和通信功能，成为满足上述需求的不二选择。同时数字阵列技术的进步，为一体化波形设计提供了丰富的空间自由度和巨大的波形分集增益，基于阵列天线进行雷达通信一体化波形设计引发广泛关注。

图 1 基于紧凑式阵列的

雷达通信一体化系统模型图示

基于阵列天线的雷达通信一体化波形设计方法主要基于紧凑式阵列体制，利用波束形成技术形成指向目标方向的发射波束图，在不同方向同时完成雷达和通信功能，提高了雷达探测性能和信息传输速率。然而现有方法仅能实现方位向和俯仰向的二维空间操控，不具备距离向操控能力。在面对来自主瓣方向的干扰侦察、信息截获等行为时，一体化波形的抗截获能力和通信安全性能将大大降低，并且高辐射功率的主瓣会增大一体化系统的暴露概率。因此，设计雷达通信一体化波形实现空间三维操控尤为重要。

团队工作

近年来，中国科学院空天信息创新研究院梁兴东研究员团队针对雷达通信一体化的波形设计开展了深入研究。

针对现有一体化波形抗主瓣截获能力不足的问题，提出了一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法，可在任意时间、任意空间、任意频段合成任意功能波形，操控波形在三维空间的分布，满足主瓣侦察干扰抑制和信息安全保障需求，提升一体化系统的生存能力。首先，根据近场信号传播模型建立波形合成约束，在指定位置合成所需的雷达和通信波形。然后，对各个子孔径增加波形恒模约束，并构建以最小化发射功率为准则的一体化波形优化模型。由于模型的非凸性，采用交替投影算法进行迭代求解。仿真结果表明，所提方法在雷达目标和通信目标位置同时合成了期望波形，实现了三维空间波形操控。

该工作发表在《雷达学报》2023年第2期的论文“一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法”（刘柳，梁兴东，李焱磊，曾致远，唐海波）。

论文介绍

该文首先基于分布式孔径体制提出了一种雷达通信一体化波形设计方法。具体而言，发射阵列由多个间隔较远的子孔径构成，每个子孔径对目标的观测角度互不相等，来自多个角度的一体化波形在目标位置相参叠加，其中假设各子孔径已完成时空频同步。为满足雷达和通信功能需求，建立波形合成约束，使得一体化波形在目标位置相参合成雷达期望波形和通信期望波形；为避免波形通过饱和功率放大器后发生失真，进一步对各个子孔径施加波形恒模约束。在最小化发射功率准则下，结合波形合成约束和恒模约束，构建基于分布式孔径的雷达通信一体化波形优化模型，并采用交替投影法对优化模型迭代求解。该文将分布式孔径的三维空间操控能力称为“波胞(wave cell)形成”，以波束的3 dB主瓣宽度为约束，所有指向雷达方向的波束共同覆盖区域称为雷达波胞，所有指向通信方向的波束共同覆盖区域称为通信波胞。

图 2 基于分布式孔径的

雷达通信一体化系统模型图示

接下来在雷达目标与通信用户距离相同方向不同、方向相同距离不同、距离不同方向不同的三种场景中，验证了“波胞形成”技术的有效性。以雷达目标与通信用户方向相同距离不同为例，分析空间能量分布情况、雷达波胞的尺寸与通信波胞的尺寸，证明了所提方法仅在目标周围特定区域内形成了明显的能量聚集；采用脉压峰值和误码率作为评价指标，分别衡量合成波形与雷达期望波形、通信期望波形的相似性，分析合成波形的空间分布情况，证明了所提方法仅在波胞内部相参合成期望波形，可有效避免波形泄露。

图 3 三维空间能量分布情况

图 4 雷达合成波形的空间分布情况

图 5 通信合成波形的空间分布情况

最后对该文进行了总结，并对雷达通信一体化波形设计未来的研究方向进行了展望。

作者简介

刘柳，博士生，主要研究方向为多功能一体化信号设计。

梁兴东，研究员，博士生导师，主要研究方向为新概念新体制雷达通信一体化系统、高分辨率合成孔径雷达系统、干涉合成孔径雷达系统、成像处理及应用、实时信号处理。

李焱磊，研究员，硕士生导师，主要研究方向为新体制雷达信号处理、一体化信号波形设计、可重构异构处理架构、穿墙感知雷达技术。

曾致远，博士生，主要研究方向为毫米波雷达信号处理，雷达SLAM。

唐海波，助理研究员，主要研究方向为微波毫米波理论与技术、相控阵天线理论与工程实践、射频微系统、三维成像雷达、涡旋电磁波成像雷达技术等。