[发明专利]基于ADMM的双功能MIMO雷达通信系统波形设计方法

说明书

本发明涉及一种基于ADMM的双功能MIMO雷达通信系统波形设计方法，属于雷达信号处理领域。包括建立通信系统模型，定义MUI干扰能量和可实现的和速率；建立MIMO雷达系统模型，定义波形相似性、总发射功率和PAPR；构建双功能波形优化问题，在总发射功率和PAPR下优化MUI干扰能量和波形相似度的加权和；将双功能波形优化问题转化为更易求解的形式；基于ADMM将原问题拆分为几个易于求解的子问题；交替求解子问题，直到满足设定的终止条件；利用求得的s恢复发射的双功能波形矩阵X。优点是基于ADMM和SDR算法设计的双功能波形具有几乎相同的性能，但提出的ADMM在计算上更高效，在保证高精度的前提下进行快速的最优求解，降低了运算复杂度、节省了求解时间，具有很强的实际应用意义。

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，涉及同时具备雷达探测与通信传输功能的双功能多输入多输出(MIMO)雷达通信系统，涉及基于交替方向乘子法(ADMM)的双功能MIMO雷达通信系统波形设计方法。

背景技术

近年来，随着电子信息技术的飞速发展，雷达和通信技术的研究也取得了很大的进展，在国防和日常生活中得到了广泛的应用，然而单一的电子设备难以应对复杂的电磁环境，易造成空间和能源的消耗。为了节约日益稀缺的频谱资源，实现雷达与通信系统的一体化非常重要，它通过一套共用的硬件设备同时实现雷达目标探测和与通信信息传输功能，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。其中波形设计是实现双功能雷达通信系统的关键技术。

传统双功能波形的设计主要采用两种思路进行。第一种是利用两个正交的信号波形分别进行雷达和通信信号的调制，然后采用叠加的方式进行发射。这种思路的关键是寻找两个正交的信号波形，一旦信号波形不正交，将严重影响雷达和通信的功能。第二种是在雷达信号波形中加载通信数据，统一采用一种信号波形进行调制，然后进行发射。这种方法目前有单载波和多载波体制。在单载波体制中，线性调频、伪随机序列是典型的信号波形，单载波体制普遍存在频谱效率较低的问题。多载波体制主要采用正交频分复用(OFDM)信号波形。然而，现有的OFDM信号波形由于峰值平均功率比的问题，限制了其在大功率、远距离雷达探测系统中应用。传统双功能波形受到通信信息调制手段和相控阵雷达的波形自由度的限制，通信数码率普遍较低。

多输入多输出(MIMO)雷达的概念在2003年由美国林肯实验室首次提出，目前已成为国内外雷达界的一个研究热点。MIMO雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域，并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达。根据发射和接收天线中各单元的间距大小，可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。MIMO雷达继承和发展了相控阵雷达，具有更高的分集增益和自由度，设计波形灵活性更强，可显著提高信号处理的性能，在双功能系统中使用MIMO雷达具有显著优势。

凸优化工具箱方法是求解凸优化问题时普遍使用的方法，但是用此方法求解半正定规划(SDP)问题的速度较慢，尤其是存在大规模阵列的情况下。而交替方向乘子法(ADMM)作为一种交替求解的方法，能有效降低SDP问题的求解时间，快速求解大规模优化问题，降低运算复杂度，在保证高精度的前提下进行快速的最优求解，具有很强的实际应用意义。

在峰值平均功率比(PAPR)约束下优化通信多用户干扰(MUI)能量和MIMO雷达波形相似性的加权和是一个非凸的双功能波形设计问题。目前，已有学者提出利用半定松弛(SDR)算法将其转化为等价的SDP问题，然后利用凸优化工具箱进行求解，但尚未出现基于ADMM的求解方法。

发明内容

本发明提供一种基于ADMM的双功能MIMO雷达通信系统波形设计方法，基于ADMM求解双功能波形设计问题，克服现有SDR算法运算复杂度高、求解时间长的弊端。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

步骤1，建立通信系统模型，定义通信下行链路总的多用户干扰(MUI)能量和通信接收端可实现的和速率；