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雷达嵌入式通信波形研究与设计

雷达嵌入式通信波形研究与设计

作者：牟禹衡国防科学技术大学

学位级别：硕士

雷达嵌入式通信作为一种新的隐蔽通信的方式近年来逐渐得到关注,现阶段主要有三种基于线性调频雷达信号的特征值分解脉内雷达嵌入式通信波形设计方法,针对通信波形构造中随机向量欧氏距离不定的问题,本文提出了一种从提高雷达嵌入式通... 详细信息

雷达嵌入式通信作为一种新的隐蔽通信的方式近年来逐渐得到关注,现阶段主要有三种基于线性调频雷达信号的特征值分解脉内雷达嵌入式通信波形设计方法,针对通信波形构造中随机向量欧氏距离不定的问题,本文提出了一种从提高雷达嵌入式通信可靠性能的角度出发,最大化通信波形欧氏距离的波形构造方法,与原有波形设计方法对比分析性能。并针对适合雷达嵌入式通信的无人机载雷达探测的实际场景,对步进频率雷达信号进行雷达嵌入式通信波形设计,分析并验证了应用可行性。本文的主要工作和创新点如下:1.本文针对波形设计中主空间大小对通信性能的影响,对雷达嵌入式通信接收机中的处理增益进行了理论推导,通过处理增益与主空间大小的变化关系,对雷达嵌入式通信的可靠性随主空间大小变化做了具体分析。2.根据基于特征值分解的脉内雷达嵌入式通信波形构造过程中,随机向量欧氏距离不定的问题,提出了一种基于直接序列扩频和软判决、最大化随机向量欧氏距离的波形设计方式。并与现有通信波形的通信性能进行对比,给出了新的波形设计方法的性能改进原理分析和改进性能仿真结果。3.根据雷达嵌入式通信的实际应用场景,提出了基于适合无人机载雷达应用的步进频率信号的脉内雷达嵌入式通信方法,设计了基于步进频率信号的雷达嵌入式通信波形。通过验证步进频率信号的雷达嵌入式通信波形性能,证明了基于频率步进信号的雷达嵌入式通信波形设计方法的可行性。

关键词：雷达嵌入式通信波形设计隐蔽通信信号处理线性调频步进频率

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雷达嵌入式通信波形优化技术研究

雷达嵌入式通信波形优化技术研究

作者：徐建秋国防科技大学

学位级别：硕士

无线设备的快速发展和用户数量的急剧增多,为未来军用通信系统带来了很多挑战,在这一背景下,雷达嵌入式通信(Radar-Embedded Communication,REC)应运而生。作为一种有潜力的新技术,REC能够同时实现频谱共享和隐蔽通信两种功能,其核心思... 详细信息

无线设备的快速发展和用户数量的急剧增多,为未来军用通信系统带来了很多挑战,在这一背景下,雷达嵌入式通信(Radar-Embedded Communication,REC)应运而生。作为一种有潜力的新技术,REC能够同时实现频谱共享和隐蔽通信两种功能,其核心思想是将通信信号隐藏于雷达阻带,以雷达回波来掩盖通信信号。本文主要研究了REC的波形设计策略,主要工作如下:(1)考虑了设计自由度、计算复杂度和响应延迟对REC波形的影响,进一步完善了REC系统的性能评价指标。同时,对传统的REC波形设计策略进行了更为全面的分析,修正了原有的结论。此外,在现有接收机的基础上,提出了先滤波再匹配的接收策略,仿真结果表明,REC系统的通信可靠性得到了明显提高。(2)针对传统REC波形非正交的问题,提出了正交化加权(Orthogonal Weighted-Combining,OWC)策略和正交化主空间投影(Orthogonal Dominant Projection,ODP)策略,其中OWC策略又可细分为约束加权(Constrained WeightedCombining,CWC)策略和改进加权(Improved Weighted-Combining,IWC)策略。经过通信可靠性、低截获概率特性(Low Probability of Intercept,LPI)等五个方面的分析和仿真可知,三种改进策略均优于传统策略,且各具优势,适用于不同的应用场景。(3)针对传统特征值分解框架的局限,提出了基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的REC波形设计策略。该策略利用SVD对雷达信号进行直接的研究,所设计的SVD波形与雷达波形更为相似。同时,通过正交化设计,该方案可以保证SVD波形的通信可靠性。理论分析和仿真结果表明,SVD波形在低检测概率特性(Low Probability of Detection,LPD)、LPI性能等四个方面最优。此外,还提供了一种计算SVD波形与雷达波形相似度的方法,使LPD性能指标得以量化,并且可以灵活地调整相似度,以权衡可靠性与隐蔽性。

关键词：信号处理雷达嵌入式通信频谱共享技术隐蔽通信波形设计正交化设计奇异值分解指标评价体系

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雷达嵌入式通信波形设计与改进

雷达嵌入式通信波形设计与改进

作者：何山国防科技大学

学位级别：硕士

雷达嵌入式通信技术利用线性调频雷达信号的反向散射杂波作为隐蔽载体,其同时具有低检测概率特性和低截获概率特性,为隐蔽通信的实现提供了新思路。该技术近年来得到了广泛关注,针对雷达嵌入式通信波形的波形设计方案也不断被提出,现阶... 详细信息

雷达嵌入式通信技术利用线性调频雷达信号的反向散射杂波作为隐蔽载体,其同时具有低检测概率特性和低截获概率特性,为隐蔽通信的实现提供了新思路。该技术近年来得到了广泛关注,针对雷达嵌入式通信波形的波形设计方案也不断被提出,现阶段主要有三种基于线性调频雷达的雷达嵌入式通信信号EAW、WC、DP,本文针对在实际战场中电磁环境复杂程度的不同,对雷达嵌入式通信可靠性和隐蔽性的不同要求,提出了对已有的通信波形的隐蔽性和可靠性的改进方案。并针对波形设计中只利用单一的非主空间进行波形设计的问题,提出了基于注水原理的结合主空间和非主空间的全空间波形设计方式,并对改进后的成型注水波形进行理论分析和仿真验证,该方案牺牲了一定的隐蔽性同时提升了符号利用率,本文的主要创新点如下:1.针对已有的雷达嵌入式通信波形在通信隐蔽性和通信可靠性在实际电磁环境表现不够理想的现状,提出了成型法改进了雷达嵌入式通信波形的隐蔽性,并设计了SWC和SDP波形,介绍了直接扩频序列波形DS,该波形可以改进雷达嵌入式通信波形的可靠性。2.针对波形设计中主空间大小对通信性能的影响,对改进的雷达嵌入式通信波形的处理增益进行了理论推导,通过对增益的详细分析,进一步证实了改进波形的性能。3.针对目前已有的波形只利用了单一的非主空间特征向量的问题,利用了注水原理的思想,根据信道状态的优劣进行功率分配,并利用该原则设计了一种全新的结合了主空间和非主空间的全特征空间波形——注水波形,并利用成型思路设计了成型注水波形SWF,对注水成型矩阵的参数进行了讨论和分析。

关键词：雷达嵌入式通信波形设计隐蔽通信信号处理波形改进方案注水原理

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雷达嵌入式通信波形设计与接收技术研究

雷达嵌入式通信波形设计与接收技术研究

作者：张澄安国防科技大学

学位级别：硕士

雷达嵌入式通信(Radar-Embedded Communication,REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段,相较于传统的隐蔽通信方式,REC具有更加优越的隐蔽性能,在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景。本文主要从性能指标... 详细信息

雷达嵌入式通信(Radar-Embedded Communication,REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段,相较于传统的隐蔽通信方式,REC具有更加优越的隐蔽性能,在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景。本文主要从性能指标评价、低复杂度通信波形设计、基于深度学习的REC接收机设计和REC技术验证方面对REC技术进行了研究,主要工作如下:(1)基于处理增益的REC通信波形性能分析方法,对传统主空间处理(Dominant Projection,DP)、成型主空间处理(Shaped Dominant Projection,SDP)和成型注水(Shaped Water Filling,SWF)三种通信波形的截获接收机处理增益进行了理论推导,分析了三种通信波形的低截获概率(Low Probability of Intercept,LPI)性能,并提出了一种可以将通信可靠性和LPI性能统一起来的性能评价指标——处理增益优势,可以对REC通信波形的综合性能进行评价。然后通过仿真进行了验证,仿真结果与理论分析基本吻合。此外,在分别考虑通信可靠性能优先、LPI性能优先和综合性能优先的情况下,对DP、SDP、SWF三种通信波形误码率进行了仿真和分析,为不同优先级下通信波形种类和参数的选择提供了参考。最后对DP、SDP、SWF三种通信波形的性能进行了总结与对比。(2)基于综合性能优异的SWF波形生成算法,提出了一种具有低复杂度的抽取注水成型(Extraction Shaped Water-Filling,ESWF)波形生成算法,相对于传统DP和SDP波形生成算法,可以降低至少0.5K倍的时间计算复杂度(K为通信波形集数量,一般选择为4或8),而相对于SWF波形生成算法,可以降低至少1.5K倍的时间计算复杂度。其次,还对ESWF波形的通信可靠性能和LPI性能进行了理论和仿真分析,结果表明ESWF波形的可靠性能略有下降,但在波形参数选择合理时,ESWF波形具有较好的LPI性能和综合性能。此外,在分别考虑通信可靠性能优先、LPI性能优先和综合性能优先的情况下,对DP、SDP、SWF和ESWF四种通信波形误码率进行了仿真和分析,为不同优先级下波形种类和参数选择提供了新的参考。最后,对DP、SDP、SWF、ESWF四种通信波形的性能进行了全面总结与对比,为通信波形的选择提供了更加全面的依据。(3)提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)的REC合作接收机——CNN接收机,对CNN接收机的接收性能进行了仿真分析,并与传统REC合作接收机进行了对比,结果表明CNN接收机相对于传统REC合作接收机具有较大的性能提升。此外,当合作接收机采用CNN接收机时,对DP、SDP、SWF和ESWF四种通信波形的误码率进行了仿真,为不同优先级情况下的波形种类和参数的选择提供了新的参考。最后,在使用CNN接收机进行通信接收的条件下,对DP、SDP、SWF、ESWF四种通信波形的性能进行了总结,为通信波形的选择提供了新的依据。(4)基于通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)硬件平台和实验室虚拟仪器工作平台(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench,Lab VIEW)软件开发了一套REC验证系统,并选择不同优先级下对应的通信波形,对系统的可靠性能和隐蔽性能进行了测试。测试结果表明,相对于仿真性能,本系统具有一定的可靠性能损失,但在可控范围内,系统能够在保证一定可靠性能的同时保持隐蔽特性,这初步验证了REC的可行性,为REC从理论走向现实奠定了基础。

关键词：雷达嵌入式通信波形设计处理增益低复杂度深度学习通信可靠性能 LPI性能软件无线电

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雷达嵌入式通信的接收技术研究

雷达嵌入式通信的接收技术研究

作者：姚永康国防科技大学

学位级别：硕士

雷达嵌入式通信是近些年发展起来的隐蔽通信技术,因其同时具有低截获概率与低检测概率性能而在国内外越来越受到广泛关注。现阶段对雷达嵌入式通信的分析和研究主要基于加性高斯白噪声信道下进行的,本文针对雷达嵌入式通信在多径衰落信... 详细信息

雷达嵌入式通信是近些年发展起来的隐蔽通信技术,因其同时具有低截获概率与低检测概率性能而在国内外越来越受到广泛关注。现阶段对雷达嵌入式通信的分析和研究主要基于加性高斯白噪声信道下进行的,本文针对雷达嵌入式通信在多径衰落信道下,如何有效抵抗多径衰落,提升通信可靠性等问题,研究了时间反转技术、均衡技术和RAKE接收技术,并结合雷达嵌入式通信系统的框架,将这些技术做出相应改进与设计后应用于该系统中。针对标签如何被有效触发和非合作雷达情况下如何接收雷达信号生成隐蔽通信波形等实际应用场景,在标签端提出了基于阵列处理的雷达提取技术,分析并验证了应用可行性、保证了该系统波形设计的前提。本文的主要工作和创新点如下:1、针对雷达嵌入式通信系统在多径衰落信道下的可靠接收问题,提出了基于均衡技术的接收方法,结合雷达嵌入式通信系统的具体结构,对均衡器进行适应性设计。以及提出了基于RAKE方式的去相关接收技术,理论分析和仿真实验表明,这些技术都能够有效提高雷达嵌入式通信的可靠性。2、针对标签如何被有效触发和非合作情况下如何实现雷达嵌入式通信等问题,提出了基于阵列处理的雷达波形提取技术,研究了DOA估计技术和波束形成技术,确保标签正确的提取雷达波形,以利于隐蔽通信的实现。3、针对雷达波形提取技术中相干信源DOA估计问题,重点研究了平滑MUSIC算法和基于MMSE的RISR算法,提出了基于LS模型的RISR改进算法,简化了RISR算法运算量、提高了方向估计的精度。

关键词：雷达嵌入式通信均衡 RAKE接收机 RISR算法波束形成

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基于软件无线电的雷达嵌入式通信验证系统

信号处理 2021年第11期37卷 2041-2053页

作者：张澄安李保国杜志毅汪敏姚怡舟国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室湖南长沙410073 国防科技大学自动目标识别国防科技重点实验室湖南长沙410073

雷达嵌入式通信(Radar-Embedded Communication,REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段。相较于传统的隐蔽通信方式,REC具有其独特的优势,在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景。本文基于通用软件无线电外... 详细信息

雷达嵌入式通信(Radar-Embedded Communication,REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段。相较于传统的隐蔽通信方式,REC具有其独特的优势,在军事和民用领域都有着非常广阔的应用前景。本文基于通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)硬件平台和实验室虚拟仪器工作平台(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench,LabVIEW)开发了一套REC验证系统,并对系统的可靠性能和抗截获进行了测试分析,初步验证了REC的可行性。测试结果表明,相对于仿真结果,本系统具有一定的性能损失,但在可控范围内,且本系统更加贴近于真实场景,可以用作REC技术的试验平台,为REC从理论走向现实奠定基础。

关键词：雷达嵌入式通信通用软件无线电外设实验室虚拟仪器工作平台隐蔽通信软件无线电

基于特征值矩阵参数优化的雷达嵌入式通信波形设计

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信号处理 2023年第4期39卷 751-760页

作者：刘毅远李保国姚怡舟张澄安孙鹏国防科技大学电子科学学院湖南长沙410073

雷达嵌入式通信(radar-embedded communication,REC)是一种使雷达与通信共用频谱的低截获概率(low probability of intercept,LPI)通信方式,通过在高功率雷达后向散射回波中嵌入低功率通信波形完成隐蔽通信。本文通过对成型注水(shaped ... 详细信息

雷达嵌入式通信(radar-embedded communication,REC)是一种使雷达与通信共用频谱的低截获概率(low probability of intercept,LPI)通信方式,通过在高功率雷达后向散射回波中嵌入低功率通信波形完成隐蔽通信。本文通过对成型注水(shaped water filling,SWF)波形的特征值矩阵幂指数a进行优化,提出了特征值矩阵幂指数可变的SWF波形,即SWF-a波形。本文推导了合作接收机和截获接收机对SWF-a波形的处理增益及增益优势,对其通信可靠性、LPI性能和综合性能进行了理论分析。最后以SWF-0.25、SWF和SWF-0.75波形为例,进行了仿真实验,实验结果与理论分析结果吻合,表明通过特征值矩阵幂指数优化可以满足REC波形不同方面的性能需求,具体地,适当减小参数a可以提高通信可靠性,而适当增大参数a可以提高LPI性能或改善综合性能,但对于LPI性能和通信可靠性能的同步提升,通过选择参数a是难以兼得的。

关键词：雷达嵌入式通信 SWF-a波形处理增益通信可靠性能 LPI性能

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基于多频带陷波的雷达嵌入式通信波形设计

信号处理 2022年第5期38卷 1019-1026页

作者：麦超云刘子明黄传好翟懿奎王占五邑大学智能制造学部广东江门529020

雷达嵌入式通信(radar-embedded communication,REC)系统是一种在雷达回波信号中隐藏通信信息的隐蔽通信方法。但是由于雷达系统所处的电磁波环境极为复杂,以致雷达嵌入式通信系统会受其他通信系统的同频干扰,最终导致接收机无法准确识... 详细信息

雷达嵌入式通信(radar-embedded communication,REC)系统是一种在雷达回波信号中隐藏通信信息的隐蔽通信方法。但是由于雷达系统所处的电磁波环境极为复杂,以致雷达嵌入式通信系统会受其他通信系统的同频干扰,最终导致接收机无法准确识别回波信号。为了使得雷达系统避免复杂环境的干扰且能保持良好的隐蔽通信性能,本文提出了一种基于多频带陷波的雷达嵌入式通信波形设计。本文首先根据随机雷达波形和理想功率谱密度,并采用功率谱匹配的方法建立目标函数,然后利用拟牛顿优化算法对目标函数进行求解得到多频带陷波,以此来避免其他通信系统带来的同频干扰问题,最后基于多频带陷波,采用一种改进的加权组合方法(improved weighted-combining,IWC)设计通信波形。仿真结果表明,本文所提方法可以保证雷达通信的低误码率(signal error rate,SER)和低拦截率(low probability of intercept,LPI)。

关键词：雷达嵌入式通信隐蔽通信多频带陷波拟牛顿法改进的加权组合方法低拦截率

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基于CNN的雷达嵌入式通信接收技术研究

无线电工程 2022年第3期52卷 350-357页

作者：张澄安李保国王翔国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室湖南长沙410073

雷达嵌入式通信(Radar-embedded Communication,REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段。为了进一步提高REC系统中通信接收机的接收性能,提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)的REC... 详细信息

雷达嵌入式通信(Radar-embedded Communication,REC)是一种在雷达后向散射回波中嵌入通信信号的新型隐蔽通信手段。为了进一步提高REC系统中通信接收机的接收性能,提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)的REC合作接收机结构———CNN接收机,给出了CNN接收机的设计原理及详细结构,并对CNN接收机的接收性能进行了仿真和分析。结果表明,相较于传统REC合作接收机,CNN接收机具有更优的接收性能,REC系统可以使用功率更低的通信信号来保证相同的通信可靠性,以此来增加抗截获性能。

关键词：雷达嵌入式通信卷积神经网络深度学习合作接收机通信可靠性