基于复用混沌的抗干扰一体化感知与通信系统研究

《IEEE Transactions on Radar Systems》：Interference Resilient Integrated Sensing and Communication Using Multiplexed Chaos

本文推荐一项关于一体化感知与通信（ISAC）系统的创新研究。为解决频谱拥挤环境下雷达与通信系统共存难题，研究人员提出基于复用混沌信号处理技术的波形设计方法。该研究通过多路混沌振荡器输出编码信息，并采用复用技术显著提升数据速率。研究结果表明，所提波形在Rician多径信道中具有优异的误码率性能，通过相关性和模糊函数分析证实其适用于高分辨率雷达成像，且对有意/无意干扰具有天然抗性。这项工作为ISAC系统提供了兼具高数据速率、高分辨率成像和强抗干扰能力的波形解决方案。

　　

随着无线服务在拥挤电磁频谱中的使用日益增加，通信系统不得不与现有雷达频段争夺资源。集成传感与通信（ISAC）系统通过共享相同频段和信号策略（如单一射频发射）来应对这些频谱拥挤问题。传统方法如线性调频（LFM）波形数据速率较低，正交频分复用（OFDM）波形存在高峰均功率比（PAPR）和对同步敏感的局限性。混沌信号作为一种具有类噪声特性的确定性波形，因其优异的自相关特性和宽频谱特性，成为ISAC系统的潜在解决方案。

在这项发表于《IEEE Transactions on Radar Systems》的研究中，Chandra S. Pappu等研究人员提出了一种基于复用混沌的干扰弹性ISAC系统。该研究旨在解决现有ISAC波形在数据速率、误码率（BER）和抗干扰能力方面的不足。研究人员设计了一类优化的二维混沌映射，通过精心选择控制参数使其特征值大于2，确保信号样本快速去相关。研究团队采用Gram-Schmidt正交化方法处理多个带通滤波混沌信号，生成一组正交信号用于信息编码。每个正交混沌信号被分为多个段，通过反极性比特（±1）进行编码，类似于二进制相移键控（BPSK）。编码后的信号通过复用合成为单一波形传输，显著提高了数据速率。

在通信性能方面，研究显示简单的相关器即可准确解码信息，误码率性能与BPSK相当，优于二进制降阶相移键控（BRPSK）和差分混沌移位键控（DCSK）。在Rician多径信道中，当视距（LOS）分量功率与散射路径功率相当时，误码率性能最优。雷达性能分析表明，尽管混沌波形的自相关函数旁瓣水平较LFM稍高，但其模糊函数呈现理想的图钉形状，在距离-多普勒平面上具有较低的旁瓣（约-30 dB），优于LFM的刀刃状模糊函数。

合成孔径雷达（SAR）成像实验采用后向投影算法（BPA）。研究比较了混沌波形与LFM波形在不同信噪比（SNR）条件下的成像效果。结果显示，混沌波形生成的SAR图像质量与LFM相当，即使在SNR=-10 dB的恶劣条件下仍能保持可接受的成像质量。最引人注目的是，在转发器干扰场景下，混沌波形展现出卓越的电子对抗（ECM）能力。由于混沌系统对初始条件的敏感性，每个雷达位置发射的波形都有细微差异，使得干扰方难以有效记录和复制波形，从而显著降低了虚假目标成像的可能性。

关键技术方法包括：设计具有最优自相关特性的二维混沌映射；采用Gram-Schmidt正交化处理多路混沌信号；基于相关检测的同步和解码机制；利用后向投影算法进行SAR成像；以及在多径信道和干扰场景下的性能评估。

混沌映射设计

研究人员通过蒙特卡洛模拟优化二维混沌映射的控制参数，确保最大特征值v_L大于2，使李雅普诺夫时间λ_t约为0.86Δt-1.4286Δt，保证信号样本快速去相关。这种设计使混沌波形具有类似随机信号的最优自相关特性。

正交化与编码

多个带通滤波混沌信号通过Gram-Schmidt程序正交化，生成一组正交信号。每个信号被分段后，通过乘以±1编码二进制信息，类似于BPSK调制但利用混沌信号的宽频谱特性。

同步与解码

接收机通过相关检测识别前导序列，建立同步后生成与发射端相同的正交混沌信号。通过计算接收信号与同步信号段的相关性，根据相关峰值的正负解码比特信息。

雷达性能分析

研究对比了混沌波形与LFM波形的自相关函数和模糊函数。虽然混沌波形的自相关旁瓣较LFLM稍高，但其模糊函数呈现更理想的图钉形状，在距离和多普勒维度的模糊度更低。

SAR成像性能

在不同SNR条件下，混沌波形生成的SAR图像质量与LFM相当。特别是在SNR=-10 dB时，虽然噪声基底升高，但主要目标仍可识别。

抗干扰能力

在转发器干扰实验中，LFM波形易受欺骗产生虚假目标图像，而混沌波形因每个位置发射的波形不同，能有效抵抗此类干扰，仅导致噪声基底轻微升高。

该研究通过理论分析和数值模拟证明，基于复用混沌的ISAC波形在通信和雷达性能间实现了良好平衡。其高数据速率、低误码率、优异的距离分辨率以及固有的抗干扰特性，使其成为未来ISAC系统的理想候选波形。混沌振荡器易于实现和波形生成的特性，为其在实际系统中的部署提供了可行性。这项工作不仅为解决频谱拥挤问题提供了创新解决方案，也为多功能射频系统的设计开辟了新途径。