雷達(dá)-通信一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都611731)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜,單部雷達(dá)的作戰(zhàn)性能面臨著越來越多的挑戰(zhàn),甚至在某些情況下已經(jīng)不能發(fā)揮作用,雷達(dá)系統(tǒng)不得不配備更多的通信等電子設(shè)備以提高生存率。然而不同的雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的電磁干擾,這不僅削弱了雷達(dá)的探測性能,也不能保證通信系統(tǒng)發(fā)揮正常的數(shù)據(jù)傳輸功能。

雷達(dá)和通信一體化[1-2]是一種有效解決上述問題的方法。雖然雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)在信號方面存在很大差別,但是它們在天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號處理等模塊都存在很多相似之處,這也為雷達(dá)和通信一體化提供了可能。為了最大程度地實現(xiàn)雷達(dá)和通信的一體化,最有效的一種方法就是在雷達(dá)平臺上使用一種共享信號[3]來進(jìn)行雷達(dá)探測和數(shù)據(jù)傳輸,雷達(dá)信號用于檢測目標(biāo)和測距,通信數(shù)據(jù)用于區(qū)分雷達(dá)和傳輸測距信息,將多部雷達(dá)組合起來形成一個網(wǎng)絡(luò),使用類似于貪心算法的方法,從網(wǎng)絡(luò)中選取當(dāng)前時刻最優(yōu)的雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)測距定位,利用多部雷達(dá)的數(shù)據(jù)得到精度更高、評估更全面準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。這可以有效解決單部雷達(dá)的作戰(zhàn)性能下降問題,同時,在傳統(tǒng)的雷達(dá)平臺上添加通信功能也是未來雷達(dá)系統(tǒng)[4]發(fā)展的一個重點方向。

雷達(dá)和通信一體化技術(shù)在我國雖然剛剛起步,但已經(jīng)取得了不少的成果。文獻(xiàn)[5-6]討論了直接序列擴(kuò)頻的超寬帶雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng),通過使用不同的擴(kuò)頻碼編碼通信信息,這種方法需要很高的擴(kuò)頻碼產(chǎn)生速率,同時選用的擴(kuò)頻碼之間的互相關(guān)干擾也比較嚴(yán)重。李曉柏博士在文獻(xiàn)[7-8]中討論了基于Chirp信號的雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng),采用同調(diào)頻率不同中心頻率Chirp信號序列作為一體化信號,一個中心頻率的Chirp信號用來表示一個通信數(shù)據(jù),通信速率取決于Chirp信號的產(chǎn)生速率,以至于通信的速率非常低下。

由于步進(jìn)變頻信號[9]具有極高的頻率,通過發(fā)射一連串頻率步進(jìn)的單頻信號合成超寬帶信號,從而獲得很高的距離分辨率,同時,步進(jìn)變頻信號易于處理,可以通過相干解調(diào)等效為超短脈沖信號,從而很好地恢復(fù)出目標(biāo)信息,廣泛應(yīng)用于探地、穿墻等近場非視距處理領(lǐng)域,本文主要討論基于步進(jìn)變頻信號的雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)。首先介紹了基于步進(jìn)變頻信號的雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)原理,其次解釋了一體化共享信號的調(diào)制解調(diào)方法,最后總結(jié)了如何建立一個有效的雷達(dá)通信一體化網(wǎng)絡(luò)。

1 雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)

1.1 雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)原理

雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)框圖

基于步進(jìn)變頻信號的雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)主要是依靠步進(jìn)變頻信號高頻率、超寬帶的特點,在步進(jìn)變頻信號帶寬外使用一個頻率較低的調(diào)相信號充當(dāng)通信信號,通過BPSK調(diào)制到步進(jìn)變頻信號的每一個頻點中。由于通信信號頻率較低,從而可在很小影響雷達(dá)性能的情況下,完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸。同時,這種特殊的共用信號設(shè)計將通信數(shù)據(jù)隱藏在雷達(dá)信號之中,實現(xiàn)了雷達(dá)和通信信號能量的一體化,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,使得雷達(dá)兼具通信功能,降低通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,提高了設(shè)備的利用率。

這種調(diào)制方法實現(xiàn)簡單,只需要作簡單的混頻處理,關(guān)鍵問題就是在回波信號處理中如何實現(xiàn)雷達(dá)基帶信號和通信基帶信號的分離。在接收端,使用參考步進(jìn)變頻信號進(jìn)行混頻的時候,為了得到穩(wěn)定的差拍信號,調(diào)制的時候在每個頻點的開始和結(jié)束部分都使用未經(jīng)過通信數(shù)據(jù)調(diào)制的單頻信號來調(diào)制步進(jìn)變頻信號,這個可以通過將通信二進(jìn)制數(shù)據(jù)展寬,使用全為“1”的數(shù)據(jù)來調(diào)制每個頻點的開始和結(jié)束部分。接收端回波信號與參考步進(jìn)變頻信號進(jìn)行混頻之后的混合信號中,由于差拍信號的頻率很低,它只會在通信基帶信號的包絡(luò)中體現(xiàn)出來,從而使得通信信號和差拍信號可以通過不同的濾波器分離開來,而不需要像Chirp信號那樣使用近似變換和盲源分離的處理方法,降低了信號處理的復(fù)雜度,簡單的就可以實現(xiàn)在雷達(dá)平臺上傳遞通信數(shù)據(jù)。

1.2 雷達(dá)-通信一體化共享信號的調(diào)制解調(diào)方法

假設(shè)通信數(shù)據(jù)為A(t)(A(t)為雙極性信號),則展寬后的通信信號可以表示為

將展寬后的通信信號B(t)通過BPSK調(diào)制后的信號形式可以表示為

式中,f0為載頻頻率,φ0為載頻相位。

將通信信號與步進(jìn)變頻雷達(dá)信號進(jìn)行混頻,混頻后的信號可以表示為

式中,f(t)為步進(jìn)變頻信號的頻點,f(t)=(fL+,其中fL為步進(jìn)變頻信號的起始頻率,T0為每個頻點的持續(xù)時間;K為頻點總數(shù)。

對于步進(jìn)變頻雷達(dá),最大無模糊距離rmax=,一般情況下Δf=2 M Hz,所以最大無模糊距離rmax=75 m,因而目標(biāo)的最大雙程回波延時τmax=,而步進(jìn)變頻信號的單頻點持續(xù)時間一般為T0=100μs,所以目標(biāo)回波延遲一般滿足τ?T0。

因此,回波信號sr(t)可以表示為

用與發(fā)射端同步的步進(jìn)變頻信號s(t)進(jìn)行正交混頻,混頻之后將信號通過低通濾波器濾除高頻分量,得到混合信號mix(t)：

可以看出,mix(t)是傳統(tǒng)步進(jìn)變頻體制雷達(dá)的差拍信號u(t)和通信信號sc(t-τ)混頻之后的信號,由于差拍信號u(t)的頻率較低,可以在解調(diào)后的信號包絡(luò)中顯示出來。在通信端,由于混合信號的最高頻率為f0+max{fb,fd},fb為通信基帶信號的最高頻率,fd為差拍信號的最高頻率,一般情況下fb?fd,所以對混合信號進(jìn)行相干解調(diào),就可以恢復(fù)出通信基帶信號,對該基帶信號進(jìn)行抽樣判決,就可以得到二進(jìn)制通信數(shù)據(jù)A(t-τ)。在雷達(dá)端,使用一個載頻為f0的BPSK信號與混合信號進(jìn)行混頻,再通過截止頻率為的低通濾波器,就可以對基帶回波信號進(jìn)行重構(gòu),基帶信號通過加窗、補(bǔ)零和FFT,其幅度于目標(biāo)雙程時延處取得最大值,從而實現(xiàn)對目標(biāo)的測距。

仿真中設(shè)置BPSK通信信號的載頻為1 M Hz,符號率為500 k bit/s,步進(jìn)變頻信號的起始頻率fL=1.6 GHz,頻率步進(jìn)間隔Δf=2 M Hz,頻點持續(xù)時間T0=100μs,頻點數(shù)K=300,在5 m處設(shè)置一個點目標(biāo)。

仿真結(jié)果表明,這種調(diào)制解調(diào)方法可以在較小影響雷達(dá)性能的前提下實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的傳輸。接收端接收到的回波信號通過與發(fā)射端步進(jìn)變頻信號進(jìn)行混頻處理得到的混合信號mix(t)的I通道的時域波形如圖2所示,圖3顯示了其局部波形,可以看出通信信號出現(xiàn)在每個頻點最中間的那部分。mix(t)的頻譜總圖如圖4所示,選取零頻以上的部分如圖5所示,從圖中可以看出1 M Hz處的為雷達(dá)基帶回波信號,-1 M Hz處的為受到差拍信號調(diào)制的通信信號,通過相干解調(diào)就可以得到通信數(shù)據(jù),解調(diào)得到的通信數(shù)據(jù)的誤碼率如圖6所示,與單獨(dú)BPSK調(diào)制通信信號相比,在SNR≥7的時候誤碼率幾乎相同,因而本文的方法具有良好的通信性能;雷達(dá)端基帶回波信號通過加窗、補(bǔ)零和FFT得到雷達(dá)端的距離像,如圖7所示,從圖中可以清晰地看出目標(biāo)的距離位置。

圖2 正交解調(diào)后I通道時域波形(一個周期)

圖3 正交解調(diào)后I通道時域波形(局部)

圖4 正交解調(diào)后的頻譜

圖5 正交解調(diào)后的頻譜(局部)

圖6 通信端誤碼率曲線

圖7 雷達(dá)端距離像

2 雷達(dá)-通信一體化網(wǎng)絡(luò)的建立方法

2.1 雙向飛行測距

雙向飛行測距方法如圖8所示,假設(shè)雷達(dá)A發(fā)送一體化信號的時間為t0,雷達(dá)B接收到一體化混合信號時間為t1,雷達(dá)B經(jīng)過自身處理t w之后回發(fā)一個一體化信號,發(fā)送時間為t2,最后雷達(dá)A接收到回波信號的時間為t3。從而雷達(dá)A,B之間的距離為

雙向飛行時間可以提供雷達(dá)間精確的測距信息,為了區(qū)分不同的雷達(dá),給予每一部雷達(dá)一個獨(dú)一無二的節(jié)點識別號,節(jié)點識別號被編碼在通信信息里面,從而在調(diào)制一體化波形的時候編碼到步進(jìn)變頻信號中。這樣不同雷達(dá)的接收端在接收到步進(jìn)變頻混合信號時,進(jìn)行混頻解調(diào)就能區(qū)分出是哪部雷達(dá)發(fā)送出去的信息,并以此決定是否需要對測距請求進(jìn)行回應(yīng)。在使用雷達(dá)一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)定位時,處理中心不僅需要區(qū)分不同的雷達(dá),同時也需要得到不同雷達(dá)的測距結(jié)果。因此,通信數(shù)據(jù)中不僅需要存放雷達(dá)的節(jié)點識別號,同時也得將雷達(dá)的測距結(jié)果放在其中,這樣處理中心在接收到數(shù)據(jù)的時候才可以區(qū)分出不同雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離信息。

仿真的結(jié)果可以看出,雙向飛行測距十分精確,在無阻擋情況下定位誤差只有幾厘米。

圖8 雙向飛行(TW-ToF)測距示意圖

2.2 雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的建立

為了使建立的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)更加準(zhǔn)確,選用確定的三部雷達(dá)建立坐標(biāo)系,如圖9所示,選定A,B,C三部雷達(dá)確立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系,它們之間的距離為一個比較小的定值L1,L2,L3,從而建立2D平面內(nèi)的一個坐標(biāo)系,然后分別測定其他每部雷達(dá)的相對位置,最后建立一個雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)。

這種優(yōu)先確立坐標(biāo)系的方法實現(xiàn)起來非常簡單。由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化,雷達(dá)測距并不能十分準(zhǔn)確,在針對性測距的過程中,也可以通過測定A,B,C三部雷達(dá)之間的距離來驗證雷達(dá)系統(tǒng)測距的準(zhǔn)確性,達(dá)到實時監(jiān)測并修改的目的。其次,這種方法只需要A,B,C三部雷達(dá)對其他雷達(dá)分別進(jìn)行測距,然后通過圓定位確定每個雷達(dá)節(jié)點的相對位置,從而建立雷達(dá)網(wǎng)絡(luò),減少了雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的測距和建立時間,可以更快地對目標(biāo)進(jìn)行測距定位。其他各部雷達(dá)只需要存儲自身對目標(biāo)的測距信息,不需要存儲與它們各自之間的測距信息,降低了信號處理的難度。

圖9 雷達(dá)-通信一體化網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系建立示意圖

3 結(jié)束語

雷達(dá)-通信一體化是未來雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢,從通信的角度來看,雷達(dá)只是一個獨(dú)立的無線通信節(jié)點,多部雷達(dá)系統(tǒng)只有在組成一個網(wǎng)絡(luò)的情況下才能發(fā)揮最佳的性能。由于步進(jìn)變頻信號易于產(chǎn)生、處理簡單,可以廣泛應(yīng)用于穿墻等近場非視距處理領(lǐng)域,本文在基于共享步進(jìn)變頻信號的基礎(chǔ)上,研究了一體化共享信號的調(diào)制解調(diào)方法,同時對雷達(dá)-通信一體化網(wǎng)絡(luò)的建立提出了一種優(yōu)先確立坐標(biāo)系的新方法,仿真結(jié)果表明,這種優(yōu)先確定坐標(biāo)系的方法具有較高的準(zhǔn)確性,對雷達(dá)-通信一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要的推動作用。

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