基于通感一體化技術的遠距離感知與高精度測角系統開發

摘 要：該文基于通感一體化技術，致力于開發一套遠距離感知與高精度測角系統。通過深入研究通感一體化技術，以及感知信號處理算法包括距離估計、CFAR檢測和角度估計等關鍵技術，實現對目標的準確感知和測角。系統的設計與硬件實現考慮感知系統架構、硬件配置與選型等方面，旨在提供高效、可靠的系統性能。實驗結果表明，該系統在遠距離感知和測角方面取得顯著成果，為相關領域的研究和應用提供有力支持。

關鍵詞：通感一體化技術；遠距離感知；高精度測角；感知信號處理；CFAR檢測

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0015-04

Abstract： Based on the integrated sensing and communication （ISAC） technology， this paper is devoted to the development of a long-distance perception and high-precision angle measurement system. Through in-depth study of the ISAC technology， and perceptual signal processing algorithms including distance estimation， CFAR detection and angle estimation and other key technologies to achieve accurate perception and angle measurement of the target. The design and hardware implementation of the system take into account the perceptual system architecture， hardware configuration and selection， in order to provide efficient and reliable system performance. The experimental results show that the system has achieved remarkable results in long-distance sensing and angle measurement， which provides strong support for the research and application in related fields.

Keywords： integrated sensing and communication （ISAC） technology; remote sensing; high precision angle measurement; perceptual signal processing; CFAR detection

在當今快速發展的科技時代，對于遠距離感知與高精度測角系統的需求日益迫切。這種系統在軍事、民用及工業領域都扮演著關鍵角色，為目標的精準感知和測角提供了關鍵支持。在復雜多變的環境中，傳統系統常常面臨距離估計、背景干擾和角度測量等方面的挑戰。本文基于通感一體化技術，旨在通過深度研究感知信號處理算法，構建一套高效可靠的遠距離感知與高精度測角系統。

1 通感一體化技術基礎

通感一體化技術作為一種綜合利用多種感知方式的前沿技術，旨在通過整合雷達、光學、聲學等多傳感器信息，實現對目標全方位、多角度的感知與識別。該技術不僅彌補了單一傳感器的局限性，還提供了更為全面和準確的目標信息。通過協同作用，通感一體化技術能夠在不同環境和復雜背景下，有效感知目標的距離、速度、方位等關鍵參數，為遠距離感知與測角系統提供了強大的感知基礎[1]。

2 感知信號處理算法

2.1 距離估計

2.1.1 距離估計基本原理

距離估計的基本原理是建立在電磁信號的時差測量基礎上的。在遠距離感知系統中，為了準確地確定目標物體與基站之間的距離，通常采用一種基于電磁信號的測量方法。當電磁信號被發射并被目標物體反射后，接收器會捕捉到這些反射信號，并利用其來估計目標與基站之間的距離。這一原理的實現依賴于時間差測量技術，即通過計算信號從發射到接收所需的時間來確定目標的距離。如圖1所示，假設有一對發射和接收天線，接收和發射信號之間的時間差（τ）與目標距離（r）之間存在關系τ=。其中，c表示光速。同時，接收信號和發射信號之間的頻率差（？駐f）可以通過時間差τ和頻率變化率S計算，即？駐f=τS。將這2個關系代入公式r=中，得到目標距離r與頻率差？駐f（IF信號的頻率）成正比的距離估計公式。在實際應用中，距離估計的精度和可靠性受到多種因素的影響，其中包括信號的采樣頻率、信號帶寬以及接收器的靈敏度等。在單個目標的情況下，最大的探測距離受到IF信號的最大頻率的限制，而該頻率又受到信號帶寬（B）和IF信號的采樣頻率的限制，其中Δf<B。因此，最大測量距離主要由IF的采樣頻率限制。

2.1.2 距離估計算法的優化與改進

在距離估計算法的優化與改進中，一項關鍵的方法是引入波束賦形技術，該技術通過調整接收天線的靈敏度分布，使得系統可以更精準地定向接收目標回波信號。一種常見的波束賦形方法是利用陣列天線系統，通過對每個天線的信號進行加權和相位控制，形成一個具有方向性的波束，系統可以對特定方向上的目標信號進行增強，提高距離估計的精度和抗干擾能力。在波束賦形的基礎上，多通道處理也是一種有效的優化手段。通過利用多通道接收系統，可以獲取多個不同方向上的目標回波信號，從而更全面地了解目標在空間中的位置信息。這種方法進一步提高了系統的空間分辨率，使得距離估計更加準確。此外，頻域信號處理方法也在距離估計算法中得到廣泛應用[2]。通過采用快速傅里葉變換（FFT）等技術，可以將時域信號轉換為頻域信號，從而更好地分析目標回波信號的頻率特征。這有助于系統對目標距離更準確的估計，尤其是在存在多目標或復雜背景干擾的情況下。在深度學習領域，卷積神經網絡（CNN）等模型的應用也成為距離估計算法優化的一部分。通過訓練神經網絡，系統可以學習目標回波信號的抽象特征，提高對目標距離的準確估計能力。這種數據驅動的方法在處理復雜場景和非線性信號時表現出色。

2.2 CFAR檢測

2.2.1 CFAR檢測的背景和基本思想

在雷達信號處理中，恒虛警（Constant False Alarm Rate，CFAR）檢測是一種常用的目標檢測方法，用于有效地區分目標信號和背景噪聲、雜波以及干擾信號。其基本思想是根據環境噪聲水平自適應地調整檢測閾值，以保持恒定的誤報概率。

CFAR檢測的背景源于雷達系統在實際應用中面臨的挑戰，即環境中存在各種無關的信號干擾，而傳統的固定閾值檢測方法往往無法有效適應不同背景噪聲水平，導致誤報率不穩定。CFAR方法通過引入自適應性，能夠根據局部環境的統計特性動態地調整檢測閾值，從而更好地適應復雜的場景。

具體而言，CFAR檢測首先對雷達接收到的信號進行統計分析，得到環境噪聲的分布特性。常見的CFAR算法包括Cell Averaging CFAR（CA-CFAR）和Order Statistic CFAR（OS-CFAR）等。在CA-CFAR中，對每個檢測單元的周圍區域進行平均，得到背景噪聲水平，并在此基礎上設置檢測閾值。而在OS-CFAR中，采用排序統計的方式，選擇合適的統計量作為閾值，提高對非均勻環境的適應性。

2.2.2 自適應閾值的應用與優化

自適應閾值的應用與優化是CFAR檢測算法中的關鍵環節，其目的在于根據實時變化的背景噪聲、雜波和干擾水平動態調整檢測閾值，以確保在不同環境條件下能夠保持穩定的誤報概率。在CFAR檢測中，自適應閾值的應用主要涉及選擇合適的統計量，并根據環境特性進行動態調整。一種常見的自適應閾值選擇方式是基于局部背景噪聲水平的統計信息，例如局部平均值或局部中值。這樣的統計量能夠反映周圍環境的特征，從而更準確地反映背景的實際情況。優化自適應閾值的方法主要包括引入更復雜的統計模型和考慮環境的時空變化。例如，可以采用指數加權移動平均來平滑背景噪聲估計，以減小突發噪聲對閾值的影響。此外，一些先進的CFAR算法還結合了分布假設和極值理論，可以更精確地估計背景噪聲的分布形狀，進而提高檢測性能。關于自適應閾值的優化，還可以考慮引入動態參數調整機制。通過監測系統性能和環境變化，實時更新閾值的參數，以適應不同工作條件下的需求。這種方法使得CFAR檢測更具靈活性和魯棒性，對于復雜多變的實際應用場景更具適應性。

2.3 角度估計

2.3.1 角度估計的基本原理

角度估計是雷達系統中至關重要的任務之一，其基本原理涉及多個接收天線對目標到達的信號進行相位差分析，以確定目標相對于雷達的方位角。在雷達系統中，準確估計目標的角度信息對于實現目標跟蹤、目標識別以及場景感知等應用至關重要。因此，角度估計的準確性和精度直接影響著雷達系統的性能和應用效果。

在實際應用中，通常采用多天線的雷達系統來實現角度估計。對于單一目標，至少需要2個接收天線才能測量其方位角。當目標的電磁波信號到達多個接收天線時，由于它們之間的距離差異，信號的相位會存在差異。這種相位差可以通過信號處理方法來提取，進而計算目標相對于雷達的方位角。在多目標或高動態環境下，通過增加接收天線的數量可以提高系統的角度分辨率。在多天線系統中，每個接收天線接收到的信號序列的相位差都包含了目標的方向信息。通過對這些相位差序列進行傅里葉變換，可以得到頻域上的分量，其中最大分量對應的頻率即為目標的角度信息[3]。這種頻域分析方法在角度估計中得到了廣泛應用，其不僅能夠提供高精度的角度估計結果，而且具有較好的抗干擾能力，能夠有效應對復雜環境下的干擾和噪聲。除了相位差分析方法外，還可以利用波束形成技術來實現角度估計。波束形成技術利用多個接收天線構成的波束形成網絡，通過對接收信號進行加權組合，實現對目標方向的精確估計。這種方法通常能夠提供更高的角度分辨率和更強的抗干擾能力，適用于復雜多目標、高動態的場景。

2.3.2 多接收天線系統的角度估計算法

多接收天線系統的角度估計算法在雷達信號處理中起到至關重要的作用。該算法的核心思想是通過多個接收天線接收目標信號，利用信號到達不同天線的時間差或相位差，實現對目標方向的高精度估計。

一種常見的多接收天線系統角度估計方法是利用相位比對法。在這種方法中，通過將接收天線分為2個或多個子陣，分別接收目標信號，然后比較子陣之間的相位信息來確定目標的方向。這種方法具有較高的角度分辨率和抗干擾能力。假設有2個接收天線構成的子陣，目標信號到達這2個天線會產生相位差。通過測量這個相位差，可以計算出目標相對于雷達的方向。這種方法的優勢在于對單一目標的角度估計精度較高，并且在多目標環境中具有較好的抗混疊和抗噪聲性能。

另一種常見的方法是通過多通道波束形成（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）實現角度估計。MIMO系統利用多個天線對目標信號進行處理，通過優化天線陣列的權重分配和相位控制，實現對目標方向的準確估計。這種方法在復雜環境中表現出色，能夠有效應對多目標和高動態場景。在多接收天線系統的角度估計算法中，需要考慮天線布局、信號相干性、多徑效應等因素，并結合信號處理技術進行優化。這樣的算法不僅提高了系統對目標方向的測量精度，還具有較強的抗干擾和抗噪聲能力，為雷達系統在復雜環境下的目標探測與追蹤提供了可靠支持。

3 系統設計與硬件實現

3.1 感知系統架構設計

感知系統架構設計是遠距離感知與高精度測角系統中至關重要的一環，其旨在實現對環境中目標的準確感知和信號的有效獲取。如圖2所示，該架構主要由感知模塊、信號調理模塊和數據接口模塊組成，以確保系統具備高性能和可靠性。感知模塊作為系統的前端，包括雷達其他感知器件，其功能在于發射電磁信號并接收目標的回波信號。在設計感知模塊時，需要考慮系統工作的頻率范圍、波束寬度和靈敏度等參數，以滿足對不同類型目標的感知需求。此外，對于采用多傳感器融合的系統而言，感知模塊的選擇和配置也需要考慮各傳感器之間的協同工作，以實現更全面的環境感知。信號調理模塊是對感知模塊采集到的信號進行預處理和初步分析的關鍵環節。這一模塊包括信號放大、濾波、去噪等步驟，以確保從感知器件獲取的信號具有較高的質量和準確性。信號調理還需要有效處理復雜環境中的噪聲和干擾，提高系統的抗干擾能力。通過對信號進行精心處理，可以最大限度地提取目標信息，為后續處理提供可靠的數據基礎。數據接口模塊負責將經過感知和信號調理的數據傳輸給后續的信號處理模塊。這一模塊需要考慮數據傳輸的速率、穩定性和實時性，以確保感知到的信息能夠及時有效地傳遞給后續處理單元。同時，數據接口模塊還需要與后續處理模塊相匹配，保證數據格式和接口協議的兼容性，以確保整個系統的順暢運行。在實際應用中，感知系統架構設計需要綜合考慮各模塊之間的協同作用和對系統整體性能的影響。通過合理的設計和優化，可以使系統具備更高的感知精度、更強的抗干擾能力和更快的數據響應速度，從而實現對目標的準確感知和高效獲取信號的目標。

3.2 硬件配置與選型

硬件配置與選型是遠距離感知與高精度測角系統設計中至關重要的環節。在感知系統的硬件實現中，需要精心選擇和配置各個組成部分，以確保系統在不同工作環境下都能夠穩定高效的運行。

接收天線的設計與優化是硬件配置的核心之一。合適的接收天線能夠直接影響到系統對目標回波信號的接收效果。天線的頻率響應、方向性以及阻抗匹配等特性需要考慮，以確保天線在系統設計的頻率范圍內能夠有效接收目標信號。優化天線的設計還包括對天線形狀和尺寸的調整，以滿足系統對于方位角和俯仰角測量的要求。信號處理器與計算平臺的選擇至關重要。針對感知信號的處理需求，需要選擇性能強大且適應系統算法的信號處理器。同時，計算平臺的選型也需考慮系統的實時性和計算能力，以滿足對大量實時數據進行處理和分析的要求。數據傳輸與通信模塊的配置需要考慮系統對數據傳輸速率和穩定性的需求[4]。選擇適當的通信模塊，確保感知到的數據能夠及時傳輸到后續處理單元，是整個系統實現高效協同工作的重要保障。

4 實驗與結果分析

4.1 實驗設計

本文設計了一系列實驗以驗證系統在復雜電磁環境中的性能。在一個模擬實際場景的封閉空間中，設置多個目標模擬不同距離和方位角。引入不同類型和強度的干擾信號，模擬真實世界中的電磁干擾。通過系統感知信號處理算法，測量目標的距離和方位角，并評估系統對于干擾的抑制效果。通過多次重復實驗，記錄并分析系統在各種條件下的性能表現，包括距離和角度估計的準確度以及對干擾的抗性。

4.2 實驗結果

根據表1的實驗結果，可以觀察到系統在不同實驗次數下的性能表現。首先，在目標距離估計方面，實驗數據顯示了系統對目標距離的準確估計能力，如在第3次實驗中，成功估計目標距離為200 m。其次，目標方位角估計方面，系統也表現出了較高的準確性，例如在第2次實驗中，成功估計目標方位角為60°。最后，通過觀察干擾抑制效果，可以看到系統在各次實驗中都取得了良好的抑制效果，尤其在第2和第4次實驗中達到了優秀水平。這些結果表明系統在感知與測角任務中具有可靠性和高精度，為遠距離感知與測角系統的設計與優化提供了有力支持。

5 結束語

在遠距離感知與高精pNv2c7Am8+SKXRfQ3V45Gg==度測角系統的開發中，通感一體化技術為系統性能提升提供了強大支持。通過綜合運用距離估計、CFAR檢測和角度估計等感知信號處理算法，系統實現了對目標位置和方位的準確感知。通過實驗與結果分析，系統在不同實驗場景下展現了優異的性能，成功實現了對目標距離和方位角的準確感知。實驗結果驗證了系統在遠距離感知與高精度測角領域的可行性和有效性，為相關技術的發展與應用提供了有力的實踐支持。綜上所述，本系統在通感一體化技術的引領下，為遠距離感知與高精度測角領域的研究和發展貢獻了重要的成果。

參考文獻：

[1] 王宇恒.基于毫米波感知的遠距離活動識別研究與設計[D].北京：北京郵電大學，2021.

[2] 宋佳，趙藝帆，昌碩，等.面向遠距離目標感知通信一體化的OFDM信號波形設計[J].移動通信，2022，46（4）：14-21.

[3] 楊明遠，鄒波，江利中，等.試驗平臺對高精度測量雷達測角誤差的影響及補償[J].制導與引信，2021，42（3）：43-49.

[4] 翟霄.TI毫米波MIMO雷達的高分辨測角算法研究[D].煙臺：煙臺大學，2023.