雷达-通信一体化网络设计

(电子科技大学电子工程学院,四川成都611731)

0 引言

随着科学技术的快速发展和应用环境的日益复杂,单部雷达的作战性能面临着越来越多的挑战,甚至在某些情况下已经不能发挥作用,雷达系统不得不配备更多的通信等电子设备以提高生存率。然而不同的雷达系统和通信系统之间存在复杂的电磁干扰,这不仅削弱了雷达的探测性能,也不能保证通信系统发挥正常的数据传输功能。

雷达和通信一体化[1-2]是一种有效解决上述问题的方法。虽然雷达系统和通信系统在信号方面存在很大差别,但是它们在天线、发射机、接收机和信号处理等模块都存在很多相似之处,这也为雷达和通信一体化提供了可能。为了最大程度地实现雷达和通信的一体化,最有效的一种方法就是在雷达平台上使用一种共享信号[3]来进行雷达探测和数据传输,雷达信号用于检测目标和测距,通信数据用于区分雷达和传输测距信息,将多部雷达组合起来形成一个网络,使用类似于贪心算法的方法,从网络中选取当前时刻最优的雷达进行目标测距定位,利用多部雷达的数据得到精度更高、评估更全面准确的目标信息。这可以有效解决单部雷达的作战性能下降问题,同时,在传统的雷达平台上添加通信功能也是未来雷达系统[4]发展的一个重点方向。

雷达和通信一体化技术在我国虽然刚刚起步,但已经取得了不少的成果。文献[5-6]讨论了直接序列扩频的超宽带雷达-通信一体化系统,通过使用不同的扩频码编码通信信息,这种方法需要很高的扩频码产生速率,同时选用的扩频码之间的互相关干扰也比较严重。李晓柏博士在文献[7-8]中讨论了基于Chirp信号的雷达-通信一体化系统,采用同调频率不同中心频率Chirp信号序列作为一体化信号,一个中心频率的Chirp信号用来表示一个通信数据,通信速率取决于Chirp信号的产生速率,以至于通信的速率非常低下。

由于步进变频信号[9]具有极高的频率,通过发射一连串频率步进的单频信号合成超宽带信号,从而获得很高的距离分辨率,同时,步进变频信号易于处理,可以通过相干解调等效为超短脉冲信号,从而很好地恢复出目标信息,广泛应用于探地、穿墙等近场非视距处理领域,本文主要讨论基于步进变频信号的雷达-通信一体化系统。首先介绍了基于步进变频信号的雷达-通信一体化系统原理,其次解释了一体化共享信号的调制解调方法,最后总结了如何建立一个有效的雷达通信一体化网络。

1 雷达-通信一体化系统

1.1 雷达-通信一体化系统原理

雷达-通信一体化系统框图如图1所示。

图1 雷达通信一体化系统框图

基于步进变频信号的雷达-通信一体化系统主要是依靠步进变频信号高频率、超宽带的特点,在步进变频信号带宽外使用一个频率较低的调相信号充当通信信号,通过BPSK调制到步进变频信号的每一个频点中。由于通信信号频率较低,从而可在很小影响雷达性能的情况下,完成二进制数据的传输。同时,这种特殊的共用信号设计将通信数据隐藏在雷达信号之中,实现了雷达和通信信号能量的一体化,提高了系统的抗干扰能力,使得雷达兼具通信功能,降低通信网络的复杂性,提高了设备的利用率。

这种调制方法实现简单,只需要作简单的混频处理,关键问题就是在回波信号处理中如何实现雷达基带信号和通信基带信号的分离。在接收端,使用参考步进变频信号进行混频的时候,为了得到稳定的差拍信号,调制的时候在每个频点的开始和结束部分都使用未经过通信数据调制的单频信号来调制步进变频信号,这个可以通过将通信二进制数据展宽,使用全为“1”的数据来调制每个频点的开始和结束部分。接收端回波信号与参考步进变频信号进行混频之后的混合信号中,由于差拍信号的频率很低,它只会在通信基带信号的包络中体现出来,从而使得通信信号和差拍信号可以通过不同的滤波器分离开来,而不需要像Chirp信号那样使用近似变换和盲源分离的处理方法,降低了信号处理的复杂度,简单的就可以实现在雷达平台上传递通信数据。

1.2 雷达-通信一体化共享信号的调制解调方法

假设通信数据为A(t)(A(t)为双极性信号),则展宽后的通信信号可以表示为

将展宽后的通信信号B(t)通过BPSK调制后的信号形式可以表示为

式中,f0为载频频率,φ0为载频相位。

将通信信号与步进变频雷达信号进行混频,混频后的信号可以表示为

式中,f(t)为步进变频信号的频点,f(t)=(fL+,其中fL为步进变频信号的起始频率,T0为每个频点的持续时间;K为频点总数。

对于步进变频雷达,最大无模糊距离rmax=,一般情况下Δf=2 M Hz,所以最大无模糊距离rmax=75 m,因而目标的最大双程回波延时τmax=,而步进变频信号的单频点持续时间一般为T0=100μs,所以目标回波延迟一般满足τ≪T0。

因此,回波信号sr(t)可以表示为

用与发射端同步的步进变频信号s(t)进行正交混频,混频之后将信号通过低通滤波器滤除高频分量,得到混合信号mix(t)：

可以看出,mix(t)是传统步进变频体制雷达的差拍信号u(t)和通信信号sc(t-τ)混频之后的信号,由于差拍信号u(t)的频率较低,可以在解调后的信号包络中显示出来。在通信端,由于混合信号的最高频率为f0+max{fb,fd},fb为通信基带信号的最高频率,fd为差拍信号的最高频率,一般情况下fb≫fd,所以对混合信号进行相干解调,就可以恢复出通信基带信号,对该基带信号进行抽样判决,就可以得到二进制通信数据A(t-τ)。在雷达端,使用一个载频为f0的BPSK信号与混合信号进行混频,再通过截止频率为的低通滤波器,就可以对基带回波信号进行重构,基带信号通过加窗、补零和FFT,其幅度于目标双程时延处取得最大值,从而实现对目标的测距。

仿真中设置BPSK通信信号的载频为1 M Hz,符号率为500 k bit/s,步进变频信号的起始频率fL=1.6 GHz,频率步进间隔Δf=2 M Hz,频点持续时间T0=100μs,频点数K=300,在5 m处设置一个点目标。

仿真结果表明,这种调制解调方法可以在较小影响雷达性能的前提下实现通信数据的传输。接收端接收到的回波信号通过与发射端步进变频信号进行混频处理得到的混合信号mix(t)的I通道的时域波形如图2所示,图3显示了其局部波形,可以看出通信信号出现在每个频点最中间的那部分。mix(t)的频谱总图如图4所示,选取零频以上的部分如图5所示,从图中可以看出1 M Hz处的为雷达基带回波信号,-1 M Hz处的为受到差拍信号调制的通信信号,通过相干解调就可以得到通信数据,解调得到的通信数据的误码率如图6所示,与单独BPSK调制通信信号相比,在SNR≥7的时候误码率几乎相同,因而本文的方法具有良好的通信性能;雷达端基带回波信号通过加窗、补零和FFT得到雷达端的距离像,如图7所示,从图中可以清晰地看出目标的距离位置。

图2 正交解调后I通道时域波形(一个周期)

图3 正交解调后I通道时域波形(局部)

图4 正交解调后的频谱

图5 正交解调后的频谱(局部)

图6 通信端误码率曲线

图7 雷达端距离像

2 雷达-通信一体化网络的建立方法

2.1 双向飞行测距

双向飞行测距方法如图8所示,假设雷达A发送一体化信号的时间为t0,雷达B接收到一体化混合信号时间为t1,雷达B经过自身处理t w之后回发一个一体化信号,发送时间为t2,最后雷达A接收到回波信号的时间为t3。从而雷达A,B之间的距离为

双向飞行时间可以提供雷达间精确的测距信息,为了区分不同的雷达,给予每一部雷达一个独一无二的节点识别号,节点识别号被编码在通信信息里面,从而在调制一体化波形的时候编码到步进变频信号中。这样不同雷达的接收端在接收到步进变频混合信号时,进行混频解调就能区分出是哪部雷达发送出去的信息,并以此决定是否需要对测距请求进行回应。在使用雷达一体化网络进行目标定位时,处理中心不仅需要区分不同的雷达,同时也需要得到不同雷达的测距结果。因此,通信数据中不仅需要存放雷达的节点识别号,同时也得将雷达的测距结果放在其中,这样处理中心在接收到数据的时候才可以区分出不同雷达与目标之间的距离信息。

仿真的结果可以看出,双向飞行测距十分精确,在无阻挡情况下定位误差只有几厘米。

图8 双向飞行(TW-ToF)测距示意图

2.2 雷达网络的建立

为了使建立的雷达网络更加准确,选用确定的三部雷达建立坐标系,如图9所示,选定A,B,C三部雷达确立标准坐标系,它们之间的距离为一个比较小的定值L1,L2,L3,从而建立2D平面内的一个坐标系,然后分别测定其他每部雷达的相对位置,最后建立一个雷达网络。

这种优先确立坐标系的方法实现起来非常简单。由于应用环境的复杂化,雷达测距并不能十分准确,在针对性测距的过程中,也可以通过测定A,B,C三部雷达之间的距离来验证雷达系统测距的准确性,达到实时监测并修改的目的。其次,这种方法只需要A,B,C三部雷达对其他雷达分别进行测距,然后通过圆定位确定每个雷达节点的相对位置,从而建立雷达网络,减少了雷达网络的测距和建立时间,可以更快地对目标进行测距定位。其他各部雷达只需要存储自身对目标的测距信息,不需要存储与它们各自之间的测距信息,降低了信号处理的难度。

图9 雷达-通信一体化网络坐标系建立示意图

3 结束语

雷达-通信一体化是未来雷达技术的发展趋势,从通信的角度来看,雷达只是一个独立的无线通信节点,多部雷达系统只有在组成一个网络的情况下才能发挥最佳的性能。由于步进变频信号易于产生、处理简单,可以广泛应用于穿墙等近场非视距处理领域,本文在基于共享步进变频信号的基础上,研究了一体化共享信号的调制解调方法,同时对雷达-通信一体化网络的建立提出了一种优先确立坐标系的新方法,仿真结果表明,这种优先确定坐标系的方法具有较高的准确性,对雷达-通信一体化网络的发展具有重要的推动作用。

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