雷達-通信一體化網絡設計

(電子科技大學電子工程學院,四川成都611731)

0 引言

隨著科學技術的快速發展和應用環境的日益復雜,單部雷達的作戰性能面臨著越來越多的挑戰,甚至在某些情況下已經不能發揮作用,雷達系統不得不配備更多的通信等電子設備以提高生存率。然而不同的雷達系統和通信系統之間存在復雜的電磁干擾,這不僅削弱了雷達的探測性能,也不能保證通信系統發揮正常的數據傳輸功能。

雷達和通信一體化[1-2]是一種有效解決上述問題的方法。雖然雷達系統和通信系統在信號方面存在很大差別,但是它們在天線、發射機、接收機和信號處理等模塊都存在很多相似之處,這也為雷達和通信一體化提供了可能。為了最大程度地實現雷達和通信的一體化,最有效的一種方法就是在雷達平臺上使用一種共享信號[3]來進行雷達探測和數據傳輸,雷達信號用于檢測目標和測距,通信數據用于區分雷達和傳輸測距信息,將多部雷達組合起來形成一個網絡,使用類似于貪心算法的方法,從網絡中選取當前時刻最優的雷達進行目標測距定位,利用多部雷達的數據得到精度更高、評估更全面準確的目標信息。這可以有效解決單部雷達的作戰性能下降問題,同時,在傳統的雷達平臺上添加通信功能也是未來雷達系統[4]發展的一個重點方向。

雷達和通信一體化技術在我國雖然剛剛起步,但已經取得了不少的成果。文獻[5-6]討論了直接序列擴頻的超寬帶雷達-通信一體化系統,通過使用不同的擴頻碼編碼通信信息,這種方法需要很高的擴頻碼產生速率,同時選用的擴頻碼之間的互相關干擾也比較嚴重。李曉柏博士在文獻[7-8]中討論了基于Chirp信號的雷達-通信一體化系統,采用同調頻率不同中心頻率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據,通信速率取決于Chirp信號的產生速率,以至于通信的速率非常低下。

由于步進變頻信號[9]具有極高的頻率,通過發射一連串頻率步進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,步進變頻信號易于處理,可以通過相干解調等效為超短脈沖信號,從而很好地恢復出目標信息,廣泛應用于探地、穿墻等近場非視距處理領域,本文主要討論基于步進變頻信號的雷達-通信一體化系統。首先介紹了基于步進變頻信號的雷達-通信一體化系統原理,其次解釋了一體化共享信號的調制解調方法,最后總結了如何建立一個有效的雷達通信一體化網絡。

1 雷達-通信一體化系統

1.1 雷達-通信一體化系統原理

雷達-通信一體化系統框圖如圖1所示。

圖1 雷達通信一體化系統框圖

基于步進變頻信號的雷達-通信一體化系統主要是依靠步進變頻信號高頻率、超寬帶的特點,在步進變頻信號帶寬外使用一個頻率較低的調相信號充當通信信號,通過BPSK調制到步進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性能的情況下,完成二進制數據的傳輸。同時,這種特殊的共用信號設計將通信數據隱藏在雷達信號之中,實現了雷達和通信信號能量的一體化,提高了系統的抗干擾能力,使得雷達兼具通信功能,降低通信網絡的復雜性,提高了設備的利用率。

這種調制方法實現簡單,只需要作簡單的混頻處理,關鍵問題就是在回波信號處理中如何實現雷達基帶信號和通信基帶信號的分離。在接收端,使用參考步進變頻信號進行混頻的時候,為了得到穩定的差拍信號,調制的時候在每個頻點的開始和結束部分都使用未經過通信數據調制的單頻信號來調制步進變頻信號,這個可以通過將通信二進制數據展寬,使用全為“1”的數據來調制每個頻點的開始和結束部分。接收端回波信號與參考步進變頻信號進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中體現出來,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雜度,簡單的就可以實現在雷達平臺上傳遞通信數據。

1.2 雷達-通信一體化共享信號的調制解調方法

假設通信數據為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。

將通信信號與步進變頻雷達信號進行混頻,混頻后的信號可以表示為

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

對于步進變頻雷達,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,因而目標的最大雙程回波延時τmax=,而步進變頻信號的單頻點持續時間一般為T0=100μs,所以目標回波延遲一般滿足τ?T0。

因此,回波信號sr(t)可以表示為

用與發射端同步的步進變頻信號s(t)進行正交混頻,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)是傳統步進變頻體制雷達的差拍信號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,可以在解調后的信號包絡中顯示出來。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,所以對混合信號進行相干解調,就可以恢復出通信基帶信號,對該基帶信號進行抽樣判決,就可以得到二進制通信數據A(t-τ)。在雷達端,使用一個載頻為f0的BPSK信號與混合信號進行混頻,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行重構,基帶信號通過加窗、補零和FFT,其幅度于目標雙程時延處取得最大值,從而實現對目標的測距。

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

仿真結果表明,這種調制解調方法可以在較小影響雷達性能的前提下實現通信數據的傳輸。接收端接收到的回波信號通過與發射端步進變頻信號進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處的為雷達基帶回波信號,-1 M Hz處的為受到差拍信號調制的通信信號,通過相干解調就可以得到通信數據,解調得到的通信數據的誤碼率如圖6所示,與單獨BPSK調制通信信號相比,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;雷達端基帶回波信號通過加窗、補零和FFT得到雷達端的距離像,如圖7所示,從圖中可以清晰地看出目標的距離位置。

圖2 正交解調后I通道時域波形(一個周期)

圖3 正交解調后I通道時域波形(局部)

圖4 正交解調后的頻譜

圖5 正交解調后的頻譜(局部)

圖6 通信端誤碼率曲線

圖7 雷達端距離像

2 雷達-通信一體化網絡的建立方法

2.1 雙向飛行測距

雙向飛行測距方法如圖8所示,假設雷達A發送一體化信號的時間為t0,雷達B接收到一體化混合信號時間為t1,雷達B經過自身處理t w之后回發一個一體化信號,發送時間為t2,最后雷達A接收到回波信號的時間為t3。從而雷達A,B之間的距離為

雙向飛行時間可以提供雷達間精確的測距信息,為了區分不同的雷達,給予每一部雷達一個獨一無二的節點識別號,節點識別號被編碼在通信信息里面,從而在調制一體化波形的時候編碼到步進變頻信號中。這樣不同雷達的接收端在接收到步進變頻混合信號時,進行混頻解調就能區分出是哪部雷達發送出去的信息,并以此決定是否需要對測距請求進行回應。在使用雷達一體化網絡進行目標定位時,處理中心不僅需要區分不同的雷達,同時也需要得到不同雷達的測距結果。因此,通信數據中不僅需要存放雷達的節點識別號,同時也得將雷達的測距結果放在其中,這樣處理中心在接收到數據的時候才可以區分出不同雷達與目標之間的距離信息。

仿真的結果可以看出,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 雷達網絡的建立

為了使建立的雷達網絡更加準確,選用確定的三部雷達建立坐標系,如圖9所示,選定A,B,C三部雷達確立標準坐標系,它們之間的距離為一個比較小的定值L1,L2,L3,從而建立2D平面內的一個坐標系,然后分別測定其他每部雷達的相對位置,最后建立一個雷達網絡。

這種優先確立坐標系的方法實現起來非常簡單。由于應用環境的復雜化,雷達測距并不能十分準確,在針對性測距的過程中,也可以通過測定A,B,C三部雷達之間的距離來驗證雷達系統測距的準確性,達到實時監測并修改的目的。其次,這種方法只需要A,B,C三部雷達對其他雷達分別進行測距,然后通過圓定位確定每個雷達節點的相對位置,從而建立雷達網絡,減少了雷達網絡的測距和建立時間,可以更快地對目標進行測距定位。其他各部雷達只需要存儲自身對目標的測距信息,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-通信一體化網絡坐標系建立示意圖

3 結束語

雷達-通信一體化是未來雷達技術的發展趨勢,從通信的角度來看,雷達只是一個獨立的無線通信節點,多部雷達系統只有在組成一個網絡的情況下才能發揮最佳的性能。由于步進變頻信號易于產生、處理簡單,可以廣泛應用于穿墻等近場非視距處理領域,本文在基于共享步進變頻信號的基礎上,研究了一體化共享信號的調制解調方法,同時對雷達-通信一體化網絡的建立提出了一種優先確立坐標系的新方法,仿真結果表明,這種優先確定坐標系的方法具有較高的準確性,對雷達-通信一體化網絡的發展具有重要的推動作用。

[1]李朝偉,周希元,劉福來.雷達/通信信號偵察一體化技術[J].艦船電子對抗,2008,31(2)：5-11.

[2]張明友.雷達-電子戰-通信一體化概論[M].北京：國防工業出版社,2010：94-98.

[3]楊瑞娟,陳小民,李曉柏,等.雷達通信一體化共享信號技術研究[J].空軍預警學院學報,2013,27(1)：39-43.

[4]RUSSELL M E.Future of RF Technology and Radars[C]//IEEE International Radar Conference,[S.l.]：[s.n.],2007：11-16.

[5]XU Shaojian,CHEN Bing,ZHANG Ping.Radar-Communication Integration Based on DSSS Techniques[C]//The 8th International Conference on Signal Processing,Beijing,China：[s.n],2006：16-20.

[6]劉少華,黃志星.基于擴頻的雷達-通信一體化信號的設計[J].雷達科學與技術,2014,12(1)：69-75.LIU Shao-hua,HUANG Zhi-xing.Design of Integrated Radar-Communication Signal Based on Spread Spectrum[J].Radar Science and Technology,2014,12(1)：69-75.(in Chinese)

[7]李曉柏,楊瑞娟,程偉.基于Chirp信號的雷達通信一體化研究[J].雷達科學與技術,2012,10(2)：180-186.LI Xiao-bai,YANG Rui-juan,CHENG Wei.Integrated Radar and Communication Based on Chirp[J].Radar Science and Technology,2012,10(2)：180-186.(in Chinese)

[8]李曉柏,楊瑞娟,程偉.基于頻率調制的多載波Chirp信號雷達通信一體化研究[J].電子與信息學報,2013,35(2)：406-412.

[9]崔國龍.超寬帶穿墻雷達合成孔徑成像算法研究與實現[D].成都：電子科技大學電子工程學院,2008.