基于串行干擾抵消的多雷達組網系統設計

朱 平,胥文清

(1.中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101;2.中國艦船研究設計中心,湖北 武漢 430064)

0 引 言

雷達組網協同探測是當今世界各國雷達發展的一個重大趨勢,將跨平臺多雷達進行組網協同探測可以有效擴大探測范圍,提高探測數據率,增強雷達組網系統的抗干擾能力。而目前隨著電子技術的高速發展,以及雷達與通信在硬件功能組成上諸多的相似性,在現有雷達硬件平臺上集成無線數據傳輸功能[1],將網絡內多部雷達的探測數據進行共享成為當前的技術研究熱點。

本系統充分利用雷達硬件資源,對時間、碼型、帶寬等資源進行綜合調度,采用在發射端對每部雷達的通信發射信號進行擴頻編碼,接收端串行干擾抵消的處理方法,實現網絡內多路信號的同時接收解調,提高了時間利用率[2]。本文對實現過程進行理論分析、算法仿真并與傳統的相關解調方法進行了結果比對。仿真結果表明:采用串行干擾抵消算法能夠同時對接收到的多路功率不同的信號進行有效解調,其對弱信號的解調能力明顯優于直接相關解調方法。

1 基于串行干擾抵消的多雷達組網系統總體設計

本系統基于雷達硬件平臺,與雷達分時復用硬件資源,通信可用時間資源較少,因此為統籌各部雷達的時間、頻率、帶寬等資源,采用碼分多址的多雷達無線數據傳輸方式,即對網絡內每部雷達分配不同的擴頻碼作為各部雷達的ID號進行區分,同時利用該擴頻碼調制要共享的雷達探測數據[3]。采用這種方式一方面利用碼型的擴頻增益,可以降低模塊發射功率,降低截獲概率,另一方面提高了構建的無線傳輸系統的抗干擾能力。但采用該方式會導致在同一時刻接收到不同距離雷達傳輸過來的信號,即產生多址干擾,近距離的強信號會影響遠距離弱信號的接收,使得遠距離信號接收誤碼率增加,為此本文采用串行干擾抵消的方式來實現。

如圖1所示,在由N部雷達構成的多雷達組網系統中,每部雷達分配不同的擴頻碼,信號發射時,各部雷達在同一時隙內將要共享的信息擴頻編碼調制,再進行變頻、放大后經由天線輻射出去;經過空間無線信道傳輸后,在接收端基于串行干擾抵消原理,根據對接收到的各節點的功率大小的預估結果,從強信號到弱信號依次采用“判決-再造-消除”的處理過程,直至本時隙內所有雷達輻射的信號被檢測出來。最后將接收到的其它雷達探測數據與本地雷達探測數據進行融合處理,實現多雷達的協同探測。

圖1 基于串行干擾抵消的多平臺雷達組網系統框圖

2 基于串行干擾抵消的多雷達組網系統仿真分析

2.1 串行干擾抵消原理

串行干擾抵消的基本原理是認為要想從存在多址干擾的信號中提取所需雷達節點輻射的信號,就必須首先恢復干擾信號(實質上是其它雷達節點的信號),然后從接收信號中減去恢復出來的多址信號,就能得到所需雷達節點的信號。由于有用信號和多址干擾同時出現,多址干擾信號的恢復和有用信號的提取一般需要經過多次才能完成。因此串行干擾抵消多節點檢測一般采用多級型多節點檢測算法,即本級檢測利用前一級的檢測結果對多址干擾進行估計,并將之從接收信號中抵消掉,以此降低本級的干擾,提高本級檢測的精度。反復地進行“檢測、再生、抵消”的過程,直到檢測出所有有用信號。其中第一級結構如圖2所示。

圖2 串行干擾抵消檢測原理框圖

對于本文所述的多雷達組網系統來說,串行干擾抵消實現的步驟如下:

(1) 依據相鄰雷達的距離估計接收到的各雷達節點信號功率,并按功率從強到弱排列;

(2) 解調出接收功率最大的節點信號s1,并對s1進行判決;

(3) 利用判決得到的信息、擴頻序列對信號進行估計,得到s1;

(4) 在接收信號r(t)中減去最強信號的估計s1,得到清除最強用戶信號的重構信號r1(t);

(5) 將r1(t)作為第2級輸入,重復以上操作,得到清除次強用戶信號重構信號。

依次類推,直到檢測完所有節點[4]。

2.2 基于串行干擾抵消的多雷達組網系統仿真分析

以8部雷達組網為例進行分析,首先進行碼型選擇和分配,碼型選擇的基本原則如下:

(1) 易于產生,具有隨機性;

(2) 具有足夠長的周期,使干擾者難以從擴頻碼的一小段中重建整個碼序列,抗干擾能力強;

(3) 自相關性能好;

(4) 互相關值接近零;

(5) 能產生足夠多的碼型數量,實現多部雷達的需求。

基于上述原則,目前常用的擴頻碼型包括m碼和Gold碼,本文綜合考慮雷達數量、可用時隙、低截獲性能等因素,選擇了8組63位Gold碼作為擴頻碼分配給各部雷達。Gold碼由2組長度相同、速率相同、碼字不同的m碼模2相加后得到,由于1對m碼可產生2n+1個Gold碼,因此Gold碼型數量遠大于m碼型,同時也具有更好的自相關、互相關性能[5]。

Gold序列的產生方法:設序列{a}和序列{b}為長N=2n-1的m序列優選對。以{a}序列為參考序列,對{b}序列移位i次,得到{b}的移位序列{bi}(i=0,1,…,N-1),然后與{a}序列模二相加后得到新的長度為N的序列{ci}。則此序列就是Gold序列,即:

(1)

本文仿真時,根據63位即6級移位寄存器產生2組m序列本原多項式,即:

f1(x)=x6+x4+x3+x+1

(2)

f2(x)=x6+x5+x2+x+1

(3)

根據上述實現步驟,產生的8組Gold序列分別為:

G1={-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,1,1}

G2={1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,-1}

G3={-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1}

G4={-1,1,-1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1}

G5={-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1}

G6={-1,1,1,1,-1,1,1,1,1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1}

G7={-1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,-1}

G8={-1,1,1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1}

將本地雷達設置為第8號雷達,設置接收到的其它7部雷達的信號信噪比分別為:30 dB、25 dB、20 dB、15 dB、10 dB、5 dB、0 dB;發射的7路基帶信號設置為:根據上述設置,模擬接收到的7個雷達節點混合信號如圖3所示。

圖3 接收到的多雷達節點混合信號

根據上述設置可知,接收到的雷達1信號功率最強,雷達2次之,依次類推,因此采用圖4所示的步驟,進行串行干擾抵消的算法仿真。

圖4 同時接收到7個雷達節點信號解調處理流程圖

R1={1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1}

R2={1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1}

R3={-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,1,-1,1}

R4={-1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1}

R5={-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1}

R6={1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1}

R7={-1,1,-1,-1,1,1,1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1}

如圖4所示,首先依據本地雷達探測的結果對接收到的信號功率進行估計,根據估計結果首先對接收到的最強信號功率即雷達1輻射的信號進行同步、估計、檢測,然后重建該信號,并從接收信號中減去該信號;重復該步驟依次對雷達2～雷達7輻射的信號進行檢測。仿真結果如圖5～圖12所示。

圖5 雷達1輻射信號檢測及抵消后信號

圖6 雷達2輻射信號檢測及抵消后信號

圖7 雷達3輻射信號檢測及抵消后信號

圖8 雷達4輻射信號檢測及抵消后信號

圖9 雷達5輻射信號檢測及抵消后信號

圖10 雷達6輻射信號檢測及抵消后信號

如圖5～圖11所示,采用7級串行干擾抵消電路進行檢測后,可以將雷達1～雷達7輻射的通信信號依次提取出來,信噪比較高,能夠檢測信號。

圖11 雷達7輻射信號檢測及抵消后信號

作為對比,對接收信號功率最弱的第7部雷達采用串行干擾抵消和直接采用相關處理2種情況進行仿真對比。如圖12所示,解調時對接收信號采用串行干擾抵消對比處理,可見采用串行干擾抵消處理方式可以將信號有效提取,信噪比較高,不影響檢測;而不采用串行干擾抵消,直接進行相關檢測時,信號淹沒在強噪聲信號中,完全無法檢測。

圖12 采用串行干擾抵消和直接相關處理結果對比

3 結束語

本文基于雷達硬件平臺,在指定的通信時隙內,在發射端對每部雷達的通信發射信號進行擴頻編碼調制,接收端采用串行干擾抵消的方法實現多路信號的同時接收解調,提高了時間利用率,其對弱信號的解調能力優于直接相關解調法,且具有低截獲性、抗干擾能力強的特點,能夠應用于跨平臺多雷達間探測數據的無線傳輸。