CN104215954A - 一种步进变频雷达通信一体化的组网方法 - Google Patents

一种步进变频雷达通信一体化的组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种步进变频雷达通信一体化的组网方法,根据通信信号和步进变频信号的不同来区分不同的雷达,不同雷达之间步进变频信号差别很小,混频之后是一个低频的单频率信号,而通信信号的载频相对较高,因而通过不同的滤波器就可以解调出通信信息和雷达信息;利用一种双向通信时间方法测得不同雷达之间的距离,并通过通信信息传输测距结果,最后建立一个基于雷达相对位置的雷达通信一体化网络。

Description

一种步进变频雷达通信一体化的组网方法
技术领域
本发明涉及雷达通信一体化技术,特别涉及不同雷达之间的区分和测距,适用于固定平台近距雷达的组网系统。
背景技术
雷达通信一体化是利用一个平台和一种共享信号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,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。雷达通信一体化组网系统广泛应用于预警、防空、侦查和反恐等领域,是一种典型的多传感器系统组网模式。不同雷达之间的区分和测距作为组网的核心技术之一,直接影响着雷达通信一体化网络的建立和系统性能的好坏。
目前,国内外对雷达通信一体化组网方法的研究已经取得了一定的研究成果,主要可以分为两大类:基于扩频技术的雷达通信一体化组网和基于正交频分复用技术的雷达通信一体化组网。由于扩频技术实现简单、隐蔽通信的特点,广泛应用于车辆防撞系统和智能交通运输系统中,但这种雷达系统峰值旁瓣比容易被扩频因子和多普勒频移影响,而且通信速率比较低下,如Time Domain公司的PulsON 410雷达;而正交频分复用技术实现复杂,要求的峰值平均功率比较高,对时钟同步具有较高的要求,信号处理困难,代价极高,现在仍处于研发阶段,不能实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,提供一种基于步进变频信号的雷达通信一体化的组网方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是,一种步进变频雷达通信一体化的组网方法,包括以下步骤:
1)网内雷达间步进变频信号同步步骤:
1-1)指定网内主雷达;
1-2)主雷达连续发射步进变频信号;步进变频信号的信号频率表示为 f A ( t ) = ( f LA + kΔf ) × rect ( t - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K , fLA为主雷达的起始频率,Δf为频率步进值,T0为每个频点的持续时间,k表示频点数变量,K为频点总数,rect(·)表示矩形窗函数;
1-3)网内其余雷达均通过接收主雷达连续发射的步进变频信号产生与主雷达同步的步进变频信号,具体方法如下:
待同步雷达使用频率为fLA-Δf的单频信号与接收到的信号频率fA(t)进行混频;再对混频后的信号使用截止频率为nΔf的低通滤波得到低频部分,对低频部分采样后再进行数字匹配滤波得到第n个频点的结束时间点,然后再经过K-n个频点的持续时间(K-n)T0之后待同步雷达产生步进变频信号,待同步雷达产生的步进频信号的起始频率为fLB=fLA+f0,f0为预设的当前待同步雷达与主雷达的区别频差;f0<<fc,fc为通信数据的调制载波频率,网内不同待同步雷达与主雷达的区别频差均不同;
2)雷达通信一体化信号收发步骤:
2-1)各雷达产生两帧通信数据用于存放雷达的节点识别信息和测距信息,将通信数据经差分编码和展宽后调制得到通信基带信号,将通信基带信号与步进变频信号的每个频点进行混频产生发射信号;
2-2)各雷达接收到信号后,用本地产生的步进变频信号与接收信号进行混频,对混频信号进行解调恢复出通信基带信号,再对该基带信号进行抽样判决后进行差分解码,恢复出通信数据,从而得到节点识别信息与测距信息;
3)网内两雷达间双向通信测距步骤:
网内两雷达间通过探测两雷达之间的双程距离时延进行针对性测距:
3-1)测距发起方雷达发射步进变频测距请求信号时记录发射时间t0;步进变频测距请求信号中节点识别信息为测距发起方雷达节点信息,测距信息为0;
3-2)测距接收方雷达接收到步进变频信号时记录接收时间t1
3-3)测距接收方雷达对接收到步进变频信号进行处理,解调出节点识别信息和测距信息,当测距信息为0时,测距接收方雷达产生步进变频测距回复信号,从接收时间t1开始,经过预设固定时长tw后发射回复信号;步进变频测距回复信号中节点识别信息为测距接收方雷达节点信息,测距信息为0;所述预设固定时长tw大于步进变频测距回复信号产生时长;当测距信息不为0时,则测距接收方雷达不回复;
3-4)测距发起方雷达接收到步进变频信号时记录接收时间t3,解调出节点识别信息和测距信息,如节点识别信息为测距接收方雷达节点信息,测距信息为0,则对计算两雷达间的时延为两雷达间的距离为:d=cτ;
4)网内各雷达测得相互之间的距离之后,根据测距结果,建立雷达通信一体化网络,建立雷达通信一体化网络的具体方法是:
4-1)设主雷达坐标为(0,0),在除主雷达外的网内雷达中确定一个X轴方向参考雷达;当X轴方向参考雷达与主雷达的距离为L1时,确定X轴方向参考雷达的坐标为(L1,0);在除主雷达、X轴方向参考雷达之外的第三部网内雷达的坐标(x3,y3)通过以下方式确定:L2为主雷达与第三部网内雷达间的距离,L3为X轴方向参考雷达与第三部网内雷达间的距离,则: x 3 = L 1 2 + L 2 2 - L 3 2 2 L 1 y 3 = L 2 2 - x 3 2 , 确立第三部参考雷达在Y轴的正半轴方向;
4-2)在除主雷达、X轴方向参考雷达、第三部参考雷达之外的网内雷达在网内的坐标(x,y)通过以下方式确定;
r1为主雷达与待确定坐标的雷达间的距离,r2为X轴方向参考雷达与待确定坐标的雷达间的距离,r3为第三部参考雷达与待确定坐标的雷达间的距离,则:
x y = - 2 x 3 - 2 y 3 2 ( L 1 - x 3 ) - 2 y 3 - x 3 2 - y 3 2 + r 3 2 - r 1 2 L 1 2 - x 3 2 - y 3 2 + r 3 2 - r 2 2 .
步进变频信号具有高频率、超宽带的特点,对信道衰落不敏感,发射信号功率谱密度低,处理简单,可广泛应用于穿墙、探地等近场非视距处理领域,研究基于步进变频信号的雷达通信一体化组网技术具有重要的实用价值。
本发明根据通信信号和步进变频信号的不同来区分不同的雷达,不同雷达之间步进变频信号差别很小,混频之后是一个低频的单频率信号,而通信信号的载频相对较高,因而通过不同的滤波器就可以解调出通信信息和雷达信息;利用一种双向通信时间方法测得不同雷达之间的距离,并通过通信信息传输测距结果,最后建立一个基于雷达相对位置的雷达通信一体化网络。
本发型的有益效果是,步进变频信号产生简单、易于控制,有效解决了多普勒频移对雷达系统的影响,可在实际中广泛应用;通过混频、低通滤波和匹配滤波技术就可以实现不同雷达步进变频信号的粗略同步,易于实现;共享信号可以最大程度地实现雷达和通信的一体化,有效减少了平台的体积和信号相互之间的干扰;双向通信测距方法可以有效解决不同雷达时钟源不同步的问题,可以得到比较准确的测距结果;根据不同雷达之间相对信息的不同,从而区分不同的雷达,达到针对性的在各个雷达之间测距的目的,基于测距结果建立雷达通信一体化网络。
附图说明
图1为建立雷达一体化网络的流程图。
图2为步进变频雷达通信一体化发射接收部分信号处理结构框图。
图3为雷达通信一体化中不同雷达同步之后信号正交解调后的频谱图。
图4为雷达通信一体化中完全同步条件下信号正交解调后的频谱图。
图5为雷达间双向飞行测距示意图。
图6为雷达通信一体化网络建立示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种基于步进变频信号的雷达通信一体化网络建立方法包括以下步骤:
1)同步不同雷达间步进变频信号:
假设A雷达为主雷达,连续发射步进频信号,雷达B同步A的步进变频信号。雷达之间的步进变频信号的起始频率相差f0
(1)雷达A连续发射步进变频信号,信号频率为:
f A ( t ) = ( f LA + k&Delta;f ) &times; rect ( t - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K
其中,fLA为雷达A的起始频率,Δf为频率步进值,T0为每个频点的持续时间,k表示频点数变量,K为频点总数,rect(·)表示矩形窗函数。
假设A、B间单程时延为τAB,则B雷达接收到的信号频率为:
f A ( t - &tau; AB ) = ( f LA + k&Delta;f ) &times; rect ( t - &tau; AB - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K
(2)雷达B使用频率为fLA-Δf的单频信号与接收到的信号进行混频。混频后的信号频率为:
f A 1 ( t - &tau; AB ) = ( &Delta;f + k&Delta;f ) &times; rect ( t - &tau; AB - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K
(3)雷达B使用截止频率为2Δf的低通滤波滤除高频成分,只对fA1(t-τAB)中的低频部分采样并进行数字匹配滤波。经过低通滤波后的信号频率为:
f A 2 ( t - &tau; AB ) = ( &Delta;f + k&Delta;f ) &times; rect ( t - &tau; AB - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1
(4)雷达B通过匹配滤波得到第二个Δf的结束时间点t1,然后经过其余K-2个频点之后产生B雷达的步进变频信号的第一个频点fLB=fLA+f0,此时:
f B ( t ) = f A ( t - &tau; AB ) + f 0 = ( f LB + k&Delta;f ) &times; rect ( t - &tau; AB - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K
2)调制产生雷达通信一体化发射信号,如图2所示:
(1)每部雷达产生两帧通信数据,第一帧存放雷达的节点识别信息,第二帧存放测距信息。假设雷达A的通信数据为dA(t),经差分编码(参考起始为1)之后的通信数据表示为dA1(t),然后进行展宽,以便在步进变频信号的每个频点中进行混频。假设通信数据只占了每个频点的一半,则展宽后的通信信号可以表示为:
d A 2 ( t ) = d A 1 ( t ) T 0 4 + kT 0 < t < 3 T 0 4 + kT 0 , k = 0,1 , . . . , K 1 others
将展宽后的通信数据dA2(t)进行2PSK调制,调制后的信号形式可以表示为:
其中,fc为2PSK载频频率,为PSK载频相位,R(·)表示取信号实部。
(2)雷达A的步进变频雷达信号sA(t)可以表示为:
s A ( t ) = R ( &Sigma; k = 0 K exp ( j 2 &pi; ( f LA + k&Delta;f ) t ) &times; rect ( t - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) )
将通信信号调制在步进变频雷达信号的每个频点中,混频后的发射信号可以表示为:
3)解调雷达通信一体化信号,如图2所示:
假设A、B间单程时延为τAB,为讨论简单忽略目标散射、幅度衰减等的影响,则雷达B接收到的信号为:
用与发射雷达同步的参考步进变频信号sB(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MixedAB(t)为:
可以看出,MixedAB(t)是叠加一个f0的频率常量的步进变频雷达的差拍信号和通信信号scA(t-τ)混频之后的信号。由于f0<<fc,f0只会在通信信号的包络中显出出来,而且f0随时间遍历在整个频带中,不会对通信信号和雷达信号的分离产生影响。在通信端,对混合信号进行差分相干解调,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dA(t-τ),进而解调出不同雷达的节点识别号,从而区分雷达并得到测距结果。在雷达端,使用一个载频为fc的2PSK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,就可以对雷达基带回波信号进行重构,基带信号通过FFT变换,就可以得到雷达的距离像。
4)双向通信时间针对性测距,如图5所示:
经过了步骤3)的处理之后,雷达接收端已经可以区分出不同的雷达,从而可以在不同雷达之间进行针对性测距。本发明基于双向通信时间测定不同雷达之间的双程距离时延来得到不同雷达之间的距离。
(1)雷达A发射步进变频测距请求信号时记录一个时间t0
(2)B接收到A的信号时记录一个时间t1
(3)然后B对接收到的信号进行处理,解调出雷达编号A和测距结果(测距结果为0的就是测距请求信号,不为0的不用回复),然后产生一个回复的步进变频信号,从t1时刻开始,固定经过tw时间后在t2时刻发射回复信号;
(4)A在t3时刻接收到回波信号,解调出雷达编号B和测距结果,基于双向通信时间对雷达间的时延进行估算:
&tau; AB = t 3 - t 0 - t w 2
根据时延信息就可以计算出A、B之间的距离为:dAB=cτAB
5)建立雷达通信一体化网络,如图6所示:
不同雷达测得相互之间的距离之后,根据测距结果,建立雷达通信一体化网络。首先设置一个特殊雷达,假设雷达A的坐标为(0,0),测得A、B之间的距离为L1,则设B雷达的坐标为(L1,0),从而确立坐标系中的X轴方向。假如测得A、C之间的距离为L2,B、C之间的距离为L3,假设雷达C的坐标为(x3,y3),根据三角形三边之间的关系可得雷达C的坐标可能为两点:
x 3 = L 1 2 + L 2 2 - L 3 2 2 L 1 y 3 = L 2 2 - x 3 2 x 3 = L 1 2 + L 2 2 - L 3 2 2 L 1 y 3 = - L 2 2 - x 3 2
取纵坐标为非负数的那点作为雷达C的坐标,从而确定坐标系Y轴的方向。除A、B、C外的其他待确定坐标的雷达用下面的公式确定坐标位置:
x y = - 2 x 3 - 2 y 3 2 ( L 1 - x 3 ) - 2 y 3 - x 3 2 - y 3 2 + r 3 2 - r 1 2 L 1 2 - x 3 2 - y 3 2 + r 3 2 - r 2 2 .
其中,r1为雷达A与待确定坐标的雷达间的距离,r2为雷达B与待确定坐标的雷达间的距离,r3为雷达C与待确定坐标的雷达间的距离。
实施例
1)同步不同雷达间步进变频信号:
不同雷达之间的步进变频信号的起始频率相差f0=0.1MHz。
(1)雷达A连续发射步进变频信号,信号频率为:
f A ( t ) = ( f LA + k&Delta;f ) &times; rect ( t - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K
其中,fLA=1.6GHz为雷达A的起始频率,Δf=2MHz为频率步进值,T0=100μs为每个频点的持续时间,K=300为频点总数,rect(·)表示矩形窗函数。
假设A、B间单程时延为τAB,则B雷达接收到的信号频率为:
f A ( t - &tau; AB ) = ( f LA + k&Delta;f ) &times; rect ( t - &tau; AB - kT 0 - T 0 / 2 T 0 ) , k = 0,1,2 . . . K
(2)雷达B使用频率为fLA-Δf的单频信号与接收到的信号进行混频;
(3)雷达B使用截止频率为2Δf的低通滤波滤除高频成分,只对fA1(t-τAB)中的低频部分采样并进行数字匹配滤波;
(4)雷达B通过匹配滤波得到第二个Δf的结束时间点t1,然后经过其余299个频点之后产生B雷达的步进变频信号的第一个频点fLB=fLA+f0
可以看出,通过这种方法同步的步进变频信号之间存在时延τ的误差。在仿真过程中,设定2DPSK通信信号的符号率为500kbps,相当于每个数字信号持续的时间为2μs。在最大测量距离时,单程最大时延为这说明时延τ对通信信号的影响很小,可以忽略。在本发明提出的同步情况下,设定的仿真中可以准确解调通信数据,并无明显的误码。
2)调制产生雷达通信一体化发射信号:
雷达通信一体化的信号处理流程如图2所示。
(1)雷达A展宽后的通信信号可以表示为:
d A 2 ( t ) = d A 1 ( t ) T 0 4 + kT 0 < t < 3 T 0 4 + kT 0 , k = 0,1 , . . . , K 1 others
将展宽后的通信数据dA2(t)进行2PSK调制,调制后的信号形式可以表示为:
其中,fc=1MHz为2PSK载频频率,为PSK载频相位,R(·)表示取信号实部。
(2)将通信信号调制在步进变频雷达信号的每个频点中,混频后的发射信号可以表示为:
3)解调雷达通信一体化信号:
用与发射雷达同步的参考步进变频信号sB(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MixedAB(t)为:
MixedAB(t)是叠加一个f0的频率常量的步进变频雷达差拍信号和通信信号scA(t-τ)混频之后的信号,它的频谱图如图3所示。完全同步条件下的混频信号的频谱图如图4所示,其中1MHz处为雷达差拍信号,-1MHz处为受到差拍信号调制的通信信号。对比可以发现,由于f0<<fc,它只会对信号频谱的位置产生一个较小的偏移,并不会影响通信信号的解调。
4)双向通信时间针对性测距:
本发明基于双向通信时间测定不同雷达之间的双程距离时延来得到不同雷达之间的距离,测距示意图如图5所示。
(1)雷达A发射步进变频测距请求信号时记录一个时间t0
(2)B接收到A的信号时记录一个时间t1
(3)然后B对接收到的信号进行处理,解调出雷达编号A,然后产生一个回复的步进变频信号,从t1时刻开始,固定经过tw时间后在t2时刻发射回复信号;
(4)A在t3时刻接收到回波信号,解调出雷达编号B,基于双向通信时间对雷达间的时延进行估算:
&tau; AB = t 3 - t 0 - t w 2
根据时延信息就可以计算出A、B之间的距离为:dAB=cτAB
5)建立雷达通信一体化网络:
不同雷达测得相互之间的距离之后,根据测距结果,建立雷达通信一体化网络,如图6所示。首先设置一个特殊雷达,假设雷达A的坐标为(0,0),测得A、B之间的距离为L1,则设B雷达的坐标为(L1,0),从而确立坐标系中的X轴方向。假如测得A、C之间的距离为L2,B、C之间的距离为L3,假设雷达C的坐标为(x3,y3),根据三角形三边之间的关系可得雷达C的坐标可能为两点:
x 3 = L 1 2 + L 2 2 - L 3 2 2 L 1 y 3 = L 2 2 - x 3 2 x 3 = L 1 2 + L 2 2 - L 3 2 2 L 1 y 3 = - L 2 2 - x 3 2
取纵坐标为非负数的那点作为雷达C的坐标,从而确定坐标系Y轴的方向。除A、B、C外的其他待确定坐标的雷达用下面的公式确定坐标位置:
x y = - 2 x 3 - 2 y 3 2 ( L 1 - x 3 ) - 2 y 3 - x 3 2 - y 3 2 + r 3 2 - r 1 2 L 1 2 - x 3 2 - y 3 2 + r 3 2 - r 2 2 .
其中,r1为雷达A与待确定坐标的雷达间的距离,r2为雷达B与待确定坐标的雷达间的距离,r3为雷达C与待确定坐标的雷达间的距离。

Claims (4)

1.一种步进变频雷达通信一体化的组网方法,其特征在于,包括以下步骤: 
1)网内雷达间步进变频信号同步步骤: 
1-1)指定网内主雷达; 
1-2)主雷达连续发射步进变频信号;步进变频信号的信号频率表示为 fLA为主雷达的起始频率,Δf为频率步进值,T0为每个频点的持续时间,k表示频点数变量,K为频点总数,rect(·)表示矩形窗函数; 
1-3)网内其余雷达均通过接收主雷达连续发射的步进变频信号,产生与主雷达同步的步进变频信号,具体方法如下: 
待同步雷达使用频率为fLA-Δf的单频信号与接收到的信号fA(t)进行混频;再对混频后信号使用截止频率为nΔf的低通滤波得到低频部分,对低频部分采样后再进行数字匹配滤波得到第n个频点的结束时间点,然后再经过K-n个频点的持续时间(K-n)T0之后待同步雷达产生步进变频信号,待同步雷达产生的步进频信号的起始频率为fLB=fLA+f0,f0为预设的当前待同步雷达与主雷达的区别频差;f0<<fc,fc为通信数据的调制载波频率,网内不同待同步雷达与主雷达的区别频差均不同; 
2)雷达通信一体化信号收发步骤: 
2-1)各雷达产生两帧通信数据用于存放雷达的节点识别信息和测距信息,通信数据经过差分编码和展宽后调制得到通信基带信号,将通信基带信号与步进变频信号的每个频点进行混频产生发射信号; 
2-2)各雷达接收到信号后,用本地产生经过同步的步进变频信号与接收信号进行混频,对混频信号进行解调恢复出通信基带信号,再对该基带信号进行抽样判决后进行差分解码,恢复出通信数据,从而得到节点识别信息与测距信息; 
3)网内两雷达间双向测距步骤: 
网内两雷达间通过探测两雷达之间的双程距离时延进行针对性测距: 
3-1)测距发起方雷达发射步进变频测距请求信号时记录发射时间t0;步进变频测距请求信号中节点识别信息为测距发起方雷达节点信息,测距信息为0; 
3-2)测距接收方雷达接收到步进变频信号时记录接收时间t1; 
3-3)测距接收方雷达对接收到步进变频信号进行处理,解调出节点识别信息和测距信息,当测距信息为0时,测距接收方雷达产生步进变频测距回复信号,从接收时间t1开始,经过预设固定时长tw后发射回复信号;步进变频测距回复信号中节点识别信息为测距接收方雷达节点信息,测距信息为0;所述预设固定时长tw大于步进变频测距回复信号产生时长;当测距信息不为0时,则测距接收方雷达不回复; 
3-4)测距发起方雷达接收到步进变频信号时记录接收时间t3,解调出节点识别信息、测距信息,如节点识别信息为测距接收方雷达节点信息,测距信息为0,则计算两雷达间的时延为两雷达间的距离为:d=cτ; 
4)网内各雷达测得相互之间的距离之后,根据测距结果,建立雷达通信一体化网络。 
2.如权利要求1所述一种步进变频雷达通信一体化的组网方法,其特征在于,步骤4)建立雷达通信一体化网络的具体方法是: 
4-1)设主雷达坐标为(0,0),在除主雷达外的网内雷达中确定一个X轴方向参考雷达;当X轴方向参考雷达与主雷达的距离为L1时,确定X轴方向参考雷达的坐标为(L1,0);在除主雷达、X轴方向参考雷达之外的第三部网内雷达的坐标(x3,y3)通过以下方式确定:L2为主雷达与第三部网内雷达间的距离,L3为X轴方向参考雷达与第三部网内雷达间的距离,则: 确立第三部参考雷达在Y轴的正半轴方向; 
4-2)在除主雷达、X轴方向参考雷达、第三部参考雷达之外的网内雷达在网内的坐标(x,y)通过以下方式确定; 
r1为主雷达与待确定坐标的雷达间的距离,r2为X轴方向参考雷达与待确定坐标的雷达间的距离,r3为第三部参考雷达与待确定坐标的雷达间的距离,则: 
3.如权利要求1所述一种步进变频雷达通信一体化的组网方法,其特征在于,雷达通信一体化信号收发步骤中,通信基带信号与步进频信号的每个频点中进行混频产生发射信号,发射信号的每个频点中通信基带信号占频点的中段。 
4.如权利要求3所述一种步进变频雷达通信一体化的组网方法,其特征在于,通信数据经差分编码后进行展宽后调制得到通信基带信号dA2(t)为: 
其中,dA1(t)为经差分编码后的通信数据。 
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