CN105306399B - 一种雷达通信一体化信号的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达通信一体化信号的优化方法，其主要思路是：确定雷达通信一体化系统的工作模式，并采用雷达发射脉冲方式，得到雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号，进而分别得到雷达发射一个脉冲的信号基带形式和延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式，根据该两个信号基带形式，得到雷达通信一体化波形的模糊函数，进而分别得到雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式和同一脉冲内第n个OFDM符号载波所调制的通信调制信息，根据雷达通信一体化波形模糊函数的具体形式，采用Gold序列对同一脉冲内第n个OFDM符号载波所调制的通信调制信息a(n)进行预调制，得到对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号。

Description

一种雷达通信一体化信号的优化方法

技术领域

本发明属于雷达通信技术领域，特别涉及一种雷达通信一体化信号的优化方法，适用于解决雷达通信一体化波形模糊函数对通信信息的影响敏感问题，尤其是雷达通信一体化波形模糊函数对通信调制信息的影响敏感问题。

背景技术

随着新技术的发展及各种智能化新型武器在现代作战系统中的广泛应用，使得电子装备在现代作战系统中的重要性越来越大。为了提高现代作战系统性能，需要加载各种电子装备，从而导致电子装备冗余加大，各种电子装备之间的电磁干扰严重。多功能综合一体化电子系统是解决上述问题的重要途径，该系统采用综合化设计方法，能够使得该系统中的各种电子装备共享系统资源，并且能够在该系统中实现各种电子装备的各自对应功能，减少了系统体积、能耗和各种电子装备之间的相互干扰，增强了系统的可靠性。

而多功能综合一体化电子系统通常包括雷达和通信两种电子装备，使得该系统必然要求雷达和通信的一体化；并且，随着交通运输业的迅猛发展，许多公司或企业也开始研发智能化系统，如智能交通系统或智能驾驶系统，该智能化系统要求具备感知周围环境和传递信息的功能，使得雷达和通信的一体化成为其必不可少的电子装备，以实现雷达和通信的一体化。因此，实现雷达和通信的一体化不仅具有提升现代作战系统性能的军事意义，也具有推动智能交通发展的民事意义。

雷达和通信的一体化，简称雷达通信一体化，实现该雷达通信一体化的关键在于雷达通信一体化的波形设计。目前，已有许多学者进行了相关研究工作，主要分为两大类，一是基于复用技术的雷达通信一体化波形设计，其复用技术包括空分复用、码分复用、频分复用和时分复用，但该类方式会造成雷达和通信在空域、时域、频域、码域均不能实现资源共享，使其应用受到限制；二是直接使用调制后的通信信息实现雷达通信一体化波形设计。

目前，对于直接使用调制后的通信信息实现雷达通信一体化波形设计，主要采用OFDM符号，即正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)符号，OFDM符号的频谱利用率高，并且包含的载波调制灵活，便于同步和均衡。已有许多学者研究了OFDM符号在实际通信中的应用，以及OFDM符号在雷达中的应用，即正交频分复用雷达，文献“施祥同,王虎,陈建军,等.OFDM雷达信号的宽带模糊函数性能分析[J].雷达科学与技术,2010,8(6):554-558.”和文献“张卫,唐希源,顾红,等.OFDM雷达信号模糊函数分析[J].南京理工大学学报,2011,35(4):513-518.”分析了正交频分复用雷达分别在宽带宽和窄带宽条件下产生的雷达通信一体化波形的模糊函数特性。

本申请的发明人发现，上述文献中使用的传统正交频分复用雷达发射的一个脉冲内包含一个OFDM符号，并在采用该OFDM符号实现雷达通信一体化波形设计时，均未考虑通信调制信息的不确定性和随时间的可变性给雷达通信一体化波形的模糊函数产生的影响，不能进一步提高雷达的探测性能。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种雷达通信一体化信号的优化方法，以解决雷达通信一体化波形的模糊函数对通信调制信息的影响敏感问题，提高雷达的探测性能。

本发明的实现思路是：确定雷达通信一体化系统的工作模式，并采用雷达发射脉冲方式，得到雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号，然后建立信号模型，得到雷达发射一个脉冲的信号基带形式，进而得到延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式，确定雷达通信一体化系统的工作模式和信号模型下，得到雷达通信一体化波形的模糊函数，进而分别得到雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式和同一脉冲内第n个OFDM符号载波所调制的通信调制信息，根据雷达通信一体化波形模糊函数的具体形式，采用Gold序列对同一脉冲内第n个OFDM符号载波所调制的通信调制信息a(n)进行预调制，得到对通信调制信息不敏感的一体化信号。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以说明。

一种雷达通信一体化信号的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定雷达通信一体化系统的工作模式，并采用雷达发射脉冲方式，得到雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号；

步骤2，根据雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号，得到雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)，进而得到延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)；

步骤3，分别根据雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)和延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)，得到雷达通信一体化波形的模糊函数χ(τ,f_d)，进而分别得到雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式和雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)；

步骤4，根据雷达通信一体化波形模糊函数的具体形式，采用Gold序列对雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)进行预调制，得到对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明采用雷达发射脉冲方式发射的一个脉冲由多个子脉冲构成，每个子脉冲是通信中一个OFDM符号，且能够在一个脉冲内实现通信功能，与传统方式相比更易于同步，且在相同带宽下提高了通信的数据率；

第二，采用Gold序列进行通信信息调制的雷达通信一体化信号的模糊函数图的形状为图钉状，且该模糊函数图的距离模糊图和速度模糊图的旁瓣衰减慢，且较为平坦；

第三，本发明通过对通信信息进行预调制，使得每个OFDM符号所调制的编码序列具有优良的非周期自相关和互相关特性，能够解决雷达通信一体化的模糊函数对通信调制信息的影响敏感问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发作进一步详细说明。

图1为本发明的一种雷达通信一体化信号的优化方法的实现流程图；

图2(a)为传统OFDM雷达发射波形形式示意图；

图2(b)为本发明所采用的雷达发射波形形式示意图；

图3为OFDM符号持续时间的结构示意图；

图4为延时小于0时模糊函数计算积分示意图；

图5为延时大于0时模糊函数计算积分示意图；

图6为延时等于有效持续时间的模糊函数计算积分示意图；

图7为对通信调制信息不敏感的一体化信号产生框图；

图8(a)为Gold序列与m序列的非周期自相关函数比较示意图，

图8(b)为Gold序列与m序列的非周期互相关函数比较示意图；

图9(a)为线性调频信号的模糊函数图，

图9(b)为线性调频信号的距离模糊图，

图9(c)为线性调频信号的速度模糊图；

图10(a)为本发明采用Gold序列产生的OFDM符号的归一化模糊函数示意图，

图10(b)为本发明采用Gold序列产生的OFDM符号的距离模糊图，

图10(c)为本发明采用Gold序列产生的OFDM符号的速度模糊图；

图11(a)为通信调制信息均为全1向量的归一化模糊函数图，

图11(b)为通信调制信息均为全1向量的距离模糊图，

图11(c)为通信调制信息均为全1向量的速度模糊图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种雷达通信一体化信号的优化方法的实现流程图，该一种雷达通信一体化信号的优化方法，包括以下步骤：

步骤1：确定雷达通信一体化系统的工作模式，并采用雷达发射脉冲方式，得到雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号。

具体地，图2(a)为传统OFDM雷达发射波形形式示意图，与传统OFDM雷达发射形式(图2(a))不同，本发明采用如图2(b)所示的雷达发射体制，图2(b)为本发明所采用的雷达发射波形形式示意图。在雷达通信一体化系统的工作模式下，雷达采用脉冲发射方式，每一个发射脉冲由N_s个子脉冲构成，每个子脉冲又是通信中一个OFDM符号，一个脉冲内的N_s个OFDM符号按照通信协议要求，构成完整的一帧或一复帧。

与一个脉冲只发射一个OFDM符号的传统正交频分复用雷达相比，本发明方法能够将雷达发射的一个脉冲划分为N_s个子脉冲，也就是N_s个OFDM符号，从而能够在相同带宽下提高通信数据率；此外，使用本发明方法得到的每一脉冲又是完整的一帧或一复帧，使得能够在雷达发射的一个脉冲内实现通信功能，并且与传统方式相比更易于同步。

参照图3，为OFDM符号持续时间的结构示意图，由图3可以看出，一个OFDM符号持续时间由循环前缀持续时间和有效OFDM符号持续时间构成，T_s＝T_g+T，T_s表示OFDM符号持续时间，T表示有效OFDM符号持续时间，T_g表示循环前缀时间。

步骤2，根据雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号，得到雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)，进而得到延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)。

具体地，雷达发射的一个脉冲由N_s个OFDM符号构成，每个OFDM符号的载波数为N_c，N_c个载波的载波间隔为△f，OFDM符号的持续时间为T_s，得到雷达发射一个脉冲的信号基带形式为s(t)，其表达式为：

其中，a(m,n)表示雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号的第m个载波所调制的通信调制信息，rect[·]表示取整函数，n∈{0,1,…,N_s-1}，m∈{0,1,…,N_c-1}，N_s表示雷达发射一个脉冲包含的OFDM符号个数，N_c表示一个OFDM符号包含的载波个数，△f表示N_c个载波的载波间隔，t表示时间变量，T_s表示OFDM符号持续时间，exp表示指数函数，t表示时间变量。

进而得到延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式为s(t-τ)，其表达式为：

步骤3，分别根据雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)和延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)，得到雷达通信一体化波形的模糊函数χ(τ,f_d)，进而分别得到雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式和雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)。

具体地，雷达通信一体化波形的模糊函数χ(τ,f_d)的表达式为:

其中，s(t)表示雷达发射一个脉冲的信号基带形式，τ表示时间延迟，f_d表示多普勒频移，s^*(t)表示对s(t)的共轭。将式(1)和式(2)分别带入式(3)中，得到雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式其表达式为：

下面对式(4)的结果进行讨论。

(1)当时间延时|τ|≥N_sT_s时，χ(τ,f_d)＝0；其中，|τ|表示τ的绝对值；

(2)当-N_sT_s<τ<0时，且 表示取的整数部分，得到式(4)的第一种表现形式为其表达式为：

其中，p∈{0,1,2,…,N_c-1}；

具体地，图4为延时小于0时模糊函数计算积分示意图，由图4可知，当-N_sT_s<τ<0时， 表示取的整数部分，k∈{0,1,2,…,N_s-1}，N_s表示雷达发射一个脉冲包含的OFDM符号个数，得到式(4)的第一种表现形式为

(3)当0<τ<N_sT_s时，得到式(4)的第二种表现形式为其表达式为：

具体地，图5为延时大于0时模糊函数计算积分示意图，由图5可知，当0<τ<N_sT_s时，k表示延时整数k个OFDM符号，k∈{0,1,2,…,N_s-1}，得到式(4)的第二种表现形式为

从式(5)和式(6)可以看出，雷达通信一体化波形的模糊函数不仅受时间延迟τ和多普勒频移f_d的影响，而且也受通信调制信息的影响。当每个脉冲调制的OFDM符号数N_s＝1，且T_g＝0时，式(5)和式(6)均可简化为正交频分复用雷达的模糊函数形式其表达式为:

根据雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号的第m个载波所调制的通信调制信息a(m,n)，依次得到雷达发射的一个脉冲中N_s个OFDM符号的第m个载波所调制的通信调制信息a(m)，和雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)。一般的正交频分复用雷达根据其自身性能要求，可通过对a(m)进行优化而设计出相应的雷达通信一体化波形的模糊函数，a(m)只受雷达性能要求限制，一旦a(m)确定，雷达通信一体化波形的模糊函数就不再随时间改变。而对于雷达通信一体化波形的设计要求，a(m,n)与所需要传输的通信调制信息有关，而所需要传输的通信调制信息会随时间发生变化，使得可能会严重影响雷达性能。

对于雷达通信一体化波形而言，由于要传递通信调制信息，并且该通信调制信息的不确定性或随时间变化的可变性会造成雷达通信一体化波形的模糊函数随通信调制信息而发生变化，使得可能导致严重恶化雷达性能。

要解决这一难题，就要求雷达通信一体化波形的模糊函数的旁瓣尽可能的低，进而要求雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)的非周期互相关函数和非周期自相关函数均尽可能的小，且

a(n)＝[a(0,n) a(1,n) … a(m,n) … a(N_c-1,n)]^T。

在采用OFDM符号进行通信信息传递时，为了消除传递过程中由于信道特性引起的码间干扰和多径造成的信道干扰，会在每个有效的OFDM符号持续时间前面加一段循环前缀持续时间，该段循环前缀持续时间会在雷达通信一体化波形的模糊函数中引入对称的伪峰，当延时时间τ＝T时，雷达通信一体化波形的模糊函数的积分情况如图6所示，图6为延时时间等于有效OFDM符号持续时间的雷达通信一体化波形的模糊函数的积分计算示意图。

由图6可以看出，当不考虑多普勒频移或忽略多普勒频移在脉冲内所引起相位差别时，由于加入一段循环前缀持续时间的原因，使得雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)和延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)两个信号之间的相关性，在每一个OFDM符号的循环前缀持续时间处完全相等，此时该两个信号在循环前缀持续时间处的积分结果将不受通信调制信息的影响，只受循环前缀持续时间的长度影响。

对于延时时间τ＝-T时，也有相同结论，即该两个信号在循环前缀持续时间处积分结果将不受通信调制信息的影响，只受循环前缀持续时间的影响。

步骤4，根据雷达通信一体化波形模糊函数的具体形式采用Gold序列对雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)进行预调制，得到对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号。

具体地，参照图7，为通信调制信息不敏感的一体化信号产生框图。根据雷达通信一体化波形模糊函数的具体形式采用Gold序列对雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)进行预调制，对雷达发射的一个脉冲中N_s个OFDM符号分配不同的Gold序列，即将雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)与Gold码产生器所产生的Gold序列g_m进行乘法运算，得到预调制的通信调制信息a(n)g_m，再对该预调制的通信调制信息a(n)g_m进行正交频分复用调制，得到对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号，该对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号具有优良的非周期自相关和互相关特性；其中，n∈{1,2,…,N_s}，N_s表示雷达发射一个脉冲包含的OFDM符号个数。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明。

(一)仿真参数：

仿真实验1采用级数为7的m序列，反馈系数为(1,0,0,0,0,0,1,1)和(1,0,0,0,1,0,0,1)，其中反馈系数为产生m序列的线性反馈移位寄存器的系数，决定了m序列的生成状态。仿真实验2采用反馈系数为(1,0,0,0,0,1,1)和(1,1,0,0,1,1,1)作为优选对产生Gold序列，OFDM信号的载波数为63，有效OFDM符号持续时间为4us，循环前缀时间为1us，63个载波的载波间隔为0.25MHz，每一脉冲含有10个OFDM符号。

(二)仿真内容：

以m序列的反馈系数作为优选对产生Gold序列，m序列的非周期互相关函数是从同一反馈系数产生的m序列中选择两个计算得到的。图8(a)为Gold序列与m序列的非周期自相关函数比较示意图，图8(b)为Gold序列与m序列的非周期互相关函数比较示意图；图8(a)和图8(b)给出了Gold序列与m序列的非周期自相关与互相关函数比较结果示意图。

图9(a)为线性调频信号的模糊函数图，图9(b)为线性调频信号的距离模糊图，图9(c)为线性调频信号的速度模糊图；图10(a)为本发明采用的Gold序列产生的OFDM符号的归一化模糊函数示意图，图10(b)为本发明采用的Gold序列产生的OFDM符号的距离模糊图，图10(c)为本发明采用的Gold序列产生的OFDM符号的速度模糊图；图11(a)为通信调制信息均为全1向量的归一化模糊函数示意图，图11(b)为通信调制信息均为全1向量的OFDM符号的距离模糊图，图11(c)为通信调制信息均为全1向量的速度模糊图；

(三)结果分析

从图8(a)和图8(b)的仿真结果均可以看出，Gold序列具有优良的非周期自相关和互相关特性，m序列的非周期自相关特性要优于Gold序列，但其非周期互相关特性不理想，这是由于m序列的周期性导致其在某一延迟处出现峰值。

由图9(a)～图9(c)和图10(a)～图10(c)可以看出，线性调频信号的模糊函数呈现出剪切刀刃型，其距离模糊图和速度模糊图的旁瓣均衰减很快，采用Gold序列产生的OFDM符号的归一化模糊函数示意图为图钉状，其距离模糊图和速度模糊图的旁瓣均衰减很慢，且均较为平坦，并且其距离模糊图中的旁瓣主要受Gold序列产生的不同OFDM符号之间的互模糊函数特性影响；另外其距离模糊图中也可以清楚看到对称的两个峰值，该两个峰值是由于OFDM符号循环前缀造成的，不受通信调制信息的影响。速度模糊图旁瓣的平坦特性是由OFDM符号对多普勒频移较为敏感和通信调制信息共同决定的，当多普勒频移为整数倍(或近似整数倍)63个载波的载波间隔时，该速度模糊图旁瓣主要受通信调制信息的互相关特性影响，以及OFDM符号本身的特性影响。特别地，在雷达发射的一个脉冲中第10个OFDM符号包含的63个载波所调制的通信调制信息a(n)均为全1向量时产生的三幅归一化的模糊函数示意图中，分别为图11(a)～图11(c)所示，其多普勒频移和时延方向均呈现三角形包络特性，不适合用于雷达探测。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种雷达通信一体化信号的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定雷达通信一体化系统的工作模式，并采用雷达发射脉冲方式，得到雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号；

步骤2，根据雷达发射一个脉冲包含的N_s个OFDM符号，得到雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)，进而得到延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)；

其中，所述雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)，其表达式为：

其中，a(m，n)表示雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号的第m个载波所调制的通信调制信息，rect[·]表示取整函数，n∈{0，1，…，N_s-1}，m∈{0，1，…，N_c-1}，N_s表示雷达发射一个脉冲包含的OFDM符号个数，N_c表示一个OFDM符号包含的载波个数，Δf表示N_c个载波的载波间隔，t表示时间变量，T_s表示OFDM符号持续时间，exp表示指数函数；

步骤3，分别根据雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t)和延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)，得到雷达通信一体化波形的模糊函数χ(τ，f_d)，进而分别得到雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式和雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)；其中，f_d表示多普勒频移；

步骤4，根据雷达通信一体化波形模糊函数的具体形式采用Gold序列对雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号包含的N_c个载波所调制的通信调制信息a(n)进行预调制，得到对通信调制信息不敏感的雷达通信一体化信号。

2.如权利要求1所述的一种雷达通信一体化信号的优化方法，其特征在于，在步骤2中，所述延迟时间τ后雷达发射一个脉冲的信号基带形式s(t-τ)，其表达式为：

其中，a(m，n)表示雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号的第m个载波所调制的通信调制信息，rect[·]表示取整函数，n∈{0，1，…，N_s-1}，m∈{0，1，…，N_c-1}，N_s表示雷达发射一个脉冲包含的OFDM符号个数，τ为延迟时间，N_c表示一个OFDM符号包含的载波个数，Δf表示N_c个载波的载波间隔，t表示时间变量，T_s表示OFDM符号持续时间，exp表示指数函数。

3.如权利要求1所述的一种雷达通信一体化信号的优化方法，其特征在于，在步骤3中，所述雷达通信一体化波形的模糊函数χ(τ，f_d)，其表达式为：

其中，s(t)表示雷达发射一个脉冲的信号基带形式，τ表示时间延迟，f_d表示多普勒频移，s^*(t)表示对s(t)的共轭，t表示时间变量，exp表示指数函数。

4.如权利要求1所述的一种雷达通信一体化信号的优化方法，其特征在于，在步骤3中，所述雷达通信一体化波形的模糊函数的具体形式其表达式为：

其中，a(m，n)表示雷达发射的一个脉冲中第n个OFDM符号的第m个载波所调制的通信调制信息，rect[·]表示取整函数，n∈{0，1，…，N_s-1}，m∈{0，1，…，N_c-1}，N_s表示雷达发射一个脉冲包含的OFDM符号个数，τ为延迟时间，f_d表示多普勒频移，N_c表示一个OFDM符号包含的载波个数，Δf表示N_c个载波的载波间隔，t表示时间变量，T_s表示OFDM符号持续时间，exp表示指数函数。