CN106772350A - 基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号实现雷达探测和通信传输的方法，设计一种多载波线性调频信号，其中通过改变副载波线性调频信号的调频率调制通信数据，利用主载波实现雷达探测。具体步骤包括：1、雷达通信数据预处理，2、设置线性调频信号参数，3、产生多载波线性调频信号，4、发射与接收脉冲调制信号，5、探测雷达目标的距离和速度，6、解调雷达通信数据。本发明克服了传统技术在雷达信号上调制通信数据后降低了雷达探测目标距离与速度性能，以及数据解调过程对多普勒不稳健的问题，提高了信号探测雷达目标的分辨率，并降低了误码率。

Description

基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及到雷达通信技术领域中的一种基于线性调频信号的实现雷达探测与通信传输的方法。本发明在雷达通信一体化系统中，利用不同调频率的线性调频信号相关性低的特性，设计一种多载波信号，其中主载波实现雷达探测，并通过对副载波线性调频信号的调频率进行通信信息调制实现通信传输。
背景技术
机载、舰载等平台为适应未来信息技术发展，体现出“信息化优势”，要求平台的发展和使用具有系统化趋势，使各种机载平台通过电子信息渠道实现跨领域、超距离的实时合作。同时，为适应现代化信息化环境的要求，机载平台需要装备数量众多的电子设备比如雷达、通信设备等，但这些设备不仅占据平台中的宝贵空间、增加其载荷、恶化周围电磁环境，使得航电设备综合性能受到影响，如果能在雷达设备上增加通信功能，使其以一个系统运行，并设计一种雷达通信共享信号，将会大大提高电子设备的综合利用率。
电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统”(申请号201610545282.2，公开号CN 106249231 A)中公开了一种基于CE-OFDM(ConstantEnvelope Orthogonal Frequency Division Multiplexing，恒包络正交频分复用)的超分辨雷达通信一体化方案。该方案将待发送的数据通过QAM调制，IFFT变换和相位调制成为CE-OFDM符号帧，用一帧CE-OFDM符号替换一个脉冲重复周期内的单个脉冲，从而提高数据传输速率，并解决了发送信号PAPR过高的问题。其存在的不足之处是CE-OFDM系统载波间干扰太大，频谱效率太低，同时存在小信噪比时的门限效应不利于在小信噪比下通信数据的解调，多普勒频移也会影响解调过程。
李晓柏，杨瑞娟，陈新永等人在其发表的论文“基于分数阶傅里叶变换的雷达通信一体化信号共享研究”(信号处理，2012，28(4)：487-494)提出了一种基于线性调频信号(Chirp)的初始频率调制通信信息实现雷达通信一体化的方法。该方法采用Chirp信号不同的初始频率对用户数据进行调制，达到了单Chirp信号多比特信息的传输。其存在的不足之处是通信数据解调过程对多普勒不具有稳健性，而且在相同的带宽条件下，通信的频谱效率较低，难以满足战时大批量数据的传输，而且用初始频率调制信息的解调方法。
综上所述，对于共享信号技术在雷达通信一体化系统中的应用，目前已有的技术在雷达探测信号中调制雷达通信数据后，雷达目标检测分辨率降低，雷达探测处理模块增多，给系统增加额外负担，雷达通信数据的解调过程对多普勒的不稳健性，从而导致误码率增大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，在常规的线性调频信号上，利用不同调频率的线性调频信号相关性低的特性，采用了一种多载波线性调频信号，其中，主载波信号实现雷达探测，副载波信号调制数据实现通信传输。此类方法能提高雷达探测目标距离和速度的性能，降低误码率，完成单脉冲多比特的雷达通信数据传输。
实现本发明的具体思路是：将待传输的雷达通信数据分组后串并转换，产生与数据组对应的副载波线性调频信号，与主载波叠加后发射多载波脉冲调制信号。接收机接收脉冲信号的回波后分别输入到雷达探测处理模块和雷达通信数据处理模块中：雷达探测处理模块对回波进行脉冲压缩处理得到雷达目标的距离，对脉冲压缩处理结果进行动目标检测(MTD)处理得到雷达目标的速度；雷达通信数据处理模块对回波进行分数阶傅里叶变换处理，最终得到雷达通信数据组。
本发明的具体步骤包括如下：
(1)雷达通信数据预处理：
(1a)雷达发射端将待传输的雷达通信串行数据分成多个数组，每个数组中有N个二进制数据；
(1b)将分组后的串行数据输入到串并转换器，转换成并行数据，得到待传输的数据组；
(2)设置线性调频信号参数：
在线性调频信号产生器中，设置一个线性调频信号的中心频率、一个主载波线性调频信号的调频率、一个包含等间隔的2M个调频率的副载波线性调频信号的调频率库，M表示每个脉冲发送的二进制数据个数，M与N取相同值，根据调频率在调频率库中的位置对其进行编号，并将编号与二进制数据组对应；
(3)产生多载波线性调频信号：
(3a)线性调频信号产生器产生一个主载波线性调频信号，将主载波线性调频信号输入到匹配滤波器，作为匹配滤波器的参考信号；
(3b)将待传输的数据组输入到线性调频信号产生器，选择与数据组的数值对应的副载波线性调频信号的调频率，从而由线性调频信号产生器产生一个携带雷达通信数据的副载波线性调频信号；
(3c)将主载波线性调频信号与副载波线性调频信号同时输入到累加器，产生一个多载波线性调频信号；
(4)发射与接收脉冲调制信号：
(4a)将多载波线性调频信号输入到脉冲调制器，产生脉冲调制后的多载波线性调频信号，将脉冲调制信号输入到雷达发射机中，并发射该脉冲调制信号；
(4b)雷达接收机接收脉冲调制信号的回波，将回波分别输入到雷达探测处理模块和雷达通信数据解调处理模块中；
(5)探测雷达目标的距离和速度：
(5a)雷达探测处理模块将接收的回波输入到匹配滤波器，进行脉冲压缩处理，得到雷达目标的距离；
(5b)将匹配滤波器的处理结果输入到多普勒滤波器组，做动目标检测MTD处理，得到雷达目标的速度；
(6)解调雷达通信数据：
(6a)计算回波分数阶傅里叶变换的阶次，将计算得到的阶次设置到分数阶傅里叶变换解调器中；
(6b)雷达通信数据处理模块将接收的回波输入到分数阶傅里叶变换解调器中，进行分数阶傅里叶变换处理，得到回波中副载波线性调频信号分量的调频率；
(6c)从副载波线性调频信号的调频率库中，检索与回波中副载波分量的调频率值相等的调频率，取出与检索得到的调频率编号对应的雷达通信数据组；
(6d)将数据组中的并行数据输入到并串转换器转换成串行数据，并将串行数据输出。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，由于本发明采用的是将主载波线性调频信号作为匹配滤波器的参考信号，与接收到的回波进行脉冲压缩处理，使得本发明中的雷达探测处理模块只需要一个匹配滤波器，克服了现有技术在雷达探测信号中调制雷达通信数据后，雷达目标检测分辨率降低，雷达探测处理模块增多的缺点，使得本发明提高了雷达探测目标距离和速度的性能。
第二，由于本发明采用的是对回波进行分数阶傅里叶变换处理，克服了现有技术中雷达通信数据的解调过程对多普勒的不稳健性，而导致误码率增大的问题，使得本发明对雷达通信数据的传输更准确，误码率更低，从而完成单脉冲多比特数据的传输。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的脉冲压缩处理结果仿真图；
图3是本发明的动目标检测MTD处理结果仿真图；
图4是本发明的分数阶傅里叶变换结果仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照图1，本发明的具体实施步骤如下：
步骤1，雷达通信数据预处理。
雷达发射端将待传输的雷达通信串行数据分成多个数组，每个数组中有N个二进制数据。N表示每个脉冲发送的二进制数据个数，由数据传输速率与脉冲重复周期决定，按照下式计算得到：
N＝[L·PRI]
其中，L表示数据传输速率，PRI表示脉冲重复周期，[]表示取整操作，·表示点乘操作。
以N＝3为例，将待传输雷达通信串行数据0,1,1,0,1,0,1,0,0,0,0,1,…，分组为[0,1,1]，[0,1,0]，[1,0,0]，[0,0,1]，…。
将分组后的串行数据输入到串并转换器转换成并行数据，得到待传输的数据组，[011]，[010]，[100]，[001]，…。
步骤2，设置线性调频信号参数。
在线性调频信号产生器中，设置一个线性调频信号的中心频率fc、一个主载波线性调频信号的调频率μr、一个包含等间隔的2M个调频率的副载波线性调频信号的调频率库，M表示每个脉冲发送的二进制数据个数，M与N取相同值，根据调频率在调频率库中的位置对其进行编号，并将编号与二进制数据组对应，当N＝3时调频率库中的调频率μ0,μ1,…,μ7，分别与000，001，…，111相对应。
步骤3，产生多载波线性调频信号。
线性调频信号产生器由设置好的中心频率fc与主载波线性调频信号的调频率μr，产生一个主载波线性调频信号s1(t)，将主载波线性调频信号输入到匹配滤波器，作为匹配滤波器的参考信号，线性调频信号的模型可表示为：
sLFM(t)＝A exp(j2πfct+jπμrt2)
其中，sLFM(t)表示线性调频信号，A、fc、μr分别表示信号的幅值、中心频率和调频率，t表示时间，取值范围为[0,T]，T表示时间区间。
将待传输的数据组输入到线性调频信号产生器，选择与数据组的数值对应编号的副载波线性调频信号的调频率，数据组011选择μ3，从而由线性调频信号产生器产生一个携带雷达通信数据的副载波线性调频信号s2(t)。
将主载波线性调频信号与副载波线性调频信号同时输入到累加器，产生一个多载波线性调频信号s(t)＝s1(t)+s2(t)。
步骤4，发射与接收脉冲调制信号。
将多载波线性调频信号输入到脉冲调制器，调制在脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为PRI的脉冲中，产生脉冲调制后的多载波线性调频信号，将脉冲调制信号输入到雷达发射机中，并发射该脉冲调制信号。
雷达接收机接收脉冲调制信号的回波s'(t)，回波包含雷达目标的距离时延t1与多普勒频移fd，将回波s'(t)分别输入到雷达探测处理模块和雷达通信数据解调处理模块中。
步骤5，探测雷达目标的距离和速度。
雷达探测处理模块将接收的回波输入到匹配滤波器，进行脉冲压缩处理，得到时间采样点上的幅度值，在时间-幅度平面画出与幅度值对应的时间-幅度图。
在时间-幅度图上检索峰值点的时间维坐标值t1，由坐标变换公式R＝ct1/2，得到雷达目标的距离，其中，R表示雷达目标的距离，c表示光速，t1表示峰值点的时间维坐标值。
将匹配滤波器的处理结果输入到多普勒滤波器组，做动目标检测MTD处理，得到时间采样点与频率采样点上的幅度值，在时间-频率-幅度平面画出与幅度值对应的时间-频率-幅度图。
在时间-频率-幅度图上检索峰值点的频率维坐标值fd，由坐标变换公式v＝λfd/2，得到雷达目标的速度，其中，v表示雷达目标的速度，λ表示脉冲调制信号的波长，fd表示峰值点的频率维坐标值。
步骤6，解调雷达通信数据。
按照下式，计算回波分数阶傅里叶变换的阶次，将计算后的阶次设置到分数阶傅里叶变换解调器中：
pi＝-2arccotμj/π
其中，pi表示第i个回波分数阶傅里叶变换的阶次，i依次取0,1,…,2K-1，K表示每个脉冲发送的二进制数据个数，K与N取相同数值，arccot表示反余切操作，μj表示副载波线性调频信号的调频率库中的第j个调频率，j与i取相同数值，π表示圆周率。
雷达通信数据处理模块将接收的回波输入到分数阶傅里叶变换解调器中，对回波进行设置阶次的分数阶傅里叶变换处理，在每个阶次都得到频率采样点上的幅度值，在阶次-频率-幅度平面画出与幅度值对应的阶次-频率-幅度图。
在阶次-频率-幅度图上检索峰值点的阶次维坐标值p，由坐标变换公式μ＝-cot(pπ/2)，得到回波中副载波线性调频信号分量的调频率，其中，μ表示回波中副载波线性调频信号分量的调频率，cot表示余切操作，p表示峰值点的阶数维坐标值。
从副载波线性调频信号的调频率库中，检索与回波中副载波分量的调频率μ值相等的调频率，由步骤2中的对应关系，取出与检索得到的调频率编号对应的雷达通信数据组。
将数据组中的并行数据输入到并串转换器转换成串行数据，并将串行数据输出。
下面结合仿真实验对本发明做进一步的描述。
1、仿真条件：
线性调频信号中心频率fc＝10GHz，主载波线性调频信号调频率μr＝100MHz/μs，副载波线性调频信号的调频率库[10 20 30 40 50 60 70 80]MHz/μs，采样频率fs＝200MHz，调制64个脉冲，脉冲重复周期PRI＝10μs，信号脉宽τ＝1μs，目标相对距离与速度分别为[1000m,200m/s]。仿真软件环境为Pentium(R)Dual-Core CPU E5200@2.50GHz，Windows732bit操作系统下的Matlab R2010a。
每个脉冲发送3位调制数据，二进制调制数据组000～111依次对应调频率库中的8个调频率，由待传输的数据组依次选择每个脉冲的副载波线性调频信号调频率，如011选择对应的调频率为μ3＝40MHz/μs。
2、仿真内容与结果分析：
仿真1：对回波进行处理得到雷达目标的距离与速度。
用本发明的方法仿真脉冲调制的多载波线性调频信号，给信号加入目标的距离时延与多普勒频移仿真其回波信号，将回波与主载波信号的翻转共轭信号进行卷积运算仿真匹配滤波器，将时间维坐标转换成距离维坐标，脉冲压缩处理结果仿真图如图2，从图2可以看出，检索峰值点的距离维坐标值就得到目标的速度，未降低雷达探测目标距离的性能。
将卷积运算结果进行动目标检测MTD仿真处理后，得到的数据画在二维图中将时间维坐标转换成距离维坐标，频率维坐标转换成速度维坐标，动目标检测MTD处理结果仿真图如图3，检索峰值点的速度维坐标值得到目标的速度，未降低雷达探测目标速度的性能。
仿真2：对回波进行分数阶傅里叶变换解调出雷达通信数据。
由副载波线性调频信号的调频率库计算得到回波分数阶傅里叶变换的8个阶次，取一个脉冲重复周期长度的回波，进行8次分数阶傅里叶变换，将数据画在三维图中，并将阶数维坐标转换成编号维坐标，分数阶傅里叶变换结果仿真图如图4，由图4可以看出，脉冲调制信号传输的雷达通信数据为011，完成了单脉冲多比特数据的传输。

Claims (6)

1.一种基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，包括如下步骤：
(1)雷达通信数据预处理：
(1a)雷达发射端将待传输的雷达通信串行数据分成多个数组，每个数组中有N个二进制数据；
(1b)将分组后的串行数据输入到串并转换器，转换成并行数据，得到待传输的数据组；
(2)设置线性调频信号参数：
在线性调频信号产生器中，设置一个线性调频信号的中心频率、一个主载波线性调频信号的调频率、一个包含等间隔的2M个调频率的副载波线性调频信号的调频率库，M表示每个脉冲发送的二进制数据个数，M与N取相同值，根据调频率在调频率库中的位置对其进行编号，并将编号与二进制数据组对应；
(3)产生多载波线性调频信号：
(3a)线性调频信号产生器产生一个主载波线性调频信号，将主载波线性调频信号输入到匹配滤波器，作为匹配滤波器的参考信号；
(3b)将待传输的数据组输入到线性调频信号产生器，选择与数据组的数值对应编号的副载波线性调频信号的调频率，从而由线性调频信号产生器产生一个携带雷达通信数据的副载波线性调频信号；
(3c)将主载波线性调频信号与副载波线性调频信号同时输入到累加器，产生一个多载波线性调频信号；
(4)发射与接收脉冲调制信号：
(4a)将多载波线性调频信号输入到脉冲调制器，产生脉冲调制后的多载波线性调频信号，将脉冲调制信号输入到雷达发射机中，并发射该脉冲调制信号；
(4b)雷达接收机接收脉冲调制信号的回波，将回波分别输入到雷达探测处理模块和雷达通信数据解调处理模块中；
(5)探测雷达目标的距离和速度：
(5a)雷达探测处理模块将接收的回波输入到匹配滤波器，进行脉冲压缩处理，得到雷达目标的距离；
(5b)将匹配滤波器的处理结果输入到多普勒滤波器组，做动目标检测MTD处理，得到雷达目标的速度；
(6)解调雷达通信数据：
(6a)计算回波分数阶傅里叶变换的阶次，将计算得到的阶次设置到分数阶傅里叶变换解调器中；
(6b)雷达通信数据处理模块将接收的回波输入到分数阶傅里叶变换解调器中，进行分数阶傅里叶变换处理，得到回波中副载波线性调频信号分量的调频率；
(6c)从副载波线性调频信号的调频率库中，检索与回波中副载波分量的调频率值相等的调频率，取出与检索得到的调频率编号对应的雷达通信数据组；
(6d)将数据组中的并行数据输入到并串转换器转换成串行数据，并将串行数据输出。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，其特征在于：步骤(1a)中所述的N个二进制数据是指，每个脉冲发送的二进制数据个数，由数据传输速率与脉冲重复周期决定，按照下式计算得到：
N＝[L·PRI]
其中，L表示数据传输速率，PRI表示脉冲重复周期，[]表示取整操作，·表示点乘操作。
3.根据权利要求1所述的基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，其特征在于：步骤(5a)中所述的脉冲压缩处理的具体步骤如下：
第一步，将回波输入匹配滤波器，得到时间采样点上的幅度值，在时间-幅度平面画出与幅度值对应的时间-幅度图；
第二步，在时间-幅度图上检索峰值点的时间维坐标值t1，由坐标变换公式R＝ct1/2，得到雷达目标的距离，其中，R表示雷达目标的距离，c表示光速，t1表示峰值点的时间维坐标值。
4.根据权利要求1所述的基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，其特征在于：步骤(5b)中所述的动目标检测MTD处理的具体步骤如下：
第一步，将匹配滤波器的处理结果输入到多普勒滤波器组，得到时间采样点与频率采样点上的幅度值，在时间-频率-幅度平面画出与幅度值对应的时间-频率-幅度图；
第二步，在时间-频率-幅度图上检索峰值点的频率维坐标值fd，由坐标变换公式v＝λfd/2，得到雷达目标的速度，其中，v表示雷达目标的速度，λ表示脉冲调制信号的波长，fd表示峰值点的频率维坐标值。
5.根据权利要求1所述的基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，其特征在于：步骤(6a)中所述的回波分数阶傅里叶变换的阶次是按照下式计算得到的：
pi＝-2arc cotμj/π
其中，pi表示第i个回波分数阶傅里叶变换的阶次，i依次取0,1,…,2K-1，K表示每个脉冲发送的二进制数据个数，K与N取相同数值，arc cot表示反余切操作，μj表示副载波线性调频信号的调频率库中的第j个调频率，j与i取相同值，π表示圆周率。
6.根据权利要求1所述的基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，其特征在于：步骤(6b)中所述的分数阶傅里叶变换处理的具体步骤如下：
第一步，对回波进行设置阶次的分数阶傅里叶变换，每个阶次都得到频率采样点上的幅度值，在阶次-频率-幅度平面画出与幅度值对应的阶次-频率-幅度图；
第二步，在阶次-频率-幅度图上检索峰值点的阶次维坐标值p，由坐标变换公式μ＝-cot(pπ/2)，得到回波中副载波线性调频信号分量的调频率，其中，μ表示回波中副载波线性调频信号分量的调频率，cot表示余切操作，p表示峰值点的阶数维坐标值。
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