CN108627818A - 基于ofdm的频控阵雷达通信一体化波形设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，涉及雷达通信技术领域，包括步骤：（1）确定雷达通信一体化的应用背景；（2）明确雷达通信一体化信号处理流程；（3）构造OFDM子载波信号；（4）设计雷达通信一体化信号的子载波频率；（5）得到频控阵雷达通信一体化信号；（6）画出频控阵雷达通信一体化信号的波束方向图；（7）采用music算法实现雷达通信一体化信号雷达目标定位功能；（8）计算数据接收误码率分析雷达通信一体化信号在通信方面的可行性。本发明技术方案无需对接收端雷达信号与通信信号进行分离，且同时实现雷达探测和数据通信功能。

Description

基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法
技术领域
本发明涉及雷达通信技术领域，具体涉及一种基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法。
背景技术
雷达通信一体化是多功能综合射频系统的研究热点，能有效解决现有装备平台的电磁波兼容和多功能协同融合能力差等问题。共享信号的雷达通信一体化系统设计是目前的研究重点，而雷达通信一体化波形的设计是一个难点问题。
目前存在的雷达通信一体化波形设计主要有两种方式，一种是将雷达信号和通信信号以乘式或加式的方法进行混合得到雷达通信一体化信号，另一种是将通信信号以一定的方式加载到雷达信号上得到雷达通信一体化信号；但是这两种方法都需要在接收端利用软件无线电技术将通信信号和雷达信号进行分离，再分别对雷达和通信信号进行信号处理。上述两种方式均存在接收端雷达信号与通信信号分离困难问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是提供一种雷达通信一体化波形设计方法，无需对接收端雷达信号与通信信号进行分离，且同时实现雷达探测和数据通信功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，包括如下步骤：
(1)确定雷达通信一体化的应用背景；
(2)明确雷达通信一体化信号处理流程；
(3)构造OFDM子载波信号；
(4)结合OFDM和频控阵的子载波间都具有频率差的特点，设计雷达通信一体化信号的子载波频率；
(5)将通信信号的随机性和随机步进频结合，通过频率捷变将通信数据加载到雷达信号上，得到频控阵雷达通信一体化信号；
(6)画出频控阵雷达通信一体化信号的波束方向图；
(7)采用music算法实现雷达通信一体化信号雷达目标定位功能；
(8)计算数据接收误码率分析雷达通信一体化信号在通信方面的可行性。
在步骤(1)中，所述应用背景主要应用于地基雷达，既可用于空间目标预警，也可用于地空通信，由于雷达天线的方向性较强，其通信方式是地基雷达与空中平台的点对点通信。
在步骤(2)中，所述一体化信号处理流程为：
在发射端，将二进制的传输数据经串并变换后转化成随机的M(M＝2k)进制数据，将产生的OFDM雷达脉冲用M进制数据调制成随机步进频率的脉冲串信号，再经过上变频后发射；
在雷达接收端，由于雷达收发同置，雷达第n个阵元经过匹配滤波后只接收频率为fn的信号，利用回波信号做music算法距离-角度联合估计实现目标探测和定位；
在通信接收端，利用带通滤波器组对信号进行检测，判决出其步进频率，从而获取数据信息，实现数据通信。
在步骤(3)中，所述OFDM子载波信号含有N个载频，和频控阵阵元数一致，子载波间频率差为Δf，则子脉冲带宽为B0＝NΔf，且为了保证子载波间的正交性，频差Δf与脉冲持续时间Tp满足关系Δf＝1/Tp，则子脉冲信号可表示为：
其中a(t)是脉冲信号的信号的复包络，rect(t)为单位矩形窗函数：
在步骤(4)中，所述设计雷达通信一体化信号的子载波频率过程如下：通过发射一系列脉冲信号构成的脉冲串来构成一体化信号，假设有M个脉冲串，相邻子脉冲间频差并不固定，而是在一定范围内随机分布，且频差是B0的整数倍，OFDM信号每个子脉冲带宽为B0＝NΔf，则脉冲串信号的总带宽为B＝MB0；则频控阵发射第m个子脉冲的一体化信号频率为：
fm＝fc+cmB0,m＝0,1,2,...,M-1
则频控阵第m个子脉冲，第n个阵元的频率为:
fmn＝fc+cmB0+nΔf,n＝1,2,...,N
其中，fc为发射载频，cm为随机数且cm∈{0,1,2,...,M-1}。
在步骤(5)中，所述频控阵雷达通信一体化信号产生过程如下：频控阵第m个子脉冲，第n个阵元的发射信号可表示为：
smn(t)＝a(t)·exp(j2πfmnt),m＝0,1,2,...,M-1 n＝1,2,3,...,N
则发射的脉冲串信号为：
其中fm为第m个子脉冲的起始频率，T为脉冲重复周期。通过通信数据来产生随机数cm，从而产生的频控阵雷达通信一体化信号为：
在步骤(6)中，当发射第m个子脉冲时，将n个阵元的回波信号叠加，得到总的回波响应，即可得到一体化信号发射-接收阵列方向图：
在步骤(7)中，当频控阵发射的脉冲串是第m(m＝1,2,...,M)个子脉冲时，频控阵第个阵元接收到的回波信号为：
其中(Rk,θk)表示第k个目标所在的位置，sk(t)表示第k个目标返回的信号，nm,n(t)是加性噪声，将信号变换到基带进行处理，用music算法进行多目标联合估计。
在步骤(8)中，所述计算数据接收误码率分析雷达通信一体化信号过程如下：在通信数据接收端，用一组带通滤波器来检测一体化信号子脉冲串，由于子脉冲串个数为M，则设计的带通滤波器有M路，而输出只有一路含有信号加噪声，通过比较各路输出幅度的大小，最大的判为有信号输出；当有一路输出噪声大于有信号的那路输出，发生误判；上述步骤重复M次后，就可得到所有的子脉冲串的信号，将所有信号的频率进行比较，就可得到随机步进频之差，即可解调出通信信息。
与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果为：
1、频控阵雷达通信一体化信号形成的波束方向图，距离上的依赖性可以抑制杂波干扰，方位上的依赖性可以使波束在空间中自动扫描；
2、提出的一体化信号形成波束，既可用于雷达目标探测和定位，又可用于数据通信，避免了信号分离，减小了作战设备、更充分地利用电子设备资源。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为雷达通信一体化背景模型示意图；
图3为雷达通信一体化信号处理流程图；
图4为OFDM频控阵雷达通信一体化信号发射阵元频率示意图；
图5为t＝0μs时一体化信号波束方向图；
图6为t＝25μs时一体化信号波束方向图；
图7为t＝50μs时一体化信号波束方向图；
图8为一体化信号用music算法做雷达多目标定位结果图；
图9为一体化系统通信中不同信噪比时的比特误码率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和和仿真实验例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，包括如下步骤：
(1)确定雷达通信一体化的应用背景；如图2所示：
地基雷达不断发送一体化脉冲信号，做目标探测，当遇到目标接收到回波反射时，则将接收到的回波做雷达信号处理。当需要和空中平台通信时，仍然发射一体化脉冲信号做数据通信，这样不需要将雷达和通信分开的一体化设备可大大节约设备资源，又可实现信息综合共享。
(2)明确雷达通信一体化信号处理流程；如图3所示：
在发射端，将二进制的传输数据经串并变换后转化成随机的M(M＝2k)进制数据，将产生的OFDM雷达脉冲用M进制数据调制成随机步进频率的脉冲串信号，再经过上变频后发射；
在雷达接收端，由于雷达收发同置，雷达第n个阵元经过匹配滤波后只接收频率为fn的信号，利用回波信号做music算法距离-角度联合估计实现目标探测和定位；；
在通信接收端，利用带通滤波器组对信号进行检测，判决出其步进频率，从而获取数据信息，实现数据通信。
(3)构造OFDM子载波信号；
所构造的OFDM子载波信号含有N个载频，和频控阵阵元个数一致，子载波间频率差为Δf，和频控阵每个阵元的发射频率依次线性增加一样，OFDM信号子载波载频也依次线性增加，则第n个子载波的频率为：
nΔf,n＝1,2,...,N
子脉冲带宽为B0＝NΔf，且为了保证子载波间的正交性，频差Δf与脉冲持续时间Tp满足关系Δf＝1/Tp，则子脉冲信号可表示为：
(4)结合OFDM和频控阵的子载波间都具有频率差的特点，设计雷达通信一体化信号的子载波频率；
通过发射一系列脉冲信号构成的脉冲串来构成一体化信号，假设有M个脉冲串，相邻子脉冲间频差并不固定，而是在一定范围内随机分布，且频差是B0的整数倍。步骤1中OFDM信号每个子脉冲带宽为B0＝NΔf，则脉冲串信号的总带宽为B＝MB0。则频控阵发射第m个子脉冲的一体化信号频率为：
fm＝fc+cmB0,m＝0,1,2,...,M-1
则频控阵第m个子脉冲，第n个阵元的频率为:
fmn＝fc+cmB0+nΔf,n＝1,2,...,N
其中，fc为发射载频，通过通信数据来产生随机数cm，cm∈{0,1,2,...,M-1}。频控阵发射一体化信号的频率，如图4所示。
(5)将通信信号的随机性和随机步进频结合，通过频率捷变将通信数据加载到雷达信号上，得到频控阵雷达通信一体化信号；
所述频控阵雷达通信一体化信号产生过程如下：频控阵第m个子脉冲，第n个阵元的发射信号可表示为：
smn(t)＝a(t)·exp(j2πfmnt),m＝0,1,2,...,M-1 n＝1,2,3,...,N
则发射的脉冲串信号为：
其中fm为第m个子脉冲的起始频率，T为脉冲重复周期。通过通信数据来产生随机数cm，从而产生的频控阵雷达通信一体化信号为：
(6)画出频控阵雷达通信一体化信号的波束方向图；
得到一体化信号的波束方向图如图5所示，具体步骤如下：
当发射第m个子脉冲时，将n个阵元的回波信号叠加，得到总的回波响应，即可得到一体化信号发射-接收阵列方向图：
其中，τmn是第n个阵元的回波时延:
令且B0＝NΔf则
由于s(t)变化非常缓慢，因此频控阵各个阵元信号包络的差异可忽略不计，即而R0>>d，f0>>Δf，上式中2nd sinθ/c和2ndΔf sinθ/c这两项可忽略不计，则上式可重写为：
求其模值可得：
由上式可知一体化信号发射-接收波束方向图是sinc函数的形式，为使方向图幅值达到最大，根据洛必达法则有：
其中k为任意整数，若先不考虑Δf，只考虑时间t、距离R0、方位角θ之间的关系，则有
由此可知，当时间、距离、角度三个参数中的两个固定时，方向图幅值关于第三个变量呈周期性变化。其在距离上的周期为c/Δf，在角度上的周期为λ/d，在时间上的周期为1/Δf。
(7)采用music算法实现雷达通信一体化信号雷达目标定位功能；
当频控阵发射的脉冲串是第m(m＝1,2,...,M)个子脉冲时，频控阵第个阵元接收到的回波信号为：
其中(Rk,θk)表示第k个目标所在的位置，sk(t)是第k个目标返回的信号，nm,n(t)是加性噪声，将信号变换到基带进行处理得：
将信号用矢量的形式表示为：
Y(t)＝A(R,θ)S(t)+N(t)
其中A(R,θ)是MN×K阶的导向矢量
Y(t)＝[y1,1(t) … y1,N(t) y2,1(t) … y2,N(t) yM,1(t) … yM,N(t)]
A(R,θ)＝[α(R1,θ1),α(R2,θ2),…,α(Rk,θk)]
α(Rk,θk)＝[a1,1(Rk,θk),...,a1,N(Rk,θk),a2,1(Rk,θk),...,a2,N(Rk,θk),...,aM,1(Rk,θk),...,aM,N(Rk,θk)]T
S(t)＝[s1(t) s2(t) … sN(t)]T
N(t)＝[s1(t) s2(t) … sk(t)]T
Y(t)的协方差矩阵可表示为：
其中RS＝E{S(t)SH(t)}表示信号S(t)的协方差矩阵，表示噪声功率。
对上式进行特征分解，将其划分为为噪声子空间和信号子空间，则有
上式中，K个大特征值构成对角阵∑S，其对应的特征向量构成信号子空间US，MN-K个小特征值构成对角阵∑N，其对应的特征向量构成噪声子空间UN，由于噪声子空间和信号子空间正交，则有
矩阵RS为非奇异、满秩矩阵，则上式有AH(R,θ)UN＝0，说明噪声子空间与A(R,θ)中的各列矢量正交，则有
由信号导向矢量与噪声特征矢量的正交关系，构造谱函数如下所示，随着R，θ的变化计算谱函数，通过寻找波峰来估计目标位置：
(8)计算数据接收误码率分析雷达通信一体化信号在通信方面的可行性。
在通信数据接收端，用一组带通滤波器来检测一体化信号子脉冲串，由于子脉冲串个数为M，则设计的带通滤波器有M路，而输出只有一路含有信号加噪声，通过比较各路输出幅度的大小，最大的判为有信号输出。当有一路输出噪声大于有信号的那路输出，发生误判。
假设M路带通滤波器中的噪声是相互独立的窄带高斯白噪声，其包络服从瑞利分布。有信号输出的那一路点评假设为v，发生误判的概率为P(v)，有瑞利分布公式得：
式中，为输出的噪声功率，发生误判的概率为：
Pe(v)＝1-[1-P(v)]M-1
其和门限值v有关，而v服从瑞利分布P(v)，最终的误码率为：
上式可看出是正负交替的多项式，随着项数的增加，其值是起伏振荡的，但第一项是其上界，则有
其中，k为每个码元所含的比特数，snr为信噪比，由误比特率与误码率的关系可进一步得到误比特率。
由上式可以看出，只要保证比特信噪比即snr>1.42dB，随着k的不断增大，误比特率不断减小，而k的增大会是信号占用带宽增大，意味着，要牺牲带宽来换取误码率的降低。
本发明采用以上技术方案实现雷达通信一体化的波形设计，其通信可靠性能以及多目标的估计可以通过以下仿真实现进一步说明。
(1)仿真参数：
频控阵天线模型采用图4所示的均匀线阵，阵元数N＝21，脉冲串个数为16(可携带4比特信号)，雷达信号基准载频fc＝10GHz，阵元间距形成波束方向图时频偏Δf＝20kHz，目标估计时频偏Δf＝100kHz，OFDM子脉冲周期脉冲串周期T＝100us。
波束方向图成像区域距离范围：5km-35km，方位角度范围：-90°-90°。目标定位成像区域距离范围：9.95km-10.05km，方位角度范围：-20°-20°。目标点坐标：(0°,10km)、(0°,9.7km)、(0°,10.3km)、(10°,10km)、(-10°,10km)。
信道为加性高斯白噪声，发射信号占空比δ＝0.2。
(2)仿真内容与结果
仿真实验1，频偏Δf＝20kHz，一体化信号在R＝10km处形成波束方向图。参照图5，一体化信号在t＝0us时形成的波束方向图。参照图6，一体化信号在t＝25us时形成的波束方向图。参照图7，一体化信号在t＝50us时形成的发射波束方向图。从结果中可以看出本发明提出的一体化信号在距离R和方位角θ取固定值时，波束方向图随时加呈周期变化，在时间t和方位角θ取固定值时，一体化信号的波束方向图随距离呈周期性变化。一体化信号波束方向图具有距离-角度依赖性。距离上的依赖性可抑制杂波干扰。方位角上的依赖性使波束在空间中自动扫描。
仿真实验2，设置5个点目标，相对于FDA天线，第一个目标方位角为0°，距离为10km；第二个目标方位角为0°，距离为9.7km，第三个目标方位角为0°，距离为10.3km；第一个目标方位角为10°，距离为10km；第一个目标方位角为-10°，距离为10km。采用本发明进行多目标成像，根据脉冲串个数M＝16，相当于改变了16次频偏，采用music算法实现多目标距离-角度联合估计,参照图8。
仿真实验3，对通信性能的仿真，M＝16，则16＝24，则每个码元携带的比特数为4，每一次脉冲串可以传输4bit数据，在发射信号占空比δ＝0.2的条件下，通信速率可达到0.8Mbit/s，并且传输速率随着M值的增加而成倍增长，此时阵元数以2的次方倍增长，大大增加设备资源，带宽也会增大。在信道为加性高斯白噪声的条件下，不同信噪比情况下，系统的误码率结果参照图9，可以看出一体化信号做通信时，误码率随着信噪比的增加而降低。然而，也意味着，要以牺牲带宽来提高通信速率和降低误码率。
以上结合附图和仿真实验例对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，包括如下步骤：
(1)确定雷达通信一体化的应用背景；
(2)明确雷达通信一体化信号处理流程；
(3)构造OFDM子载波信号；
(4)结合OFDM和频控阵的子载波间都具有频率差的特点，设计雷达通信一体化信号的子载波频率；
(5)将通信信号的随机性和随机步进频结合，通过频率捷变将通信数据加载到雷达信号上，得到频控阵雷达通信一体化信号；
(6)画出频控阵雷达通信一体化信号的波束方向图；
(7)采用music算法实现雷达通信一体化信号雷达目标定位功能；
(8)计算数据接收误码率分析雷达通信一体化信号在通信方面的可行性。
2.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述应用背景主要应用于地基雷达，既可用于空间目标预警，也可用于地空通信，由于雷达天线的方向性较强，其通信方式是地基雷达与空中平台的点对点通信。
3.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述一体化信号处理流程为：
在发射端，将二进制的传输数据经串并变换后转化成随机的M(M＝2k)进制数据，将产生的OFDM雷达脉冲用M进制数据调制成随机步进频率的脉冲串信号，再经过上变频后发射；
在雷达接收端，由于雷达收发同置，雷达第n个阵元经过匹配滤波后只接收频率为fn的信号，利用回波信号做music算法距离-角度联合估计实现目标探测和定位；
在通信接收端，利用带通滤波器组对信号进行检测，判决出其步进频率，从而获取数据信息，实现数据通信。
4.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述OFDM子载波信号含有N个载频，和频控阵阵元数一致，子载波间频率差为Δf，则子脉冲带宽为B0＝NΔf，且为了保证子载波间的正交性，频差Δf与脉冲持续时间Tp满足关系Δf＝1/Tp，则子脉冲信号可表示为：
其中a(t)是脉冲信号的信号的复包络，rect(t)为单位矩形窗函数：
5.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述设计雷达通信一体化信号的子载波频率过程如下：通过发射一系列脉冲信号构成的脉冲串来构成一体化信号，假设有M个脉冲串，相邻子脉冲间频差并不固定，而是在一定范围内随机分布，且频差是B0的整数倍，OFDM信号每个子脉冲带宽为B0＝NΔf，则脉冲串信号的总带宽为B＝MB0；则频控阵发射第m个子脉冲的一体化信号频率为：
fm＝fc+cmB0,m＝0,1,2,...,M-1
则频控阵第m个子脉冲，第n个阵元的频率为:
fmn＝fc+cmB0+nΔf,n＝1,2,...,N
其中，fc为发射载频，cm为随机数且cm∈{0,1,2,...,M-1}。
6.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述频控阵雷达通信一体化信号产生过程如下：频控阵第m个子脉冲，第n个阵元的发射信号可表示为:
smn(t)＝a(t)·exp(j2πfmnt),m＝0,1,2,...,M-1n＝1,2,3,...,N
则发射的脉冲串信号为：
其中fm为第m个子脉冲的起始频率，T为脉冲重复周期；通过通信数据来产生随机数cm，从而产生的频控阵雷达通信一体化信号为：
7.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(6)中，当发射第m个子脉冲时，将n个阵元的回波信号叠加，得到总的回波响应，即可得到一体化信号发射-接收阵列方向图：
8.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(7)中，当频控阵发射的脉冲串是第m(m＝1,2,...,M)个子脉冲时，频控阵第个阵元接收到的回波信号为：
其中(Rk,θk)表示第k个目标所在的位置，sk(t)表示第k个目标返回的信号，nm,n(t)是加性噪声，将信号变换到基带进行处理，用music算法进行多目标联合估计。
9.根据权利要求1所述的基于OFDM的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于：在步骤(8)中，所述计算数据接收误码率分析雷达通信一体化信号过程如下：在通信数据接收端，用一组带通滤波器来检测一体化信号子脉冲串，由于子脉冲串个数为M，则设计的带通滤波器有M路，而输出只有一路含有信号加噪声，通过比较各路输出幅度的大小，最大的判为有信号输出；当有一路输出噪声大于有信号的那路输出，发生误判；上述步骤重复M次后，就可得到所有的子脉冲串的信号，将所有信号的频率进行比较，就可得到随机步进频之差，即可解调出通信信息。
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