CN108768446A - 低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法 - Google Patents

低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法 Download PDF

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Abstract

一种低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，克服了雷达通信一体化信号的距离分辨力、速度分辨力和低截获性能较差的问题，实现步骤为：(1)获取信息码片序列；(2)建立信息码片与信号相位的映射关系；(3)获得相位编码脉冲信号；(4)获得线性调频基带信号；(5)获得低截获雷达通信一体化系统的发射信号；本发明抑制了信号模糊函数在原点附近的起伏，提高了系统探测目标的距离分辨力和速度分辨力，增强了雷达通信一体化系统的发射信号的相位捷变性和调制方式的复杂性，提高了雷达通信一体化系统的低截获性能，更符合复杂电磁环境中雷达通信一体化系统的探测目标的精准度要求和雷达通信一体化系统的低截获性的要求。

Description

低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法
技术领域
本发明属于雷达通信技术领域，更进一步涉及电子对抗技术领域中的一种低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法。本发明可应用于将雷达探测和信息传输功能相结合的雷达通信一体化系统中，设计雷达通信一体化系统的发射信号波形，提高雷达通信一体化系统的低截获性能。
背景技术
随着电子对抗技术的发展，雷达通信一体化系统面临着越来越多的威胁，雷达通信一体化波形的设计要求越来越高。在越来越复杂的电磁环境中，只有雷达通信一体化系统在完成目标探测及通信功能的前提下，降低自身被侦察系统发现的概率，才能更有效地提高系统的生存能力。在工程技术领域中，合理设计雷达通信一体化系统的发射信号波形，提高其低截获性能，对提高系统的抗截获能力、有效避免电磁干扰和摧毁意义重大。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法”(申请日：2017年01月16日，公开号：CN106772350A，公开日：2017年05月31日)中公开了一种基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法。该方法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特性低的特性，采用了一种多载波线性调频信号，将待传输的雷达通信数据分组后串并转换，产生与数据对应的副载波线性调频信号，通过改变副载波线性调频信号的调频率调制通信数据，副载波与主载波叠加后发射多载波脉冲调制信号，利用主载波实现雷达探测功能。该方法的优点是降低了误码率，完成了单脉冲多比特的雷达通信数据传输。但是，该方法仍然存在的不足之处是，系统使用的线性调频信号完成雷达和通信数据的传输，未考虑单一的线性调频方式的信号距离分辨力和速度分辨力中旁瓣干扰的影响，雷达通信一体化信号的探测性能较差。
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”(申请日：2016年07月12日，公开号：CN106249231A，公开日：2016年12月21日)中公开了一种基于CE-OFDM的雷达通信一体化系统的方法。该方法将待发送通信数据利用正交振幅调制，快速傅里叶变换和相位调制方式生成恒包络正交频分复用(Constant EnvelopeOrthogonal Frequency Division Multiplexing,CE-OFDM)符号帧，使用一帧恒包络正交频分复用CE-OFDM符号替换一个脉冲重复周期内的单个脉冲，先对接收的波形进行脉冲解调，再将信号进行恒包络正交频分复用CE-OFDM系统发射过程的逆过程，获得解调后的数据。该方法的优点是提高了数据传输速率，降低了发送信号的峰均比，具有较好的探测目标的性能。但是，该方法仍然存在的不足之处是，系统使用单一的相位调制方式完成雷达通信一体化系统的功能，未考虑单一的相位调制方式，对处于复杂的电磁环境中的雷达通信一体化系统的安全性和生存性能的影响，雷达通信一体化信号的低截获性能较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法。可实现使用直接序列扩频、相位调制方法和线性调频技术的复合调制方式，将雷达信息和通信信息结合，得到低截获雷达通信一体化系统的发射信号。
实现本发明目的的具体思路是：使用扩频序列对待发送的信息符号序列进行直接序列扩频得到信息码片序列，用信息码片序列确定脉冲内载波的相位得到相位编码脉冲信号，用线性调频基带信号与相位编码脉冲信号进行卷积，得到低截获的雷达通信一体化系统的发射信号；本发明的具体步骤包括如下：
(1)获取信息码片序列：
使用长度为P的扩频序列对长度为N的待发送的信息符号序列进行直接序列扩频，得到一个长度为L的信息码片序列，其中，L＝N×P；
(2)建立信息码片与信号相位的映射关系：
对信息码片序列的值空间中的元素进行编号索引，若信息码片序列中码片的取值对应于值空间中的第m个索引值，则将第m个索引值所对应的信息码片作用到信号的相位，将信号的相位设置为且其中m＝0,1,2,...,M-1，M表示信息码片序列的值空间中的元素的个数，π表示圆周率值；
(3)获得相位编码脉冲信号：
按照信息码片与相位的映射关系，用信息码片序列中的每一个信息码片依次设置待发射的N×P个脉冲的载波相位，得到相位编码脉冲信号，其中相位编码脉冲信号的时域表达式如下：
其中，u(t)表示相位编码脉冲信号在第t时刻的信号值，N表示待发送的信息符号的长度，P表示扩频序列的长度，∑表示求和操作，exp(·)表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位符号，F(tk)表示按照步骤(2)所描述的映射关系，将一个信息码片映射为一个相位的操作，tk表示信息码片序列的第k个信息码片，V(t)表示一个脉冲信号，脉冲重复周期为T；
(4)获得线性调频基带信号：
(4a)根据发射信号的要求带宽设置线性调频斜率；
(4b)根据设置的线性调频斜率，利用基带信号发生器产生线性调频基带信号；
(5)获得低截获雷达通信一体化系统的发射信号：
(5a)用线性调频基带信号与相位编码脉冲信号进行卷积，得到低截获雷达通信一体化系统的基带信号；
(5b)对低截获雷达通信一体化系统的基带信号在时域进行上变频，得到低截获的雷达通信一体化系统的发射信号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一、由于本发明使用扩频序列对待发送的信息符号序列进行直接序列扩频，得到信息码片序列，使用信息码片序列确定个脉冲内载波的相位，并且联合使用线性调频方法获得雷达通信一体化系统的发射信号，抑制了信号模糊函数在原点附近的起伏，克服了现有技术中雷达通信一体化信号的探测性能较差的问题，使得本发明提高了探测目标的距离分辨力和速度分辨力，更符合复杂电磁环境中雷达通信一体化系统的探测目标的精准度要求。
第二、由于本发明使用了直接序列扩频得到信息码片序列，建立信息码片与相位的映射关系，利用信息码片序列值的多样性确定脉冲内载波的相位，并与线性调频基带进行卷积，克服了现有技术中雷达通信一体化系统信号的低截获性能较差的问题，使得本发明增强了雷达通信一体化系统的发射信号的相位捷变性和调制方式的复杂性，更符合提高复杂电磁环境中雷达通信一体化系统的生存能力的要求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明仿真实验的信号距离分辨力对比图；
图3为本发明仿真实验的信号速度分辨力对比图；
图4为本发明仿真实验的系统的低截获性能对比图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
步骤1，获取信息码片序列。
使用长度为P的扩频序列对长度为N待发送的信息符号序列进行直接序列扩频，得到一个长度为L的信息码片序列，其中，L＝N×P。
所述的扩频序列是指有码元为1或-1的伪随机序列。
所述的待发送通信序列是指，由N个M阶正交振幅调制的信息符号组成的序列，每个信息符号有M种取值。
所述的直接序列扩频是指，用每一个信息符号与扩频序列相乘，得到N个长度为P的信息码片序列。
步骤2，建立信息码片与信号相位的映射关系。
对信息码片序列的值空间中的元素进行编号索引，若信息码片序列中码片的取值对应于值空间中的第m个索引值，则将第m个索引值所对应的信息码片作用到信号的相位，将信号的相位设置为且其中m＝0,1,2,...,M-1，M表示信息码片序列的值空间中的元素的个数，π表示圆周率值。
步骤3，获得相位编码脉冲信号。
按照信息码片与相位的映射关系，用信息码片序列中的每一个信息码片依次设置待发射的N×P个脉冲的载波相位，得到相位编码脉冲信号，其中相位编码脉冲信号的时域表达式如下：
其中，u(t)表示相位编码脉冲信号在第t时刻的信号值，N表示待发送的信息符号的长度，P表示扩频序列的长度，∑表示求和操作，exp(·)表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位符号，F(tk)表示按照步骤(2)所描述的映射关系，将一个信息码片映射为一个相位的操作，tk表示信息码片序列的第k个信息码片，V(t)表示一个脉冲信号，脉冲重复周期为T。
所述的脉冲信号是指，按照以下两种t的当前时刻所处的时间点的情形，确定脉冲信号的幅值：
第一种情形，当第t时刻处于脉宽之内时，脉冲幅值为一体化系统发射脉冲的幅值；
第二种情形，当第t时刻处于脉冲时宽之外时，脉冲信号幅值为0。
步骤4，获得线性调频基带信号。
根据发射信号的要求带宽设置线性调频斜率。
根据设置的线性调频斜率，利用基带信号发生器产生线性调频基。
所述的线性调频基带信号的时域表达式如下所示，
w(t)＝exp(jπμt2)
其中，w(t)表示在第t时刻线性调频基带信号的复数形式，其实部、虚部分别表示线性调频基带信号的I、Q支路信号，μ表示线性调频斜率。
步骤5，获得低截获雷达通信一体化系统的发射信号。
用线性调频基带信号与相位编码脉冲信号进行卷积，得到低截获雷达通信一体化系统的基带信号。
对低截获雷达通信一体化系统的基带信号在时域进行上变频，得到低截获的雷达通信一体化系统的发射信号。
所述的上变频是指，将基带信号进行频移，使其中心频率与载波信号的中心频率相等。
下面结合仿真图对本发明做进一步说明：
1.仿真条件：
本发明的仿真实验是在中央处理器为Intel(R)Core(TM)i3-2350M CPU@2.30GHZ、内存10G、Windows 7操作系统上，运用MATLAB R2016a软件进行的。
本发明的仿真试验中采用扩频序列为长度为13的巴克码，巴克码序列为{1,1,1,1,1，-1，-1,1,1，-1,1,-1,1}，待发送通信序列为长度为N的二阶调制的序列，待发送通信序列的取值为1或-1，信息码片序列的值空间中的元素进行编号索引有两个，将第一个索引值所对应的信息码片作用到信号的相位，将信号的相位设置为π，将第二个索引值所对应的信息码片作用到信号的相位，将信号的相位设置为0，按照上述信息码片与相位的映射关系，用信息码片序列中的每一个信息码片依次设置待发射的N×13个脉冲的载波相位，且脉冲宽度为2×10-6秒，得到相位编码脉冲信号，发射信号带宽为4×106赫兹，根据发射信号的带宽宽要求设置线性调频基带信号的调频斜率为2×1012赫兹/秒，产生线性调频基带信号，最终获得低截获雷达通信一体化系统的发射信号。
2.仿真内容及其结果分析：
本发明的仿真实验有三个。
仿真实验1：
本发明的仿真实验1是，采用本发明与现有技术(基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法)分别获得的雷达通信一体化系统信号，用距离模糊函数对所获得的两个信号的距离分辨力进行比较，得到信号的距离分辨力对比结果如图2所示。
图2(a)表示采用现有技术基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，获得的雷达通信一体化系统信号的距离模糊函数图，图2(a)中的横坐标表示回波信号的延迟，单位为微秒，纵坐标表示距离模糊函数的归一化幅度。图2(b)表示采用本发明方法获得的雷达通信一体化系统信号的距离模糊函数图，图2(b)中的横坐标表示回波信号的延迟，单位为微秒，纵坐标表示距离模糊函数的归一化幅度。
通过对比图2(a)和图2(b)，可以看出，采用现有技术基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，获得的雷达通信一体化系统信号的距离模糊函数图与采用本发明方法获得的雷达通信一体化系统信号的距离模糊函数图相比较，后者主瓣更窄，更尖锐，旁瓣更低。由此可见，采用本发明的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，可以获得距离分辨力更好的信号，使用本发明获得的雷达通信一体化系统信号的探测目标性能更好。
仿真实验2：
本发明的仿真实验2是，采用本发明与现有技术(基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法)分别获得的雷达通信一体化系统信号，用速度模糊函数对所获得的两个信号的速度分辨力进行比较，得到信号的速度分辨力对比结果如图3所示。
图3(a)表示采用现有技术基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，获得的雷达通信一体化系统信号的速度模糊函数图，图3(a)中的横坐标表示回波信号的多普勒频移，单位为兆赫兹，纵坐标表示速度模糊函数的归一化幅度。图3(b)表示采用本发明方法获得的雷达通信一体化系统信号的速度模糊函数图，图3(b)中的横坐标表示回波信号的多普勒频移，单位为兆赫兹，纵坐标表示速度模糊函数的归一化幅度。
通过对比图3(a)和图3(b)，可以看出，采用现有技术基于线性调频信号实现雷达探测与通信传输的方法，获得的雷达通信一体化系统信号的速度模糊函数图与采用本发明方法获得的雷达通信一体化系统信号的速度模糊函数图相比较，后者主瓣更窄，更尖锐，旁瓣更低。由此可见，采用本发明的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，可以获得速度分辨力更好的信号，使用本发明的雷达通信一体化系统信号的探测目标的性能更好。
仿真实验3：
本发明的仿真实验3是，采用本发明、现有技术1(基于线性调频和巴克码组合调制雷达信号的方法)及现有技术2(基于恒包络正交频分复用CE-OFDM实现的雷达通信一体化的方法)分别获得发射信号，其中现有技术1基于线性调频和巴克码组合调制雷达信号的方法，是指由线性调频信号和相位编码信号构成，在脉内采用线性调频的调制方式，在脉间采用13位巴克码的二相编码的调制方式，用现有技术(扩频雷达通信一体化系统的低截获性能评估方法)对所获得的三个信号的低截获性能进行比较，得到一体化系统的低截获性能对比结果如图4所示。
图4中的横坐标表示雷达通信一体化系统的探测概率，纵坐标表示一体化系统低截获性能表征量。图4中以圆形标示的曲线表示，采用本发明方法获得的发射信号的低截获性能表征量，随着系统的探测概率的变化趋势。以菱形标示的曲线表示，采用现有技术1基于线性调频和巴克码组合调制雷达信号的方法，获得的系统信号的低截获性能表征量，随着系统的探测概率的变化趋势。图4中以三角形标示的曲线标示采用现有技术2基于恒包络正交频分复用CE-OFDM实现的雷达通信一体化的方法，获得的系统信号的低截获性能表征量，随着系统的探测概率的变化趋势。
对比图4中的三条不同的曲线所对应的系统低截获性能表征量。可以看出，在系统信号的探测概率相同的条件下，采用本发明方法获得的系统信号的低截获性能表征量小于采用现有技术基于线性调频和巴克码组合调制雷达信号的方法，获得系统信号的低截获性能表征量，且小于采用现有技术基于恒包络正交频分复用CE-OFDM实现的雷达通信一体化的方法，获得系统信号的低截获性能表征量。本发明的方法相对于现有技术1基于线性调频和巴克码组合调制雷达信号的方法，获得的系统信号的低截获性能表征量、现有技术2基于恒包络正交频分复用CE-OFDM实现的雷达通信一体化的方法，获得的系统信号的低截获性能表征量，分别降低了约37％和77％，由此可见，采用本发明的低截获雷达通信一体化系统信号波形的设计方法，可以产生具有更小的低截获性能表征量的信号，使用本发明产生的雷达通信一体化系统信号的低截获性能明显提高。

Claims (7)

1.一种低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，使用扩频序列对待发送的信息符号序列进行直接序列扩频得到信息码片序列，用信息码片序列确定脉冲内载波的相位得到相位编码脉冲信号，用线性调频基带信号与相位编码脉冲信号进行卷积，得到低截获的雷达通信一体化系统的发射信号；该方法的具体步骤包括如下：
(1)获取信息码片序列：
使用长度为P的扩频序列对长度为N的待发送的信息符号序列进行直接序列扩频，得到一个长度为L的信息码片序列，其中，L＝N×P；
(2)建立信息码片与信号相位的映射关系：
对信息码片序列的值空间中的元素进行编号索引，若信息码片序列中码片的取值对应于值空间中的第m个索引值，则将第m个索引值所对应的信息码片作用到信号的相位，将信号的相位设置为且其中m＝0,1,2,...,M-1，M表示信息码片序列的值空间中的元素的个数，π表示圆周率值；
(3)获得相位编码脉冲信号：
按照信息码片与相位的映射关系，用信息码片序列中的每一个信息码片依次设置待发射的N×P个脉冲的载波相位，得到相位编码脉冲信号，其中相位编码脉冲信号的时域表达式如下：
其中，u(t)表示相位编码脉冲信号在第t时刻的信号值，N表示待发送的信息符号的长度，P表示扩频序列的长度，∑表示求和操作，exp(·)表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位符号，F(tk)表示按照步骤(2)所描述的映射关系，将一个信息码片映射为一个相位的操作，tk表示信息码片序列的第k个信息码片，V(t)表示一个脉冲信号，脉冲重复周期为T；
(4)获得线性调频基带信号：
(4a)根据发射信号的带宽要求设置线性调频斜率；
(4b)根据设置的线性调频斜率，利用基带信号发生器产生线性调频基带信号；
(5)获得低截获雷达通信一体化系统的发射信号：
(5a)用线性调频基带信号与相位编码脉冲信号进行卷积，得到低截获雷达通信一体化系统的基带信号；
(5b)对低截获雷达通信一体化系统的基带信号在时域进行上变频，得到低截获的雷达通信一体化系统的发射信号。
2.根据权利要求1所述的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的扩频序列是指码元为1或-1的伪随机序列。
3.根据权利要求1所述的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的待发送的信息符号序列是指，由N个M阶正交振幅调制的信息符号组成的序列，每个信息符号有M种取值。
4.根据权利要求1所述的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的直接序列扩频是指，用每一个信息符号与扩频序列相乘，得到N个长度为P的信息码片序列。
5.根据权利要求1所述的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，步骤(3)所述的脉冲信号是指，按照以下两种t的当前时刻所处的时间点的情形，确定脉冲信号的幅值：
A.当第t时刻处于脉宽之内时，脉冲信号幅值为一体化系统发射脉冲的幅值；
B.当第t时刻处于脉宽之外时，脉冲信号幅值为0。
6.根据权利要求1所述的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，步骤(4)中所述的线性调频基带信号的时域表达式如下所示，
w(t)＝exp(jπμt2)
其中，w(t)表示在第t时刻线性调频基带信号的复数形式，其实部、虚部分别表示线性调频基带信号的I、Q支路信号，μ表示线性调频斜率。
7.根据权利要求1所述的低截获雷达通信一体化系统的信号波形设计方法，其特征在于，步骤(5)中所述的上变频是指，将基带信号进行频移，使其中心频率与载波信号的中心频率相等。
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