CN108984942B - 基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，涉及雷达与通信技术领域，包括以下步骤：（1）初始化雷达通信一体化收发模型；（2）确定通信信号的基本形式；（3）将通信信号加载到频控阵的频率偏置上，并随机分配给每个阵元；（4）设计不同阵元间的频率间隔，间隔出每个阵元携带的通信信号的带宽范围；（5）发射一体化信号；（6）通信接收端接收一体化信号并解调,实现数据通信；（7）雷达接收端接收目标回波信号，实现目标定位。本发明技术方案通过发射次数较少的脉冲信号，占用较少的时间资源和阵列资源，就能实现雷达目标定位和数据通信，并且不需要在接收端进行雷达信号和通信信号的分离。

Description

基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法

技术领域

本发明涉及雷达与通信技术领域，尤其涉及基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法。

背景技术

雷达通信一体化是综合电子信息系统的研究热点，如何使通信和雷达系统共用收发通道、雷达通信共用信号的波形设计等问题成为这项研究的重点。目前，关于雷达通信一体化方面的研究大多都是基于相控阵的，而频控阵属于相控阵的一种特殊形式，具有相控阵的所有功能特性也具备一些相控阵不具备的优势，同样可以实现雷达通信一体化。

现有的频控阵雷达通信一体化波形设计方面主要有两种设计方法：一种是以线性调频信号为基础，将数字基带信号按照某种调制方式与频控阵信号相结合作为一体化信号；另一种是将频控阵的频偏和OFDM的频偏联系起来，进行雷达通信一体化的波形设计。但上述两种雷达通信一体化实现方法，存在着接收端雷达和通信信号分离困难的问题或者占用较多时间资源和阵列资源的问题。

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占用较少时间资源和阵列资源且接收端无需进行雷达和通信信号分离过程的雷达通信一体化实现方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，通过发射较少的脉冲信号，占用较少的时间资源和阵列资源，在接收端避免进行复杂的信号分离过程，同时实现频控阵雷达的数据通信和目标定位，包括以下步骤：

(1)初始化雷达通信一体化收发模型，具体过程如下：

由雷达通信一体化发射装置发射一体化信号，雷达接收装置接收到目标回波信号实现目标定位，通信接收装置接收到一体化信号实现数据通信；初始化系统参数：阵元个数N，发射载频f_c，光速c，波长

阵元间距

阵元之间的频率偏置记为Δf，进制数记为M。

(2)确定通信信号的基本形式，具体过程如下：

原始通信信息为二进制数据，可变换后转化成M进制通信数据c_n，且M的取值满足M＝2^k，其中k为任意正整数，c_n的取值范围为：c_n∈{1,2,...,M}，其中c_n指第n个阵元加载的通信信息。

(3)将通信信号加载到频控阵的频率偏置上，并随机分配给每个阵元，具体过程如下：

第n个阵元信号的初始频率为：

f_n＝f_c+c_nΔf，n＝1,2,...,N

其中，f_c为雷达的中心频率，c_n为第n个阵元携带的通信信息，c_n的取值范围为：c_n∈{1,2,...,M}，M为通信数据的进制数，Δf为阵元之间的频率偏置。

(4)设计不同阵元间的频率间隔，间隔出每个阵元携带的通信信号的带宽范围，具体过程如下：

通信信号的带宽为B＝MΔf，第n个阵元的频偏间隔取值为B_n，B_n的取值范围为B_n∈{0,M,2M,...,(n-1)M}。

(5)发射一体化信号，具体过程如下：

第n个阵元信号的初始频率为：

f_n＝f_c+c_nΔf+B_nΔf n＝1,2,...,N

一般的雷达发射信号可表示为：

s₁(t)＝a(t)exp(j2πf_ct)

其中，a(t)表示脉冲信号的复包络；

则雷达通信一体化发射信号为：

该信号可由雷达发射机的n个发射阵元进行发射。

(6)通信接收端接收一体化信号并解调,实现数据通信，具体过程如下：

在通信接收端接收n个阵元的一体化信号，将接收到的一体化信号分别与N个频控阵阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到N个基带信号，在对基带信号抽样判决得到通信数据。

(7)雷达接收端接收目标回波信号，实现目标定位，具体过程如下：

将雷达接收端接收到的目标回波信号分别与N个频控阵阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到N个基带信号，采用频控阵目标定位算法实现目标定位，所述频控阵目标定位算法优选MUSIC算法。

与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果为：

1、通过发射次数较少(甚至单次)的脉冲信号，占用较少的时间资源和阵列资源，就能实现雷达目标定位和数据通信，并且不需要在接收端进行雷达信号和通信信号的分离；

2、随着通信信号的引入，将频控阵传统的“s”形波束方向图空间扫描改变为点状波束空间扫描，能量更为集中，使频控阵的角度和距离不再互相耦合。

附图说明

图1为本发明信号处理流程图；

图2为本发明收发模型示意图；

图3为本发明发射阵列结构图；

图4为一体化信号多目标原始位置图；

图5为采用本发明方法得到的多目标定位图。

具体实施方式

下面结合附图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示出了一种基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，通过发射较少的脉冲信号，占用较少的时间资源和阵列资源，在接收端避免进行复杂的信号分离过程，同时实现频控阵雷达的数据通信和目标定位，包括以下步骤：

(1)初始化雷达通信一体化收发模型，如图2所示，具体过程如下：

由雷达通信一体化发射装置发射一体化信号，雷达接收装置接收到目标回波信号实现目标定位，通信接收装置接收到一体化信号实现数据通信；初始化系统参数：阵元个数N，发射载频f_c，光速c，波长

阵元间距

阵元之间的频率偏置记为Δf，进制数记为M。

(2)确定通信信号的基本形式，具体过程如下：

原始通信信息为二进制数据，可变换后转化成M进制通信数据c_n，且M的取值满足M＝2^k，其中k为任意正整数，c_n的取值范围为：c_n∈{1,2,...,M}，其中c_n指第n个阵元加载的通信信息。

(3)将通信信号加载到频控阵的频率偏置上，并随机分配给每个阵元，具体过程如下：

第n个阵元信号的初始频率为：

f_n＝f_c+c_nΔf，n＝1,2,...,N

其中，f_c为雷达的中心频率，c_n为第n个阵元携带的通信信息，c_n的取值范围为：c_n∈{1,2,...,M}，M为通信数据的进制数，Δf为阵元之间的频率偏置。

(4)设计不同阵元间的频率间隔，间隔出每个阵元携带的通信信号的带宽范围，具体过程如下：

通信信号的带宽为B＝MΔf，第n个阵元的频偏间隔取值为B_n，B_n的取值范围为B_n∈{0,M,2M,...,(n-1)M}。

(5)发射一体化信号，如图3所示，具体过程如下：

第n个阵元信号的初始频率为：

f_n＝f_c+c_nΔf+B_nΔf n＝1,2,...,N

一般的雷达发射信号可表示为：

s₁(t)＝a(t)exp(j2πf_ct)

其中，a(t)表示脉冲信号的复包络；

则雷达通信一体化发射信号为：

该信号可由雷达发射机的n个发射阵元进行发射。

(6)通信接收端接收一体化信号并解调,实现数据通信，具体过程如下：

在通信接收端接收n个阵元的一体化信号，将接收到的一体化信号分别与N个频控阵阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到N个基带信号，在对基带信号抽样判决得到通信数据。

(7)雷达接收端接收目标回波信号，实现目标定位，具体过程如下：

将雷达接收端接收到的目标回波信号分别与N个频控阵阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到N个基带信号，采用频控阵目标定位算法实现目标定位，所述频控阵目标定位算法优选MUSIC算法。

本发明有益效果可通过仿真实验体现出来，对仿真中设定的五个原始目标位置分别为：(-10°，10km)、(10°，10km)、(0°，10020m)、(15°，10040m)、(-15°，9974km)，在需要探测的场景中预设五个原始目标点，角度距离信息如图4所示，采用本发明的技术方案经过处理后目标定位结果如图5所示。对比图5和图4可得知，采用本发明的技术方案的目标定位结果与预设原始目标位置完全一致，一体化信号通过场景探测准确定位出了五个原始目标点的位置。一体化信号经过目标反射之后，在雷达接收端得到回波信号通过MUSIC算法进行目标估计，谱函数在目标点位置形成了最大增益。因此验证了本发明在目标定位方面的可行性和有效性。

由此可见，与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果为：

1、通过发射次数较少(甚至单次)的脉冲信号，占用较少的时间资源和阵列资源，就能实现雷达目标定位和数据通信，并且不需要在接收端进行雷达信号和通信信号的分离；

2、随着通信信号的引入，将频控阵传统的“s”形波束方向图空间扫描改变为点状波束空间扫描，能量更为集中，使频控阵的角度和距离不再互相耦合。

以上结合附图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 (1)

1.一种基于随机频偏的频控阵雷达通信一体化波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化雷达通信一体化收发模型；

(2)确定通信信号的基本形式；

(3)将通信信号加载到频控阵的频率偏置上，并随机分配给每个阵元；

(4)设计不同阵元间的频率间隔，间隔出每个阵元携带的通信信号的带宽范围；

(5)发射一体化信号；

(6)通信接收端接收一体化信号并解调,实现数据通信；

(7)雷达接收端接收目标回波信号，实现目标定位；

步骤(1)具体过程如下：

由雷达通信一体化发射装置发射一体化信号，雷达接收装置接收到目标回波信号实现目标定位，通信接收装置接收到一体化信号实现数据通信；初始化系统参数：阵元个数N，发射载频f_c，光速c，波长

， 阵元间距

阵元之间的频率偏置记为Δf，进制数记为M；

步骤(2)具体过程如下：

原始通信信息为二进制数据，变换后转化成M进制通信数据c_n，且M的取值满足M＝2^k，其中k为任意正整数，c_n的取值范围为：c_n∈{1,2,...,M}，其中c_n指第n个阵元加载的通信信息；

步骤(3)具体过程如下：

第n个阵元雷达信号的初始频率为：

f_n＝f_c+c_nΔf，n＝1,2,...,N

其中，f_c为雷达的中心频率，c_n为第n个阵元携带的通信信息，c_n的取值范围为：c_n∈{1,2,...,M}，M为通信数据的进制数，Δf为阵元之间的频率偏置；

步骤(4)具体过程如下：

通信信号的带宽为B＝MΔf，第n个阵元的频偏间隔取值为B_n，B_n的取值范围为B_n∈{0,M,2M,...,(n-1)M}；

步骤(5)具体过程如下：

第n个阵元一体化信号的初始频率为：

f_n＝f_c+c_nΔf+B_nΔf，n＝1,2,...,N

一般的雷达发射信号表示为：

s₁(t)＝a(t)exp(j2πf_ct)

其中，a(t)表示脉冲信号的复包络；

则雷达通信一体化发射信号为：

该信号可由雷达发射机的n个发射阵元进行发射；

步骤(6)具体过程如下：

在通信接收端接收n个阵元的一体化信号，将接收到的一体化信号分别与N个频控阵阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到N个基带信号，在对基带信号抽样判决得到通信数据；

步骤(7)具体过程如下：

将雷达接收端接收到的目标回波信号分别与N个频控阵阵列信号同频同相的载波相乘进行相干解调，得到N个基带信号，采用频控阵目标定位MUSIC算法实现目标定位。

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