陳行勇，張殿宗

(解放軍91404部隊， 河北 秦皇島 066001)

?

·總體工程·

基于LFM-BPSK信號的距離像成像方法

陳行勇，張殿宗

(解放軍91404部隊， 河北 秦皇島 066001)

針對雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)中雷達(dá)成像與通信共享信號的設(shè)計，分析了常見的一體化信號設(shè)計模式。首先，利用線性調(diào)頻信號相位調(diào)制傳遞通信信息，設(shè)計了一種基于線性調(diào)頻—二進制相移鍵控(LFM-BPSK)調(diào)制的雷達(dá)通信一體化信號，并給出了運動擴展目標(biāo)的回波信號表達(dá)式；其次，通過計算單脈沖回波信號采樣的逆離散傅里葉變換或離散傅里葉變換，提出了基于一體化信號合成高分辨距離像方法；然后，依據(jù)相位因子對傅里葉變換的影響，分析了多普勒效應(yīng)對一體化信號合成距離像的影響；最后，對一體化信號的雷達(dá)成像性能進行了仿真計算。

雷達(dá)；通信；一體化；線性調(diào)頻；二進制相移鍵控；高分辨距離像

0 引 言

雷達(dá)通信一體化設(shè)計可實現(xiàn)資源共享，減小系統(tǒng)電磁干擾和能源消耗，降低維護成本，從而提高電子系統(tǒng)的綜合性能。美國海軍最早開展了綜合射頻技術(shù)方面的預(yù)先研究，提出了先進多功能射頻概念(AMRFC)和共用信號、共用孔徑等概念[1-3]。由于基于雷達(dá)圖像的目標(biāo)識別方法運算量較大，機載雷達(dá)目標(biāo)識別系統(tǒng)一般難以實時對雷達(dá)圖像進行處理，需要將圖像發(fā)回地面指揮中心進行處理。如果雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)具有雷達(dá)的目標(biāo)探測和成像功能的同時又具有通信功能，則可以大大提高機載雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)的綜合性能。如何解決通信和雷達(dá)兩種波形的互兼容性，是共用信號設(shè)計需要解決的主要問題之一。在基于線性調(diào)頻(LFM)波形的雷達(dá)通信一體化信號設(shè)計中，主要有三種途徑將通信信息調(diào)制于LFM信號：(1)通過改變LFM信號的調(diào)頻率；(2)通過改變LFM信號的初始頻率[4]；(3)通過改變LFM信號的相位[5]。但是，有些一體化信號設(shè)計是雷達(dá)和通信分時工作，并未真正實現(xiàn)信號能量共享。文獻[6-7]采用加性結(jié)合和乘性結(jié)合的方法設(shè)計雷達(dá)通信一體化信號，接收端需要采用分離算法對雷達(dá)信號和通信信號進行分離，因此分離算法性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)性能。

現(xiàn)有文獻大多數(shù)都是探討雷達(dá)通信共享信號的點目標(biāo)探測性能[1-2,4,6,8]，對于共享信號的高分辨性能沒有分析。本文在分析現(xiàn)有雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計和信號共享的主要形式，基于LFM信號設(shè)計了一種雷達(dá)通信一體化波形和信號共享方法，提出了一體化波形合成高分辨距離像方法，量化分析了多普勒效應(yīng)的影響，最后進行了仿真計算。

1 基于LFM-BPSK調(diào)制的一體化信號設(shè)計

線性調(diào)頻信號作為一種大時寬帶寬信號，可以利用目標(biāo)回波中的頻率對應(yīng)目標(biāo)的徑向距離變化，從而通過頻譜分析的辦法來得到目標(biāo)沿徑向分布的一維距離像[9]，被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中。利用LFM信號進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕舅枷刖褪前褦?shù)據(jù)信息調(diào)制到LFM信號的各參數(shù)上，主要參數(shù)包括線性調(diào)頻斜率、相位的正反極性、幅度的包絡(luò)等。本文采用二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制LFM脈沖載波的相位來傳輸通信信息，圖1示出了線性調(diào)頻脈沖信號的頻率。

圖1 LFM脈沖信號的頻率

設(shè)N為脈沖個數(shù)，i=0,1,…,N-1，i+1為脈沖序號。以第一個脈沖起始時刻為0時刻，rect(t)為矩形函數(shù)，則t時刻LFM-BPSK調(diào)制的雷達(dá)通信一體化信號第i+1個脈沖發(fā)射信號表達(dá)式為

(1)

式中：A為脈沖幅度；τ為脈沖寬度；Tr為脈沖重復(fù)周期；k為LFM子脈沖的調(diào)頻斜率；B=kτ為單個脈沖信號帶寬；f0為發(fā)射載頻的基頻分量，即LFM信號子載波的初始頻率；b(i)∈{1,-1}為二進制數(shù)據(jù)序列，攜帶通信信息。

2 一體化信號性能分析

2.1 合成距離像原理

根據(jù)散射點模型，設(shè)目標(biāo)散射點為理想的幾何點，可以近似等效為N個等間隔Δr的散射中心構(gòu)成的一離散線性系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，記為h(n)(n=0,1,…,N-1)，相參合成距離像的原理就是由回波信號恢復(fù)h(n)。

不考慮目標(biāo)各散射中心的相互電磁作用，設(shè)目標(biāo)第n+1個強散射中心在徑向靠近雷達(dá)以速度vn作勻速運動，以目標(biāo)第1個散射中心距雷達(dá)的距離R0為參考距離，則t時刻目標(biāo)第n+1個散射中心距雷達(dá)的距離為Rn=R0+nΔr-vnt，τin(n=0,1,…,N-1,i=0,1,…,N-1)是第i+1個雷達(dá)脈沖波照射第n+1個強散射中心的回波相對于照射到第1個強散射中心的延遲，第i+1個脈沖回波信號表達(dá)式為

(2)

式中：c為光速。設(shè)第1個散射中心的處有一理想?yún)⒖键c的第i+1個脈沖回波信號為

(3)

將每個脈沖的目標(biāo)回波信號與以上對應(yīng)脈沖的參考信號混頻輸出得歸一化中頻信號[9-10]

(4)

將視頻輸出的幅度因子歸一化，設(shè)m=0,1,…,N-1,在一個脈沖掃頻周期內(nèi)的iTr+mτ/N時刻采樣得到的采樣序列

H[i,m]=sRI(i,iTr+mτ/N)=

(5)

由于掃頻時間較短，假設(shè)目標(biāo)各散射中心徑向速度相同，即vn=v，則式(5)變?yōu)?/p>

(6)

φ(i,m)=φ0+φ1m+φ2m2

(7)

(8)

(9)

(10)

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，若選擇選擇調(diào)頻率和脈沖寬度，使得目標(biāo)距離像恰好不出現(xiàn)混疊[9-10]，則Δr=c/(2kτ)，代入式(10)可得

(11)

考慮目標(biāo)各散射中心無徑向運動，則v=0，式(11)變?yōu)?/p>

DFT[b(i)·h(n)·ej2π·φ0]

(12)

由此可得

|h(n)|=|b(i)·h(n)·ej2πφ0|=|IDFT[H[i,m]]|

(13)

式中：DFT[·]和IDFT[·]分別為離散傅里葉變換和逆離散傅里葉變換。式(13)表明，對于上調(diào)頻信號，目標(biāo)距離像可由單個脈沖回波中頻信號采樣的逆離散傅里葉變換取模獲得。若線性調(diào)頻信號采用下調(diào)頻，則調(diào)頻率為負(fù)，式(12)變?yōu)?/p>

IDFT[b(i)·h(n)·ej2πφ0]

而式(13)變?yōu)?/p>

|h(n)|=|b(i)·h(n)·ej2πφ0|=|DFT[H[i,m]]|

由此可得距離像計算公式為

(14)

若p為大于等于1的整數(shù)，在一個脈沖掃頻周期內(nèi)的iTr+mτ/PN時刻采樣得采樣序列，由式(12)可得

(15)

h′(n)為h(n)從N到PN-1補零構(gòu)成的延長序列。由此可得距離像計算公式為

(16)

2.2 多普勒效應(yīng)分析

2.2.1 常數(shù)項

常數(shù)項φ0不包含離散傅里葉變換頻域因子m，相當(dāng)于對h(n)的相位加權(quán)，對h(n)的位置和幅度無影響，采樣點列求IDFT后取模可消除常數(shù)項對一維距離像影響。

2.2.2 一次相位因子

一次相位因子φ1的作用相當(dāng)于頻域移位采樣，使回波脈沖采樣求IDFT后得到的h(n)循環(huán)移位L單元，對一維距離像形狀無影響，移位點數(shù)L由下式計算

L=?N·(φ1-?φ1」)」

(17)

式中：?·」表示取整運算。式(17)即為走動的距離單元數(shù)的計算公式。

2.2.3 二次相位因子和時頻交叉因子

3 仿真計算

假設(shè)雷達(dá)通信一體化信號參數(shù)N=128，發(fā)射頻率f0=10GHz，LFM子脈沖帶寬kτ=500MHz，τ=1μs，Tr=10 μs，一體化信號脈沖串共發(fā)射128個脈沖。由以上參數(shù)可得相參合成距離分辨率為Δr=c/(2kτ)=0.3 m。不考慮雜波影響和采樣的幅度損失，以下分析目標(biāo)運動時各相位因子對合成距離像的影響。

設(shè)目標(biāo)共有5個強散射點，距離目標(biāo)與雷達(dá)的近端的距離分別為23Δr、48Δr、57Δr、72Δr和121Δr，其歸一化散射強度之比為3∶6∶17∶2∶9，第一個強散射點距離雷達(dá)的徑向距離為20 km，h1為目標(biāo)原始散射點分布，h2為一個脈沖串內(nèi)所有脈沖獲取的目標(biāo)距離像的平均，雷達(dá)接收信號的信雜比為SCR。圖2和圖3給出了v=100 m/s時不同信雜比下合成距離像和信雜比SCR=10 dB時不同速度下合成距離像。

圖2 v=100 m/s時不同信雜比下合成距離像

圖3 SCR=10 dB時不同速度下合成距離像

由圖2可知，在信雜比較低時，目標(biāo)第一個分辨會產(chǎn)生“假像”，但對其他強散射點影響較小。對一般的目標(biāo)速度，對距離像幾乎無影響，只有當(dāng)目標(biāo)速度增大至2 000 m/s時，目標(biāo)距離像才會產(chǎn)生畸變。

4 結(jié)束語

雷達(dá)通信一體化共用信號設(shè)計的主要目的是在發(fā)射端融合通信信息到雷達(dá)信號，在接收端通過信號處理在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中提取各自所需信號，分別用于雷達(dá)探測和通信信息接收。本文基于LFM波形設(shè)計了用于合成距離像和BPSK調(diào)制通信的一體化信號，為雷達(dá)和通信多功能系統(tǒng)研究提供了參考思路。應(yīng)當(dāng)指出，文中方法是基于理想的LFM-BPSK調(diào)制信號模型，其中通信信息是通過調(diào)制在每個脈沖串包絡(luò)的二進制數(shù)據(jù)序列攜帶，即利用LFM信號相位調(diào)制傳遞通信信息，具有一定的適應(yīng)范圍。

[1] 張明友. 雷達(dá)-電子戰(zhàn)-通信一體化概論[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010. Zhang Mingyou.Radar-ECM-communication comspectus[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010.

[2] Jamil M, Zepernick H J, Pettersaon M I. On integrated radar and communication syatema using oppermann sequence[C] // IEEE Military Communication Conference. San Diego: IEEE Press, 2008: 9-16.

[3] Tavik G C, Hilterbrick C L, Evms J B, et al. The advanced multifunction RF concept[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3): 1009-1020.

[4] 李曉柏, 楊瑞娟, 程 偉. 基于Chirp信號的雷達(dá)通信一體化研究[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2012, 10(2): 180-186. Li Xiaobai, Yang Ruijuan, Cheng Wei. Integrated radar and communication based on chip[J]. Radar Science and Technolgoy, 2012,10(2): 180-186.

[5] 馮金振, 鄭國羊. Chirp-BOK-BPSK調(diào)制超寬帶無線傳輸技術(shù)[J]. 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報, 2008, 26(2): 123-126. Feng Jinzhen, Zheng Guoyang. Ultra-unideloand wireless communication based on Chirp-BOK-BPSK modulation[J]. Jaurnal of Applied Science, 2008, 26(2): 123-126.

[6] 鄒廣超, 劉以安, 吳少鵬, 等. 雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機仿真, 2011, 28(8): 1-4, 32. Zou Guangchao, Liu Yian, Wu Shaopeng, et al. Design of radar communications integrated system[J]. Computer Simulation, 2011, 28(8): 1-4, 32.

[7] 鄒廣超. 雷達(dá)通信一體化設(shè)計的信號與處理方法研究[D]. 無錫: 江南大學(xué), 2011. Zou Guangchao. Study on signal and processing methed for integrated radar and communication[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2011.

[8] 李曉柏, 楊瑞娟, 程 偉. 基于頻率調(diào)制的多載波Chirp信號雷達(dá)通信一體化研究[J]. 電子與信息學(xué)報, 2013, 35(2): 406-412. Li Xiaobai ,Yang Ruijuan, Cheng Wei. Integrated radar and communication based on multicarrier frequency modulation chirp signal[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2013, 35(2): 406-412.

[9] 黃德雙. 高分辨雷達(dá)智能信號處理技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001. Huang Deshuang. Intelligent signal processing technique for high resolunion radar[M]. Beijing: China Machine Press, 2001.

[10] 許小劍, 黃培康. 雷達(dá)系統(tǒng)及其信息處理[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010. Xu Xiaojian, Huang Peikang. Radar system and information processing[M]. Beijing: Publishing House of Electronic Industry, 2010.

陳行勇 男，1978年生，博士后，高級工程師。研究方向為雷達(dá)自動目標(biāo)識別、雷達(dá)信號處理、電磁環(huán)境仿真。

美國“空間籬笆”雷達(dá)完成關(guān)鍵設(shè)計評審

2015年9月28日，美國空軍新一代“空間籬笆”雷達(dá)通過關(guān)鍵設(shè)計評審，意味著該雷達(dá)設(shè)計階段正式結(jié)束，進入生產(chǎn)制造階段。2015年初，位于夸賈林島礁的24 000 m3雷達(dá)陣地已破土動工。

“空間籬笆”雷達(dá)工作于S波段，采用數(shù)字陣列技術(shù)，每天可完成150萬次軌道目標(biāo)探測、跟蹤與編目任務(wù)，可探測1 900 km軌道高度、未經(jīng)提示的棒球大小目標(biāo)。在關(guān)鍵設(shè)計評審中，洛·馬公司利用一部小型演示系統(tǒng)，驗證了該雷達(dá)的空間目標(biāo)跟蹤能力。

首部“空間籬笆”雷達(dá)預(yù)計在2018年底開始投入運行，2022年實現(xiàn)完全作戰(zhàn)能力。此外，美國空軍還計劃在澳大利亞西部部署第二套雷達(dá)。

(鄧大松)

A Method of Synthesizing Range Profile Based on LFM-BPSK Signal

CHEN Hangyong，ZHANG Dianzong

(The Unit 91404 of PLA, Qinghuangdao 066001, China)

In allusion to the design of a sharing signal for radar imaging and communication in integrated radar and communication system, a general design mode is analyzed for integrated signal. First, an integrated radar and communication signal is designed based on LFM-BPSK modulation, which can transmit with communication information phase modulation. The expression is given for the echo signal from an extended target. Secondly, by way of computing inverse discrete Fourier transform or discrete Fourier transform of echo signal sample, a method of synthesizing range profile is proposed based on integrated signal. Then, according to the effect of phase factor on fourier transform, the influence of Doppler effect on synthesizing range profile is analyzed for the new integration signal. Finally, some simulation is provided for verified the theoretic analysis in radar imaging performance of the new signal.

radar；communication；integration；LMF；BPSK；high resolution range profile

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.004

陳行勇 Email：nudt_atr_chy@yeah.net

2015-06-05

2015-09-08

TN957

A

1004-7859(2015)10-0014-04