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)

?

·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)

針對雷達通信一體化系統(tǒng)中雷達成像與通信共享信號的設計，分析了常見的一體化信號設計模式。首先，利用線性調頻信號相位調制傳遞通信信息，設計了一種基于線性調頻—二進制相移鍵控(LFM-BPSK)調制的雷達通信一體化信號，并給出了運動擴展目標的回波信號表達式；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，依據相位因子對傅里葉變換的影響，分析了多普勒效應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成像性能進行了仿真計算。

雷達；通信；一體化；線性調頻；二進制相移鍵控；高分辨距離像

0 引 言

雷達通信一體化設計可實現資源共享，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方面的預先研究，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]。由于基于雷達圖像的目標識別方法運算量較大，機載雷達目標識別系統(tǒng)一般難以實時對雷達圖像進行處理，需要將圖像發(fā)回地面指揮中心進行處理。如果雷達通信一體化系統(tǒng)具有雷達的目標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通信一體化系統(tǒng)的綜合性能。如何解決通信和雷達兩種波形的互兼容性，是共用信號設計需要解決的主要問題之一。在基于線性調頻(LFM)波形的雷達通信一體化信號設計中，主要有三種途徑將通信信息調制于LFM信號：(1)通過改變LFM信號的調頻率；(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，有些一體化信號設計是雷達和通信分時工作，并未真正實現信號能量共享。文獻[6-7]采用加性結合和乘性結合的方法設計雷達通信一體化信號，接收端需要采用分離算法對雷達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。

現有文獻大多數都是探討雷達通信共享信號的點目標探測性能[1-2,4,6,8]，對于共享信號的高分辨性能沒有分析。本文在分析現有雷達通信一體化波形設計和信號共享的主要形式，基于LFM信號設計了一種雷達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的影響，最后進行了仿真計算。

1 基于LFM-BPSK調制的一體化信號設計

線性調頻信號作為一種大時寬帶寬信號，可以利用目標回波中的頻率對應目標的徑向距離變化，從而通過頻譜分析的辦法來得到目標沿徑向分布的一維距離像[9]，被廣泛應用在雷達和通信系統(tǒng)中。利用LFM信號進行數據傳輸的基本思想就是把數據信息調制到LFM信號的各參數上，主要參數包括線性調頻斜率、相位的正反極性、幅度的包絡等。本文采用二進制相移鍵控(BPSK)調制LFM脈沖載波的相位來傳輸通信信息，圖1示出了線性調頻脈沖信號的頻率。

圖1 LFM脈沖信號的頻率

設N為脈沖個數，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，則t時刻LFM-BPSK調制的雷達通信一體化信號第i+1個脈沖發(fā)射信號表達式為

(1)

式中：A為脈沖幅度；τ為脈沖寬度；Tr為脈沖重復周期；k為LFM子脈沖的調頻斜率；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}為二進制數據序列，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

根據散射點模型，設目標散射點為理想的幾何點，可以近似等效為N個等間隔Δr的散射中心構成的一離散線性系統(tǒng)的沖激響應，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h(n)。

不考慮目標各散射中心的相互電磁作用，設目標第n+1個強散射中心在徑向靠近雷達以速度vn作勻速運動，以目標第1個散射中心距雷達的距離R0為參考距離，則t時刻目標第n+1個散射中心距雷達的距離為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式為

(2)

式中：c為光速。設第1個散射中心的處有一理想參考點的第i+1個脈沖回波信號為

(3)

將每個脈沖的目標回波信號與以上對應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m=0,1,…,N-1,在一個脈沖掃頻周期內的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，假設目標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)

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

(11)

考慮目標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，對于上調頻信號，目標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。若線性調頻信號采用下調頻，則調頻率為負，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，在一個脈沖掃頻周期內的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 多普勒效應分析

2.2.1 常數項

常數項φ0不包含離散傅里葉變換頻域因子m，相當于對h(n)的相位加權，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

假設雷達通信一體化信號參數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，以下分析目標運動時各相位因子對合成距離像的影響。

設目標共有5個強散射點，距離目標與雷達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的徑向距離為20 km，h1為目標原始散射點分布，h2為一個脈沖串內所有脈沖獲取的目標距離像的平均，雷達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，目標第一個分辨會產生“假像”，但對其他強散射點影響較小。對一般的目標速度，對距離像幾乎無影響，只有當目標速度增大至2 000 m/s時，目標距離像才會產生畸變。

4 結束語

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

[1] 張明友. 雷達-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信號的雷達通信一體化研究[J]. 雷達科學與技術, 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調制超寬帶無線傳輸技術[J]. 應用科學學報, 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-通信一體化系統(tǒng)設計[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. 雷達通信一體化設計的信號與處理方法研究[D]. 無錫: 江南大學, 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. 基于頻率調制的多載波Chirp信號雷達通信一體化研究[J]. 電子與信息學報, 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. 高分辨雷達智能信號處理技術[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。研究方向為雷達自動目標識別、雷達信號處理、電磁環(huán)境仿真。

美國“空間籬笆”雷達完成關鍵設計評審

2015年9月28日，美國空軍新一代“空間籬笆”雷達通過關鍵設計評審，意味著該雷達設計階段正式結束，進入生產制造階段。2015年初，位于夸賈林島礁的24 000 m3雷達陣地已破土動工。

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

首部“空間籬笆”雷達預計在2018年底開始投入運行，2022年實現完全作戰(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。

(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