一種OFDM雷達(dá)通信一體化的距離超分辨方法*

李明兵

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036;2.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

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一種OFDM雷達(dá)通信一體化的距離超分辨方法*

李明兵**

(1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036;2.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

針對(duì)雷達(dá)通信一體化中的共享信號(hào)設(shè)計(jì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種脈沖體制正交頻分復(fù)用(OFDM)波形，并提出了一種基于OFDM共享信號(hào)的雷達(dá)通信一體化距離超分辨方法。每一脈沖為通信中的一幀，實(shí)現(xiàn)通信信息調(diào)制，并討論了利用雷達(dá)副瓣進(jìn)行通信信息傳輸?shù)目尚行?。在雷達(dá)相干處理時(shí)間內(nèi)，利用脈間通信調(diào)制信息的隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)距離解模糊，然后在通信信息補(bǔ)償后構(gòu)建距離的稀疏重構(gòu)模型，并利用實(shí)現(xiàn)距離的超分辨估計(jì)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，所提方法能有效提高距離分辨力，并實(shí)現(xiàn)Mbit/s的數(shù)據(jù)通信。

雷達(dá)通信一體化；共享信號(hào)；正交頻分復(fù)用；稀疏重構(gòu) ；超分辨

1 引 言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，作戰(zhàn)平臺(tái)受到的威脅日益增多，所面臨的電磁環(huán)境和目標(biāo)威脅亦更為復(fù)雜。為適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境需求，控制戰(zhàn)場(chǎng)電磁權(quán)，作戰(zhàn)平臺(tái)必須裝備愈來(lái)愈多的電子設(shè)備。但是，雷達(dá)、通信等電子設(shè)備增多會(huì)消耗更多的能源，增加武器平臺(tái)體積，降低平臺(tái)機(jī)動(dòng)性能，不利于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)所需要的快速反應(yīng)能力。因此，探索和研究機(jī)載平臺(tái)上眾多電子設(shè)備綜合一體化技術(shù)問(wèn)題，不僅有助于把不同類(lèi)型、不同用途的電子設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，便于實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)和控制機(jī)載平臺(tái)上電子設(shè)備的工作，合理分配系統(tǒng)資源，而且有助于實(shí)現(xiàn)裝備的通用性、小型化和多功能化[1]。而雷達(dá)和通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分，研究雷達(dá)通信一體化對(duì)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備綜合一體化具有極其重要的意義[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷達(dá)與通信一體化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。按照發(fā)射機(jī)、接收天線、接收機(jī)等硬件是否共享，將一體化的方式進(jìn)行了分類(lèi)并分析了各種方式的特點(diǎn)和使用條件，主要包括分時(shí)體制[3]、分波束體制[4]和同時(shí)體制[5]。由于同時(shí)體制不存在探測(cè)盲區(qū)，一體化程度和設(shè)備共享率最高，是雷達(dá)通信一體化的發(fā)展趨勢(shì)[6]。而同時(shí)體制的關(guān)鍵是共享信號(hào)設(shè)計(jì)。所謂共享信號(hào)[7]是指具備多種能力的信號(hào)，也就是說(shuō)通過(guò)該信號(hào)能夠完成多種電子裝備系統(tǒng)的功能。對(duì)基于共享信號(hào)的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)定位的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)是一種在通信系統(tǒng)中廣受關(guān)注的多載波數(shù)字調(diào)制形式，具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗衰落能力和抗干擾能力。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，OFDM的概念也被引入到雷達(dá)應(yīng)用中，并逐漸成為了新興的雷達(dá)信號(hào)樣式[8]。因此，基于OFDM的雷達(dá)通信一體化研究是雷達(dá)通信一體化的重要方面。在基于OFDM共享信號(hào)的雷達(dá)通信一體化中，文獻(xiàn)[9]研究了OFDM雷達(dá)通信共享信號(hào)性能，通過(guò)增加子載波個(gè)數(shù)可提高一體化信號(hào)的相關(guān)性；文獻(xiàn)[10]研究了采用收發(fā)雙置的連續(xù)波發(fā)射方式，并通過(guò)矩陣點(diǎn)除實(shí)現(xiàn)距離和速度估計(jì)；文獻(xiàn)[11]同樣采用收發(fā)雙置的連續(xù)波發(fā)射方式，并通過(guò)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)的方式實(shí)現(xiàn)距離估計(jì)。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[[11]的收發(fā)天線雙置，不滿足設(shè)備共享的要求；并且，其分辨率均與發(fā)射帶寬有關(guān)，若要提高分辨率，需發(fā)射大帶寬信號(hào)，勢(shì)必導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)處理機(jī)瞬時(shí)帶寬的增大，增加設(shè)備的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[12]在OFDM雷達(dá)的基礎(chǔ)上，提出一種OFDM脈間隨機(jī)步進(jìn)頻雷達(dá)通信一體化信號(hào)模型，在雷達(dá)接收端采用相關(guān)法實(shí)現(xiàn)一維距離像。文獻(xiàn)[13]提出一種基于子空間算法的距離超分辨算法，但其需要采取空間平滑去相關(guān)，降低系統(tǒng)的分辨率，并且在低信噪比下性能較差。

針對(duì)以上問(wèn)題，為提高設(shè)備利用率增加最大無(wú)模糊距離，本文采用脈沖發(fā)射的形式，每個(gè)脈沖作為通信的一幀，實(shí)現(xiàn)通信信息傳遞；利用OFDM信號(hào)特性，提出一種距離超分辨算法，首先利用傳統(tǒng)的脈壓方法，完成距離粗估計(jì)，提出一種基于稀疏重構(gòu)的距離超分辨估計(jì)方法，有效提高一體化雷達(dá)的距離分辨能力。仿真分析表明，在利用雷達(dá)副瓣進(jìn)行通信信息傳輸時(shí)，接收端仍能獲得較高的信噪比，有效提高了通信接收端的誤碼率性能。

2 信號(hào)模型

圖1給出了OFDM通信信號(hào)與一體化信號(hào)示意圖。

圖1 OFDM通信信號(hào)與一體化信號(hào)

設(shè)雷達(dá)發(fā)射OFDM符號(hào)的載波數(shù)為N，帶寬為B,載波間隔Δf=B/N，OFDM符號(hào)長(zhǎng)度Ts=1/Δf，相干積累Ns個(gè)OFDM符號(hào)，載波頻率為fc，Tr為一個(gè)脈沖重復(fù)周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度，則第n個(gè)有效的OFDM信號(hào)的信號(hào)形式可表示為

(1)

式中：a(m,n)為對(duì)應(yīng)的各子載波調(diào)制通信信息,m=0～N-1表示子載波序數(shù)，n=0～Ns-1表示一個(gè)相干處理周期內(nèi)的脈沖序數(shù)，

假設(shè)有Nt個(gè)目標(biāo)，第i個(gè)目標(biāo)在距離Ri處，徑向速度為vi且滿足2vi/c?1，在相干處理時(shí)間內(nèi)的散射強(qiáng)度為Ai，且所處的距離單元不變，為了保證不產(chǎn)生碼間串?dāng)_，需保證不同目標(biāo)間的最大距離差不超過(guò)OFDM符號(hào)循環(huán)前綴TGI對(duì)應(yīng)的距離cTGI/2，其中c為光速，則接收到Nt目標(biāo)的第n個(gè)OFDM符號(hào)回波經(jīng)過(guò)下變頻和去循環(huán)前綴后,

(2)

(3)

式中：nn(k,n)為高斯白噪聲采樣。將接收到的信號(hào)表示為矩陣形式，可得

(4)

其中:y(n)=[sr(0,n)sr(1,n) …sr(N-1,n)]T；

Dvi=diag[a(vi)]；

Dc(n)=diag[ac(n)],

ac(n)=[a(0,n)a(1,n) …a(N-1,n)]T；

3 OFDM雷達(dá)通信一體化距離估計(jì)

3.1 距離解模糊及粗估計(jì)

距離模糊對(duì)于脈沖多普勒(PulseDoppler，PD)雷達(dá)是一不可避免的問(wèn)題，如何解決距離模糊是雷達(dá)測(cè)距的一個(gè)重要課題。在基于OFDM雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)中，為進(jìn)行后續(xù)的通信補(bǔ)償預(yù)處理以及脈壓，需對(duì)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存。為進(jìn)行通信信息傳輸，每個(gè)脈沖內(nèi)OFDM符號(hào)需調(diào)制隨機(jī)的通信信息。利用調(diào)制通信信息的隨機(jī)性，采用不同模糊數(shù)的濾波器組對(duì)回波進(jìn)行脈壓，只有當(dāng)距離模糊數(shù)與匹配濾波器對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)匹配時(shí)，輸出才為最大值。圖2給出了利用該方法解距離模糊的示意圖。

圖2 解模糊示意圖

從式(4)中可以看出，目標(biāo)的距離信息包括在向量a(Ri)中，一個(gè)OFDM符號(hào)采樣N個(gè)點(diǎn)，其所能處理的最大無(wú)模糊距離維Rmax1=NTc/2=c/2Δf，而對(duì)于PD雷達(dá)來(lái)講，其對(duì)應(yīng)的最大無(wú)模糊距離為Rmax=c/2PRF遠(yuǎn)大于Rmax1,目標(biāo)距離可表示為R=lRmax+pRmax1+Rsu，Rsu為雷達(dá)真實(shí)探測(cè)距離。首先根據(jù)如圖2所示的解模糊示意圖，運(yùn)用不同的模糊數(shù)濾波器組估計(jì)出目標(biāo)距離模糊數(shù)l；對(duì)估計(jì)出模糊數(shù)后的匹配濾波結(jié)果，讀出目標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離R′，則p=round(R′/Rmax1)，至此，完成對(duì)目標(biāo)距離的粗估計(jì)。由于目標(biāo)距離在整個(gè)探測(cè)區(qū)域空間是稀疏的，下一步通過(guò)構(gòu)造距離的稀疏重構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的超分辨估計(jì)，完成OFDM一體化雷達(dá)的精估計(jì)。

3.2 第二步距離精估計(jì)

每個(gè)脈沖構(gòu)成通信中的一幀，并且調(diào)制方式與傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制方式相同，因此在通信接收端可按照傳統(tǒng)的方式進(jìn)行解調(diào)，這里不再討論。相比常規(guī)PD雷達(dá)信號(hào)處理，基于OFDM的一體化雷達(dá)存在“不變”與“變”的矛盾。常規(guī)雷達(dá)為了保證在后續(xù)的處理中進(jìn)行相干積累，需發(fā)射相同的波形，而在雷達(dá)通信一體化的框架下，由于通信信息是隨機(jī)的，因此攜帶通信信息的一體化波形在脈沖間是不斷變化的，使得傳統(tǒng)的雷達(dá)處理算法不再適用，因此在進(jìn)行測(cè)距時(shí)，需要進(jìn)行額外的預(yù)處理操作。

對(duì)于雷達(dá)而言，發(fā)射波形是已知的，因此雷達(dá)回波所攜帶的通信信息也是已知的，在進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)，可以直接補(bǔ)償接收數(shù)據(jù)中的通信信息，消除通信信息的隨機(jī)性對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理的影響。類(lèi)似OFDM解調(diào)時(shí)的處理，對(duì)接收到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，補(bǔ)償式(4)中通信信息矩陣Dc(n)=diag[ac(n)]，補(bǔ)償后可得到

(5)

(6)

由式(6)知，通信信息補(bǔ)償后的接收數(shù)據(jù)格式與均勻線陣數(shù)據(jù)格式類(lèi)似，此時(shí)載波數(shù)N對(duì)應(yīng)陣元數(shù)，a(Ri)對(duì)應(yīng)距離導(dǎo)向矢量，第n個(gè)脈沖接收數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)等效均勻線陣的一次快拍數(shù)據(jù)，寫(xiě)成矩陣表達(dá)式為

Y=AS+N。

(7)

其中：Y=[y(0)y(1) …y(Ns-1)]表示陣列輸出數(shù)據(jù)；A=[a(R1) a(R2) …a(RNt)]等效陣列流型矩陣，

(8)

為進(jìn)一步減小稀疏重構(gòu)問(wèn)題的算法復(fù)雜度，提取前K′列數(shù)據(jù)

(9)

(10)

對(duì)式(9)進(jìn)行變換，可轉(zhuǎn)化為

(11)

(12)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一：采用窄帶信號(hào)，波形參數(shù)Δf=0.2 MHz，此時(shí)對(duì)應(yīng)的T=5 μs，則有Rmax1=c/2Δf=750 m，PRT=50 μs，則Rmax1=7 500 m 。設(shè)載波數(shù)N=64,信號(hào)帶寬B=12.8 MHz，距離分辨率ρr=11.7 m，積累符號(hào)數(shù)為32，3個(gè)點(diǎn)目標(biāo)在一個(gè)距離單元內(nèi)，分別位于9 992 m、10 000 m、10 003 m，目標(biāo)的速度分別為50 m/s、80 m/s、100 m/s，信噪比均為10 dB，圖3給出了相同參數(shù)條件下不同處理算法的仿真結(jié)果。

(a)不匹配輸出結(jié)果

(b)匹配時(shí)輸出結(jié)果

(c)本文算法與文獻(xiàn)[11]方法

(d)本文算法與文獻(xiàn)[13]方法

根據(jù)圖3(a)與圖3(b)，在第二個(gè)匹配濾波器組時(shí)，輸出結(jié)果最大，因此模糊數(shù)為1，對(duì)應(yīng)的n=1。常規(guī)的LFM脈壓方法和基于FFT的脈壓方法，受限于脈壓處理的方法，其所對(duì)應(yīng)的距離分辨率ρr=c/2B。利用OFDM回波信號(hào)的特性，本文提出的兩步距離估計(jì)算法具有超分辨特性，實(shí)現(xiàn)位于同一距離單元目標(biāo)的超分辨距離估計(jì)。圖3(c)所示為本文所提的基于稀疏重構(gòu)的超分辨算法與文獻(xiàn)[11]中基于FFT的雷達(dá)通信一體化算法對(duì)比，受其分辨率限制，不能分辨位于一個(gè)距離單元內(nèi)的各散射點(diǎn)。圖3(d)給出了本文方法與文獻(xiàn)[13]中的基于空間平滑MUSIC方法的對(duì)比，由于其需進(jìn)行空間平滑去相關(guān)，使其分辨性能下降，而本文方法則不存在上述問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)距離單元內(nèi)各散射點(diǎn)的準(zhǔn)確分辨。

實(shí)驗(yàn)二：考察文中算法在不同距離間隔下的檢測(cè)概率，以此來(lái)評(píng)估算法的距離分辨能力。信噪比為4 dB，蒙特卡洛仿真次數(shù)越多愈接近理論值，綜合仿真效率與準(zhǔn)確性，蒙特卡洛次數(shù)為200，實(shí)驗(yàn)中假設(shè)一個(gè)散射點(diǎn)固定在R1=9 950，另一散射點(diǎn)的距離為R2=R1+ΔR,其中距離間隔ΔR=1～8 m，步長(zhǎng)為1 m，其余條件如實(shí)驗(yàn)一。圖4給出了分辨概率隨距離差的變化曲線。

圖4 檢測(cè)概率隨角度差的變化曲線

從圖中可以看出，隨著目標(biāo)間隔的增大，分辨概率逐漸趨于100%，在一個(gè)距離分辨單元內(nèi)，當(dāng)目標(biāo)間隔為5 m時(shí)，分辨概率達(dá)到100%，這也說(shuō)明了本文算法的超分辨能力。

實(shí)驗(yàn)三：通信性能是雷達(dá)通信一體化中的另一重要性能，從誤碼率和通信速率兩個(gè)方面出發(fā)?，F(xiàn)有的雷達(dá)通信一體化研究均是基于相控陣?yán)走_(dá)的，相控陣?yán)走_(dá)的窄波束及快速掃描特性，若利用相控陣?yán)走_(dá)的主瓣進(jìn)行，則通信的覆蓋范圍及通信的持續(xù)性造成影響。雷達(dá)是雙程衰減而通信是單程衰減，因此這里探討利用雷達(dá)副瓣進(jìn)行通信的可能性，對(duì)接收平臺(tái)與一體化平臺(tái)在一定距離范圍內(nèi)的信噪比進(jìn)行仿真分析。這里雷達(dá)各參數(shù)以APG-66/AN為例，雷達(dá)發(fā)射平均功率為200 W，天線增益為42 dB，主副比為35 dB，天線方向圖采用契比雪夫(Chebyshev)權(quán)進(jìn)行加權(quán)，接收機(jī)噪聲系數(shù)為5 dB，接收端采用全向天線并設(shè)其增益為1，這里仿真了通信接收方與雷達(dá)相對(duì)距離在20～100 km，通信接收端信噪比的變化關(guān)系，并仿真了誤碼率隨信噪比的變化關(guān)系,如圖5所示。

(a)天線放線圖

(c)誤碼率

如圖5所示，在采用典型機(jī)載參數(shù)條件下，通信接收端在與一體化發(fā)射平臺(tái)相距20～100 km情況下，通信接收端信噪比仍在25 dB以上。根據(jù)圖5(c)的OFDM誤碼率曲線，在25 dB時(shí)，誤碼率能達(dá)到10-6，表明在利用雷達(dá)副瓣進(jìn)行通信時(shí)，通信接收端的信噪比足夠滿足通信解調(diào)的要求，這也說(shuō)明利用雷達(dá)的大功率特性，能有效提高系統(tǒng)的綜合性能。另外，根據(jù)參數(shù)設(shè)置，雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)所能達(dá)到的通信速率為1.28 Mbit/s。在不同的雷達(dá)工作模式可根據(jù)OFDM設(shè)計(jì)靈活的特性，通過(guò)改變OFDM的載波數(shù)以及通信的調(diào)制形式有效提高通信傳輸速率。例如：在PD情況下，只需傳輸處理后的目標(biāo)信息，所要求的信息傳輸速率較低，本文的1.28 Mbit/s的傳輸速率能滿足性能需要；而在SAR/DBS工作模式下，傳輸數(shù)據(jù)量大，如果將載波數(shù)提高1倍,數(shù)據(jù)調(diào)制方式改為16QAM，此時(shí)，數(shù)據(jù)速率能達(dá)到10.24 Mbit/s。因此，可以根據(jù)雷達(dá)的工作模式和實(shí)際需求，通過(guò)改變OFDM的載波數(shù)以及通信的調(diào)制形式來(lái)滿足通信速率的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究基于OFDM的雷達(dá)通信一體化技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)多功能綜合一體化具有重要意義。為提高雷達(dá)最大無(wú)模糊距離并提高設(shè)備利用率，本文設(shè)計(jì)了一種脈沖形式的OFDM共享信號(hào)，每一脈沖為通信中的一幀，實(shí)現(xiàn)通信信息傳輸；同時(shí)，提出了一種基于兩步距離估計(jì)的超分辨方法，該方法能在實(shí)現(xiàn)Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸率的同時(shí)，有效提高距離分辨率。該方法能否實(shí)踐的關(guān)鍵在于雷達(dá)通信鏈路的維護(hù)，因此，下一步將著手研究雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)資源調(diào)度優(yōu)化技術(shù)，在盡可能小地影響雷達(dá)性能的基礎(chǔ)上，維持通信鏈路暢通，實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。

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A Range Super-resolution Method for Integration ofOFDM Radar and Communication

LI Mingbing1,GU Yabin2,ZHANG Linrang2,WANG Zhenghai1

(1.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036，China;2.National Laboratory of Radar Signal Processing,Xidian University,Xi′an 710071,China)

A new range super-resolution method is proposed for the integration of orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) radar and communication. And an OFDM pulse pattern is designed to achieve long distance ranging. In the transmitted pattern,the communication function is realized within the pulse,and the possibility of using radar beam side-lobes to transmit communication signal is discussed. During the coherent processing interval,the randomness of the communication modulated information is applied to solve range ambiguity,then the range sparse reconstruction model is formed after communication information is compensated,and finally,the L1-SVD method is applied to obtain the super-resolution estimation of ranges. Theoretical analysis and simulation results indicate that the proposed method can enhance the range resolution and guarantee the communication function.

Key words：integration of radar and communication;share-signal;OFDM;sparse representation;super-resolution

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.06.002

李明兵,谷亞彬,張林讓,等.一種OFDM雷達(dá)通信一體化的距離超分辨方法[J].電訊技術(shù)，2017,57(6):622-628.[LI Mingbing,GU Yabin,ZHANG Linrang,et al.A range super-resolution method for integration of OFDM radar and communication[J].Telecommunication Engineering,2017,57(6):622-628.]

2016-11-16；

2017-04-10 Received date:2016-11-16；Revised date：2017-04-10

TN957.51

A

1001-893X(2017)06-0622-07

李明兵(1982—)，男，四川宜賓人，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹娇针娮右惑w化；

Email：12865579@qq.com

谷亞彬(1991—)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)通信一體化、雷達(dá)成像技術(shù)；

張林讓(1966—)，男，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理、網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)協(xié)同抗干擾技術(shù)、雷達(dá)成像技術(shù)和雷達(dá)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)。

**通信作者：12865579@qq.com Corresponding author：12865579@qq.com1,谷亞彬2,張林讓2,王正海1