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基于相位调制的频控阵雷达-通信一体化研究

更新时间:2009-03-28

雷达通信一体化是多功能综合射频系统的研究热点,能解决现有装备平台的电磁兼容和多功能协同融合能力差等问题[1]。雷达和通信都是信息发送、接收的典型方式,它们虽然在功能、应用和实现方式上有显著差异,但从它们的基础架构、硬件设备、工作频率和信号处理算法等方面来看,又有着许多相似或相同的地方。目前,国内外学者对雷达与通信的一体化设计方案进行了许多研究,其中基于波形共享的一体化信号设计是主要研究方向之一[2]

在雷达通信一体化波形设计中,一种直接的思路是采用乘性融合的方法,将雷达信号和通信信号叠加起来生成一体化信号[3]。李晓柏等[4]采用共享雷达发射机、天线和接收机完成信号的所有发送和接收功能,在发射端,添加实现通信系统所需的编码器、调制器、加密处理器等,实现雷达通信混合一体化信号的产生,但是,在接收端要设计信号分离器,将通信信号和雷达信号进行分离,否则信号间会产生相互干扰,这就大大增大了接收设备的体积和资源。另一种思路是采用信号共用的方式,设计一种一体化信号,通过参数调制将通信信号调制到雷达信号上,通过一定的信号处理方法,使通信数据的随机性不会对雷达目标定位产生影响,在雷达接收端不需要进行信号分离,在通信接收端可以直接将通信数据解调出来。邹广超[5]提出了基于同调频率不同初始频率Chirp序列组的雷达通信一体化方案,可在不影响雷达性能的前提下,采用分数阶傅里叶变换实现单Chirp信号多比特的数据传输。

1 频控阵简介

频控阵(frequency diverse array,简称FDA)由Antonik等[6-7]在2006年国际雷达会议上首次提出,与相控阵相比,由于频控阵雷达各个阵元之间具有一个远小于载频的固定频率差,其阵列方向图具有弯曲“S”形的特性,频控阵雷达距离上的依赖性可抑制杂波干扰,方位上的依赖性使波束在空间中自动扫描,在通信信号接收处理中对各路基带信号进行基带波束形成可提高空间增益。频控阵在实现雷达通信一体化中,在抗干扰能力和高分辨率等方面具有较大优势。近年来,对频控阵的研究,逐渐成为国内外学者研究的热点。然而,国内外对频控阵雷达在一体化应用方面的研究还比较少。文献[9]提出了一种采用频控阵模型,OFDM调制的方式携带通信信息,结合OFDM子载波间频率差和频控阵的特点,采用IEEE 802.11协议在物理层实现无线安全通信,但是该文并未讲述频控阵在雷达方面的应用,而将频控阵应用在一体化方面的研究更是少之又少。本研究提出一种基于相位调制的频控阵雷达通信一体化波形,使频控阵能在该一体化信号模型中发挥其优势。

在频控阵雷达通信一体化波形设计中,由于通信信息的随机性,会破坏掉阵列方向图的“S”形,导致“S”形的不规整,从而导致目标无法定位。在不改变该模型的条件下,对各个阵元的波形采用相位调制的方式使雷达信号携带通信信息。在雷达信号处理端,为了不让具有随机性的通信信息对雷达性能产生影响,采用相位补偿的方法来减小其对雷达的影响。在通信接收端,用一组滤波器组单频接收的方式将各个不同频点的信号区分开[10],再采用对应的相位解调方式解调出通信信号,从而实现一体化波形的设计。

2 雷达通信一体化方案

图1为雷达通信一体化模型,设计的一体化方案主要应用于地基雷达,既可用于空间目标预警,也可用于地空通信。由于雷达天线的方向性较强,其通信方式是地基雷达与空中平台(可以是飞机或者卫星)的点对点通信。其应用背景是地基雷达利用其先进的雷达技术做空间探测预警,由于信号采用一体化信号,当遇到目标接收到回波时,则做雷达信号处理,当需要和空中平台通信时,则做数据通信,这样可大大节约设备资源,又可实现信息综合共享。

  

图1 雷达通信一体化模型Fig.1 Model of integration of radar and communication

基于相位调制的频控阵雷达通信一体化,一方面利用频控阵窄带变宽带实现雷达的高分辨率,另一方面利用频控阵各个阵元相位调制携带通信信号,将通信信息加载到雷达信号上,从而避免了信号的分离。其信号处理的主要流程为:在地基雷达发射端,将二进制数据进行串并变换,将通信信息分配给各个阵元,各个阵元的载波采用相位调制BPSK的方式将通信信息调制到雷达信号上,将生成的一体化脉冲信号发射出去。这种一体化信号设计方案避免了接收端雷达信号和通信信号的分离,降低了设备的复杂度。做雷达探测时,由于雷达收发同置,雷达第n个阵元经过匹配滤波后只接收频率为fn的信号,利用发射信号的参考相位,做相位补偿处理,实现目标定位。当空中无目标通信时,地基雷达的雷达功能暂停使用,对接收到的通信信息同样要做匹配处理,用对应的相位解调方式解调信息,得到通信数据。空中平台通信信息的发射、接收方式与地基雷达一样,其信号处理流程如图2所示。

  

图2 雷达通信一体化信号处理流程图Fig.2 Signal processing flow chart of integration of radar and communication

2.1 频控阵雷达通信一体化信号模型

基于频控阵的一体化信号模型,频控阵采用收发同置的均匀线阵,阵元间距为d,假设有N个阵元,相邻阵元间发射的信号有一固定频率差Δf,远场观测点沿频控阵法向的夹角为θ,第n个阵元到远场目标的距离为Rn,第n个阵元发射的信号为sn(t),第n个阵元发射的频率为fn,各个阵元采用BPSK调制方式将通信信息调制到雷达信号上,相位“0”和“π”表示通信信号“0”和“1”。接收信号时,第n个阵元经过匹配滤波后只接收频率为fn的信号。则第n个阵元的发射信号可表示为:

 

n=0,1,…,N-1。

由于文言文在语言形式上的阻隔,如今的学生对古籍文献有一种天然的抵触心理。教师必须带着耐心和技巧来手把手教学生熟悉如何深度阅读这些具有重要学术价值而又不易理解的服饰文献,从而赋予学生的“学术性学习”以坚实的学术基础。为了营造课堂气氛,笔者在课堂上谈了明代《舌华录》记载的姚广孝和王宾的对话。姚广孝看到王宾住在西山里不出来就好奇地问:“寂寂空山,何堪久住”。王宾答复:“多情花鸟,不肯放人”。笔者向学生解释,文言文古籍资料就像这西山,刚开始接触时你会觉得“何堪久住”,但如果耐心专研,就会领悟其中的妙处,因其中的“多情花鸟”而不想离开。

俗话说“授人以鱼不如授人以渔”,教师在阅读教学中应该注重讲解分析过程而不是分析结果,只有让学生学会分析文章,学生在课外进行自主阅读水平才能得以提升。因此,教师在教学时为了让学生理解分析过程,在课堂中学会自主分析,可以通过任务驱动法帮助学生进行理解。在讲解文章时,教师可以先让学生进行自主思考,将课堂交给学生,为了督促学生自主学习,教师可以设计几个问题。在学生自主思考之后便通过师生互动环节了解学生的自主学习情况。最后根据学生的反馈信息调整教学过程,对阅读技巧进行针对性讲解,帮助学生查漏补缺。通过这样的方式可以提高课堂教学效率并且促进学生思维能力的发展,提高学生的自主学习能力。

(1)

其中:φn为第n个阵元的相位,其取值为“0”或“π”,分别表示通信信息“0”和“1”;Tp为发射信号脉冲持续时间,为保证脉冲信号的完整性,脉冲持续时间Tp=1/Δf。rect(t)为单位矩形窗函数,其定义为:

 

(2)

n个阵元的发射信号叠加,即可得到携带通信信息的一体化信号:

 

(3)

n个阵元接收信号的回波时延为:

 

(4)

n个阵元的回波信号叠加,得到总的回波响应,即可得到一体化信号发射-接收阵列方向图表示:

 
 

rect×expΔft+

(5)

由于R0df0≫Δf,式(5)中2ndsin θ/c和2ndΔfsin θ/c可忽略不计,则式(5)可改写为:

采用FLAC3D对隧道进行建模,按照施工开挖顺序步对拱顶测点位移进行计算,并与预测位移进行比较,模型如图6所示。

A(θ,R,t)=rect×

 
 

h(t)Φ(t)v(θ,R,t)i

(6)

Y(t)的协方差矩阵可表示为:

h(t)=rect

(7)

 

(8)

 
 

(9)

Ψ=[ejφ0,ejφ1,…,ejφN-1]T

(10)

图3为携带通信信号为“0000~1111”的一体化信号发射-接收波束方向图。由式(6)可知,发射-接收阵列方向图A(θ,R,t)中由于通信信息φn的影响,导致阵列方向图周期性被破坏,阵列方向图产生不规整的结果。仿真参数:N=4,f0=1 GHz,Δf=500 Hz,d=0.15 m。

  

图3 一体化信号发射-接收波束方向图Fig.3 Transmit-receiving beam pattern of integration signal

药物处理24 h后收集各组细胞,加入PBS用移液器打散至单细胞悬液,液氮反复冻融3次,使细胞破碎。12000 r/min离心10 min,上清为细胞匀浆液,BCA法蛋白定量。按照MDA,SOD,GSH检测试剂盒说明书进行操作,酶标仪分别在532 nm,550 nm,420 nm波长处记录吸光度值,根据公式计算MDA,GSH的含量,总SOD的活力值。

河岸和河滩地的宽度除满足平面规划和行洪、排涝要求外,其最小宽度应按照满足人身安全的最小要求设计。城区及城市化河段的滩涂最小安全宽度一般为1~3 m。

从图3可看出,由于携带的通信信息的随机性,导致阵列方向图不规整无规律性,无法实现目标定位。因此考虑雷达接收机接收到信号后,用发射信号的相位作参考,作相位补偿,此时假设雷达信号在遇到目标后,相位并未发生翻转等改变。相位补偿后的雷达通信一体化信号可表示为:

h(t)Φ(t)v(θ,R,t)Ψ(φ)。

(11)

其中:

i=[1, 1, …, 1]T

(12)

diag(·)为向量的对角化;(·)T为向量转置;(·)*为向量的共轭。相位补偿后的一体化信号阵列方向图如图4所示,表示在雷达接收端经过相位补偿后,携带通信信息为“0000~1111”的发射-接收阵列方向图。与图3相比,图4相位补偿后的一体化信号消除了通信信息的影响,因此,通信信号随机性所产生的阵列方向图不规整导致目标无法定位的问题就迎刃而解了。

2.2 基于相位补偿的MUSIC算法雷达多目标距离-角度联合估计

Y(t)= [y1,0(t),…,y1,N-1(t),

  

图4 相位补偿后一体化信号发射-接收波束方向图Fig.4 Transmit-receiving beam pattern of integration signal after phase compensation

 

(exp(jφn))*exp{j2πfn(t-τn)}sk(t)+nm,n(t)=

 
 

(13)

其中:(Rk,θk)为第k个目标所在的位置;sk(t)为第k个目标返回的信号;nm,n(t)为加性噪声。将信号变换到基带进行处理,可得:

 
 

(14)

将信号用矢量的形式表示为:

Y(t)=A(R,θ)S(t)+N(t),

(15)

其中A(R,θ)是2 N×K阶的导向矢量,

频控阵雷达发射-接收的信号同时包含耦合的距离、角度信息,要实现目标定位,必须发射2组以上不同频偏的脉冲,采用MUSIC算法只需发射2组频偏Δfm,m=1,2就可以实现二维多目标定位。经过相位补偿后的频控阵第n个阵元接收到的回波信号为:

5.3.1套袋技术要点套袋可以综合防治多种病虫害,套袋前用药因种类多,不要喷其他叶面肥料,配药浓度也不宜过大,喷药雾化程度要好,叶背面喷湿喷到,真正起到综合防治、不伤幼果的作用。

1)目标点的坐标计算。用目标点的水平距离与其平均值之间偏差绝对值的最大值作为检定结果。目标点之间每一组水平距离li,k的计算公式为

y2,0(t),…,y2,N-1(t)]T

(16)

A(R,θ)= [α(R1,θ1), α(R2,θ2),

…, α(Rk,θk)],

(17)

α(Rk,θk)=[α1,0(Rk,θk), …, α1,N-1(Rk,θk),

师父是一个老和尚,法号了空。风影六岁那年,有一天师父来到了他家找他父亲聊天,喝茶,他们一口一口地喝茶,父亲请老僧对孩子的未来给予启示,老和尚说,父亲的茶很好,是上等的东白山高山野茶。随后,了空法师就将风影从他的父母亲手上领到了寺院里,交给他一个木鱼,让他每天都从早上一直敲到深夜。

α2,0(Rk,θk),…, α2,N-1(Rk,θk)]T

(18)

 
 

(19)

S(t)=[s1(t) s2(t) … sN-1(t)]T

(20)

N(t)=[s1(t) s2(t) … sk(t)]T

(21)

其中:

他本来会扑到熊身上,把它杀了的。可是他的心却开始了那种警告性的猛跳。接着又向上猛顶,迅速跳动,头像给铁箍箍紧了似的,脑子里渐渐感到一阵昏迷。

 

(22)

其中:RS=E{S(t)SH(t)}为信号S(t)的协方差矩阵;为噪声功率。对式(22)进行特征分解,将其划分为为噪声子空间和信号子空间,则有

 

(23)

式(23)中,K个大特征值构成对角阵ΣS,其对应的特征向量构成信号子空间US,2 N-K个小特征值构成对角阵ΣN,其对应的特征向量构成噪声子空间UN,由于噪声子空间和信号子空间正交,则有

(2)超前地质预报能够让施工更加安全快速地进行。刘云祯等[8]指出超前地质预报中具有解的不唯一性。本研究从地质预报的准确性以及可靠性出发,依靠重复预报对比以及大量的试验,累积大量经验使预报更加准确,在超前地质预报中可以通过地震波的负反射强度来判断岩层的性质以及是否含有地下水。如在本工程中K4+865~K4+900处出现地震波强负反射,根据地震波的反射强度(负反射强度越大,反射波的振幅和周期跨度越大,岩层性质越差,有地下水的概率越大)成功地预测出在该段出现软弱夹层涌水区,对隧道开挖提供了有效指导,保证隧道安全快速地进行。

 

(24)

矩阵RS为非奇异、满秩矩阵,则式(24)有AH(R,θ)UN=0,说明噪声子空间与A(R,θ)中的各列矢量正交,则有

 

(25)

由信号导向矢量与噪声特征矢量的正交关系,构造谱函数如式(26)所示,随着Rθ的变化计算谱函数,通过寻找波峰来估计目标位置:

 

(26)

仿真结果如图5所示,设置了2个目标点,分别位于(9 980 m,0°)、(10 020 m,0°)的位置,阵元个数N=8,散射系数σ1=σ2=1,雷达发射载频为10 GHz,阵元间的频率差Δf1=100 kHz,Δf2=1 MHz。可以看到,谱函数在目标点位置形成了最大增益,可准确定位目标。

  

图5 一体化波形多目标距离-角度联合估计Fig.5 Multiple target range-angle joint estimation of integration waveform

2.3 通信性能分析

由于面向的是点对点的通信,在建立起通信连接之后,假设地基雷达是通信发射端,空中平台是通信接收端。在接收端,第n个阵元经过匹配滤波后只接收频率为fn的信号,将各个频率点的信号分别接收,解调采用相干解调BPSK的方法得到每个频率点的通信数据,通信接收端信号处理框图如图6所示。

  

图6 通信接收端信号处理图Fig.6 Signal processing block diagram at communication receiver

假设发射端参考阵元和通信接收端之间的距离为r0,则第n个阵元接收到的信号为:

真空泵在现阶段的工业生产过程中应用非常广泛,对于工业生产本身也会产生非常大的影响作用[1]。真空泵能够对真空状态进行改善或维持。本文以合肥第二发电厂小真空泵技改工程为例,对发电厂小真空泵技术改进的原因以及具体措施进行分析和研究。

rn(t)=ejφnej2πfn(t-τn)

(27)

其中

 

(28)

在一次脉冲串中,阵元的个数就是所携带的通信数据量,则图6中的r(t)表达式为:

张仲平煞有介事地点点头,说:“嗯,你们分析得有道理,应该是个疯子,这地方连人影都没有一个,哪有什么新闻?”

 

(29)

由于每路的调制方式都是采用BPSK调制,对第n个阵元接收到的信号进行误码率分析,BPSK调制方式按照最佳接收系统的误码率为:

 

(30)

其中:Eb为每比特的平均信号能量;N0为噪声功率谱密度;Q(x)为误差函数,

卫星导航信号从产生到接收系统共经历三个通道:星上有效载荷通道、空间传播通道和地面接收通道,星上有效载荷由于器件性能稳定,其通道特性可认为是不随时间改变而改变的,空间传播通道色散效应在小带宽内可以忽略不计,接收通道特性可以直接测量.忽略信号的非线性效应,同时假设信号仅受高斯白噪声n(t)的影响,下行导航信号yr(t)可表达为:

 

(31)

式(31)中erfc(x)是互补误差函数,其定义为:

 

(32)

其仿真结果如图7所示,仿真参数为N=8,Δf=100 kHz脉冲宽度Tp=1/Δf=0.1 μs,每一次脉冲串可以并行传输N=8 bit数据,发射信号占空比η=20%的条件下,通信速率可达到1.6 Mbit/s,并且传输速率随着N的增加而成倍增长。

  

图7 系统误码率与信噪比的关系Fig.7 The relationship between system error rate and signal to noise ratio

3 结束语

从频控阵雷达通信一体化角度出发,提出了一种基于相位调制的一体化波形,将通信信息调制到雷达信号上实现雷达通信一体化。雷达接收到一体化信号后,采用相位补偿的方法,将通信信息的随机性对频控阵阵列方向图带来的影响减到最小,使一体化波形不影响频控阵实现目标定位。一体化信号通信时,各个阵元经过匹配滤波后只接收该阵元频率的信号,再采用相干解调的方法解调出通信信息。该频控阵一体化波形避免了雷达信号和通信信号的分离,能兼顾雷达实现多目标距离-角度联合估计和通信信息大批量传输的功能,是一种较为可行的雷达通信一体化波形,但这不是唯一的频控阵一体化波形,更好的通信信息调制方式还有待发掘。

参考文献:

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黄东红,欧阳缮,李晶晶,徐子安,黄高见
《桂林电子科技大学学报》2018年第06期文献

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