一种成像雷达的通信一体化信号设计与分析

娄昊 张群 罗迎 梁必帅 霍文俊 孙莉

(1.空军工程大学信息与导航学院,西安 710077;2.武警工程大学信息工程系,西安 710086)



一种成像雷达的通信一体化信号设计与分析

娄昊1, 2张群1罗迎1梁必帅1霍文俊1孙莉1

(1.空军工程大学信息与导航学院,西安 710077;2.武警工程大学信息工程系,西安 710086)

雷达与通信系统一体化可以最大限度地利用雷达设备,使雷达的优良性能为通信服务．根据信号共享的原则,在保持成像雷达和通信各自功能实现的前提下,设计了一种基于随机频率步进调制的成像雷达通信一体化信号．该信号的设计方法是对发送的通信数据进行随机编码处理,然后将其调制到雷达载波的频点上发送出去,实现通信功能;而引入压缩感知理论后,采用这种信号仍能获得高分辨率的雷达图像,在一定功能上实现了成像雷达和通信的一体化．

随机频率步进调制;雷达通信一体化;压缩感知;随机编码处理

DOI 10.13443/j.cjors.2015090802

引 言

在作战平台的主要电子设备中,雷达的主要功能是探测、目标定位和目标引导．其采集的信息数据如需传输到后方情报中心,必须采用将存储设备拆下,或者采用独立的有线或无线电等通信方式进行传递,存在传输速度慢、保密性差等缺点．如果能将现有的雷达设备进行一定的设计和改造后,形成新的雷达-通信一体化系统,则可显著降低载荷,并使雷达的优良性能为通信服务[1]．

近几年国内外以雷达设备为基础实现通信功能的研究已经逐渐展开．2005年开始,美国雷声公司以及诺斯罗普格鲁曼公司利用AN/APG77型机载有源相控阵雷达和通信调制解调器结合的一体化系统,可在毫秒级范围内把极大数据量的合成孔径雷达图像发送到友邻飞机[2],并据此提出了雷达通用数据链这一新概念．国内武汉大学的万显荣团队采用新近研制的全数字主被动一体化高频地波雷达硬件平台,也开展了短波通信与雷达探测的一体化实验研究[3],成功地将一副数字图像传输给几十千米外的接收机．

更多的研究集中在一体化系统的信号共享设计．所谓信号共享,指一种信号具备多种信号的功能,对于雷达通信信号一体化系统,要使一体化信号在对目标探测、成像的同时,还能够实现与己方的高效信息传输．采用雷达信号和通信信号叠加的方式生成一体化信号是一种较为直接的思路[4],其实现的难点就在于信号接收方雷达与通信信号的分离方法．英国纽卡斯尔大学的Nijsure等[5]采用不同的脉冲间延迟即可表示不同的2进制数据,实现了信号的低速传输．迈阿密大学的Garmatyuk等人提出,通过设计的宽带正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号,可将获取的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)图像直接通过雷达传输出去[5]．此外,在基于宽带信号的雷达通信一体化设计中,基于线性调频信号的雷达通信一体化设计文献较多,如通过改变信号的调频率[6],其不足之处在于改变了信号的带宽和时宽,使得雷达的作用距离和分辨率都会发生变化;通过改变线性调频信号的初始频率[7],但一个线性调频信号仅代表1 bit的数据,其系统传输的数据率显得较低;或通过改变线性调频信号的相位[8],同样存在传输速率较低的问题．与此同时,步进频率信号利用较小的瞬时带宽合成大带宽信号,在提高分辨率的同时维持较低的硬件开销,成为了雷达成像的一种常用信号;而近年来提出的随机频率步进信号,采用可以调制的频率,在雷达成像领域也得到了一定的应用[8]．如果能利用随进频率步进的可调载频作为通信载体,则可以实现一种新的雷达通信一体化手段．

在此背景下,本文以载波的频点来调制通信信息,设计了一种基于随机频率步进调制的成像雷达通信一体化信号,研究了这类信号基础上的雷达和通信两个部分的功能实现问题,并仿真验证了其有效性．

1 一体化信号设计

雷达通信一体化系统需要同时满足雷达和通信功能,在设计一体化信号时要分别对雷达和通信设备、功能及相应的要求进行分析．因此本方案在设计时采用的基本原则为:一体化系统的平台从宽带成像雷达改进而成,采用的信号需满足大带宽特点;其次,将通信信息合理调制到雷达信号上,也就是实现雷达信号与通信信号的合成,要求共用波形具备较高的设计自由度;最后是在接收方能实现雷达与通信信号的完全分离与处理,并分别实现雷达与通信两种功能且不相互影响．因此,如何将通信数据调制到雷达信号上是需要首先解决的问题．

考虑到雷达大多工作在半双工状态下,发射信号是脉冲信号而不是连续波信号;且雷达发射信号功率高,电子器件大多工作在非线性条件下,在单个脉冲内产生复杂的调幅、调相信号难度很大．这也正是文献[7-9]等选择线性调频信号的调频率、初始频率等作为信息的载体的原因．经过对现有宽带雷达常用信号的整理,提出一种新的随机调频步进调制的信号作为宽带雷达和通信的共用信号．首先频率步进信号具备带宽合成的能力,以便于实现雷达高分辨率成像;其次,对步进信号的载频理论上是可变的,且跳频点很多,载频本身作为通信信息比单纯改变线性调频信号的基本参数具有更高的通信速率的潜力;最后,在一定的成像算法下,按照通信数据约束引起的信号载频的任意变化对实现雷达成像影响较小,这也是现有众多宽带雷达信号所不具备的．需要说明的是,下文中所指的一体化信号,是指采用基于随机频率步进调制的一体化系统使用的信号．

1.1 一体化信号形式

首先对步进频率信号进行介绍．步进频率信号的最大优点是能以相对较小带宽的发射机实现较大的带宽,对发射机的瞬时带宽要求较低,但实现雷达成像需额外的带宽合成等后期处理．一组步进频率信号可以表示为

nΔf)t+θn).

(1)

a(m)Δf)t+θm).

(2)

式中: m=1,2,…表示子脉冲时序; θm为第m个子脉冲的初相,其他参数定义与公式(1)相同．a(m)∈{1,2,…,N},为N进制数据序列,携带通信信息．从通信的角度来看,可以将全带宽发射信号视为一个N进制的数字通信系统,每个雷达子脉冲的载频可以作为一个N进制的数传输出去．此时,如果a(m)是在{1,2,…,N}上服从随机分布,则公式(2)就转变为随机频率步进信号,可以借鉴随机频率步进信号的方法完成雷达成像任务．

1.2 随机编码预处理

公式(2)要求在频率点随机采样,但是如果直接以通信数据作为调制频率点,却很可能出现一些极端情况．以N=2为例,此时相对于2进制通信,可能发生连续出现多个“0”或者“1”的情况．经过转换后的数据一旦调制到雷达信号,就可能发生连续出现同一频率点的极端情况,显然浪费了带宽,不利于雷达成像．为了解决这一问题,一种可行的思路是将原始的通信数据先进行随机编码处理,这一过程在通信领域也称为数据随机化或者随机能量扩散[10]．这一类随机编码技术虽然“扰乱”了原始数据的本来规律,但考虑到是发射方可控的,接收方如果预先获知了解码的方案,也很容易“去扰”,进而恢复出原始数据．

实现加扰的一种解决方案是采用生成伪随机2进制序列(Pseudo Random Binary Sequence, PRBS),然后与原始数据逐个比特运算的方式进行．PRBS也称为m序列,它具有近似随机序列的性质,又能按一定规律产生和复制,所以称其伪随机序列．如一个典型的m序列的生成多项式为1+x14+x15．

生成的PRBS与输入数据进行模2加,即可使得数据随机化．在接收端,将接收的已随机化数据与PRBS再进行一次模2加,便可以恢复随机化以前的数据．值得注意的是收、发两端应采用相同的能量扩散、解扩散电路,而且是同步工作的．如图1所示,为随机扩散原理框图．其中,1、2、…、15表示15个移位寄存器,⨁表示模2加,可以用异或实现．此外,为了能使发端的随机化与收端的去随机化保持同步,在传送开始时,要对15级寄存器进行初始化,如图1．

图1 2进制数据随机化示意图

采用上述方法可以实现对2进制数据的随机化处理．经过对原始的通信数据进行上述的随机编码和进制转换后,再对步进频率信号调制即可认定是随机的,此时可以将公式(2)修改如下：

b(m)Δf)t+θm).

(3)

式中,b(m)表示经过随机编码后的调制数据．

2 一体化信号的压缩感知成像方法

2.1 成像模型

首先建立一体化信号下的雷达目标散射中心回波模型．在成像目标中假设有I个散射中心,散射系数分别为σi,i=1,2,…,I．假设雷达发射的是一体化信号,接收到的回波信号用公式表示为

(4)

式中: t代表快时间; tq表示慢时间; c表示光速; Ri(tq)表示第i个散射中心在tq时间点到雷达的距离．对接收信号sm(t,tq)进行解调处理,表示为

式中,scm(t,tq)是解调后的基频信号．为了减少采样点数,只需在每个子脉冲回波的信号窗上任采一个点即可获得所有的信息．采样后的信号为

(6)

注意到采样信号scm(tq)的相位包括两个部分,第一项在确定距离Ri(tq)下与b(m)成线性关系．而根据文献[11],如果发射信号是步进调频的,即b(m)为线性增加的(即b(m)=n),可以通过对b(m)进行离散逆傅里叶变换即完成了脉冲压缩(Pulse Compression,PC),得到目标的一维距离像．但现在b(m)是随机排列的,就不能直接应用该方法．一种思路是相关法[12],即采用统计分析的方法分析距离像特性．但采用该方法后,除去未选择到的频率点后,通常随机频率步进信号的合成带宽较小,降低了雷达成像的分辨率．为了尽可能地保持成像雷达本身的高分辨率特性,此处引入了基于压缩感知理论的雷达成像算法．

2.2 成像方法

压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论由Donoho等人于2006年提出[13],该理论指出,对于稀疏或可压缩的信号,在满足一定条件下,通过低于甚至远低于Nyquist标准对其采样,就可大概地恢复出原始信号．具体来说,需要首先定义一个信号H∈CN1,存在一个正交矩阵Ψ={ψ1,ψ2,…,ψN1}满足H=ΨΘ．其中Θ={θi}是K阶稀疏矢量．经过这一变换,H从N1维降为M1维,M1≥O(Klg(N1)),该过程可以表述为

UM1×1=ΦM1×N1HN1×1=ΦM1×N1ΨN1×N1ΘN1×1.

(7)

式中: Φ为观测矩阵; U为信号H的稀疏观测矢量．

考虑到M1

(8)

事实上,只要Φ与Ψ不相干,则ΦΨ在很大概率上具有RIP性质．

在CS理论的基础上对雷达成像机理的研究可知,如果成像区域中只有有限的散射中心,就满足了信号稀疏性要求,可以通过降低观测的方式实现雷达成像,即不需要发射频带内的所有频点的雷达信号．

对于步进频率信号,考虑公式(6),令X={sc1(tq),sc2(tq),…,scN(tq)}．借鉴文献[14]的思路,通过对X作关于距离向的N点逆傅里叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT)即可获得观测场景的高分辨距离像Θ,即Θ=IDFT(XH)．反之,

XH=ΨXΘ，

(9)

ΨX表示对X作傅里叶变换．随机频率步进信号的回波Y={sc1(tq),sc2(tq),…,scM(tq)}．如果Y可看作X的低维观测值,就完成了对信号的稀疏表示．

在设计观测矩阵Φ时,通常可以设置成随机高斯矩阵,但考虑到随机频率步进信号的发射形式满足部分单位矩阵的要求,即可设Φ={φa,b}为M2×N2维的矩阵,且

(10)

n1=1,nM2-1=N2-1,n2到nM2-2之间各个数的大小可以在1到N2-1之间随机选取,则Φ与Ψ是不相干的,ΦΨ满足RIP条件．那么根据CS理论,我们可以通过求解下式得到观测场景的距离像Θ：

(11)

作关于tq的傅里叶变换就可以得到目标的精分辨距离像．之后和常规SAR成像一样进行方位向处理,就能得到目标的二维像．

3 仿真与结果分析

仿真实验中雷达通信一体化系统的基本工作参数如表1所示．

图2在表1基础上给出了一体化信号的时域图和时频分析图．

表1 雷达通信一体化信号的部分工作参数

(a) 时域图

(b) 时频图 图2 一体化信号时域和时频图

由表1可知,整个可用带宽500MHz,单个不同载频的子脉冲之间的频差为7.8MHz的整数倍．如果需要覆盖整个带宽,则需要256个不同的子脉冲．

3.1 雷达成像结果分析

为了确保一个成像周期内可用的频点足够达到成像要求下限,也就是要求2.2节产生的编码后的数据在一组脉冲中出现重复的频次较少,占用的频点数足够多,在此设计了如下实验．

在保证频点出现的情况是随机时,设可用的步进频点数为64个,对在一组具体的脉冲中占据的频点数进行了统计,如图3所示．蒙特卡洛仿真次数为5万次,出现的频点平均值约为41,此时占用带宽比例约为64%,完全满足随机化数据要求．

为了进行对比,先利用理想条件下包含所有频点的频率步进信号的雷达目标二维像．图4(a)、(c)、(e)分别表示RSN=10dB、RSN=5dB和RSN=0dB时采用PC方法获得的二维像;而图4(b)、(d)、(f)分别对应RSN下距离向采用CS、方位向采用PC方法获得的二维像．显然,对于这两种方法,成像效果随着RSN的下降而下降．而采用CS方法恢复出的图像,观察图4(d)、(f)可以看出,相同RSN下其幅度不如图4(c)、(e)．因而,采用距离向压缩感知后,虽然具有压低距离副瓣的作用,但是在低RSN下恢复的雷达图像容易出现失真．

图3 一组随机脉冲实际占用的频点个数

(a) PC, RSN=10 dB (b) CS, RSN=10 dB

(c) PC, RSN=5 dB (d) CS, RSN=5 dB

(e) PC, RSN=0 dB (f) CS, RSN=0 dB图4 RSN不同时分别采用PC和CS方法产生的二维像

(a) 20%频点 (b) 10%频点图5 不同频率点数下的二维像

此外,对于采用CS方法进行雷达成像,可用频率点数量的选择也在很大程度上影响采样结果．下面给出了在图4(e)相同的RSN下,采用不同数量的载波频点成像结果,图5(a)和(b)的可用频点分别为20%和10%．从图5(a)可以看出,当采用CS技术进行雷达成像时,即使只有有限频点的子脉冲,仍然可以获得较为清晰的目标二维像．当然,如果子脉冲数过少,如图5(b)所示,此时只有10%的可用频点,则成像失败．一般来说,针对某一个场景的稀疏程度,为了保证在高概率上恢复数据,需要有一个频点数的下限[13]．

3.2 通信性能分析

对通信速率的分析可以参考多载波调频系统．其中k=log2M,每个子脉冲可以传输k比特数据,而脉冲重复周期为1μs,因此通信速率为kkbit/s．在此定义“有效通信速率”VEC的概念,即在噪声环境下能够正确传输的通信速率．图6表示将图4(d)中的图像采样后得到300×200×8bit=480kbit数据,分别在M取2,16,64和256时进行通信的传输结果．

图6 通信接收机误比特率曲线

由图6可以看出: VEC都随着RSN的增大而增大．其中当M=2时,因为误码率较低,VEC随着RSN增大缓慢增加; 当M取值较大时,VEC变化较大,而在RSN较小时,甚至比M=2时的VEC还要低．因此,在考虑实际的一体化设计外,需要根据通信信道的RSN进行M的选择．

4 结 论

本文设计了基于随机频率步进调制的雷达通信一体化系统信号,提出以载波的频点来调制通信信息,在不影响高分辨雷达成像性能的基础上,实现高速通信功能．为了确保满足压缩感知理论的随机采样要求,对发送的通信数据进行了随机编码处理．与此同时,对采用该信号的一体化系统的通信性能进行了评估,初步估计了传输速率特性．仿真实验证明,该方案在雷达和通信任务中都获得了较好的结果．

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娄昊 (1984-),男,河南人,空军工程大学大学信息与导航学院博士研究生,讲师,研究方向为雷达与通信一体化．

Integrated imaging radar and communication design based on random stepped frequency signal

LOU Hao1,2ZHANG Qun1LUO Ying1LIANG Bishuai1HUO Wenjun1SUN Li1

(1.InstituteofInformationandNavigation,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710077,China; 2.InformationEngineeringDepartment,EngineeringUniversityofArmedPoliceForce,Xi’an710086,China)

The radar and communication integration system can make full use of radars for communication services. Aiming at keeping the performance of the radar and communication applications, and based on the principle of signal sharing, a scheme for integrated imaging radar and communication based on random stepped frequency modulation signal is proposed in this paper. In this scheme, the communication data are random coded and modulated on the carrier frequency, and compressive sensing theory is adopted to realize radar imaging, which accomplishes the communication function without affecting the high resolution imaging radar performance.

random stepped frequency modulation; integrated imaging radar and communication; compressive sensing; random coding

10.13443/j.cjors.2015090802

2015-09-08

国家自然科学基金(61571457)； 陕西省青年科技新星计划项目(2016KJXX-49)； 全军军事类研究生资助课题(2013JY509)

TN957.51

A

1005-0388(2016)04-0811-07

娄昊, 张群, 罗迎, 等. 一种成像雷达的通信一体化信号设计与分析[J]. 电波科学学报,2016,31(4):811-817.

LOU H, ZHANG Q, LUO Y, et al. Integrated imaging radar and communication design based on random stepped frequency signal[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):811-817. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015090802

联系人： 娄昊 E-mail: luaw2006@126.com