多載波的無(wú)人機探測與通信技術(shù)思考論文

　　０引言

　�。眨粒衷诎⒏缓箲饒�(chǎng)的成功促進(jìn)了無(wú)人機的發(fā)展和應用。美國空軍ＰｒｅｄａｔｏｒＰｒｏｇｒａｍ項目給出了無(wú)人機在典型戰場(chǎng)環(huán)境中的任務(wù)和功能，包括偵察、監視、目標截獲、信息傳輸等。實(shí)際軍事應用中，無(wú)人機的功能還可有電子戰、戰斗評估、通信中繼、指揮控制、協(xié)同作戰等［１］�；�于無(wú)人機的自身和功能特點(diǎn)，可發(fā)現：其體積和承載的設備有限，需要裝載的設備盡可能地整合功能，體積小、處理速度快，功耗低；因是在高雜波環(huán)境中對低速目標進(jìn)行探測和跟蹤，脈沖多普勒體制不一定適用，需應用寬帶體制，從時(shí)域實(shí)現雜波抑制和目標識別，但頻率脈沖步進(jìn)等寬帶體制處理要求長(cháng)時(shí)間的脈沖積累才能達到大帶寬，實(shí)現距離高分辨，故必須采用新的寬帶雷達探測波形；由于存在大量的圖像等戰場(chǎng)環(huán)境和態(tài)勢信息，需要實(shí)現高速信息傳輸和通信，同時(shí)還要考慮多路徑、雜波等惡劣信道的影響；需要多點(diǎn)通信，實(shí)現指令傳輸和協(xié)同作戰。針對無(wú)人機使用環(huán)境、自身特點(diǎn)和功能需求，可通過(guò)探測與通信聯(lián)合設計以降低系統體積、功耗與成本，其中正交頻率復用（ＯＦＤＭ）技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。文獻［２］提出將ＯＦＤＭ通信技術(shù)用于ＭＩＭＯ雷達，并加入了頻率捷變技術(shù)以實(shí)現頻譜共用，但僅給出了將ＭＩＭＯ雷達系統與ＯＦＤＭ結合的大體模型；文獻［３］研究了將ＯＦＤＭ通信技術(shù)用于雷達網(wǎng)絡(luò )的可行性，但并不全面；文獻［４］提出將ＯＦＤＭ通信與ＭＣＰＣ雷達技術(shù)結合用于組建雙用的成像雷達和通信系統，但只給出了基于ＯＦＤＭ技術(shù)的一般雷達成像結果；文獻［５］研究了將ＬＦＭ信號實(shí)現多功能探測通信系統，但由于ＬＦＭ雷達信號會(huì )引起距離多普勒耦合，并非探測系統的首選，在通信領(lǐng)域ＬＦＭ調制方式也并非通信的理想方案。在國內，多所高校對無(wú)線(xiàn)探測網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行了研究，但多以通信協(xié)議、定位算法研究為主，未見(jiàn)探測通信體系創(chuàng )新的報導［６－１２］。探測與通信系統的聯(lián)合設計需綜合考慮探測和通信兩個(gè)方面。對探測，探測波形設計決定了探測的精度，以及可否兼容寬帶探測、極化等技術(shù)滿(mǎn)足復雜工作環(huán)境的需求；對通信，在滿(mǎn)足探測需求的同時(shí)，需滿(mǎn)足復雜環(huán)境中高速通信的要求。兩種應用需求的無(wú)縫連接是聯(lián)合設計中的要點(diǎn)。為此，本文基于正交頻率復用技術(shù)，以多載波相位調制（ＭＣＰＣ）雷達探測信號為依據，對雷達探測與通信聯(lián)合設計和雷達探測波形設計進(jìn)行了研究。

　　１雷達探測與通信聯(lián)合設計

　�。保�１功能模塊組成

　　無(wú)人機功能包括自身定位、環(huán)境監測、目標探測和高速通信等。無(wú)人機探測與通信聯(lián)合設計有ＧＰＳ功能、傳感器組、用戶(hù)交互接口和中央控制器、發(fā)射機、信號處理單元、接收機、收發(fā)開(kāi)關(guān)，以及正交極化天線(xiàn)８個(gè)功能模塊，其組成如圖１所示。具體如下。ａ）ＧＰＳ模塊用于無(wú)人機獲取自身位置信息。ｂ）傳感器組為無(wú)人機的擴展功能，可涉及攝像機或紅外成像傳感器。ｃ）交互接口和中央控制器為無(wú)人機用戶(hù)接口，完成相關(guān)工作參數設置等，如設定ＭＣＰＣ雷達采用的波形、極化類(lèi)型、頻率捷變的類(lèi)型與參數，數據通信的調制方式等。ｄ）發(fā)射機模塊包括ＧＰＳ信號處理、傳感器組數據處理、ＭＣＰＣ雷達信號發(fā)生器、交互數據及指令單元、數據打包成幀與自適應調制、極化分路和調制器組７個(gè)功能部分。其中：ＧＰＳ信號處理部分處理由ＧＰＳ功能模塊獲得的衛星信號，實(shí)現無(wú)人機自我定位；傳感器組數據處理部分處理由傳感器組測得的信號，送發(fā)射機打包成數據幀傳送；ＭＣＰＣ雷達信號發(fā)生器根據用戶(hù)交互接口和中央控制器設定的ＭＣＰＣ雷達信號參數、極化類(lèi)型、頻率捷變類(lèi)型等產(chǎn)生同時(shí)極化頻率捷變ＭＣＰＣ雷達探測信號；交互數據及指令單元對交互接口需要發(fā)射的信息或指令進(jìn)行編碼和壓縮等處理，用于發(fā)射；數據打包成幀與自適應調制部分按幀結構打包輸入數據，并由中央控制器采取正交頻率復用的方式進(jìn)行調制，自適應控制調制階數以備傳輸之用；極化分路部分將數據打包成幀與自適應調制模塊的輸出信號分成兩路并根據用戶(hù)交互接口和中央控制器設定的極化類(lèi)型確定信號間的相位差；調制器組將極化分路模塊產(chǎn)生的兩路信號直接調制至射頻，并傳輸至開(kāi)關(guān)控制器用于正交極化天線(xiàn)發(fā)射［１３］。在中央控制器控制下，數據打包成幀與自適應調制部分將ＧＰＳ信號處理模塊的處理結果、傳感器組數據處理模塊的處理結果、ＭＣＰＣ雷達信號發(fā)生器產(chǎn)生的ＭＣＰＣ雷達波形，連同交互數據及指令打包成數據幀結構，并采取自適應調制方式調制，調制結果將根據極化類(lèi)型，由極化分路部分分成兩路，兩路信號再由兩組調制器直接調制至射頻經(jīng)收發(fā)開(kāi)關(guān)傳輸至正交極化天線(xiàn)發(fā)射。ｅ）信號處理單元包括ＭＣＰＣ雷達信號處理、交互數據處理、定位和導航處理、系統工作性能和干擾分析處理、數據庫共５部分。其中：ＭＣＰＣ雷達信號處理模塊可完成ＭＣＰＣ雷達探測器目標探測，獲得目標的距離、速度等信息，同時(shí)對通信目的ＭＣＰＣ雷達信號處理模塊又能起到時(shí)間和頻率同步作用，并可實(shí)現信道估計，提高通信質(zhì)量；交互數據處理模塊用于對接收機接收到的信息或指令進(jìn)行解碼和解壓縮等處理，并轉換格式便于用戶(hù)交互接口識別；定位和導航處理模塊在ＧＰＳ衛星信號較好時(shí)，由ＧＰＳ信息處理模塊所得的自身位置信息，結合數據庫系統保存的電子地圖，根據用戶(hù)需求選擇最優(yōu)路徑并實(shí)時(shí)導航，在ＧＰＳ衛星信號較差時(shí)，ＧＰＳ信息處理模塊無(wú)法實(shí)現基站自我定位，則以協(xié)同作戰模式，由其它無(wú)人機得到的信息結合ＭＣＰＣ雷達探測數據確定自身方位，完成導航等功能；系統工作性能和干擾分析處理模塊結合極化判別模塊分析干擾信號類(lèi)型、干擾與信號的能量比，以此作為ＭＣＰＣ雷達探測器參數設置和ＯＦＤＭ通信系統信號自適應調制方式設定的依據；數據庫用于存儲網(wǎng)絡(luò )中所有無(wú)人機的方位和通信記錄，探測到目標的距離、速度信息，電子地圖等以備查閱使用。ｆ）接收機模塊主要由極化判別模塊和解調器組組成。極化判別模塊用于判斷接收信號極化類(lèi)型，或在給定的極化類(lèi)型狀態(tài)下接收信號。解調器用于將正交極化天線(xiàn)經(jīng)開(kāi)關(guān)控制器的信號直接由射頻變?yōu)橹蓄l，出于小型化的目的，可采用零中頻結構。ｇ）收發(fā)開(kāi)關(guān)用于系統在發(fā)射狀態(tài)下將天線(xiàn)與發(fā)射機連接而隔離接收機，反之在接收狀態(tài)下將天線(xiàn)與接收機連接而隔離發(fā)射機。ｈ）正交極化天線(xiàn)用于發(fā)射或接收兩路正交極化信號。

　�。保�２基本工作方式

　　無(wú)人機探測與通信聯(lián)合設計系統交替工作于發(fā)射和接收狀態(tài)。

　�。保�２．１發(fā)射狀態(tài)

　　發(fā)射機將通信對象ＩＤ碼、自身ＩＤ碼，經(jīng)編碼和壓縮處理的通信信息、傳感器組數據處理結果、ＭＣＰＣ雷達信號波形、ＭＣＰＣ雷達探測結果，以及基站自身的方位信息通過(guò)數據打包成幀與自適應調制模塊打包成幀并實(shí)現調制。在獲得基站自身方位的過(guò)程中，需根據接收到的ＧＰＳ衛星信號質(zhì)量決定定位方案。當ＧＰＳ衛星信號接收良好時(shí)，ＧＰＳ功能模塊和ＧＰＳ信號處理單元實(shí)現自我定位；當ＧＰＳ衛星信號接收不佳時(shí)，需等待接收機狀態(tài)實(shí)現定位。發(fā)射信號打包成幀后的幀結構如圖２所示（其中循環(huán)前綴ＣＰ未在幀結構中顯示）。每個(gè)數據幀由ＩＤ碼１、２，自定位信息，目標信息和交互數據組成。

　　其中：ＩＤ碼１、２分別標志信號的反射方和接收方，系統采用余碼序列作為ＩＤ碼，在作為身份標志的同時(shí)，可用作ＭＣＰＣ雷達波形和ＯＦＤＭ通信系統的引導碼，既用于目標探測，又用于通信系統的幀同步和信道估計；定位信息部分用于存儲基站自身的位置信息和信號發(fā)射時(shí)間；目標信息用于存儲ＭＣＰＣ雷達探測器探測到的距離和速度等目標信息；交互信息用于傳輸探測器組探測到的相關(guān)信息。完成數據打包和調制后，根據用戶(hù)設定的極化類(lèi)型極化分路模塊將信號分成具特定相位差的兩路，送至調制器模塊調制至射頻。調制模塊調制過(guò)程中，根據用戶(hù)設定的頻率捷變參數實(shí)時(shí)調整調制頻率，實(shí)現發(fā)射信號捷變頻。由調制器輸出的射頻信號經(jīng)收發(fā)開(kāi)關(guān)傳輸至正交極化天線(xiàn)發(fā)射。

　�。保�２．２接收狀態(tài)

　　接收機根據接收信號的ＩＤ碼１部分區別接收的信號來(lái)自其它無(wú)人機或自身ＭＣＰＣ雷達探測器的目標回波信號。根據其它基站發(fā)射的信號信息，結合ＭＣＰＣ雷達探測器的回波信號，無(wú)人機可確定目標信息。在ＧＰＳ信號較差時(shí)，可通過(guò)獲得的其它基站的方位信息和算得的與其它基站的相對距離實(shí)現定位。此外接收機還需分析系統工作性能和外界抗干擾類(lèi)型用于系統在發(fā)射機狀態(tài)下自適應修改發(fā)射信號極化類(lèi)型、頻率捷變類(lèi)型、調制方式。

　�。保�３同時(shí)極化頻率捷變探測波形設計

　　因ＭＣＰＣ雷達探測與４Ｇ通信均基于正交頻率復用（ＯＦＤＭ）原理，故系統硬件構成、波形生成、軟件實(shí)現等可實(shí)現高度統一，達到系統整合，在實(shí)現通信和探測雙任務(wù)的同時(shí)，能滿(mǎn)足無(wú)人機追求的系統小型化、低功耗、低成本的需求，應用方式也可在單機與協(xié)同兩種模式間自由切換。與此同時(shí)，僅就通信而言，ＯＦＤＭ技術(shù)在實(shí)現高速率通信（百兆以上）的同時(shí)，具有對抗雜波、多路徑效應的特點(diǎn)，若結合自適應通信技術(shù)，通過(guò)判斷通信信道特征，實(shí)時(shí)改變信號調制方式，可很好地滿(mǎn)足無(wú)人機的使用需求［１３］。因低速目標多普勒頻率靠近雜波區，用傳統脈沖多普勒方式難以實(shí)現目標搜索和跟蹤，且探測距離精度不高，故需利用寬帶雷達信號實(shí)現雜波背景中目標的搜索、檢測、識別和跟蹤，并在特定需求下完成目標和環(huán)境成像。傳統寬帶雷達探測信號有線(xiàn)性調頻、脈沖線(xiàn)性調頻、脈沖頻率步進(jìn)等，線(xiàn)性調頻很難解決收發(fā)隔離問(wèn)題而多采用脈沖線(xiàn)性調頻，脈沖線(xiàn)性調頻和脈沖頻率步進(jìn)均需多個(gè)脈沖累計達到大帶寬，實(shí)現高分辨，耗時(shí)長(cháng)。此外，線(xiàn)性調頻信號模糊函數呈斜刀刃型，脈沖線(xiàn)性調頻存在多普勒和距離耦合影響跟蹤精度的缺點(diǎn)，同時(shí)上述傳統寬帶雷達信號均不能與通信較好地結合。ＭＣＰＣ雷達信號結構如圖３所示［１４－１５］。Ｎ!Ｍ的ＭＣＰＣ雷達脈沖信號由Ｎ×Ｍ的補碼矩陣同時(shí)調制Ｎ個(gè)相位周期為Ｍｔｂ的載波生成（此處：ｔｂ為單個(gè)調制相位周期），載波間隔Δｆ為１／ｔｂ，載波間滿(mǎn)足正交關(guān)系。ＭＣＰＣ雷達信號可利用補碼序列矩陣同時(shí)調制多個(gè)滿(mǎn)足正交關(guān)系的載波生成。對一個(gè)由序列長(cháng)度為Ｍ的Ｎ個(gè)載波生成的ＭＣＰＣ雷達脈沖信號，其距離分辨率為ｔｂ／Ｎ，多普勒分辨率為１／（Ｍｔｂ），脈沖壓縮比可達ＮＭ。ＭＣＰＣ雷達信號可通過(guò)設置載波數、載波間隔和碼元寬度的方式實(shí)現高分辨率，且模糊函數呈圖釘型，避免了距離－多普勒耦合，可用數字集成電路通過(guò)逆傅里葉變換（ＩＦＦＴ）產(chǎn)生，具控制簡(jiǎn)單和生成便利等優(yōu)點(diǎn)。由圖３可知：ＭＣＰＣ雷達信號單次發(fā)射信號的頻率寬度就可達到ＮΔｆ，無(wú)需長(cháng)時(shí)間脈沖積累即可實(shí)現距離高分辨。當距離分辨率要求較高時(shí)，可結合頻率捷變技術(shù)擴大頻率帶寬。ＭＣＰＣ雷達信號線(xiàn)性頻率捷變如圖４所示。引入同時(shí)極化，結合多載波相位編碼、捷變頻寬帶、目標微動(dòng)特性，用于實(shí)現在強海、地雜波條件下低速目標的識別和跟蹤。頻率捷變技術(shù)可從極化域、時(shí)域和頻域三個(gè)層面增加系統抗干擾能力。

　　２系統性能仿真

　�。玻�１同時(shí)極化性能

　　本文的探測波形設計兼容同時(shí)極化技術(shù)，可用于干擾、雜波等復雜環(huán)境中的探測，能同時(shí)發(fā)射多個(gè)極化信號，再利用信號間的獨立性（Ｉ）分離信號以同時(shí)獲得目標各種極化的信息。因此，信號間的獨立性是實(shí)現此技術(shù)的關(guān)鍵，而傳統編碼方式很難使信號的信號峰值旁瓣比（ＰＳＬ）和信號間的獨立性同時(shí)達到較高的性能指標。文獻［１７］的兩個(gè)基于Ｐ３序列ＭＣＰＣ雷達脈沖信號的歸一化自相關(guān)函數和歸一化互相關(guān)函數如圖５所示。由圖可知：兩信號均由連續的８個(gè)間隔為３２ｔｂ的８×８的ＭＣＰＣ脈沖組成，兩個(gè)ＭＣＰＣ信號的ＰＳＬ均優(yōu)于２８ｄＢ，Ｉ優(yōu)于２３ｄＢ。欲實(shí)現相同的ＰＳＬ和Ｉ，用傳統的ｍ序列調制需要的碼長(cháng)達５１１位［１６］。

　�。玻�２頻率捷變性能仿真和實(shí)測數據

　　文獻［１７］給出的對應ＭＣＰＣ雷達信號引入頻率捷變前后和波形優(yōu)化后的自相關(guān)函數如圖６所示。由圖可知：采用頻率捷變后，ＭＣＰＣ信號的自相關(guān)函數主瓣寬度由０．１２５ｔｂ減小至０．０１５６ｔｂ。經(jīng)子載波加權波形優(yōu)化后，第一個(gè)脈沖單位時(shí)間ｔｂ內自相關(guān)函數旁瓣歸一化最大值降至－２５ｄＢ以下，同時(shí)由于子載波權重的調制作用，主瓣寬度略展寬至０．０２７３４ｔｂ。實(shí)測頻率捷變ＭＣＰＣ雷達信號如圖７所示。

　　３結束語(yǔ)

　　本文對基于多載波的無(wú)人機探測與高速通信聯(lián)合設計進(jìn)行了研究�；�于正交頻率復用技術(shù)，綜合同時(shí)極化、自適應通信等技術(shù)，在同時(shí)滿(mǎn)足快速高精度探測和高速通信的同時(shí)，可實(shí)現無(wú)人機的系統多功能整合、小型化、低功耗、低成本。

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