CN105162742B - 一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，该一体化信号波形为非对称的三角，由调频率符号相反的两段线性调频信号组成，首先确定一体化***的带宽B和时宽T；将***时宽T分成两段，时间长度分别为T1，T2；两段线性调频信号调谐率符号相反，带宽B相同，分别计算出两段线性调频信号的调谐率；第一段信号用于进行通信信号的同步捕获，不调制通信信息；第二段信号分段调制通信比特信息；保证两段信号相位连续，最终得到一体化信号在整个时宽T上的表达式。本发明能够实现雷达和通信信号的波形一体化，利用部分一体化信号作为同步序列用于通信***的同步，剩余部分一体化信号分段调制通信比特信息，整个一体化信号作为雷达发射信号。

Description

一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法
技术领域
本发提出了一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，可以适用于基于信号共享的雷达通信一体化波形设计，属于雷达通信波形调制领域。
背景技术
随着技术的发展和信息化作战的需要，战争形态从单一的武器平台对抗向体系对抗转变，多功能电子***综合一体化的实现成为未来军用电子***发展的趋势。雷达通信信号一体化对于提升电子***的综合性能有着重要的意义。探索一体化波形的设计方法是雷达通信信号一体化技术的重点研究内容。
在实现雷达通信一体化的过程中，为了实现雷达功能与通信功能，通常采用分时、分频传输或者多波束空分的方式。但这两种方式不是通信雷达信信号波形的一体化。
基于波形共享的一体化***仍旧处于起步阶段，采用共享信号主要是线性调频信号(Chirp)，通过改变线性调频信号的参数来调制通信信息，但是这种方式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，从而影响了雷达的探测性能。
基于分数阶傅里叶变换的一体化波形设计中，采用不同的初始频率对用户数据进行调制，达到了单Chirp信号多比特信息的传输，但此类***的共同缺点是通信的传输速率与Chirp率有关，在相同的带宽条件下，通信的频谱效率低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足指出，提供一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，该方法能够在保持***带宽和时宽不变的情况下，实现雷达和通信信号的波形一体化，利用部分一体化信号作为同步序列用于通信***的同步，剩余部分一体化信号分段调制通信比特信息。整个一体化信号作为雷达发射信号。一体化波形设计简单，工程实现容易。
本发明的技术解决方案是：一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，包括以下步骤：
(1)根据设定的雷达斜距分辨率、雷达发射机输出的平均功率、雷达发射机输出的峰值功率和脉冲重复频率PRF，分别确定的带宽B和时宽T；
(2)将步骤(1)时宽T分为两段，分别为[0:T1]，[T1:T]，两段时间长度分别为T1和T2，0≤T1≤T2，T2＝T-T1；
(3)根据步骤(2)中确定的T1和T2，保持步骤(1)确定的***的带宽B不变，分别计算一体化波形第一部分调频率k1＝B/T1，和第二部分调频率k2＝-B/T2；
(4)根据步骤(3)得到的调频率k1，k2，在保证信号时域、相位连续的情况下，得到[0:T1]上信号的表达式s1'(t)，[T1:T]上信号的表达式s2'(t)；
(5)当调制通信信息时，不调制步骤(4)中的s1'(t)，将步骤(4)中的s2'(t)，在[T1:T]内，平均分段调制通信比特信息后新的信号的表达式s2(t)，如下；
式中c(n)＝2randint(1,N,(0,1))-1，N表示在[T1:T]一共调制了N比特通信数据，n表示在[T1:T]上调制的第n比特数据；2randint(1,N,(0,1))-1表示产生N个1或-1的随机数，ΔT表示调制一比特信息的时间长度，其中ΔT≥T1。
(6)根据步骤(4)得到的s1'(t)和步骤(5)得到的s2(t)，得到一体化复合信号的表达式s(t)，将得到的该一体化复合信号s(t)同时作为雷达信号和通信信号使用，即实现雷达通信信号波形的一体化，s(t)如下：
s(t)＝s1'(t)+s2(t)
根据设定的雷达斜距分辨率ρr，确定***的带宽B，公式如下：
式中，c＝3×108m/s为光速；ρr为斜距分辨率。
斜距分辨率ρr的值为0.15以上，优选为0.15到50米；
根据设定的雷达发射机输出的平均功率、峰值功率和脉冲重复频率PRF，确定***的时宽T，公式如下：
式中，Pav为雷达发射机输出的平均功率，Pt为雷达发射机输出的峰值功率，PRF为脉冲重复频率。
设定的雷达发射机输出的平均功率为100瓦到1000瓦。
设定的雷达发射机输出的峰值功率为1千瓦到10千瓦，峰值功率选定值的大小大于平均功率的值。
设定的脉冲重复频率PRF为1000Hz到9000Hz。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所设计的一体化信号，雷达和通信信号都充分利用了时域和频域资源，雷达***和通信***使用相同的时间和频率工作，在节省了时间和频域资源的前提下实现了雷达通信波形的一体化。
(2)本发明中提出的一体化信号，通过两段调谐率极性相反的LFM信号的组合，保证了***带宽不变同时使得同步序列与调制了比特信息的信号具有一定的正交性，从而可以实现同步序列的捕获。这种波形设计方法具有实用性和创新性。
(3)本发明中提出的一体化信号，可以通过对通信***的信道环境和雷达性能的共同约束下优化得到在单Chirp信号上调制多少比特通信数据，在保证通信和雷达性能的前提下提高了通信的传输速率。
(4)本发明斜距分辨率ρr的值为0.15以上，受低轨卫星上的信号产生器的硬件水平的限制，带宽B小于1GHz，优选的方案是ρr的值为0.15到50米，适用于雷达探测的普遍应用，分辨率能够达到目前雷达探测的性能要求。
(5)本发明设定的雷达发射机输出的平均功率为100瓦到1000瓦。设定的雷达发射机输出的峰值功率为1千瓦到10千瓦，峰值功率选定值的大小大于平均功率的值，优选的方案是在低轨(400到800公里)的雷达通信一体化***中，峰值功率1千瓦到10千瓦，雷达接收机的信噪比能够达到10dB以上，实现雷达探测目标的能力提升，探测目标准确。
(6)本发明设定的脉冲重复频率PRF为1000Hz到9000Hz，PRF在9000Hz以上产生会产生距离模糊问题，优选的方案为PRF在1000Hz到9000Hz，能够实现探测目标的目的。
附图说明
图1是本发明的处理流程框图；
图2是非对称三角调频雷达通信一体化信号的频率曲线示意图；
图3是基于信号波形一体化的雷达通信一体化***发射端框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基本思路为：一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，该一体化信号波形的频率曲线形状为非对称的三角，由调频率符号相反的两段线性调频信号组成，波形设计方法如下：首先确定一体化***的带宽B和时宽T；将***时宽T分成两段，时间长度分别为T1，T2，0≤T1≤T2；两段线性调频信号调谐率符号相反，带宽B相同，分别计算出两段线性调频信号的调谐率；第一段信号用于进行通信信号的同步捕获，不调制通信信息；第二段信号分段调制通信比特信息；保证两段信号相位连续，最终得到一体化信号在整个时宽T上的表达式。本发明能够实现雷达和通信信号的波形一体化，利用部分一体化信号作为同步序列用于通信***的同步，剩余部分一体化信号分段调制通信比特信息。整个一体化信号作为雷达发射信号。
如图3所示，一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定***，包括：一体化波形生成模块、雷达发射机、雷达波束形成单元、双工器和天线；
一体化波形生成模块，包括：通信编码器、通信加密处理模块、雷达RF脉冲产生器、雷达调制器；
通信编码器，接收通信数据，并进行编码送至加密处理模块进行加密后得到待发送通信信号；
雷达RF脉冲产生器产生带宽B和时宽T的雷达射频脉冲，送至雷达调制器后得到待发送的雷达信号；
将待发送的雷达信号分成N段，将待发送通信信号分别与分段后待发送的雷达信号进行点乘，得到一体化信号，经过雷达发射机进行调制上变频后，经过雷达波束形成单元，对上变频后的信号进行波束形成。双工器作为收发开关，发射时，关闭接收机入口，大功率射频脉冲送入射频天线发射出去，接收时，关闭发射机通路，微弱回波能量接收进来。由于本发明所设计的信号频率曲线为一个非对称的三角，因此被称为一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形。
一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，包括以下步骤：
(1)根据设定的雷达斜距分辨率、雷达发射机输出的平均功率、雷达发射机输出的峰值功率和脉冲重复频率PRF，分别确定的带宽B和时宽T；
根据设定的雷达斜距分辨率ρr，确定***的带宽B，公式如下：
式中，c＝3×108m/s为光速；ρr为斜距分辨率。
斜距分辨率ρr的值为0.15以上，受低轨卫星上的信号产生器的硬件水平的限制，带宽B小于1GHz，优选的方案是ρr的值为0.15到50米，适用于雷达探测的普遍应用，分辨率能够达到目前雷达探测的性能要求。
根据设定的雷达发射机输出的平均功率、峰值功率和脉冲重复频率PRF，确定***的时宽T，公式如下：
式中，Pt为雷达发射机输出的峰值功率，Pav为雷达发射机输出的平均功率，PRF为脉冲重复频率。设定的雷达发射机输出的平均功率为100瓦到1000瓦。设定的雷达发射机输出的峰值功率为1千瓦到10千瓦，峰值功率选定值的大小大于平均功率的值，优选的方案是在低轨(400到800公里)的雷达通信一体化***中，峰值功率1千瓦到10千瓦，雷达接收机的信噪比能够达到10dB以上，实现雷达探测目标的能力提升，探测目标准确。设定的脉冲重复频率PRF为1000Hz到9000Hz，PRF在9000Hz以上会导致目标产生距离模糊问题，优选的方案为PRF在1000到9000，能够实现探测目标的功能的准确性，即准确探测目标。
(2)将步骤(1)***的时宽T分为两段，分别为[0:T1]，[T1:T]，两段时间长度分别为T1和T2，0≤T1≤T2，T2＝T-T1。如图2所示。
(3)根据步骤(2)中确定的T1和T2，保持步骤(1)确定的***的带宽B不变，分别计算一体化波形第一部分调频率k1＝B/T1，和第二部分调频率k2＝-B/T2；其中[0:T1]上的线性调频信号设计为通信***中的同步序列，[T1:T]上的信号将分段调制通信比特信息。
同时，这种设计方法保证了雷达***带宽B不变。
(4)根据步骤(3)得到的调频率k1，k2，在保证信号时域、相位连续的情况下，得到[0:T1]上信号的表达式s1'(t)，[T1:T]上信号的表达式s2'(t)；
(5)当调制通信信息时，不调制步骤(4)中的s1'(t)，将步骤(4)中的s2'(t)，在[T1:T]内，平均分段调制通信比特信息后新的信号的表达式s2(t)，如下；
式中c(n)＝2randint(1,N,(0,1))-1，N表示在[T1:T]一共调制了N比特通信数据，n表示在[T1:T]上调制的第n比特数据；2randint(1,N,(0,1))-1表示产生N个1或-1的随机数，ΔT表示调制一比特信息的时间长度。其中ΔT≥T1，保证调制信息可以正确解调。
(6)根据步骤(4)得到的s1'(t)和步骤(5)得到的s2(t)，得到一体化复合信号的表达式s(t)，将得到的该一体化复合信号s(t)同时作为雷达信号和通信信号使用，即实现雷达通信信号波形的一体化，s(t)如下：
s(t)＝s1'(t)
实施例：
如图1所示，为本发明的处理流程框图，由图1可知，本发明提出一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形，具体实施步骤如下：
(1)假设***带宽B＝70MHz，时宽T＝500us；
(2)假设T1＝100us，T2＝T-T1＝400us；
(3)根据步骤(1)和(2)，计算得到k1＝(70×106)/(100×10-6)＝0.7×1012；k2＝-(70×106)/(400×10-6)＝-0.175×1012；
(4)根据步骤(2)和(3)，得到信号s1'(t)，s2'(t)表达式：
(5)根据步骤(4)和步骤(2)，s1(t)作为通信***中的同步信号，不调制信息，因此一体化信号s(t)中第一部分信号s1(t)的表达式不变：
(6)根据步骤(1)，***带宽B＝70MHz，假设***采用率fs＝70MHz，因此ΔT＝T2/N＝10-4S；根据步骤(2)，假设调制4bit通信数据，因此N＝4，根据步骤(4)和步骤(2)，在调制了通信信息之后，一体化信号第二部分s2(t)表达式为：
(7)根据步骤(5)和(6)，得到雷达通信一体化信号波形的表达式：
通过本发明具体实施方式可以看出，本发明所提供的一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，雷达和通信信号都充分利用了时域和频域资源，雷达***和通信***使用相同的时间和频率工作，在节省了时间和频域资源的前提下实现了雷达通信波形的一体化。通过两段调谐率极性相反的LFM信号的组合，保证了***带宽不变同时使得同步序列与调制了比特信息的信号具有一定的正交性，从而可以实现同步序列的捕获。这种波形设计方法具有实用性和创新性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据设定的雷达斜距分辨率、雷达发射机输出的平均功率、雷达发射机输出的峰值功率和脉冲重复频率PRF，分别确定的带宽B和时宽T；根据设定的雷达斜距分辨率ρr，确定***的带宽B，公式如下：
式中，c＝3×108m/s为光速；ρr为斜距分辨率；
根据设定的雷达发射机输出的平均功率、峰值功率和脉冲重复频率PRF，确定***的时宽T，公式如下：
式中，Pav为雷达发射机输出的平均功率，Pt为雷达发射机输出的峰值功率，PRF为脉冲重复频率；
(2)将步骤(1)的时宽T分为两段，分别为[0:T1]，[T1:T]，两段时间长度分别为T1和T2，0≤T1≤T2，T2＝T-T1；
(3)根据步骤(2)中确定的T1和T2，保持步骤(1)确定的带宽B不变，分别计算一体化波形第一部分调频率k1＝B/T1，和第二部分调频率k2＝-B/T2；
(4)根据步骤(3)得到的调频率k1，k2，在保证信号时域、相位连续的情况下，得到[0:T1]上信号的表达式s1'(t)，[T1:T]上信号的表达式s2'(t)；
式中，A为归一化的信号的幅度，函数
(5)当调制通信信息时，不调制步骤(4)中的s1'(t)，将步骤(4)中的s2'(t)，在[T1:T]内，平均分段调制通信比特信息后新的信号的表达式s2(t)，如下；
式中c(n)＝2randint(1,N,(0,1))-1，N表示在[T1:T]一共调制了N比特通信数据，n表示在[T1:T]上调制的第n比特数据；2randint(1,N,(0,1))-1表示产生N个1或-1的随机数，ΔT表示调制一比特信息的时间长度，其中T1≤ΔT≤T2；
(6)根据步骤(4)得到的s1'(t)和步骤(5)得到的s2(t)，得到一体化复合信号的表达式s(t)，将得到的该一体化复合信号s(t)同时作为雷达信号和通信信号使用，实现雷达通信信号波形的一体化，s(t)如下：
s(t)＝s1'(t)+s2(t)，
其中：
2.根据权利要求1所述的一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，其特征在于：斜距分辨率ρr的值为0.15米到50米。
3.根据权利要求1所述的一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，其特征在于：设定的雷达发射机输出的平均功率为100瓦到1000瓦。
4.根据权利要求1所述的一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，其特征在于：设定的雷达发射机输出的峰值功率为1千瓦到10千瓦，峰值功率选定值的大小大于平均功率的值。
5.根据权利要求1所述的一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法，其特征在于：设定的脉冲重复频率PRF为1000Hz到9000Hz。
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