基于OFDM的雷达通信一体化设计方法研究

发布时间：2020-08-12 17:59

【摘要】：无论是在军用还是民用领域,雷达和通信设备都得到了广泛的应用,而且在一些应用中既要完成雷达功能又要完成通信功能。为实现雷达和通信功能,传统的方式是将互相独立的雷达和通信设备堆积在一起,而雷达通信一体化则将雷达和通信的发射、接收、处理等分系统共享,显著降低系统冗余、体积、重量、能耗、操作复杂度等,具有重要的研究意义和实用价值。此外,随着毫米波雷达和5G乃至未来6G无线通信的发展,雷达和通信都需要更大的带宽,占用相同的频段,导致频谱资源愈发匮乏,而解决该问题的一种有效方法是将雷达和通信波形共用,即雷达通信一体化波形。雷达通常以诸如目标参数分辨率和估计精度、最大探测距离、最大无模糊距离和速度、检测和分类性能等为评估标准,通信通常以通信数据率、误码率、多普勒容限等为评估准则,它们对不同的系统参数要求对立与统一共存,给雷达通信一体化系统参数设计,以及雷达通信一体化波形设计带来困难。此外,雷达通信一体化波形所携带的通信信息可能使其模糊函数性能恶化,降低目标回波的相参积累性能,给目标参数估计带来困难。针对上述雷达通信一体化系统参数设计、波形设计、目标参数估计等难题,本文以同时满足雷达和通信实际需求为目标,优化设计多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)雷达通信一体化系统参数;从保持发射波形的模糊函数特性和目标回波相参积累性能出发,对通信编码进行设计;利用OFDM的频率分集特性,从提升雷达目标检测概率、参数估计精度和分类性能以及通信信道容量的角度,对OFDM雷达通信一体化波形进行优化设计;根据OFDM雷达通信一体化波形的回波特点,设计雷达目标参数估计算法。主要研究内容概括如下:1.针对OFDM雷达通信一体化波形的模糊函数对通信调制信息敏感的问题,提出了通信信息预调制的方法。建立OFDM雷达通信一体化波形数学模型,推导并分析其模糊函数特性,研究通信调制信息对OFDM雷达通信一体化波形模糊函数的影响机理,通过通信信息预调制的方法,使OFDM雷达通信一体化波形的同一脉冲不同OFDM符号所调制的通信信息具有优良的自相关和互相关特性,从而减小通信调制信息对OFDM雷达通信一体化波形的模糊函数的影响,确保OFDM雷达通信一体化波形的模糊函数为图钉状。此外,通过通信信息预调制的方法,使OFDM雷达通信一体化波形中携带通信信息的随机相位编码服从均匀分布,从而提升脉冲压缩后主瓣内多脉冲相参积累性能。2.针对等功率发射波形,在同时探测扩展目标,并在频率选择性衰落信道中进行通信信息传输时,发射功率使用效率低的问题,提出了自适应的OFDM雷达通信一体化波形设计方法。根据OFDM的分集特性,分别建立了OFDM雷达通信一体化波形与目标检测概率,以及与通信信道容量之间的数学模型。在有限发射功率约束下,以最大化雷达检测概率和通信信道容量为优化目标函数,通过KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件,求解出最优解,设计出可随环境变化的自适应OFDM雷达通信一体化波形,并推导出雷达和通信性能同时达到最优的条件。仿真结果表明所设计的波形要优于等功率发射波形。3.针对等功率发射的OFDM雷达通信一体化波形的扩展目标参数估计精度和通信数据率低的问题,提出了OFDM雷达通信一体化波形多目标优化设计方法。根据OFDM雷达通信一体化波形的回波模型,推导出目标散射系数、距离和速度估计的克拉美罗界(CRB),并以此作为雷达参数估计精度的衡量标准。此外,以通信信道容量为通信性能标准,在有限发射功率和最小分配功率约束下,建立最小化雷达目标参数估计的CRB和最大化通信信道容量的多目标优化模型,并分别提出加权最优和帕累托最优的OFDM雷达通信一体化波形设计方法,所提方法提升了雷达目标参数估计精度和通信信道容量。4.针对等功率发射OFDM雷达通信一体化波形在雷达目标分类和通信信息传输中性能低下的问题,提出了基于互信息的OFDM雷达通信一体化波形设计方法。该方法以随机目标脉冲响应与OFDM雷达通信一体化波形间的互信息为目标分类性能评估准则,在有限发射功率约束下,建立最大化互信息和通信信道容量的OFDM雷达通信一体化波形优化模型,通过KKT条件,推导出最优解,设计出最优的OFDM雷达通信的一体化波形。所设计的波形提升了雷达目标分类性能和通信信道容量。此外,针对所设计的波形对随机目标和通信信道的频率响应的误差敏感的问题,提出了稳健的OFDM雷达通信一体化波形设计方法。首先,根据极小极大稳健波形设计准则,建立稳健的OFDM雷达通信一体化波形优化模型;然后,优化设计出稳健的OFDM雷达通信一体化波形。所设计的稳健波形在可能出现的最坏情况下,具有最优的雷达和通信性能。5.针对基于OFDM雷达通信一体化波形的雷达目标参数超分辨估计问题,提出了基于通信信息补偿的距离和速度联合超分辨估计方法。首先,建立OFDM雷达通信一体化波形的回波模型,并矢量化表示采样后的回波信号;然后,进行通信信息补偿,并建立类似于均匀线阵的接收信号模型;接着,根据空间平滑的思想,提出“频率平滑”的方法,实现对不同目标的解相干处理;最后,利用子空间投影算法,实现对目标距离和速度的联合超分辨估计,并通过脉冲压缩解决距离模糊的问题。所提方法充分利用了OFDM雷达通信一体化波形回波的特点,实现了比传统处理方法分辨率更高的无模糊距离和速度估计。6.针对单输入单输出雷达通信一体化系统通信数据率和角度估计分辨率低的问题,提出了MIMO-OFDM雷达通信一体化系统。在雷达和通信性能需求的约束下,建立MIMO-OFDM雷达通信一体化系统参数的优化模型,对系统参数进行优化设计。此外,为充分利用该系统的带宽和孔径,提出了时空联合处理方法。首先,根据所设计的系统,建立MIMO-OFDM雷达通信一体化波形的目标回波模型;然后,通过时域失配滤波消除MIMO-OFDM雷达通信一体化系统不同发射天线发射信号之间的功率差异;最后,通过虚拟孔径扩展和空域匹配滤波,实现对目标距离和角度的高分辨估计。为了衡量所提算法的参数估计性能,推导出了基于MIMO-OFDM雷达通信一体化波形的距离和角度估计的CRB。仿真实验表明所提方法比传统处理方法具有更高的距离和角度估计精度。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN95;TN929.53
【图文】：

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本文编号：2790850