OFDM雷达通信一体化机载平台系统的信号处理方法与流程

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种信号处理方法，可用于ofdm雷达通信一体化机载平台系统。

背景技术

传统的电子装备系统仅单独具有雷达系统的功能或通信系统的功能，所能实现的功能相对单一。当在要求同时实现两种功能的情况下，则造成系统体积庞大，且频率、时间等不同资源的占用，造成资源利用率降低。近些年出现了将雷达技术和通信技术相结合的电子装备系统，结合后的雷达通信一体化系统能够很好地解决上述问题，此种系统受到越来越多的关注。

雷达通信一体化，是指同一电子装备系统同时具备雷达功能以及通信功能的电子设备，这种设备在工作时能够实时完成雷达信号处理和通信信号处理两种功能。目前雷达通信一体化的实现方式包含以下三种：

一是分时使用雷达和通信功能，这种实现方式通过时间来分配两种功能，存在时间资源上利用率低的缺点。

二是将频段划分，分别用于雷达和通信功能，这种实现方式在频谱利用方面存在浪费。

三是将通信信号应用于雷达系统，这种实现方式是在接收端为未知的雷达参考信号的条件下，利用通信功能来恢复参考信号，进而完成后续的雷达信号处理，从而实现雷达通信一体化，此种实现方式提高了资源利用率。其中，一体化机载平台系统的信号是指一体化系统相对于检测目标做高速运动的传输信号。在现有研究中，当机载平台的运动速度提升到接近音速时，雷达通信一体化系统存在以下缺点：

1.当一体化系统相对于目标做高速运动时，信道环境将会发生变化，通信数据的误比特率抬升，导致恢复的参考信号较原始参考信号之间存在误差；

2.后续进行脉冲压缩的处理效果差，无法满足一体化系统的需要。

3.由于ofdm信号对速度的敏感性，当采用纯粹的ofdm方式时，一体化信号性能将会急速下降，影响后续参考信号的重建以及雷达信号处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种ofdm雷达通信一体化机载平台系统的信号处理方法，以降低系统通信数据的误比特率，有效恢复参考信号，提高脉冲压缩的处理的效果。

本发明的技术思路是，将大带宽通信信号应用于雷达系统中，利用梳状导频方式实现对信道的估计，利用估计结果对信号进行均衡处理，对均衡后的信号进行通信处理来实现通信信息的恢复，利用恢复的信号来重建参考信号，实现大带宽通信信号的雷达脉冲压缩处理，达到在接收端为未知的参考信号条件下实现通信处理功能和雷达处理功能。其实现步骤包括如下：

(1)雷达接收机输出基带离散回波数据为sec(n)，该回波数据的子载波个数为m，回波数据中包含一段导频数据，导频位置的分布序列为lp(l)，导频位置对应的导频序列为vp(l)，其中导频为收发两端确知的任意序列，l为导频索引，l的范围为[1,…,np]，np为导频总个数；

(2)对基带离散回波数据sec(n)进行傅里叶变换，得到变换后的基带离散频域回波数据sec(k)，其中k为脉冲索引，取值为正整数；

(3)依据导频位置的分布序列lp(l)，对变换后基带离散频域回波sec(k)中的导频数据进行提取，得到提取出的导频序列v′p(l)；

(4)由提取出的导频序列v′p(l)得到导频信道估计序列hp(l)：

hp(l)＝v′p(l)/vp(l)；

(5)利用导频信道估计序列hp(l)得到整体信道估计矩阵h(k)：

(5a)构造长度为m的整体信道估计原始矩阵hr(k)，并将矩阵中所有元素值设置为零；

(5b)提取导频信道估计序列hp(l)中的第i个元素hp(li)，其中li为第l个导频的第i个元素，i为元素计数变量，取值为正整数；

(5c)按照导频位置分布序列lp(l)，查询li在基带离散频域回波数据sec(k)中的位置,将该位置设为a；查询li+1在基带离散频域回波数据se'c(k)中的位置，将该位置设为a'；

(5d)将整体信道估计原始矩阵hr(k)中位置a到位置a'-1之间所对应的元素值均设置为hp(li)；

(5e)重复(5b)到(5d)步骤，对整体信道估计原始矩阵hr(k)中每个元素值进行设置，得到赋值后的整体信道估计矩阵h(k)；

(6)利用赋值后的整体信道估计矩阵h(k)对变换后的基带离散频域回波数据sec(k)进行均衡处理，得到均衡后的频域回波数据

(7)对均衡后的频域回波数据进行通信解码，得到原始通信序列sc；

(8)利用原始通信序列sc、导频序列vp(l)以及导频位置的分布序列lp(l)构建参考信号sre(n)；

(9)利用参考信号sre(n)对基带离散回波数据sec(n)进行脉冲压缩处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，相对于传统的信号设计方法，本发明将雷达的脉冲压缩处理和通信的信道均衡处理进行了融合，实现信号设计的雷达通信一体化；

第二，本发明构建解码后的通信信息，利用通信信息能够在接收端很好地重建参考信号，在接收端未知参考信号的条件下实现后续的雷达信号处理；

第三，本发明实现接收端对信道的估计，提升了通信处理能力，使之适用于ofdm雷达通信一体化机载平台场景，增加了系统的健壮性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是用本发明对回波信号进行通信处理后的仿真误比特率图；

图3是用本发明对雷达信号的脉冲压缩仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1、设置回波数据条件。

设雷达接收机输出基带离散回波数据为sec(n)，该回波数据的子载波个数为m，回波数据中包含一段导频数据，导频位置的分布序列为lp(l)，导频位置对应的导频预值为vp(l)，其中导频为收发两端确知的任意序列，l为导频索引，l的范围为[1,…,np]，np为导频总个数。

步骤2、对基带离散回波数据sec(n)进行傅里叶变换，得到变换后的基带离散频域回波数据sec(k)，变换方式为：

sec(k)＝fft(sec(n))

其中，k为脉冲索引，取值为正整数；fft表示傅里叶变换。

步骤3、对导频信道进行估计。

(3a)依据导频位置的分布序列lp(l)，对变换后的基带离散频域回波sec(k)中的导频数据进行提取，得到提取出的导频值v′p(l)。

(3b)根据提取出的导频值v′p(l)和导频预值vp(l)得到导频信道估计值hp(l)：

hp(l)＝v′p(l)/vp(l)。

步骤4、对整体信道进行估计。

(4a)构造长度为m的整体信道估计原始矩阵hr(k)，并将矩阵中所有元素值设置为零；

(4b)提取导频信道估计序列hp(l)中的第i个元素hp(li)，其中li为第l个导频的第i个元素，i为元素计数变量，取值为正整数；

(4c)按照导频位置分布序列lp(l)，查询li在基带离散频域回波数据sec(k)中的位置,将该位置设为a；查询li+1在基带离散频域回波数据s′ec(k)中的位置，将该位置设为a'；

(4d)将整体信道估计原始矩阵hr(k)中位置a到位置a'-1之间所对应的元素值均设置为hp(li)；

(4e)重复(4b)到(4d)步骤，对整体信道估计原始矩阵hr(k)中每个元素值进行设置，得到赋值后的整体信道估计矩阵h(k)。

步骤5、对回波信号进行均衡。

利用整体信道估计值h(k)对变换后的基带离散频域回波数据sec(k)进行均衡处理，得到均衡后的频域回波数据

步骤6、获取原始通信序列。

由于雷达接收机输出的基带离散回波数据sec(n)中缺少脉冲压缩所需的参考信号，导致不能直接进行后续的雷达处理，因此需要先对均衡后的频域回波数据进行通信解码，得到原始通信序列sc，其实现如下：

(6a)将均衡后的频域回波数据向后延迟一个数据单元，并在空余位置处补零，得到延迟后的频域回波数据

(6b)对延迟后的频域回波数据进行共轭运算，得到延迟共轭频域回波数据

(6c)将延迟后的频域回波数据与延迟共轭频域回波数据的对应元素逐个进行乘法运算，得到解码结果序列sc′；

(6d)对解码结果序列sc′中的每个元素进行判决：当解码结果序列sc′中元素的模值大于π/2时判定为1，小于等于π/2时判定为0，得到全部元素的判定结果，即原始通信序列sc；

步骤7、利用原始通信序列sc、导频预值vp(l)以及导频位置的分布序列lp(l)来构建参考信号sre(n)。

(7a)构造长度为m的参考信号原始序列sr(n)，并将该序列中所有元素值设置为零；设参考信号原始序列sr(n)的索引为mr，设原始通信序列sc的索引为mc，设导频预值vp(l)的索引为mp，并设这三个索引的初始值都为1；

(7b)判断参考信号原始序列的索引mr是否在lp(l)中：

若mr不在lp(l)中，则先将第mc个原始通信序列sc对应的元素值放置到mr对应的零矩阵sre(n)中，再对mc以及mr的值分别增加1；

若mr在lp(l)中，则将第mp个导频预值vp(l)对应的元素值值放置到mr对应的零矩阵sre(n)中，再对mp以及mr的值分别增加1；

(7c)重复(7b)，对参考信号原始序列sr(n)每个元素值进行设置，得到赋值后的参考信号序列sre(n)。

步骤8、利用参考信号sre(n)对基带离散回波数据sec(n)进行脉冲压缩处理。

(8a)对参考信号sre(n)进行共轭运算，得到参考信号sre(n)的频域共轭

(8b)将基带离散回波数据sec(n)与参考信号sre(n)的频域共轭相乘，并进行傅里叶逆变换，完成脉冲压缩处理。

本发明的效果可通过以下仿真进一步阐述。

1.仿真条件：

仿真设定雷达通信一体化系统的工作载频为10ghz，信号带宽为20mhz，脉冲宽度为30μs，脉冲重频为10khz，在仿真场景中设置四个目标，各个目标之间的间隔为166.7米，设置第二个目标所在位置为中心位置，雷达通信一体化系统与中心位置相距10km，雷达通信一体化系统相对于目标群以300m/s的速度作切向运动，通信信息随机生成，通信编码方式采用2dpsk方式进行编码。

2.仿真内容：

仿真1：在上述仿真条件下，改变信噪比，仿真在不同信噪比下一体化系统误码率的变化情况，结果如图2所示。从图2中可以发现，随着信噪比的提高，一体化系统的误码率逐步下降。将一体化系统的误码率与理论的2dpsk误码率对比可得，一体化系统能保持较低的误码率，从而可有效地传输通信信息。

仿真2：在上述仿真条件下，仿真当信噪比为20db时，基带离散回波脉冲的脉冲压缩情况，结果如图3所示。从图3中可以发现，利用本发明重建的参考信号能够很好的实现脉冲压缩处理。在图3中，基带离散回波脉冲经过脉冲压缩处理可检测到四个目标，与仿真场景设定的目标数吻合。同时，对检测目标对应的采样点数进行理论计算，与仿真场景设定的各个目标位置一致。此外，经过脉冲压缩处理的基带离散回波脉冲，其主副瓣之比普遍超过了13db，雷达通信一体化机载平台系统的性能能够保持，不存在明显的损失。