多载波的无人机探测与通信技术思考论文

０引言

　　UAV在阿富汗战场的成功促进了无人机的发展和应用。美国空军PredatorProgram项目给出了无人机在典型战场环境中的任务和功能，包括侦察、监视、目标截获、信息传输等。实际军事应用中，无人机的功能还可有电子战、战斗评估、通信中继、指挥控制、协同作战等[1]。基于无人机的自身和功能特点，可发现：其体积和承载的设备有限，需要装载的设备尽可能地整合功能，体积小、处理速度快，功耗低;因是在高杂波环境中对低速目标进行探测和跟踪，脉冲多普勒体制不一定适用，需应用宽带体制，从时域实现杂波抑制和目标识别，但频率脉冲步进等宽带体制处理要求长时间的脉冲积累才能达到大带宽，实现距离高分辨，故必须采用新的宽带雷达探测波形;由于存在大量的图像等战场环境和态势信息，需要实现高速信息传输和通信，同时还要考虑多路径、杂波等恶劣信道的影响;需要多点通信，实现指令传输和协同作战。针对无人机使用环境、自身特点和功能需求，可通过探测与通信联合设计以降低系统体积、功耗与成本，其中正交频率复用(OFDM)技术成为了研究热点。文献[2]提出将OFDM通信技术用于MIMO雷达，并加入了频率捷变技术以实现频谱共用，但仅给出了将MIMO雷达系统与OFDM结合的大体模型;文献[3]研究了将OFDM通信技术用于雷达网络的可行性，但并不全面;文献[4]提出将OFDM通信与MCPC雷达技术结合用于组建双用的成像雷达和通信系统，但只给出了基于OFDM技术的一般雷达成像结果;文献[5]研究了将LFM信号实现多功能探测通信系统，但由于LFM雷达信号会引起距离多普勒耦合，并非探测系统的首选，在通信领域LFM调制方式也并非通信的理想方案。在国内，多所高校对无线探测网络技术进行了研究，但多以通信协议、定位算法研究为主，未见探测通信体系创新的报导[6-12]。探测与通信系统的联合设计需综合考虑探测和通信两个方面。对探测，探测波形设计决定了探测的精度，以及可否兼容宽带探测、极化等技术满足复杂工作环境的需求;对通信，在满足探测需求的同时，需满足复杂环境中高速通信的要求。两种应用需求的无缝连接是联合设计中的要点。为此，本文基于正交频率复用技术，以多载波相位调制(MCPC)雷达探测信号为依据，对雷达探测与通信联合设计和雷达探测波形设计进行了研究。

１雷达探测与通信联合设计

　　1.1功能模块组成

　　无人机功能包括自身定位、环境监测、目标探测和高速通信等。无人机探测与通信联合设计有GPS功能、传感器组、用户交互接口和中央控制器、发射机、信号处理单元、接收机、收发开关，以及正交极化天线8个功能模块，其组成如图1所示。具体如下。a)GPS模块用于无人机获取自身位置信息。b)传感器组为无人机的扩展功能，可涉及摄像机或红外成像传感器。c)交互接口和中央控制器为无人机用户接口，完成相关工作参数设置等，如设定MCPC雷达采用的波形、极化类型、频率捷变的类型与参数，数据通信的调制方式等。d)发射机模块包括GPS信号处理、传感器组数据处理、MCPC雷达信号发生器、交互数据及指令单元、数据打包成帧与自适应调制、极化分路和调制器组7个功能部分。其中：GPS信号处理部分处理由GPS功能模块获得的卫星信号，实现无人机自我定位;传感器组数据处理部分处理由传感器组测得的信号，送发射机打包成数据帧传送;MCPC雷达信号发生器根据用户交互接口和中央控制器设定的MCPC雷达信号参数、极化类型、频率捷变类型等产生同时极化频率捷变MCPC雷达探测信号;交互数据及指令单元对交互接口需要发射的信息或指令进行编码和压缩等处理，用于发射;数据打包成帧与自适应调制部分按帧结构打包输入数据，并由中央控制器采取正交频率复用的方式进行调制，自适应控制调制阶数以备传输之用;极化分路部分将数据打包成帧与自适应调制模块的输出信号分成两路并根据用户交互接口和中央控制器设定的极化类型确定信号间的相位差;调制器组将极化分路模块产生的两路信号直接调制至射频，并传输至开关控制器用于正交极化天线发射[13]。在中央控制器控制下，数据打包成帧与自适应调制部分将GPS信号处理模块的处理结果、传感器组数据处理模块的处理结果、MCPC雷达信号发生器产生的MCPC雷达波形，连同交互数据及指令打包成数据帧结构，并采取自适应调制方式调制，调制结果将根据极化类型，由极化分路部分分成两路，两路信号再由两组调制器直接调制至射频经收发开关传输至正交极化天线发射。e)信号处理单元包括MCPC雷达信号处理、交互数据处理、定位和导航处理、系统工作性能和干扰分析处理、数据库共5部分。其中：MCPC雷达信号处理模块可完成MCPC雷达探测器目标探测，获得目标的距离、速度等信息，同时对通信目的MCPC雷达信号处理模块又能起到时间和频率同步作用，并可实现信道估计，提高通信质量;交互数据处理模块用于对接收机接收到的信息或指令进行解码和解压缩等处理，并转换格式便于用户交互接口识别;定位和导航处理模块在GPS卫星信号较好时，由GPS信息处理模块所得的自身位置信息，结合数据库系统保存的电子地图，根据用户需求选择最优路径并实时导航，在GPS卫星信号较差时，GPS信息处理模块无法实现基站自我定位，则以协同作战模式，由其它无人机得到的信息结合MCPC雷达探测数据确定自身方位，完成导航等功能;系统工作性能和干扰分析处理模块结合极化判别模块分析干扰信号类型、干扰与信号的能量比，以此作为MCPC雷达探测器参数设置和OFDM通信系统信号自适应调制方式设定的依据;数据库用于存储网络中所有无人机的方位和通信记录，探测到目标的距离、速度信息，电子地图等以备查阅使用。f)接收机模块主要由极化判别模块和解调器组组成。极化判别模块用于判断接收信号极化类型，或在给定的极化类型状态下接收信号。解调器用于将正交极化天线经开关控制器的信号直接由射频变为中频，出于小型化的目的，可采用零中频结构。g)收发开关用于系统在发射状态下将天线与发射机连接而隔离接收机，反之在接收状态下将天线与接收机连接而隔离发射机。h)正交极化天线用于发射或接收两路正交极化信号。