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雷达通信融合系统中基于数字波束形成的DOA估计研究

雷达通信融合系统中基于数字波束形成的DOA估计研究

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作者：马娟湖南大学

学位级别：硕士

雷达通信融合系统是一种在信号、射频前端和天线层面将雷达和通信系统功能融为一体的智能信息系统,可被广泛应用于智能交通、移动通信、传感网、武器装备等应用领域。本文主要研究车联网环境下的雷达通信融合系统的DOA估计问题,并将数... 详细信息

雷达通信融合系统是一种在信号、射频前端和天线层面将雷达和通信系统功能融为一体的智能信息系统,可被广泛应用于智能交通、移动通信、传感网、武器装备等应用领域。本文主要研究车联网环境下的雷达通信融合系统的DOA估计问题,并将数字波束形成和DOA估计结合起来,可兼顾系统在通信和雷达感知两方面的性能。(1)在分析几种经典数字波束形成算法与DOA估计之间的关系的基础上,提出了一种基于SS-LLMS数字波束形成算法的DOA估计。该方法先通过非线性函数提取信号子空间的分量,接着利用SS-LLMS算法估计权值矢量,利用估计的权值矢量形成方向图,其峰值位置与所估计的DOA相对应。仿真实验结果表明,与CAPON算法和MUSIC算法相比较,基于SS-LLMS算法的DOA估计方法具有更高的分辨率。(2)根据子阵波束形成相关理论,给出另外一种基于子阵波束形成的快速DOA估计方法,与上述算法相比,可以进一步减小基于数字波束形成算法的DOA估计方法的复杂度。首先,通过比较分析最大重叠子阵和共轭子阵的旋转不变性,采用更适合OFDM信号的最大重叠子阵进行数字波束形成;其次,通过两个最大重叠子阵结构将接收信号分解为两路信号,对其中一路信号进行降维处理后,通过计算权值系数和降维矩阵估计出权值矢量,并将该权值矢量传递给另一路信号;最后,利用导频信号估计出相位偏移,并从相位偏移中估计出DOA。仿真实验结果表明,基于子阵数字波束形成的DOA估计方法具有更低的复杂度和更高的分辨率。

关键词：车联网雷达通信融合系统数字波束形成 DOA

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雷达通信融合系统中基于稀疏重构的测距测角研究

雷达通信融合系统中基于稀疏重构的测距测角研究

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作者：张贝芮湖南大学

学位级别：硕士

雷达通信融合系统能够实现雷达探测功能和无线通信功能的融合,广泛应用于车载通信、无线传感网络以及电子对抗等领域。应用于车载通信环境下的雷达通信融合系统,与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术... 详细信息

雷达通信融合系统能够实现雷达探测功能和无线通信功能的融合,广泛应用于车载通信、无线传感网络以及电子对抗等领域。应用于车载通信环境下的雷达通信融合系统,与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术相结合,旨在实现车车之间的通信,与此同时还能对周围车辆的位置进行感知。在二维平面中,得到目标车辆的距离和方位角就可以初步确定目标车辆的位置,因此,本文旨在研究利用雷达通信融合信号对车辆的距离和方位角进行估计。传统的参数估计方法,如子空间分解类算法,对信噪比和快拍数的要求较高,并且需要信源数作为先验知识。近年来,随着稀疏重构理论的逐渐完善,国内外学者将其运用到信源定位上来,取得了很好地成果。本文在基于雷达通信融合系统的基础上,从稀疏重构的视角来讨论角度与距离的估计问题。(1)研究基于稀疏重构的角度估计问题。l1范数经常被用来对稀疏信号进行稀疏约束,然而它并不是最恰当的稀疏约束,在信噪比较低的情况下,利用l1范数方法重构的空间谱会出现伪峰,使得估计性能下降。针对这一问题,本文提出一种新的加权l1范数角度估计方法,通过最大特征向量来构造稀疏模型,能够减少计算复杂度,同时在信源数估计错误的情况下,也能精确估计。另外设计了基于特征向量的加权矩阵,促进了l1范数的稀疏性,提高了角度估计精度。(2)研究基于稀疏重构的角度距离联合估计问题。对于多参数的稀疏重构,直接构造二维字典矩阵,会包含许多冗余信息,从而使重构时计算复杂度显著增加。针对这一问题,本文利用OFDM信号可由离散傅里叶变换实现的特性,将阵列接收信号变换到频域,并通过点除来得到包含角度与距离的参数矩阵,再对参数矩阵进行预处理,将角度与距离分离,使得二维字典矩阵转换为一维字典矩阵,减少了计算的复杂度。仿真实验表明,本文提出的估计算法满足车辆定位的精度需求,且具有高分辨率、强噪声鲁棒性及适用于相干信号的优点。

关键词：车载通信雷达通信融合系统稀疏重构 OFDM DOA 距离

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OFDM雷达通信融合系统设计与性能验证

OFDM雷达通信融合系统设计与性能验证

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作者：吴捡波华中科技大学

学位级别：硕士

雷达系统和通信系统无论是民用领域还是军用领域都有着非常广泛的应用前景。随着信息化技术的快速发展,为缓解频谱资源紧张问题,减少多功能平台设备的冗余,设计雷达通信融合系统必将成为研究热点。雷达通信融合系统将雷达和通信集成在... 详细信息

雷达系统和通信系统无论是民用领域还是军用领域都有着非常广泛的应用前景。随着信息化技术的快速发展,为缓解频谱资源紧张问题,减少多功能平台设备的冗余,设计雷达通信融合系统必将成为研究热点。雷达通信融合系统将雷达和通信集成在同一硬件平台,结合软件无线电技术,同时实现雷达探测和无线通信的功能。设计融合系统可以节省平台空间、成本和功耗,减少设备间的干扰,提高频谱利用率,还可以提升平台的协同工作能力等。其中,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号作为融合系统的共享信号,有着高频谱利用率,低函数旁瓣,抗多径杂波干扰等优点,在通信和雷达两方面都有广泛应用。因此,本文开展了基于OFDM信号的雷达通信融合系统设计的研究工作,先设计OFDM共享信号,接着搭建硬件实验平台,然后分别给出雷达和通信信号处理方案,并通过硬件平台实测,验证融合系统的雷达探测和无线通信性能。首先,介绍了融合系统设计的思路及总体框架。总体框架主要包括OFDM共享信号设计、硬件实验平台搭建、雷达和通信信号处理三部分。其中,OFDM共享信号是参考频分双工长期演进(Frequency Division Duplexing Long Term Evolution,FDD-LTE)的物理层帧结构进行设计,可以提高通信传输的可靠性和雷达探测的隐蔽性。硬件实验平台搭建部分给出了硬件链路示意图和控制程序设计框图,并分析了实验平台的整体工作流程。在雷达信号处理及性能验证方面,首先分析了OFDM信号雷达模糊函数性能,包括其距离分辨率和多普勒分辨率,以及FDD-LTE帧结构对模糊函数的影响。接着分析了基于符号域的模糊函数测距测速方法,但其受限于固有分辨率影响,不利于近距离目标探测。为提升雷达的近距离目标探测精度和分辨率,在OFDM符号域的基础上,提出了基于空间平滑的多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)的雷达测距测速算法,实现对目标的距离速度超分辨估计。在仿真验证的基础上,通过硬件平台USRP RIO-2943R进行户外实测,验证了雷达一维超分辨估计性能。实验结果表明,基于空间平滑的一维超分辨算法能正确地估计出两个距离差小于固有分辨率的目标距离信息。在通信信号处理及性能验证方面,首先分析了融合系统的无线通信性能,包括通信传输速率和误码率。接着分析了通信接收端的时间同步、载波频率同步、信道估计与均衡等处理方法,其中载波频率同步基于循环前缀和导频信号,采用了最大似然估计方法,估计精度能到达10,而信道估计基于导频信号采用了计算复杂度低的最小二乘法。在仿真验证的基础上,通过硬件平台户外实测,验证了无线通信性能。实验结果表明,通信端的同步、信道估计与均衡等处理算法是可靠有效的,同时共享信号的传输距离加大和调制阶数增多也会导致通信误码率增加。最后,总结了本文的主要研究工作及成果,根据前期研究发现的不足给出了后续工作展望。

关键词：雷达通信融合系统软件无线电 OFDM MUSIC 超分辨估计载波频率同步

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