联合雷达和通信
2024-09-01
雷达技术基本概念和应用
雷达系统的基本工作原理是将无线电波发射到空中，然后观察接收到的信号 (从目标物体反射)，以确定物体的特征，例如距离，方向，速度，形状甚至材料。因此，雷达系统可以在军事任务 (例如，检测飞机、船只、间谍无人机 (UAV) 和航天器) 和民用 (例如，机器人、自主车辆和地形探索) 中找到许多应用。
目标识别和雷达范围
Radar parameter
\(R=\frac{c\Delta T}{2}\), \(v=\frac{\sqrt{R_{1}^{2}+R_{2}^{2}-2R_{1}R_{2}\cos\alpha}}{|t_{1}-t_{2}|}\)
Radar range
\(P_r=\frac{P_tG_tG_r\lambda^2\sigma F^4}{\left(4\pi\right)^3R^4}\)
Range resolution
\(\Delta R=\frac{c\tau}2\), \(\Delta V=\frac{c}{2f_{c}T_{c}},\)
Ambiguity function
\(\mathcal{X}(\beta,f_D)=\int_{-\infty}^{+\infty}s(t)s^*(t-\beta)e^{i2\pi rf_D}dt\)
联合雷达-通信方法
基于频分的方法: 这是JRC系统最简单的方法。具体来说，要同时使用雷达和通信功能，它们将被分配为在分开的天线上运行并以不同的频率传输。
基于时分的方法: 这也是用于将两个功能 (即，雷达和通信) 组合到一个系统中的简单解决方案。这种方法的关键思想是使用开关来选择和控制这两个功能的操作。特别是，对于这种方法，交换机将负责分别控制通信和雷达功能的操作。
双功能雷达通信系统: 这是JRC系统中使用的最流行的方法，尤其是在自治系统中，这主要是由于其出色的功能，例如低成本和频谱使用优化。这种方法的核心思想是将两种功能集成在相同的信号上进行传输。
FFCW 信号
发射信号为：\(s_{\mathrm{T}}(t)=A_{\mathrm{T}}\cos\biggl(2\pi f_{c}t+2\pi\int_{0}^{t}f_{\mathrm{T}}(\tau)d\tau\biggr)\)
接收信号为： \(\begin{aligned} s_{\mathrm{R}}(t)& =A_\text{R}\cos\Bigg(2\pi f_c(t-t_\text{d})+2\pi\int_0^tf_\text{R}(\tau)d\tau\Bigg) \\ &= A_{\mathrm{R}}\cos\biggl\{2\pi\biggl(f_{c}(t-t_{\mathrm{d}})+\frac{B}{T}\biggl(\frac{1}{2}t^{2}-t_{d}t\biggr)+f_{\mathrm{D}}t\biggr)\biggr\} \end{aligned}\)
FFCW 信号
经过混频，中频信号为：\(s_{\text{IF}}(t)=\frac{1}{2}\cos\biggl(2\pi f_c\frac{2R_0}{c}+2\pi\biggl(\frac{2R_0}{c}\frac{B}{T}+\frac{2f_cv}{c}\biggr)t\biggr)\)
并且 \(v=\frac{(f_\mathrm{bu}+f_\mathrm{bd})c}{4f_c}\)，\(R_0=\frac{(f_\text{bu}-f_\text{bd})cT}{4B}\)
OFDM 信号
发射信号为：\(\begin{aligned}s(t)&=\sum_{\begin{array}{c}n=0\\\end{array}}^{N-1}\sum_{\begin{array}{c}m=0\\\end{array}}^{M-1}x_{m,n}\text{rect}(t-nT_\text{o})\times e^{j2\pi m\Delta f(t-T_\text{cp}-nT_\text{o})},\end{aligned}\)
JRC系统的潜在应用
基于通信信号的方法
基于OFDM的方案
基于通信信号的方法
基于OTFS的方案
基于雷达信号的方法
基于跳频的方案
基于时分复用的方法
基于波束成形的方法
这种方法通常用于共存的雷达和通信系统。关键思想是将雷达信号投射到其通信接收机信道的零空间中。
多天线JRC系统
其中多天线BS将数据发射到下行链路用户，同时在相同毫米波信道上同时检测多个雷达目标。为了最小化通信和雷达波束成形误差的总和，作者制定了一个加权波束成形器设计问题，该问题受非凸恒模约束和发射功率预算的约束。
多天线JRC系统
与上述考虑共定位天线的工作不同，[122] 的作者考虑了一个通用的分布式DFRC系统，该系统同时服务于多个信号天线发射机，并检测具有空间分离的发射和接收天线的多个目标，如图14所示。设计目标是分别根据cramer-rao边界 (CRB) 和Shannon的容量实现定位精度和通信速率。为此，作者提出了一个问题，该问题确定了分布式DFRC发射机的功率分配，以最大程度地减少均方定位误差，同时要满足多个接收机的目标通信速率要求。作者证明了所提出问题的凸性，并采用标准的注水算法来获得最佳的功率分配解决方案。
多天线JRC系统
参考文献1 考虑由RF能量收集2 供电的DFRC发射器。具体地，DFRC发射器首先从无线功率信标采集RF能量，然后用作JRC基站。目标是在雷达和通信性能的约束下最小化功率信标的发射功率。
CRC系统的功率分配
CRC系统中的功率分配: 其中通信子系统在与雷达子系统相同的频带上操作，这显著提高了频谱效率。参考文献1考虑具有单个通信用户和雷达的CRC系统。为了使雷达SINR相对于受下行链路通信速率和功率限制的单个目标最大化，作者提出了一个问题，该问题确定了通信的发射协方差矩阵，雷达的发射预编码器，以及雷达子采样，以相对于下行链路通信速率和功率约束最大化雷达SINR。通过顺序凸规划技术解决该问题。