论文总字数：38228字

摘 要

近年来，无人机系统在民用和军事领域都得到了极大的发展，因此如何避免碰撞也成为了更加关注的问题，为了提高无人机系统的综合防碰撞性能，我们采用雷达通信的综合发射系统，达到发射单个波形却可以实现两种不同功能的效果。

本文通过MATLAB仿真进行了雷达通信一体化的信号波形设计与传输过程，在通信系统中，对信号传输过程进行仿真，选择合适的调制方案，在噪声影响的情况下，计算误码率，分析传输性能。在雷达系统中，模拟雷达的回波信号，并对雷达的回波信号进行仿真分析，计算距离，速度，方位角等信息，以此设计防碰撞模型，并和传统防碰撞方案进行了比较，所得结果对于无人机防碰撞方案具有重要的指导意义。

论文主要研究了雷达与通信联合的无人机防碰撞算法，采用OFDM信号作为一体化信号，对设计的无人机防碰撞方法进行仿真分析，并与传统方案进行比较。研究结果表明，与传统的防碰撞方案比较，采用雷达与通信联合的策略，可以进一步地提高防碰撞系统的准确性。

关键词：雷达通信一体化；防碰撞算法；OFDM信号；波形设计

Abstract

In recent years, UAV system has been greatly developed in civil and military fields, so how to avoid collision has become a more concerned problem. In order to improve the comprehensive anti-collision performance of UAV system, we adopt the integrated transmitting system of radar communication to achieve the effect of transmitting a single waveform but realizing two different functions. The research results show that the accuracy of anti-collision system can be further improved by using the joint strategy of radar and communication compared with the traditional anti-collision scheme.

In this paper, the signal waveform design and transmission process of radar communication integration are carried out by MATLAB simulation. In the communication system, the signal transmission process is simulated, the appropriate modulation scheme is selected, the bit error rate is calculated and the transmission performance is analyzed under the influence of noise. In the radar system, the radar echo signal is simulated and analyzed, and the distance, velocity, azimuth and other information are calculated to design an anti-collision model, which is compared with the traditional anti-collision scheme. The results have important guiding significance for UAV anti-collision scheme.

UAV anti-collision algorithm based on radar and communication is mainly studied. The OFDM signal is used as the integrated signal, and the designed UAV anti-collision method is simulated and analyzed, and compared with the traditional scheme. The research results show that, compared with the traditional anti-collision scheme, the accuracy of the anti-collision system can be further improved by adopting the strategy of combining radar with communication.

Key words: radar communication integration; anti-collision algorithm; OFDM signal; waveform design

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究的主要内容 4

1.4 本文的组织结构 4

第2章 一体化波形的设计 5

2.1 雷达与通信一体化波形设计方法 5

2.1.1 波形复用方式 5

2.1.2 波形设计原则 5

2.1.3 波形性能界限 6

2.2 OFDM 信号 7

2.2.1 OFDM 信号原理 7

2.2.2 OFDM信号的模糊函数 9

2.2.3 OFDM信号峰均比 11

2.2.4 OFDM波形性能分析 13

2.3 本章小结 13

第3章 无人机背景下的雷达通信一体化 14

3.1 雷达通信一体化在无人机中的应用 14

3.2 通信系统设计 18

3.3 雷达系统设计 20

3.4 雷达与通信一体化设计可行性 23

3.5 本章小结 24

第4章 无人机防碰撞方法的设计 25

4.1 雷达与通信联合的无人机防碰撞方法的详细设计 25

4.2 变速不变向的无人机防碰撞设计 27

4.3 变向不变速的无人机防碰撞设计 30

4.4 本章小结 34

第5章 系统测试 36

5.1 系统测试方法介绍 36

5.2 雷达通信一体化系统的功能测试 37

5.2.1 通信系统功能测试 37

5.2.2 雷达系统功能测试 40

5.3 防碰撞系统测试 41

5.3.1 变速不变向 41

5.3.2 变向不变速 43

5.4 本章小结 44

第6章 总结与展望 45

参考文献 46

致谢 48

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

根据资料显示，在美国的军事系统中由于对无人机的管制措施不够完善而且与其他飞行器缺少信息互换，因此无人机经常侵入其他无人机或者飞行器的安全范围，进而产生了威胁。随着美军大量部署无人机组织作战网络，导致空域可用范围大大减小，已经产生了一些无人机碰撞事故。例如，2005年由于美军无人机误入空军侦察机领域，与侦察机发生碰撞，飞行员无一幸存。这是由于当今的无人机仅仅依靠雷达感知，感知周围环境的能力较弱，使得无人机探测出现盲区，导致事故的发生。诸如此类的无人机碰撞事故还有很多，每次无人机碰撞事件都会造成非常严重的后果。

近年来，无人机系统在民用和军事领域都得到了极大的发展，因此如何避免碰撞也成为了更加关注的问题，当今的无人机上都安装有应用程序，这些应用程序通常实时监控，并将相应的数据转发到一个中央平台，以实现有效的及时响应，在通信层面提出了防碰撞措施，包括自动依赖监视广播(ADS-B)和交通避碰系统(TCAS)在内的多种避碰机制来报告无人机的实时GPS位置。

同时，在雷达层面上，也有相关防碰撞的措施，首先需要从雷达上收到感知信息，然后进行分析计算，然后根据分析的结果采取具体的规避措施，当前的无人机感知技术广泛采用视觉感知技术，常常和各种图像处理技术相结合，进而实现避障功能。将地面成像系统和机载视觉检测系统组成基于视觉的感知避免系统，从而实现碰撞避免、入侵检测、机动控制等任务。

随着电子信息技术的发展，在无人机平台系统上需要搭载各种各样的终端设备，其中就包括通信和雷达设备、感知扫描设备、抗干扰设备等，这样做的优点在于可以在单一平台上,实现各种各样的功能，使无人机更加全面化和系统化，实施各种任务时也可以独立完成。同样的，将所有终端设备集成在单一无人机平台系统上也存在着许多缺点。例如，无人机上的空间有限,如果集成设备过多，则会占用大量的空间资源。除此之外各个电子系统之间可能会存在干扰，影响雷达的基本探测功能，进而影响无人机的综合能力，使得防碰撞系统性能也大大减弱，导致无人机的安全性降低。

随着我国综合实力的提高，在当今通信电子和计算机网络技术的迅速发展条件下，以前传统的无人机作战系统平台影响力正在慢慢衰减，在新型电子战场上已经慢慢退出了舞台。为了提高无人机系统的综合性能，我们需要采用雷达通信的综合发射系统，通过共用频谱资源，来达到发射单个波形却可以实现两种不同功能的效果。这样做不仅节省了空间，而且对于频谱利用率有着显著的提升。为了实现一体化系统设计，我们需要创造出一种能够兼容雷达设备和通信设备的理论模型。采用雷达通信一体化信号使得无人机既能完成信息传输的功能,又能够在战场上对目标物体进行探测完成雷达的功能，同时对于防碰撞性能有着极大的提高。因此，提出设计雷达通信一体化的系统，能够既实现雷达性能的最优化，又能够提升通信性能在信息化战场上效能，提升系统作战能力，同时还对基础的防碰撞性能有了很大的加强。

1.2 国内外研究现状

1960年，Randall首先提出了雷达通信的观点，设计了一种将通信码元序列调制在雷达脉冲上的单向通信模型^[6]。到了1975年，美国的一篇专利文章中提出了利用不同的脉冲频率来记录信息这一观点，采用直接在雷达系统上实现信息传输功能，在雷达接收机上进行数据的接收的方式，但现代通信数据速率的要求较高,在此条件下，直接的雷达通信并不能满足要求，在此之后，由于电子信息发展速度变缓，很长的一段时间里雷达通信集成的研究并没有得到较大的进展。2003年，M.Roberton提出了一种基于LFM技术的雷达综合系统，在通信系统中，采用上调频的线性调制频率连续波发射，在雷达系统中，使用下调频的线性调制频率脉冲发射，以这种方式替代分别发送雷达波和通信波的方式，进而避免在接收时雷达和通信波形的互相干扰，但导致的后果是通信速率较低，不仅如此，通信分割了雷达波形的发射功率，从而削弱了雷达系统的性能，导致雷达探测功能受到了影响。

2006年，S.J.Xu等人提出了新的设计雷达通信综合波形的设计方法，就是采用直接扩频序列的技术。其本质上是利用PN序列的正交性,来进行两种波形的区分^[7]。但是由于伪随机序列对多普勒频移非常敏感，导致在高速移动平台上的表现不太良好，无法广泛使用。2007年，荷兰的Peil.Barrenechea建议将调频连续波的雷达波形的幅度进行调制^[8]，来产生一种新的调频与调幅波形，通过在该信号的幅值上加入通信序列进行调制，但因为在相位场雷达中，功率放大器在非线性领域工作，而幅度调制信号的幅度变化很大，使雷达的性能受到了影响。此外，M.Jmail等人提出使用Oppermann序列代替PN序列，但Oppermann序列的实现相比PN序列更为复杂，使系统的稳定性受到影响，不利于进一步地发展。

在国内，李晓柏等人提出了一种初始频率不同、调制频率相似的线性调频信号，接收机根据能量聚集的位置有所差异，采用分数阶傅里叶变换的方法对信号进行解调，然而，在瑞利信道中，信道衰落情况严重，信号幅度变化剧烈，系统误码率较高。陈兴波等人以线性调频信号和频移信号为基础，设计了一种具有较好功率谱性能的、恒包络连续相位一体化波形，孙延坤等学者对线性调频调幅信号进行了理论研究^[16]，并通过了严谨的仿真分析过程，结果表明该信号不仅可以达到数据通信的误码率要求，而且在雷达探测方面有着优良的表现。

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