周正春,刘冰等 | MIMO通信雷达一体化系统中的多普勒容忍波形设计

研究意义

雷达探测与无线通信作为两个独立发展的学科具有各自的硬件平台且分别占用不同的频谱资源。随着雷达和通信对频谱资源需求的持续扩张，频谱资源日渐紧张。为了高效利用频谱资源，学术界和工业界提出了通信雷达一体化的解决方案。通信雷达一体化系统需要实现雷达探测与无线通信功能的深度融合，而一体化波形作为其中重要一环，对一体化系统的性能和功能具有重要影响。多入多出(MIMO)天线技术在一体化系统中不仅可以提高雷达的探测性能，还可以使得通信系统受益于其空间分集增益，提高通信传输性能。

在实际应用中，待探测目标一般为运动目标，其产生的多普勒效应将使目标回波发生相位偏转，从而导致匹配滤波器失配，严重影响雷达脉压性能。因此，设计具有多普勒容忍性的MIMO通信雷达一体化波形尤为重要。

图 1 通信雷达一体化系统框图

本文工作

为了解决上述问题，本文在脉冲体制下提出了一种基于周期/奇周期零相关区(ZCZ/ZOCZ)序列集的MIMO通信雷达一体化波形设计方案。通过对发射波形和接收滤波器合理的设计，将目标回波信号与滤波器信号的非周期相关转为周期/奇周期相关，即使目标回波信号受到多普勒影响发生相位偏转，经过脉压后的信号在零相关区内也具有极低的距离旁瓣。在通信端，每个脉冲重复间隔(PRI)内发射的ZCZ/ZOCZ序列集可作为通信前导信号用于通信信道估计。

本文的创新点如下：

(1) 提出了两种奇周期完备序列集与一种奇周期零相关区序列集的构造方法。

(2) 基于获得的周期/奇周期ZCZ序列集提出一种MIMO通信雷达一体化波形设计方案。该波形利用ZCZ/ZOCZ序列集在零相关区内具有完美的相关性，使得目标回波在零相关区内的脉压输出不受多普勒的影响实现较好的脉压性能。此外，基于最小二乘法，ZCZ/ZOCZ序列集在MIMO通信端可实现最优的信道估计。

实验结果

为了验证所得一体化波形的有效性，作者进行了一系列仿真测试。不同MIMO波形的自模糊函数与互模糊函数如图2所示，实验结果表明所提出的MIMO一体化波形在零相关区内的模糊函数性能更优。采用不同序列的MIMO信道估计性能如图3所示，实验结果表明基于ZCZ/ZOCZ的信道估计可以达到最小的均方误差，实现最优信道估计。