【无人机+SAR成像】《 LFM 防护带中嵌入 QPSK 通信的 SAR 图像形成和无人机天线表征》美国海军2022最新论文

2022 年 9 月 17 日 专知

使用小型无人驾驶飞行器（UAV）进行合成孔径雷达（SAR）成像是一个相当新的、非常有前途的应用。本论文有两个主要内容：a）使用雷达通信波形的SAR成像，以及b）使用无人机的天线特性。正交相移键控（QPSK）调制被嵌入，通过线性频率调制（LFM）信号的防护带将数据传输到SAR的通信接收器。图像是用LFM-QPSK组合信号形成的（也就是说，在雷达接收器中不需要过滤掉通信信号）。我们改变了信噪比和LFM与通信带宽的比率，并研究每个参数如何影响生成的SAR图像。我们还研究了将通信载波从LFM频谱中移开对SAR图像的影响。开发和投入使用系统的下一步是选择天线，并通过无线电频率传输到地面接收器与无人机一起进行模式鉴定。天线特征是通过从无人机发射连续波信号和测量地面上的七元素八木天线的接收功率来进行的。

第一章：引言

雷达自从在第二次世界大战中成为一项关键技术以来，已经有了很大的进步。合成孔径雷达（SARs）被军事和民用组织广泛用于地形学、海洋学和导航领域。它们的遥感和测绘能力几乎可以在任何天气条件下使用，当然也可以在白天和/或夜间使用。线性频率调制（LFM）是一种常见的SAR波形，因为它通过使用高带宽提供了一个非常精细的范围分辨率能力。

这项工作的想法是让雷达从无人机安装的SAR中照亮目标区域，形成SAR图像，同时将数据传输给地面的通信接收器。无人机和其他类型的无人驾驶飞行器（UAVs）被用于许多应用，如：航空摄影、摄像、通信、农作物喷洒、情报收集、监视目标，现在甚至被用作雷达平台。1937年，美国海军开发了柯蒂斯-N2C-2无人机，它是最早的无线电控制飞机之一。在第二次世界大战期间，德国人开发了V-1 Doodlebug，一种装有炸药和脉冲喷射器的无人机。V-1被用来对伦敦进行恐怖轰炸。最近的研究在射频应用中利用了无人机。2019年，作者在[1]中提出利用无人机作为中继节点，接收、解调和重传信号到最终的接收器进行解调和波束成形。文献[2]中的工作试图描述无人机平台和地面用户之间的空对地无线通信，包括在实际的视线和非视线情况下的广泛载波频率，包括蜂窝和Wi-Fi（5GHz）频段。作者在文献[3]中提出开发一种轻型、多模、超高频、超宽带的雷达模块。所提出的设计是基于无人机的操作，因此是低重量、紧凑和易于维护的。它具有低功耗和独立于无人机的电源。

雷达通信频谱共享领域也在不断发展，其中雷达嵌入式通信是一个非常好的例子。SAR基础知识和信号处理算法在几本书中都有很好的阐述，如[4]。[5]和[6]都对频谱共享的主题有很好的介绍。事实上，快速搜索会产生许多最近的作品，但为了简洁起见，这里不能全部加入。一些被引用的作品探讨了改进雷达和数据通信的方法，同时将两者的合作视为一个联合系统，而不是相互排斥。7]中的工作探讨了射频频谱拥堵问题，并提供了提高效率和优化频谱使用的可能方案。8]中的工作探讨了利用脉冲内雷达嵌入的通信信号进行秘密通信。9]和[10]中的工作研究了雷达-通信频谱共享问题，并提出了改善两个系统性能的方法。11]中的工作探讨了使用最小二乘估计器和最大似然检测（MLD）对QPSK雷达-嵌入式通信进行解调，而[12]则将深度神经网络机器学习解调与MLD方法进行比较。

例如，在[13]中，四次相移键控（QPSK）载波被放置在雷达护频中。这种调制方式提供了频谱效率和符号错误率性能的体面组合。通常情况下，由于单向链路传播，通信信号需要的功率比雷达信号小。因此，在大多数情况下，雷达功率与通信功率之比（RCR）是很大的。然而，本论文的重点是利用防护带的优势。我们允许两个通信信号与LFM波形相邻，并使用合并的返回信号来生成SAR图像。在这项工作中使用的基础SAR MATLAB代码来自于M. Richards的 "雷达信号处理基础"[14]。该代码在本研究中得到了扩展。

1.1 目标

这项工作的想法是让雷达从无人机安装的SAR中照亮目标区域，形成SAR图像，同时将数据传输给地面的通信接收器。如图1.1所示，通信接收器可能在目标区域，也可能不在目标区域。通信接收器是[13]中的一个焦点。本论文的重点是雷达接收器。

为了实现合成孔径雷达成像的无人机系统，必须对几个方面进行研究，但我们只关注两个方面。其目的是：a）模拟通信-雷达波形并产生合成孔径雷达图像，以及b）描述可能用于无人机的天线的性能。在第2章至第4章中，我们研究嵌入式通信信号是否会降低或改善SAR图像的形成。在第5章和第6章中，我们用无人机进行实验，将射频信号传输到地面接收器，以表征潜在的候选天线。

图1.1. 无人机安装的SAR通信图示

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