【开题报告】OFDM雷达捷变波形信号处理方法研究与仿真

选 题 的 目 的 和 意 义	随着现代科技的不断发展，汽车在人们生活中的比重越来越大，人们对汽车安全的要求越来越高。据统计，我国每年有近万人死于交通事故，汽车在行驶过程中容易出现车速过快、方向失控、侧滑等问题，随着人们对安全驾车认识的提高，开始利用车载雷达对汽车进行实时监控。智能驾驶可以为构建智能交通系统提供支撑，智能驾驶中的车载雷达的感知能力是必不可少的，车辆通过车载雷达检测周围车辆的距离、速度等信息，但是如果检测出现偏差就会造成车辆距离太近，车辆躲避不及而导致发生事故。因此车载雷达对目标的距离像和速度像的分辨率和精确度就尤为重要。高精度的车载雷达是获取信息的重要方式，雷达通信一体化是未来研究的重要方式。常见的宽带雷达有线性调频连续波信号（LFM）和步进频率信号（SF），被广泛运用于雷达中，但是这两种雷达也存在不足，线性调频雷达对获得目标的位置信息很弱，步进频率雷达信号容易产生距离多普勒耦合。OFDM调制的雷达信号具有良好抗干扰性能、较高的频谱利用率和易于数字化处理等特点，而频率捷变技术使OFDM雷达能够合成更大的带宽，提高分辨率，以达到增强探测性能的目的。研究OFDM雷达捷变技术可以在一定程度上改善现有车载雷达的性能，为车载雷达的研究提供新思路，也可以使车载雷达更加实用和方便。因此，研究OFDM雷达捷变波形信号处理方法具有重要意义。
国 内 外 研 究 现 状 及 存 在 的 问 题	雷达成像需要有高灵敏度和分辨力探测和跟踪目标时对周围环境条件的响应能力。毫米波雷达有探测精度高、探测距离远和环境适应能力强的优点，且成本较低、技术比较成熟率先成为智能驾驶系统主力传感器，可以支持高精度目标检测与成像。 毫米波雷达发射信号通常分为步进频率和线性调频两种信号。步进频率信号（SF），具有发射信号中心频率可快速跳变的频率综合器，SF信号可以获得较大带宽，且具有较窄的瞬时带宽，易于工程实现。但是步进频率信号存在着距离与多普勒耦合问题，导致重建一维距离像发生散焦，降低对目标的识别能力。线性调频信号（LFM），也叫Chirp信号，是一个频率随着时间线性增加的正弦波，LFM信号具有较好的脉冲压缩特性，自相关性较好，在增大射频脉冲宽度、提高平均发射功率、加大通信距离同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。但是其频率比较低，且存在距离与多普勒耦合的问题。LFM信号和SF信号都存在距离与多普勒耦合问题，无法同时获取目标成像的高距离与速度分辨率。正交频分复用（OFDM）信号具有图钉状模糊函数，具有距离高分辨和多普勒高分辨，不存在距离与多普勒耦合，是LFM信号和SF信号不具备的。OFDM雷达具有距离分辨率和速度分辨率高、频谱利用率高、抗干扰能力强等优点，适合车载雷达应用。但仍存在对相位噪声和载波频偏敏感，容易带来衰耗，峰值平均功率比较大的问题。频率捷变技术可以加大探测距离，提高测角精度，具有优异的低截获和抗干扰性，但是它也有一定的局限性。将频率捷变技术引入OFDM雷达能够合成更大的带宽，提高频谱利用率，具有更高的距离分辨率，提升车载雷达的性能。OFDM雷达的频谱利用率高可以避免在有干扰的情况下采用调频连续波雷达时产生的频率丢失的问题，大大提升车载雷达对目标的检测能力。 许多国家的学者从不同的角度对OFDM雷达进行了研究。最早的关于OFDM雷达的文章是1998年发表的。近年来，越来越多关于OFDM雷达的文章不断出现，主要从OFDM雷达的脉冲压缩、多普勒处理、信号处理、波形设计及雷达系统设计等方面进行研究。 在国外，有学者提出基于雷达和无线通信系统的多模式OFDM信号。Franken G E A从多普勒容限的角度对编码OFDM雷达信号进行了研究。Junqi D提出OFDM信号的三种多普勒频率的处理方法实现了对目标径向速度的准确估计。TigrekR F提出一种使用OFDM波形来获取动目标的距离和多普勒的方法，当脉冲重复频率过低时，需要进一步对多普勒解模糊。德国学者研究了MIMO-OFDM体制雷达，利用收发天线的相位差，采用多重信号分类算法对目标进行波达方向的高分辨估计，实现了目标的空间定位。Lellouch等人就OFDM脉冲串信号展开研究，将子载频分为两部分，分别对其进行多普勒处理和频率捷变，提高了信噪比。 在国内，虽然起步较晚，但是也有很多高校对OFDM雷达进行探索。相关学者主要从OFDM雷达之间的耦合机制、系统复杂度等方面考虑研究。南京理工大学对OFDM雷达的低截获特性进行了研究。霍凯研究OFDM雷达信号如何对微动目标特征进行提取，对合成目标高分辨距离像原理进行研究。顾陈等人研究了如何对OFDM雷达信号进行处理和检测。房炫伯等人研究基于凸优化的OFDM信号峰均比抑制算法。大连科技大学的Lin等人充分利用I-OFDM体制的载频间的正交性，将改信号运用于均匀线性阵列MIMO雷达中。 频率捷变技术是指单个信号的载频按照随机或者固定的方式在随时间变化，它是当前实现频域抗干扰最有效的手段，凭借着优越的干扰抑制性备受关注。频率捷变技术的研究最初在1968年。在国外，Axelsson S.R.J.等人对随机频率步进信号随机旁瓣噪声的统计特性进行了分析，研究了基于频率捷变波形的慢衰落目标检测法，采用频率捷变波形提高了单脉冲雷达的目标角度跟踪性能，达到减小检测和跟踪的误差。荷兰的G.Lellouch等人阐述OFDM波形在同时实现雷达频率捷变与多普勒处理的优势。国内也越来越多学者对频率捷变技术的理论与应用进行研究，黄天耀等人针对频率捷变雷达对信号的相参积累、参数估计及干扰抑制几个方面进行探讨，采用压缩感知理论用于信号的相参积累，构造字典矩阵实现目标的稀疏重构，采用Keystone变换和Radon变换对目标距离的多普勒频移模糊进行矫正。 从众多文献可以看出，OFDM雷达和频率捷变技术研究成果颇丰。OFDM信号可以应用于多种雷达体制中，各个国家的学者从很多角度对OFDM雷达进行了研究，实现多种功能，但是大多数的OFDM雷达算法处理起来较为复杂。目前国内捷变频计量的测试技术还不够成熟，捷变信号源的计量检定工作滞后于装备的发展。基于此，在OFDM雷达的基础上采用捷变波形，从信号特性、参数等方面进行研究，设计出一种能够提高分辨率的算法。
主 要 研 究 内 容	了解OFDM雷达和频率捷变雷达的基本知识。 构建捷变OFDM雷达信号模型。 研究车载雷达系统中捷变OFDM雷达信号的处理算法，实现目标高分辨成像。 MATLAB仿真与分析
研 究 方 法 、 步 骤 和 措 施 等	查阅国内外文献资料，了解OFDM雷达和频率捷变雷达的基本目标成像方法。 掌握MATLAB仿真软件的使用方法。 构建捷变OFDM雷达信号模型。 在学习和借鉴的基础上设计出合适的的雷达信号处理算法实现目标高分辨距离速度像。 通过MATALB仿真与分析验证捷变OFDM雷达成像算法的可行性和优越性。

毕设思路

一、引言

正交频分复用（OFDM）是一种高效的数据传输技术，具有抗多径干扰、频谱利用率高等优点，已被广泛应用于无线通信等领域。近年来，OFDM技术在雷达信号处理领域的应用也逐渐受到关注。OFDM雷达采用捷变波形信号，能够实现高速数据传输、高分辨率和抗干扰能力，具有重要的研究价值。本文将研究OFDM雷达捷变波形信号处理方法，并利用MATLAB进行仿真验证。

二、系统模型与算法

1. OFDM基本原理

OFDM是一种多载波调制技术，将高速数据流分割为多个低速子数据流，在多个正交子载波上并行传输。OFDM系统通过在子载波上添加循环前缀和尾部，以抵消多径效应引起的符号间干扰（ISI）。同时，通过采用频域均衡等算法，可以进一步减小多径干扰和噪声的影响。

1. 捷变波形信号设计

在OFDM雷达中，采用捷变波形信号可以实现高速数据传输和高分辨率。波形信号的设计应考虑多普勒效应、目标距离和速度等因素。常用的捷变波形信号包括基于正弦波、余弦波、高斯波形等。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的波形信号。

1. 信号处理算法

OFDM雷达信号处理主要包括信号调制、解调、频域均衡、多普勒补偿等环节。调制和解调是实现数据传输的关键步骤，可以采用QPSK、QAM等调制方式。频域均衡和多普勒补偿是消除多径干扰和多普勒效应的重要手段。在信号处理过程中，还可以采用自适应滤波、最大信噪比（SNR）等优化算法，以提高系统性能。

三、MATLAB仿真实验

1. 仿真环境搭建

在MATLAB中，可以使用通信工具箱和信号处理工具箱进行OFDM雷达捷变波形信号处理算法的仿真验证。首先需要搭建仿真环境，包括生成随机数据、调制/解调、添加噪声等步骤。

1. 算法实现与优化

根据系统模型和算法原理，实现OFDM雷达捷变波形信号处理算法。在仿真过程中，可以通过调整参数、优化算法等方法，提高系统性能指标如误码率（BER）、信噪比（SNR）等。同时，可以通过改变多普勒效应、目标距离和速度等因素，评估捷变波形信号在不同场景下的性能表现。

1. 结果分析与对比

通过对仿真结果进行分析和对比，可以评估OFDM雷达捷变波形信号处理算法的性能优势。例如，可以对比传统雷达与OFDM雷达在相同条件下的误码率、分辨率和抗干扰能力等方面的表现。同时，可以通过改变波形信号类型、优化算法等方法，进一步挖掘OFDM雷达的性能潜力。

四、结论与展望

通过对OFDM雷达捷变波形信号处理方法的研究与仿真，验证了其在高速数据传输、高分辨率和抗干扰能力等方面的优势。然而，实际应用中仍存在一些挑战，如信号同步、信道估计等问题。未来研究可以进一步优化算法、提高系统性能稳定性等方面进行深入探索。同时，随着5G等无线通信技术的发展，OFDM技术在雷达领域的应用前景将更加广阔。