传感与通信一体化FMCW信号处理技术研究

The signal and its processing for both sensing and wireless wideband communication is the hot issue in recent years. The research aims at the key techniques including the design of the frequency-modulated continuous-wave (FMCW) signal and the signal processing suitable for the integration of sensing and communications. With the abilities of anti-Doppler shift and pulse compression, FMCW has broad application prospect in wideband communication and object detection for military and police. The first subject of the research is to design M-ary modulation for FMCW signal to improve transmission rate and time-bandwidth product. The second aspect of the research is to propose new FMCW signal taking into account both sensing and communication functions. Base on the transmitter-receiver structure in communication, namely the bistatic structure in radar, the FMCW signal processing for ground target detection is the key problem. The coherent detection by the received characteristic wave of FMCW has the advantages of high precision, long distance, and low cost. Advanced time-frequency signal processing and distributed sensing by receivers in network are desired to improve performance. The research object is to obtain a new FMCW system for both sensing and wideband communication with the ability of big transmission capacity, anti-Doppler shift, high-precision object detection.

兼具传感与宽带通信功能的无线信号及其处理技术是近年来研究的热点问题之一。本课题研究传感与通信一体化的调频连续波（FMCW）信号处理关键技术。FMCW信号具有抗多普勒频移、压缩脉冲探测特性，在高速运动环境下的宽带通信及警、军用目标传感探测应用领域具有广泛的应用。本项目研究内容包括宽带FMCW高效调制信号的设计及其衰落信道环境下的信号检测处理算法；设计兼顾无线通信与目标感知的信号体制及收发分立的双基地目标感知体制，研究基于特征波形的相干目标探测算法，以实现高精度、远距离和低功耗的地面目标感知；基于时频信号处理技术和多点接收无线网络协作传感算法，研究隐藏目标或移动目标的位置感知，以获得一体化、大容量、抗多普勒频移、高灵敏和高精度目标探测的FMCW传感与通信新体制。

FMCW信号因其具有抗多普勒频移、压缩脉冲探测特性，在高速运动环境下的宽带通信及警、军用目标传感探测应用领域具有广泛的应用，是一种适合于传感通信一体化的信号形式。因此，本课题围绕FMCW信号形式，从调制效率、抗干扰性、兼容性等因素出发，开展了一体化FMCW信号关键技术研究。内容涵盖一体化波形设计、时频同步算法、信道估计与均衡算法、动目标检测与成像算法以及杂波抑制算法等。课题期间共发表论文和专利41篇，其中SCI检索论文3篇，EI检索论文12篇，相关技术发明专利申请和授权7项，核心期刊论文14篇。取得了预期的成果，为FMCW一体化设备的开发奠定了很好的理论基础。.研究成果包括以下主要方面：（1）FMCW高效调制解调技术：课题提出了一种多斜率FMCW波形，并利用双正交傅里叶变换（BFT）可解调加载在不同调频斜率上的数据，同时提出了该调制方式在发生码间串扰和码内互扰时的均衡算法；从频率复用和空间复用的角度，分别又提出了多带FMCW和MIMO FMCW系统，其中完成了成型滤波器组、多天线FMCW检测等算法模块的设计，并且在通用软件无线电平台上对这两种系统进行了实际环境下的性能测试。（2）FMCW的目标检测与成像：通过WVD、FRFT等时频变换对基于FMCW信号的动目标信息进行提取；通过对核函数进行修改解决了多带Chirp相干积累时的多普勒频散问题；基于子谱扩展技术解决了多带Chirp子带合成时出现的伪峰问题；（3）目标检测新技术研究：本课题提出了基于稀疏恢复和深度学习等新技术的目标检测方法，通过对信道的多径信息进行利用以及对环境杂波及目标特征进行训练，达到提高微弱目标检测的性能。（4）杂波抑制技术：本课题提出利用扩谱技术及子空间投影的方法来降低目标位置处的杂波能量，并基于通用软件无线电平台搭建了实测平台验证了该算法的有效性。除此之外，课题还对基于可见光的定位和微波成像等技术开展了探索性的工作，都取得了很好的成果。