雷達(dá)通信一體化研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

李剛

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)通信一體化發(fā)展程度逐漸地加深，在這種情況之下，可以更好地保證信息有效的傳輸。本文主要介紹了雷達(dá)通信一體化概念，分析了雷達(dá)通信一體化研究現(xiàn)狀，探究了雷達(dá)通信一體化未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)通信;發(fā)展趨勢(shì);一體化;研究現(xiàn)狀

一、引言

最初的雷達(dá)通信一體化是指，在共享頻譜、空間、時(shí)間和能量等資源條件下，通過(guò)信號(hào)、通道和信息等層面上的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道、一個(gè)天線、一個(gè)信號(hào)對(duì)雷達(dá)和通信信息的統(tǒng)一承載。其初始的研究動(dòng)機(jī)源于挖掘利用戰(zhàn)機(jī)、艦船等作戰(zhàn)平臺(tái)的空間資源。通過(guò)共用控制與顯示、數(shù)據(jù)處理、通道和射頻前端等資源，可大幅減少雷達(dá)、通信等電子設(shè)備占用的平臺(tái)體積，為隱身設(shè)計(jì)、燃油儲(chǔ)備和武器彈藥騰出空間?，F(xiàn)階段，部分歐美國(guó)家已初步實(shí)現(xiàn)了該研究初衷，并逐步將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到微小型一體化系統(tǒng)和電磁信號(hào)一體化?；诜涸诘牡统杀尽⑽⑿⌒鸵惑w化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電磁空間的多功能一體化協(xié)同，進(jìn)而衍生出面向未來(lái)的新型一體化思想，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)和任意頻點(diǎn)，并行形成任意功能的目標(biāo)。因此，只有進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微小型一體化和信號(hào)一體化，才能真正意義上實(shí)現(xiàn)一體化。然而，從理論模型和系統(tǒng)構(gòu)型來(lái)看，雷達(dá)和通信在信號(hào)、通道、處理和應(yīng)用等方面存在許多固有的、不可調(diào)和的矛盾。

無(wú)論是傳統(tǒng)大型一體化系統(tǒng)，還是未來(lái)微小型一體化系統(tǒng)，都面臨著種種限制。其中，信號(hào)一體化是兩者的共同核心難點(diǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信的有機(jī)一體，需要從理論上統(tǒng)一認(rèn)識(shí)雷達(dá)傳感與無(wú)線通信的信號(hào)模型，從物理、數(shù)學(xué)角度揭示一體化物理本質(zhì)和實(shí)現(xiàn)原理，通過(guò)信號(hào)的一體化設(shè)計(jì)尋求電磁資源的統(tǒng)一共享和利用，通過(guò)信息的一體化承載牽引孔徑、通道、處理、管控等多方面的一體化設(shè)計(jì)，逐步從雷達(dá)和通信的共存走向共生，最終實(shí)現(xiàn)多種功能對(duì)電磁資源的統(tǒng)一操控[1]。

二、雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

不管是雷達(dá)系統(tǒng)，還是通信系統(tǒng)，在運(yùn)行原理上都能實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的發(fā)射或者接收。愛(ài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，兩者之間呈現(xiàn)出重疊狀態(tài)，例如，天線、發(fā)射器等。在頻率上，通信系統(tǒng)只能在雷達(dá)范疇內(nèi)接收相應(yīng)信號(hào)，而遠(yuǎn)程雷達(dá)則可以根據(jù)通信范疇進(jìn)行信號(hào)接收。在信號(hào)特征上，不具有顯著性，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的頻率復(fù)用技術(shù)讓現(xiàn)代雷達(dá)與通信信號(hào)之間有著一定相似性。根據(jù)上述分析內(nèi)容得知，即便雷達(dá)和信號(hào)兩者間有著諸多差異，但是其在工作原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在一定相似性，因此在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)把通信技術(shù)應(yīng)用其中，利用雷達(dá)天線或者接收機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射或者接收，也可以在軟件無(wú)線電技術(shù)的作用下，將雷達(dá)和通信信號(hào)進(jìn)行整合，從而達(dá)到雷達(dá)通信一體化效果。

在虛線框中，雷達(dá)系統(tǒng)中含有大量的硬件資源，虛線外則包含一些能夠改善通信功能的內(nèi)容，雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)也可以作為通信發(fā)射機(jī)，雷達(dá)天線則可以當(dāng)做通信發(fā)射和接收天線，雷達(dá)接收機(jī)擁有接收一體化信號(hào)的功能。通過(guò)在雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)中安裝信號(hào)分離器，能夠把雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)與通信信號(hào)充分分離，只有將信號(hào)傳遞到對(duì)應(yīng)處理器中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。在此過(guò)程中，不管是雷達(dá)中發(fā)射機(jī)，還是接收機(jī)，都可以和通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息傳遞和共享，發(fā)射的信號(hào)也就是雷達(dá)通信一體化信號(hào)，其中不但包含探測(cè)目標(biāo)功能，也具有通信功能。針對(duì)通信接受設(shè)備來(lái)說(shuō)，通過(guò)在接收機(jī)中安裝一個(gè)軟件無(wú)線電設(shè)備，能夠把通信信號(hào)從中分離，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的解讀和處理。而雷達(dá)系統(tǒng)則在獲取通信分離器發(fā)出的信號(hào)以后，使發(fā)射的信號(hào)傳遞到雷達(dá)信號(hào)處理器中，將傳遞的信號(hào)顯示出來(lái)[2]。

三、雷達(dá)通信一體化研究現(xiàn)狀

（一）波形設(shè)計(jì)

1. LFM一體化波形設(shè)計(jì)

研究人員在一體化波形設(shè)計(jì)方面提出了自己的觀點(diǎn)。實(shí)際上，眾多因素都會(huì)影響波形設(shè)計(jì)，為提升波形設(shè)計(jì)水平，相關(guān)研究人員需要探究影響波形設(shè)計(jì)的因素，以優(yōu)化波形設(shè)計(jì)方案。就研究這些因素，發(fā)現(xiàn)波形指標(biāo)、波形分集、波形種類等都是需要重點(diǎn)研究的波形設(shè)計(jì)因素。在進(jìn)行一體化波形設(shè)計(jì)時(shí)，要獲得較好的模糊函數(shù)性能的一體化波形。這樣就可以更地開(kāi)展定位和信息傳輸活動(dòng)。

通過(guò)多次的實(shí)踐研究得出：通過(guò)脈沖位置調(diào)制加載通信數(shù)據(jù)至?xí)r跳超寬帶雷達(dá)脈沖上，就可以更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于傳統(tǒng)的LFM信號(hào)在的測(cè)距和測(cè)速方面的表現(xiàn)并不是很好，主動(dòng)地深化研究一體化波形設(shè)計(jì)方法，以此保證測(cè)距和測(cè)速精度。在研究的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)用MSK調(diào)制LFM設(shè)計(jì)的一體化波形，可以更好地發(fā)揮性能。我國(guó)研究人員在LFM一體化波形設(shè)計(jì)中也做出了貢獻(xiàn)，其中，楊瑞娟等人指出頻分準(zhǔn)正交多載波Chirp信號(hào)有利于提升雷達(dá)通信一體化發(fā)展水平，之后他們應(yīng)用該信號(hào)進(jìn)行了一體化波形設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)出一體化波形。對(duì)一體化波形設(shè)計(jì)工作繼續(xù)進(jìn)行了研究，指出連續(xù)相位編碼與多相調(diào)頻雷達(dá)波有助于設(shè)計(jì)一體化波形，并形成了研究成果[3]。

2. OFDM一體化波形設(shè)計(jì)

在雷達(dá)通信一體化共享信號(hào)技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)采取OFDM技術(shù)，能夠有效拓展信號(hào)帶寬，并且還能提高雷達(dá)分辨效率。對(duì)于OFDM雷達(dá)信號(hào)來(lái)說(shuō)，在加載信號(hào)過(guò)程中，通過(guò)保證目標(biāo)探測(cè)和數(shù)據(jù)通信一同進(jìn)行，在接收端位置降低通信信號(hào)波形帶來(lái)的影響，給雷達(dá)及時(shí)完成探測(cè)工作提供安全的環(huán)境，這樣不但能夠有效提升雷達(dá)信號(hào)處理效率，同時(shí)也能保證通信運(yùn)行速度。在雷達(dá)接受回波的情況下，利用OFDM進(jìn)行解調(diào)處理，這樣能夠及時(shí)獲取接收數(shù)據(jù)信號(hào)。OFDM作為一種現(xiàn)代化高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)，將其應(yīng)用到雷達(dá)通信一體化信號(hào)共享技術(shù)中，能夠給雷達(dá)通信一體化發(fā)展提供良好條件[1]。

（二）信號(hào)處理

1. 一體化信號(hào)通信處理

信道稀疏對(duì)通信會(huì)產(chǎn)生重要的影響，因此要采取措施規(guī)避這種影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，疏自適應(yīng)匹配追蹤（SAMP）算法可以有效地解決這些問(wèn)題。所以，要積極地將這種算法融入一體化信號(hào)通信處理中。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)權(quán)值加窗對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，同時(shí)做好解調(diào)工作之后，可以改善信噪比，強(qiáng)化通信效果。研究了一種科學(xué)有效的算法，即元啟發(fā)式算法，通過(guò)把這種算應(yīng)用到一體化信號(hào)通信處理中，可以保證信號(hào)接收、傳輸效果[3]。

2. 一體化信號(hào)雷達(dá)處理

傳統(tǒng)的處理方法傳輸?shù)男实?，所以他們探究了改進(jìn)信號(hào)傳輸?shù)姆绞健Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，通過(guò)雜波重構(gòu)與分離OFDM一體化波形接收端，就可以提升信號(hào)傳輸水平。發(fā)現(xiàn)OFDM雷達(dá)具有很大的優(yōu)勢(shì)，主要是因其不僅可以保證距離傳輸效率，而且可以多普勒處理工作。Duan在一體化信號(hào)雷達(dá)處理的過(guò)程中需要提前估算目標(biāo)的徑向速度。但是如何保證估算的準(zhǔn)確性是當(dāng)時(shí)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)應(yīng)用三種關(guān)于OFDM信號(hào)多普勒處理方法，可以更好地實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

（三）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及多項(xiàng)內(nèi)容，是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了深入地研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用SBA-RA的定向鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法可以更好地獲得位置信息。在這種情況之下，不僅可以擴(kuò)大掃描范圍，而且可以提升系統(tǒng)的性能，以便提高雷達(dá)通信數(shù)據(jù)信息處理效果，真正地發(fā)揮雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。芬蘭的Aalto大學(xué)Marian等人著重研究了目標(biāo)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，希望通過(guò)展開(kāi)一系列的研究保證目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。而多載波雷達(dá)時(shí)延估計(jì)器則可以解決該問(wèn)題[4]。

四、發(fā)展趨勢(shì)與展望

（一）電磁信號(hào)一體化是雷達(dá)通信一體化的必然發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，雷達(dá)和通信已經(jīng)在控制與顯示、處理、通道、孔徑方面初步實(shí)現(xiàn)了一體化。這能夠減小系統(tǒng)平臺(tái)體積、降低電子設(shè)備間的電磁干擾、提高平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力等。平臺(tái)的空間資源得到了充分共享利用。但對(duì)于頻譜資源而言，現(xiàn)有一體化系統(tǒng)的多種功能之間仍然處于生硬的、分割使用狀態(tài)。電磁頻譜資源的競(jìng)爭(zhēng)局面并沒(méi)有解決。日益增長(zhǎng)的帶寬需求、不斷重合工作頻段和指數(shù)增加的設(shè)備數(shù)量必將進(jìn)一步加劇頻譜資源的競(jìng)爭(zhēng)和擁擠，導(dǎo)致局部區(qū)域的若干通信、雷達(dá)功能無(wú)法并行工作，如圖1所示。

因此，為了真正意義上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信等多種功能的一體化協(xié)同，需要在控制與顯示、處理、通道、孔徑一體化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一體化。本文提出的多維信號(hào)波形為信號(hào)一體化的研究指明了方向[5]。

（二）微小型一體化系統(tǒng)是雷達(dá)通信一體化的必然發(fā)展趨勢(shì)

微小型一體化系統(tǒng)是芯片化的一體化系統(tǒng)，可理解為在傳統(tǒng)大型一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)平臺(tái)空間資源的進(jìn)一步壓縮，也可以理解為精細(xì)挖掘多維信號(hào)自由度的必要手段。這主要是因?yàn)椋嗑S信號(hào)波形是一種在時(shí)間、空間、頻率、極化、多普勒、編碼、渦旋等多個(gè)維度內(nèi)具備豐富自由度的廣義波形。信號(hào)設(shè)計(jì)可利用的維度和自由度越多，多維信號(hào)波形的性能越高。若在局部區(qū)域內(nèi)廣泛布設(shè)微小型、低成本的一體化系統(tǒng)，則可大幅提升信號(hào)在空間維度的自由度，進(jìn)而為電磁信號(hào)空間的多功能并行一體化協(xié)同奠定基礎(chǔ)。

目前，先進(jìn)微電子技術(shù)正進(jìn)入后摩爾時(shí)代，微系統(tǒng)技術(shù)也不斷向異構(gòu)異質(zhì)巨集成方向發(fā)展。因此，基于三維異構(gòu)異質(zhì)巨集成的微小型一體化系統(tǒng)是未來(lái)一體化系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向[5]。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雷達(dá)通信一體化在軍事領(lǐng)域、民用智能交通領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨著雷達(dá)通信一體化的深入發(fā)展，未來(lái)其將會(huì)發(fā)揮更大的價(jià)值。對(duì)于研究人員來(lái)講，其需要深化研究雷達(dá)通信一體化發(fā)展方法，提升雷達(dá)通信一體化發(fā)展水平。

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西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，陜西 710100