通信化雷達探測技術

施龍飛 全 源 范金濤 馬佳智②

①(國防科技大學電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室 長沙 410073)②(國防科技大學電子科學學院 長沙 410073)

1 引言

雷達通過發射電磁波信號并對目標散射回波進行接收和處理，實現對目標的檢測、定位、跟蹤、識別。雷達信號波形設計及信號處理算法，決定了距離、速度等參數測量精度以及目標分辨能力等常規性能。然而，在強對抗、遠程探測、隱身目標探測等情形下，現有的雷達波形設計、信號處理、探測方式存在著固有的劣勢，例如，目標回波能量相對于干擾、噪聲能量的劣勢，雷達抗干擾容量相對于大規模、低成本分布式干擾的劣勢等。

雷達界雖已發展出掩護脈沖等一些復雜波形及工作模式，獲得了一定的對抗主動性，但總的來看，雷達探測作為一種合作式探測，其主動性遠未充分挖掘，特別是尚未借助于信號波形中蘊藏的信息維度優勢來提升綜合探測能力。

對此，本文在現有的雙基地雷達、雷達通信一體化研究基礎上，提出一種新的雷達體制——通信化雷達，其主要特點是借助于嵌入輔助定位信息的信號波形設計和信息解調提取處理以有力改善雷達探測能力，即通過在發射信號波形中嵌入發射站動態位置、天線掃描指向、發射時刻等輔助定位信息以及波形辨別號等握手信息，并在接收處理中提取、利用該信息進行目標檢測、定位、識別、抗干擾和多目標分辨，可大幅提升遠程、隱身、強對抗條件下的探測能力。論文從系統架構、探測原理、定位與抗干擾性能分析等方面對通信化雷達進行了闡述。

2 通信化雷達探測原理

通信化雷達系統的基本架構如圖1所示，采用單站模式或多站模式(以多站模式為主)，可使用“發射站后置、接收站前置”的部署形態，發射站利用地基、艦載、空基平臺或民用輻射源以遠離敵方打擊火力進行發射，提升戰場生存力，接收站則利用無人機、隱身飛機或前置部署平臺實施抵近接收，以獲取能量優勢并進行隱蔽探測。

通信化雷達采用嵌入信息的信號波形，將發射站從傳統的能量輻射源拓展為“能量輻射+信息發送”，將接收站功能從傳統的參數測量拓展到“參數測量+信息提取”，將雷達目標從傳統的電磁散射體拓展為“電磁散射+信息傳輸”，如圖2所示，發揮“合作式探測”的潛力，可在雙基地(雙站)探測時提高信息傳遞效率，可建立電子對抗條件下探測時的信息維度優勢，改善雷達抗干擾能力。

通信化雷達的基本工作方式是：

(1) 發射站靠后部署，采用方位向窄波束對關注空域進行方位向掃描，發射波形中嵌入瞬時位置信息、發射時間信息、波束指向信息、波形序號信息以及其他需要傳遞的信息，發射站可高機動工作。

(2) 接收站前置部署，采用數字陣列體制對關注區域進行方位向同時多波束接收(或方位向快速掃描)，完成對目標回波信號的接收、檢測、測量(到達方向測量、到達時間測量)、信息提取(發射站位置信息、發射時標信息、發射波束指向信息、波形信息等)和定位等，接收站可高機動工作。

系統可增加發射站、接收站數量，以進一步提升綜合探測能力和綜合抗干擾能力。下面簡要闡述通信化雷達與現有幾種雷達體制的區別。

圖1 通信化雷達系統基本架構示意圖Fig.1 System structure of communicational radar

圖2 通信化雷達發射站、目標、接收站的“功能”拓展Fig.2 Definitions expansion of transmitter,target and receiver

通信化雷達在部署形態上與傳統的雙多基地雷達、外輻射源雷達有一定的相似性。雙多基地雷達具有抗干擾能力強、反隱身等優勢[1,2]，但其對發射站與接收站之間的同步需求很高[3]，一般通過微波直視鏈路通信、衛星通信或光纖通信實現，在復雜戰場環境下，上述方式會限制系統的布站范圍、靈活性以及生存能力；與雙多基地雷達系統相比，外輻射源雷達具有更好的隱蔽性[4–6]，但由于對非合作輻射源的依賴，其探測穩定性、靈活性無法保證。上述兩類雷達都存在固有的局限性，目前仍沒有成為戰場探測的主力。本文提出的通信化雷達收發站之間無須嚴格同步、無須通視，在布站方式、機動性、靈活性、支援保障依賴性方面都具有很大的優勢，具有更大的應用潛力。

雷達通信一體化技術近年來吸引了國內外許多學者的關注，其旨在利用同一設備或同一個平臺同時實現通信和雷達探測功能。國內外學者在雷達通信一體化方案、波形設計、信號處理等方面已經開展了大量的探索，如從普通的線性調頻雷達信號出發，通過與最小頻移鍵控的結合，實現同時探測與通信[7]；在通信信號基礎上設計的濾波器組多載波波形，可以很好地同時應用于SAR成像與通信功能[8]；還有學者基于PCFM (Polyphase-Coded Frequency-Modulated)設計的一體化波形，通過調制指數變化、脈間波形切換來平衡雷達與通信性能[9–11]；除此之外，有學者通過空間分波束設計來實現雷達與通信功能[12,13]。本文提出的通信化雷達與雷達通信一體化有著較大的不同，雷達通信一體化仍然是雷達探測與通信傳輸兩種功能的組合，這兩種功能在頻譜、能量資源及性能上是相互競爭的關系，而通信化雷達的出發點是雷達探測，其有限的通信功能(通信信息傳輸與提取)是服務于雷達探測功能的，兩種功能在波形設計、信號處理上高度融合，可提升雷達綜合探測性能。

3 通信化雷達關鍵技術

本節對通信化雷達信號處理、波形設計、目標定位等關鍵技術進行簡要闡述。

3.1 通信化雷達信號處理與波形設計

通信化雷達的波形一般可采用雙層/多層復合調制方式，其對應的信號處理大致包括4個部分：目標檢測(匹配接收、子脈沖積累、目標檢測)、參數測量(到達時間、到達方位角)、信息提取(發射站位置、波束指向、發射時間等信息)、應用處理(定位、跟蹤、識別、抗干擾等)。

通信化雷達信號處理流程如圖3所示。

圖3 通信化雷達信號處理流程Fig.3 Signal processing procedure

步驟1 對雷達目標散射回波信號進行子脈沖的匹配接收；

步驟2 對匹配接收輸出信號取模，進行子脈沖間滑窗積累；

步驟3 對滑窗積累結果進行目標檢測，并測量目標的時延位置；

步驟4 在目標時延位置處對步驟1中輸出信號進行碼元信息提取；

步驟5 通過信息解調，提取發射站位置、波束指向、發射脈沖時間等相關信息；

步驟6 基于提取信息和測量信息，實現目標定位、識別、抗干擾等應用功能。

根據通信化雷達功能要求，需在發射波形中內嵌發射站位置、發射時刻、波束指向、編碼序列號等信息，因此，要在接收處理信噪比增益、模糊函數、信息傳輸量、誤碼率等多重約束下進行波形的優化設計?，F有雷達通信一體化技術中的波形設計可供借鑒、但尚未有能滿足要求的波形。OFDM波形具有正交性好、隔離度高的特點，被廣泛應用于多通道通信系統[14]，但OFDM波形的幅值通常不是恒定的，這不利于發射機功放工作在飽和區，限制了其能量效率。文獻[15]通過在LFM信號中嵌入一組正交FM項來標識通信符號，并通過引入加權系數來平衡雷達探測和通信性能，然而，該方法要求雷達接收機已知通信信息，否則難以對目標回波信號進行匹配接收并有效檢測目標。文獻[16]通過前導碼長度設置取代功率分配方法來平衡雷達探測和通信傳輸的性能，但其遠距離探測時通信數據傳輸是一個問題?？偟膩碚f，目前雷達通信一體化技術的主要目的是雷達目標探測與通信信息傳輸兩種功能的組合，其波形設計難以滿足通信化雷達的探測需求。

本文提出一種內外層“復合調制”波形設計方式：

(1) 內層調制以傳統的信噪比、距離分辨力提升為主要設計指標，可采用相位編碼波形，也可采用傳統的線性調頻、非線性調頻等調制波形，對應的信號處理為匹配接收處理；

(2) 外層調制以信息傳輸與提取性能為主要設計指標，主要采用相位調制方式嵌入信息，同時要兼顧電子干擾、多徑、多目標等復雜電磁環境下對信息的復雜調制，對應的信號處理為信息解調、信息提取以及信道估計與均衡等。

圖4是內外層復合調制波形及其攜載信息示意圖，該波形的幅度包絡一般要求是恒定的，以保證雷達發射機功放工作在“飽和區”，實現滿功率發射。

下面對典型的通信化雷達發射信號波形需要嵌入的信息量進行初步分析。嵌入信息一般至少應包括校驗碼、發射站位置、發射時刻、發射波束指向等，其需要的信息量分析如下：

(1) 波形校驗碼：6 bit；

(2) 發射站位置：假設當前發射站位置的可能區域面積為10 km×10 km、位置精度要求為10 m×10 m，可將其等效劃分為106個小網格，需要20位二進制表示其二維直角坐標，即需要20 bit；

(3) 發射時刻：假設距離和(電磁信號在發射站-目標-接收站之間的傳輸路程)可能范圍是30～300 km，時間精度要求為0.1 μs，可將其劃分為約9000個小網格，則需要14位二進制表示該距離范圍，即需要14 bit；

(4) 發射波束方位角：假設探測角度范圍為0～360°，角度精度要求為0.1°，可將其劃分為3600個小網格，則需要12位二進制表示，需要12 bit。

以上共計需要52 bit，那么如果外層采用BPSK方式進行調制，則僅需要52個碼元，如果采用QPSK方式，則僅需26個碼元。需要說明的是，實際應用中發射站可以預先發送相關粗略信息，可進一步地壓縮所需嵌入和傳輸的信息量，或在限定信息量情況下可以提高信息精度。

3.2 通信化雷達目標定位

通信化雷達可使用“距離和-方位角-方位角”定位法，在收發站均僅采用方位向掃描(俯仰向使用寬波束)的情況下就可實現對目標三維空間位置的定位。定位原理如圖5所示，圖5中，T表示發射站位置(坐標(xT,yT,zT)),R表示接收站位置(坐標(xR,yR,zR)),P表示目標位置(坐標(x,y,z)),hT,rT,rR分別為目標與發射站的高度差，目標與發射站的距離，目標與接收站的距離。

根據圖5中幾何關系，可得定位方程

式中，ρ為目標與發射站、接收站的距離和，θT,θR為發射方位角、接收方位角，分別是目標與發射站、接收站連線在水平面投影與x軸的夾角?？筛鶕?1)解得目標的二維坐標(x,y)

圖4 內外層復合調制波形及其攜載信息示意圖Fig.4 Schematic diagram of inner and outer layer compound modulation waveform and the embedded information

圖5 通信化雷達定位方式示意圖Fig.5 Location method of communicational radar

通過解式(3)可解得兩個z值。當兩個z取值為一正一負時，使用正值作為解得的z值。當兩個z均大于等于0時，此時出現高度模糊，可通過粗略測量目標俯仰角等綜合手段進行解模糊，難度不大。特別地，如果發射站、接收站均在地面/海面，則兩個z取值為一正一負，z ＞0即為目標高度值。

根據式(2)—式(4)可知，通信化雷達定位共需5組參數，具體獲取方式如表1所示。

需要特別說明的是，表1中，有3個重要的參數信息是通過信息解調方式獲取的，僅需進行接收方位角和回波到達時刻的傳統測量處理，就可以實現雷達目標的定位。

4 通信化雷達探測性能分析

下面首先分析通信化雷達的探測定位能力，然后對通信化雷達在遠程探測、反隱身、抗干擾等方面的應用前景進行簡要闡述。

4.1 定位能力分析比較

以最常見情況進行分析比較，發射站、接收站均采用方位窄波束、俯仰寬波束(兼顧空域監視效率)。

雙基地雷達由于難以準確獲知發射站當前脈沖的波束指向、發射脈沖準確時刻，因此必須要采用接收直達波信號、建立通信鏈路等方式，才能夠利用“角度-距離和”等方式獲得目標的二維坐標(即圖6左所示藍色粗線)，效率較低、靈活性差。

通信化雷達可以從接收到的脈沖信號中提取當前脈沖的發射站波束指向、發射時刻、發射站位置等信息，因此可以直接采用“角度-角度-距離和”等方式獲得目標的三維坐標(即圖6右所示兩條藍色粗線交點)，效率較高、靈活性強。

因此，可以看出，通信化雷達相比于傳統雙基地雷達在定位能力方面具有較大優勢：能夠在更遠的收發站間距(無收發站直視要求)、更低的通信鏈路支持、更靈活地對目標進行三坐標定位。

表1 通信化雷達定位所需參數及其獲取方式Tab.1 Required parameters for location and their corresponding access methods

圖6 通信化雷達定位能力比較Fig.6 Comparison of location performance

下面進一步采用定位精度分布性能曲線(Geometric Dilution Of Precision,GDOP)，也稱精度幾何擴散因子，來描述通信化雷達的定位性能。由3.2節可知，通信化雷達定位性能既由5組輸入參數的精度決定(發射站位置、發射方位角、接收站位置、接收方位角、距離和)，也與收發站之間距離(基線長度)、目標相對位置、天線波束寬度等有關。下面就典型因素對定位性能的影響進行分析。

圖7是基線長度對定位精度分布GDOP的影響。可以看到：發射站和接收站連線方向上的測量精度較差；接收站附近(不包括基線區)定位精度較好，且與接收站越近定位精度越高；基線長度增加時，GDOP整體的分布基本保持不變，但定位精度整體下降。

圖8是發射時刻信息精度對定位分布精度GDOP的影響(站址測量誤差為5 m，基線長度為128 km)。由圖可見，對于10 ns,1 μs的情況，GDOP相似，這表明發射時刻信息的精度較易滿足定位要求。

圖9是(發射站、接收站)站址測量誤差對定位精度分布GDOP的影響。當站址測量誤差小于100 m時，對整體的GDOP影響不大，而一般通過GPS、北斗都可以達到比100 m更高的精度。

因此，總的來看，信息提取精度較易滿足雷達目標的定位精度需求。

4.2 通信化雷達應用前景分析

通信化雷達通過在信號波形中嵌入輔助探測信息，既可以在雙/多基地分布式探測中更好地定位目標，也能夠在復雜的對抗場景中辨別目標與干擾。本節簡要闡述通信化雷達的應用前景。

對于中遠程探測，可將接收站(隱身飛機、無人機或艦艇平臺)前置隱蔽接收，由于接收路徑相對較短(目標與接收站距離)，目標回波接收功率相對單基地雷達更大，具有探測威力和高生存力的優勢。對于直達波抑制問題，通信化雷達亦具有顯著優勢，由于其定位無需利用直達波，因此避免了既要抑制直達波又要利用直達波的矛盾，可利用地球曲面遮擋、接收站在發射站方向形成波束零點等多重措施抑制直達波，也可以通過波形設計從時域上與直達波進行隔離。

圖7 基線長度對GDOP的影響Fig.7 Influence of baseline length on GDOP

圖8 發射時刻信息精度對GDOP的影響Fig.8 Influence of transmitting time information precision on GDOP

圖9 站址測量誤差對GDOP的影響Fig.9 Influence of site measurement error on GDOP

對于復雜對抗場景中的目標探測，在欺騙假目標干擾識別方面，當雷達采用復雜信息調制波形后，由于干擾機一般僅能對雷達信號的頻率、脈寬、重頻等常規參數進行分選識別，難以對嵌入的信息進行準確提取，因此轉發干擾信號與目標回波必然存在差異，即使干擾機采用直接轉發的方式，如切片式轉發，則也會顯著地破壞信號波形的信息結構，從而被識別。在壓制干擾抑制方面，如果信息內嵌波形設計與頻率捷變、波形切換相結合，將給干擾機的存儲-轉發帶來很大困難。

總的來說，通信化雷達相比于傳統單基地雷達具有更好的戰場探測隱蔽性、生存力，相比于雙/多基地雷達則具有更好的探測靈活性和抗干擾能力。

5 結束語

本文提出了一種新的雷達探測體制——通信化雷達，充分發掘“合作式探測”的潛力，通過對發射波形中嵌入的輔助信息的提取和利用，可顯著改善雙/多基地等分布式探測系統的探測定位能力、抗干擾潛力和使用靈活性。本文闡述了通信化雷達的基本原理，對應用前景進行了展望，后續將結合具體探測場景開展波形設計、信號處理的深化研究，解決多目標、多徑等復雜場景帶來的問題，將其應用于遠程探測、反隱身、抗干擾等具體應用場景。