戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信頻譜兼容研究

楊勇軍 常 明 郭 勇 林小芳

（空軍通信士官學(xué)校，遼寧 大連 116600）

1 引言

隨著信息化技術(shù)的不斷深入發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)上無線電電子設(shè)備越來越多，電子對(duì)抗日益加劇，頻譜資源的需求不斷增長。為迅速掌控未來戰(zhàn)爭(zhēng)電磁領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)，美軍視電磁頻譜為繼陸、海、空、天和網(wǎng)絡(luò)之外的第六維作戰(zhàn)域[1]。由此可見，電磁頻譜已經(jīng)關(guān)系到國防和軍隊(duì)的信息化建設(shè)，是各國維護(hù)自身安全的戰(zhàn)略性任務(wù)之一。其中，雷達(dá)是戰(zhàn)場(chǎng)上的目標(biāo)探測(cè)裝備[2]，通信是戰(zhàn)場(chǎng)上交流信息、實(shí)時(shí)指揮的裝備[3]，隨著裝備的增多及使用頻率的接近，戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信頻譜兼容問題不斷出現(xiàn)，嚴(yán)重制約了裝備的使用效能。本文主要研究戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信頻譜兼容問題，首先分析了戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信使用頻譜的差異，然后對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信在頻譜相鄰、頻譜交叉和頻譜重疊的三種情況下的頻譜兼容進(jìn)行了分析。

2 戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信使用頻譜的差異

2.1 頻譜功率不同

雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)需要發(fā)射信號(hào)并接收目標(biāo)的回波信號(hào)，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的隱身技術(shù)、小型化以及無人化技術(shù)越來越先進(jìn)，目標(biāo)雷達(dá)散射截面越來越小[4]，需要較大的雷達(dá)發(fā)射功率才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)，所以雷達(dá)信號(hào)的幅度較大，其頻譜圖的幅度也較大；通信的功率相對(duì)于雷達(dá)來說較小，其頻譜圖的幅度也相對(duì)較小。一般情況下，雷達(dá)和通信在用頻接近的情況下，通信受到的影響會(huì)比較大。

2.2 波形和頻譜特征不同

目前，常用的雷達(dá)信號(hào)有連續(xù)波信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、頻率分集雷達(dá)信號(hào)等，其信號(hào)波形類型有連續(xù)型和脈沖型[5-6]。大多數(shù)雷達(dá)信號(hào)波形是固定的，既具有一定的周期性，其頻譜特征也是具有一定的平穩(wěn)性。常用的通信信號(hào)有振幅鍵控、相移鍵控、頻移鍵控和正交振幅調(diào)制、正交頻分復(fù)用等信號(hào)，其信號(hào)波形類型分為頻率調(diào)制、相位調(diào)制和振幅調(diào)制，或不同類型調(diào)制的組合[7-8]。通信信號(hào)通常是隨機(jī)的，除一些導(dǎo)頻信號(hào)相同外，不同的通信信號(hào)調(diào)制后的波形是不同的，其頻譜特征具有一定的隨機(jī)性。

2.3 頻譜方向性不同

雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)，如果目標(biāo)的回波信號(hào)太弱，就會(huì)因識(shí)別不出信號(hào)而造成誤警，所以雷達(dá)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)全方向發(fā)射信號(hào)，通常是使用定向天線將信號(hào)功率集中在一個(gè)方向發(fā)射，然后依靠天線的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的方向進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)[9]，所以雷達(dá)信號(hào)通常具有很強(qiáng)的方向性，在對(duì)雷達(dá)進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)時(shí)，不同時(shí)刻在同一方向監(jiān)測(cè)到的雷達(dá)信號(hào)頻譜強(qiáng)度是不一樣的。而通信除散射[10]、衛(wèi)星[11]等少部分通信裝備具有較強(qiáng)的方向性外，其它通信裝備通常采用的是全向天線，其信號(hào)強(qiáng)度在各方向基本一致，在對(duì)通信進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)時(shí)，不同時(shí)刻在同一方向監(jiān)測(cè)到的通信信號(hào)頻譜強(qiáng)度的平均值基本保持一致。

3 戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信頻譜兼容研究

戰(zhàn)場(chǎng)上各種武器裝備的使用容易造成頻譜擁擠，導(dǎo)致雷達(dá)和通信的頻譜使用空間被壓縮。基于雷達(dá)和通信使用頻譜的差異，本文對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信在頻譜相鄰、頻譜交叉和頻譜重疊的三種情況下的頻譜兼容進(jìn)行研究，分別如圖1(a)(b)(c)所示。

圖1 戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信使用頻譜示意圖

3.1 雷達(dá)和通信頻譜相鄰的情況

戰(zhàn)場(chǎng)上雷達(dá)為了在復(fù)雜的電磁環(huán)境中接收目標(biāo)的回波，需要發(fā)射較大功率的信號(hào)，其發(fā)射機(jī)的末級(jí)功率放大器大多工作在飽和狀態(tài)，容易產(chǎn)生非線性失真，從而導(dǎo)致基波信號(hào)的各次諧波的產(chǎn)生，使得戰(zhàn)場(chǎng)上雷達(dá)和通信在頻譜相鄰的情況下有鄰頻道干擾、帶外干擾等，不利于雷達(dá)和通信的同時(shí)工作。為解決干擾問題，可以從以下兩方面入手：

（1）優(yōu)化武器裝備防電磁干擾設(shè)計(jì)

在武器裝備設(shè)計(jì)方面，可以對(duì)雷達(dá)或通信的關(guān)鍵部位用特殊材料包裹形成防護(hù)層[12]，或是根據(jù)雷達(dá)頻譜方向性不同，在特定的方向加強(qiáng)防護(hù)，增加電磁屏蔽或電磁吸收效果。

（2）增強(qiáng)信號(hào)處理

雷達(dá)和通信同時(shí)工作時(shí)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，比如自適應(yīng)濾波技術(shù)[13]、卡爾曼濾波技術(shù)[14]等減少電磁干擾。

3.2 雷達(dá)和通信頻譜交叉的情況

戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信在頻譜交叉的情況下，如果二者仍正常用頻，當(dāng)二者中心頻率一致時(shí)，即使沒有外界電磁環(huán)境干擾，雷達(dá)和通信之間也會(huì)出現(xiàn)同頻干擾。根據(jù)雷達(dá)和通信的頻譜特征，雷達(dá)或通信在空域、時(shí)域和頻域都會(huì)出現(xiàn)對(duì)于當(dāng)前工作冗余的、可以被利用的空閑頻譜資源，這些頻譜資源被稱為頻譜空穴。為解決同頻干擾，可采用以下技術(shù)：

（1）匿影技術(shù)

匿影的基本工作原理是其它裝備利用雷達(dá)的脈沖間隙時(shí)間來工作[15]。脈沖雷達(dá)為了增加最大不模糊距離，發(fā)射的脈沖信號(hào)占空比往往較小，所以通信可以充分利用其脈沖間隙時(shí)間來工作，減少雷達(dá)信號(hào)的干擾。

（2）認(rèn)知無線電技術(shù)

認(rèn)知無線電技術(shù)的基本思路是基于認(rèn)知功能提前感知和分析可以使用的頻率，并實(shí)時(shí)接入可以使用的頻率，避免對(duì)擁有授權(quán)頻段的主用戶形成干擾[16]。雷達(dá)或通信可以使用認(rèn)知無線電技術(shù)及時(shí)感知和使用空閑頻率，避免發(fā)生同頻干擾，提高頻譜利用率。

3.3 雷達(dá)和通信頻譜重疊的情況

戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信頻譜重疊時(shí)，可以采用共享頻譜的方式同時(shí)工作。雷達(dá)和通信共享頻譜是指雷達(dá)和通信通過共同采用一種共享信號(hào)綜合實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能和通信功能[17]，這樣可以提高資源的共享程度、降低能源消耗和節(jié)約維護(hù)成本，并且能減小系統(tǒng)自身的電磁干擾，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和高效性。對(duì)于共享信號(hào)的選擇有正交頻分復(fù)用信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)等。

（1）正交頻分復(fù)用信號(hào)

正交頻分復(fù)用信號(hào)作為共享信號(hào)具有多載波特性，且形式類似于噪聲，能有效降低被敵方電子偵察的概率，且擁有較大的時(shí)寬帶寬積保證其具有較高的距離與速度分辨率[18]。主要缺點(diǎn)有兩個(gè)方面：一是峰均功率比較高，二是脈壓峰值旁瓣比的隨機(jī)性較大。其中，高峰均功率比信號(hào)經(jīng)過功率放大器會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變、頻譜偏移等嚴(yán)重問題，導(dǎo)致信號(hào)失真嚴(yán)重，大幅增加通信誤碼率；峰值旁瓣比會(huì)影響雷達(dá)檢測(cè)的虛警概率，如果虛警目標(biāo)的數(shù)量超出了系統(tǒng)的可承受范圍，將對(duì)真實(shí)目標(biāo)的檢測(cè)造成很大的影響。因此，正交頻分復(fù)用信號(hào)需要在發(fā)送端抑制峰均功率比，在接收端抑制脈壓峰值旁瓣比的隨機(jī)性。

（2）線性調(diào)頻信號(hào)

線性調(diào)頻信號(hào)作為共享信號(hào)有系統(tǒng)簡單容易實(shí)現(xiàn)、擁有較大的時(shí)寬帶寬積等優(yōu)點(diǎn)[19]。主要缺點(diǎn)是通信速率較低和通信信息解調(diào)困難。因此，線性調(diào)頻信號(hào)的載波通常需要搭載通信速率較高的多進(jìn)制信號(hào)，以及優(yōu)化通信信息解調(diào)的方式方法。

4 結(jié)語

國防和軍隊(duì)的現(xiàn)代化建設(shè)增加了對(duì)電磁頻譜的使用，而戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信的頻譜兼容問題制約了戰(zhàn)斗力的提升，本文分析了戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信使用頻譜的差異，并研究了戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和通信在頻譜相鄰、頻譜交叉和頻譜重疊的三種情況下的頻譜兼容問題，為提升我軍戰(zhàn)場(chǎng)武器使用效能作支撐。