雷达嵌入式通信技术发展研究*

姚永康 ， 李保国 ， 徐建秋 ， 朱福伟

（1.空军工程大学 航空机务士官学校，河南 信阳 464000；2.国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073；3.中国人民解放军第95580部队，贵州 贵阳 550000）

0 引 言

随着科学技术的进步，人类社会进入信息时代。其中，无线通信的快速发展为人们的生活提供极大的便利。同时，无线通信技术在军事战场中也发挥着举足轻重的作用，它被用于传递命令，分享情报等信息，确使信息能够可靠、有效传输并且不被截获是军用通信技术的重点。但是，一般的无线通信方法具有广播性和开放性的特点，无法对抗截获、侦听等风险，所以难以满足现代战争对通信系统的需求。在现代 战争中，各种信息系统的频谱资源争夺日趋紧张，另一方面信息对抗也尤为激烈，如何实现通信系统与其他电子系统的频谱共享，同时保证信息可靠、隐蔽传输，已成为军事通信技术发展的方向。

1 研究背景

目前，已有的隐蔽通信技术基本都是利用通信系统所处的环境中已存在的信号进行隐蔽通信。采用了隐蔽技术后，能够有效地减小我方信息被敌方拦截的机率，实现低截获概率通信。比如，常用的扩频通信或跳频通信都是借助环境中存在的噪声来隐蔽通信信号。采用扩频技术后，通信信号的频谱在频带上被展宽，单位带宽内的信号功率得以降低，通信信号功率淹没在噪声功率中不易被敌方截获从而实现通信隐蔽；同时加入扩频编码，即使截获方截获到信号，也难以恢复有用信息。但是，扩频通信有一定的局限，当与远距离的合作接收机通信时，为了提高可靠性（即低误码率），发射的信号功率就会相应的提高，当发射机附近有截获接收机时，那么信号极易被截获，此时的扩频通信方法将不具备应对这类截获接受机的低截获概率特性。因此，在通信过程中，信噪比的大小决定了可靠性和隐蔽性两个性能指标之间是相互抑制的。

通过前面的分析可知，扩频通信的基本思想是把信号隐藏于环境的噪声之中。现代战争中的电子设备均处于复杂电磁环境下，可以将其他电子设备发射的信号作为隐蔽通信的背景噪声，进一步将环境中存在的噪声替换成雷达发出的探测信号或者反射回来的高功率回波，也就是在雷达信号或回波当中嵌入通信信号，从而增强通信的隐蔽性能，这就是雷达嵌入式通信（Radar Embedded Communication，REC）的实质。图1所展示的是雷达嵌入式通信的基本过程：当雷达辐射电磁波对外部空间进行探测时，雷达信号辐射到空间环境中的物体形成反射回波，转发器或者标签以此作为掩护，在回波当中发射通信信号，完成与合作方雷达或接收机的通信。由于信号隐藏于雷达回波中，截获接收器难以从中检测出通信信号。

图1 雷达嵌入式通信框架

雷达嵌入式通信的概念的提出可以追溯到20世纪40年代。在雷达产生不久，斯托克曼就提出了把通信信号嵌入到雷达的反射回波的思想，他设计出了基于雷达脉冲间信号的通信波形实现了隐蔽通信。但是数据传输效率很低，仅仅能够支撑被动敌我识别的需求。后来，这种设计方法被用于合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的成像模式当中，可以定位并跟踪人员或设备的地理位置，从而避免战场中对友军的误伤。

尽管基于脉冲间的雷达嵌入式通信方法已受到广泛的研究，但该方法的传输速率很低，因此应用的局限性很大，只能用于定位等功能，而不能实现语音通信或者数据传输等用途。为了提高数据传输率，从而提出了基于脉冲内部的雷达嵌入式通信方法。这种方法在兼顾通信有效性和可靠性的同时还能具备相当的隐蔽性，因此对通信波形进行合理的设计是关键。该方式最初主要考虑线性调频信号为背景杂波，提出了三类基于特征值分解的波形设计方法——分别为非主空间特征向量作为通信波形（Eigenvectors As Waveforms，EAW）、非主空间特征向量加权后作为通信波形（Weighter Combining，WC）、主空间处理后的特征向量作为通信波形（Dominant Projection，DP）。在此基础上又构建了多种改进型的波形设计方法，如：基于直接序列扩频的雷达嵌入式通信波形设计方法、基于多目标优化理论的波形设计方法等。

总之，雷达嵌入式通信已形成严格的理论基础，正进一步将理论运用到实际当中，从而技术需求和理论研究相互促进和发展。因此深入研究雷达嵌入式通信理论与应用对军用通信技术具有重要意义。

2 国内外研究现状

在梳理雷达嵌入式通信的发展脉络之前，值得注意的是：雷达嵌入式通信和雷达通信一体化是两种不同的概念和技术。雷达通信一体化其侧重点是实现雷达与通信信号的频谱共享，主要研究雷达和通信系统怎样共用收发设备以减小体积、节省空间，进而研究通过发射同一个信号实现雷达与通信两个功能，以及接收信号后如何分离出雷达的探测信息和传输的通信信息等技术问题；其技术难点还包括：在实现通信功能的情况下，必须评估通信对雷达性能是否造成较大影响，并且雷达通信一体化没有考虑军用通信中的一项重要性能——隐蔽性。雷达嵌入式通信是从通信的隐蔽性的角度出发，以雷达回波作为背景噪声，由标签发射通信信号，从技术实现上来看，通信信号和雷达信号由不同的设备发出。再通过合理的波形设计使得通信信号与雷达信号具有一定的相关性，降低通信信号被截获方截获的概率，从而实现通信性能的隐蔽性。

根据图1所示，雷达向外辐射电磁波信号，探测波形触碰到空间中的物体后，形成反射回波；同时雷达信号也会触发隐藏在环境中的标签（tag），标签识别雷达信号并采用合适的波形设计方法将其调制成通信波形，在雷达脉冲发射期间向外发射。在图中假设了雷达为合作方，从而实现了由标签与雷达之间的通信。通信的隐蔽性主要归因为以下两点：

雷达波形探测到物体的反射回波为高功率杂波，标签发射的通信信号可以被雷达杂波所掩盖，截获接收机将难以侦测到通信信号的存在，体现了低检测概率特性；标签接收到雷达信号，在此基础上构建的通信波形与雷达波形具有相关性，即使信号被截获，也难以解调出有用信息，体现了低截获概率特性。

雷达嵌入式通信是一项全新的隐蔽通信技术。目前，在国外关于该领域大部分研究成果主要由美国堪萨斯大学的Shannon Blunt博士带领的团队所发表。该团队最初基于合成孔径雷达，设计出了一种基于雷达脉间（inter-pluse）信号的雷达嵌入式通信波形，该波形设计采用雷达脉冲的多普勒频移携带通信信息，而且通信信号能够隐藏于雷达杂波中，提高了通信隐蔽性。但是发送一个通信信号需要使用多个雷达脉冲，所以传输信息的数据量很低，只能实现简单的定位功能而不能用于更大数据量的传输。2007年，选用了线性调频雷达信号作为背景杂波，提出了基于脉内（intra-pluse）调制的通信波形设计方法，在保证信号隐蔽性的前提下提高了通信速率。由于这种方法达到了良好的效果，在此之后所提的雷达嵌入式通信均指脉内雷达嵌入式通信，而且大部分研究成果都是以线性调频信号为基础的。 该团队提出了三种基于特征值分解的波形设计方式，分别为EAW、WC、DP方法，并分析了在加性高斯白噪声信道下的通信可靠性和隐蔽性[1-2]。同时，在基础上设计了相应的高维调制方式，提高了通信速率和隐蔽性能[3]。但是这些研究基于点对点通信的情形，没有深入讨论多用户之间通信以及存在相互干扰的情况。2009年，主要研究了雷达嵌入式通信在工程实现中必须面对的问题，通过推导与仿真，有以下成果：通信过程中受到多径衰落信道的影响，特征空间的特征结构会发生改变，在将对通信性能造成较坏的影响，同时也发现DP波形在多径衰落信道中具有较强的鲁棒性。同时，分析了时间扩展能够提高通信质量，得到了时间扩展可用于替代带宽扩展的结论[4]；为了对抗多径衰落信道的影响，提出了引入时间反转的波形设计方法，该方法在空间形成聚焦效应，使得与合作方不同位置的截获方无法解调信号，进一步防止了敌方的截获，增强了隐蔽性。为此，他们还提出利用空间选择性来对多径分量进行估计，该方法能在不损失传输速率和可接受误码性能的情况下提高抗截获率[5]。但时间反转技术也有一定的局限性，它需要对通信双方的信道知识进行估计，并且只适用于通信双方是雷达与标签的情形。

2010年，提出一种在雷达波形先验已知情况下估计多径信道的方法，并分析了在波形设计中加入多径分量后和利用多径分量的数量对通信可靠性与隐蔽性的影响[6]。2011年，为解决合作接收机中通信信号的检测问题，设计了一种基于两级奈曼-皮尔逊准则的检测接收机；为了衡量通信系统的隐蔽性能，提出了两种截获指标，通过将截获指标和检测指标的对比可以评价相关系统的有效性[7]；还推导出截获接收机以及目标接收机的处理增益的表达式，该增益可作为优化通信波形设计的参数[8]。2015年，提出了几种基于子空间波形设计策略，通过分析发现采用注水理论和频谱整形的相结合的方法能够使通信信号在减少雷达信号对其检测过程中的干扰和维持与雷达信号相关性之间提供较好的折中[9]。

除了Shannon Blunt博士的团队在雷达嵌入式通信中所做的主要研究外，该领域已经吸引了很多研究人员的关注。2015年，Domenico Ciuonzo和Antonio De Maioy通过凸优化方法，设计出了基于多目标优化理论的波形设计方法，该方法能够很好地兼顾通信的隐蔽性和可靠性，通过设置约束条件，能够折中各项性能指标。受凸优化理论的启发，以后的波形设计可以将多径效应的影响或者通信信号对雷达性能造成的影响也纳入约束条件当中，以及增加其他方面的的约束条件进行出相应的研究[10-11]。近些年，该领域在我国也得到了广泛的研究，目前主要的研究成果包括：在基于线性调频雷达信号的三种波形设计方法下，李保国分析了在基于特征值分解的REC波形设计过程中，发现随机向量之间的欧式距离是不确定的，因此提出了一种基于直接扩频序列的软判决且最大化随机向量欧式距离的波形设计方式[12-13]；牟禹衡主要研究了雷达嵌入式通信的具体应用情形——无人机平台下基于机载雷达的雷达嵌入式通信方法[13]；何山提出了基于特征向量的波形加权设计方法，兼顾了通信的可靠性和隐蔽性[14]；姚永康主要侧重于研究REC的接收技术，主要研究了对雷达嵌入式通信在多径衰落信道下，如何有效抵抗多径衰落，提升通信可靠性等问题，将均衡技术和RAKE接收技术做出相应改进与设计后运用于雷达嵌入式通信系统中[15]；以及标签如何识别和接收雷达信号等实际应用中所需要考虑的问题。

以上文献的研究基本都是基于线性调频雷达信号的，后来的雷达嵌入式通信波形设计逐渐扩展为基于其他雷达信号了，比如：步进频率信号等等。目前的研究也非常注重工程实现与实际环境的考虑，例如：考虑多径效应对通信可靠性和隐蔽性的影响，考虑波形的检测以及接收问题等等。在国外，雷达嵌入式通信已经有相当一部分学者正在研究，但在国内对其研究的较少，为了填补国内这一领域空白，既要了解国外的研究现状，又要结合国内具体情况开展研究，早日将雷达嵌入式通信应用于我军的通信需求之中。

3 结 语

现代化信息战场中复杂电磁环境下，频谱利用日趋紧张，通信的安全性受到极大的挑战，雷达嵌入式通信作为一种新型隐蔽通信概念，既可以实现频谱共享，还能保证信息得到有效、可靠、保密传输。因此，雷达嵌入式通信是军用通信技术发展的重要方向。对于该技术的研究目前已有一定的理论基础，但许多关键技术尚不成熟，进一步攻关和完善该领域相关概念和理论以及将该技术应用于合适的战场需求是今后的研究重点。