通信化雷达探测技术

施龙飞 全 源 范金涛 马佳智②

①(国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室 长沙 410073)②(国防科技大学电子科学学院 长沙 410073)

1 引言

雷达通过发射电磁波信号并对目标散射回波进行接收和处理，实现对目标的检测、定位、跟踪、识别。雷达信号波形设计及信号处理算法，决定了距离、速度等参数测量精度以及目标分辨能力等常规性能。然而，在强对抗、远程探测、隐身目标探测等情形下，现有的雷达波形设计、信号处理、探测方式存在着固有的劣势，例如，目标回波能量相对于干扰、噪声能量的劣势，雷达抗干扰容量相对于大规模、低成本分布式干扰的劣势等。

雷达界虽已发展出掩护脉冲等一些复杂波形及工作模式，获得了一定的对抗主动性，但总的来看，雷达探测作为一种合作式探测，其主动性远未充分挖掘，特别是尚未借助于信号波形中蕴藏的信息维度优势来提升综合探测能力。

对此，本文在现有的双基地雷达、雷达通信一体化研究基础上，提出一种新的雷达体制——通信化雷达，其主要特点是借助于嵌入辅助定位信息的信号波形设计和信息解调提取处理以有力改善雷达探测能力，即通过在发射信号波形中嵌入发射站动态位置、天线扫描指向、发射时刻等辅助定位信息以及波形辨别号等握手信息，并在接收处理中提取、利用该信息进行目标检测、定位、识别、抗干扰和多目标分辨，可大幅提升远程、隐身、强对抗条件下的探测能力。论文从系统架构、探测原理、定位与抗干扰性能分析等方面对通信化雷达进行了阐述。

2 通信化雷达探测原理

通信化雷达系统的基本架构如图1所示，采用单站模式或多站模式(以多站模式为主)，可使用“发射站后置、接收站前置”的部署形态，发射站利用地基、舰载、空基平台或民用辐射源以远离敌方打击火力进行发射，提升战场生存力，接收站则利用无人机、隐身飞机或前置部署平台实施抵近接收，以获取能量优势并进行隐蔽探测。

通信化雷达采用嵌入信息的信号波形，将发射站从传统的能量辐射源拓展为“能量辐射+信息发送”，将接收站功能从传统的参数测量拓展到“参数测量+信息提取”，将雷达目标从传统的电磁散射体拓展为“电磁散射+信息传输”，如图2所示，发挥“合作式探测”的潜力，可在双基地(双站)探测时提高信息传递效率，可建立电子对抗条件下探测时的信息维度优势，改善雷达抗干扰能力。

通信化雷达的基本工作方式是：

(1) 发射站靠后部署，采用方位向窄波束对关注空域进行方位向扫描，发射波形中嵌入瞬时位置信息、发射时间信息、波束指向信息、波形序号信息以及其他需要传递的信息，发射站可高机动工作。

(2) 接收站前置部署，采用数字阵列体制对关注区域进行方位向同时多波束接收(或方位向快速扫描)，完成对目标回波信号的接收、检测、测量(到达方向测量、到达时间测量)、信息提取(发射站位置信息、发射时标信息、发射波束指向信息、波形信息等)和定位等，接收站可高机动工作。

系统可增加发射站、接收站数量，以进一步提升综合探测能力和综合抗干扰能力。下面简要阐述通信化雷达与现有几种雷达体制的区别。

图1 通信化雷达系统基本架构示意图Fig.1 System structure of communicational radar

图2 通信化雷达发射站、目标、接收站的“功能”拓展Fig.2 Definitions expansion of transmitter,target and receiver

通信化雷达在部署形态上与传统的双多基地雷达、外辐射源雷达有一定的相似性。双多基地雷达具有抗干扰能力强、反隐身等优势[1,2]，但其对发射站与接收站之间的同步需求很高[3]，一般通过微波直视链路通信、卫星通信或光纤通信实现，在复杂战场环境下，上述方式会限制系统的布站范围、灵活性以及生存能力；与双多基地雷达系统相比，外辐射源雷达具有更好的隐蔽性[4–6]，但由于对非合作辐射源的依赖，其探测稳定性、灵活性无法保证。上述两类雷达都存在固有的局限性，目前仍没有成为战场探测的主力。本文提出的通信化雷达收发站之间无须严格同步、无须通视，在布站方式、机动性、灵活性、支援保障依赖性方面都具有很大的优势，具有更大的应用潜力。

雷达通信一体化技术近年来吸引了国内外许多学者的关注，其旨在利用同一设备或同一个平台同时实现通信和雷达探测功能。国内外学者在雷达通信一体化方案、波形设计、信号处理等方面已经开展了大量的探索，如从普通的线性调频雷达信号出发，通过与最小频移键控的结合，实现同时探测与通信[7]；在通信信号基础上设计的滤波器组多载波波形，可以很好地同时应用于SAR成像与通信功能[8]；还有学者基于PCFM (Polyphase-Coded Frequency-Modulated)设计的一体化波形，通过调制指数变化、脉间波形切换来平衡雷达与通信性能[9–11]；除此之外，有学者通过空间分波束设计来实现雷达与通信功能[12,13]。本文提出的通信化雷达与雷达通信一体化有着较大的不同，雷达通信一体化仍然是雷达探测与通信传输两种功能的组合，这两种功能在频谱、能量资源及性能上是相互竞争的关系，而通信化雷达的出发点是雷达探测，其有限的通信功能(通信信息传输与提取)是服务于雷达探测功能的，两种功能在波形设计、信号处理上高度融合，可提升雷达综合探测性能。

3 通信化雷达关键技术

本节对通信化雷达信号处理、波形设计、目标定位等关键技术进行简要阐述。

3.1 通信化雷达信号处理与波形设计

通信化雷达的波形一般可采用双层/多层复合调制方式，其对应的信号处理大致包括4个部分：目标检测(匹配接收、子脉冲积累、目标检测)、参数测量(到达时间、到达方位角)、信息提取(发射站位置、波束指向、发射时间等信息)、应用处理(定位、跟踪、识别、抗干扰等)。

通信化雷达信号处理流程如图3所示。

图3 通信化雷达信号处理流程Fig.3 Signal processing procedure

步骤1 对雷达目标散射回波信号进行子脉冲的匹配接收；

步骤2 对匹配接收输出信号取模，进行子脉冲间滑窗积累；

步骤3 对滑窗积累结果进行目标检测，并测量目标的时延位置；

步骤4 在目标时延位置处对步骤1中输出信号进行码元信息提取；

步骤5 通过信息解调，提取发射站位置、波束指向、发射脉冲时间等相关信息；

步骤6 基于提取信息和测量信息，实现目标定位、识别、抗干扰等应用功能。

根据通信化雷达功能要求，需在发射波形中内嵌发射站位置、发射时刻、波束指向、编码序列号等信息，因此，要在接收处理信噪比增益、模糊函数、信息传输量、误码率等多重约束下进行波形的优化设计。现有雷达通信一体化技术中的波形设计可供借鉴、但尚未有能满足要求的波形。OFDM波形具有正交性好、隔离度高的特点，被广泛应用于多通道通信系统[14]，但OFDM波形的幅值通常不是恒定的，这不利于发射机功放工作在饱和区，限制了其能量效率。文献[15]通过在LFM信号中嵌入一组正交FM项来标识通信符号，并通过引入加权系数来平衡雷达探测和通信性能，然而，该方法要求雷达接收机已知通信信息，否则难以对目标回波信号进行匹配接收并有效检测目标。文献[16]通过前导码长度设置取代功率分配方法来平衡雷达探测和通信传输的性能，但其远距离探测时通信数据传输是一个问题。总的来说，目前雷达通信一体化技术的主要目的是雷达目标探测与通信信息传输两种功能的组合，其波形设计难以满足通信化雷达的探测需求。

本文提出一种内外层“复合调制”波形设计方式：

(1) 内层调制以传统的信噪比、距离分辨力提升为主要设计指标，可采用相位编码波形，也可采用传统的线性调频、非线性调频等调制波形，对应的信号处理为匹配接收处理；

(2) 外层调制以信息传输与提取性能为主要设计指标，主要采用相位调制方式嵌入信息，同时要兼顾电子干扰、多径、多目标等复杂电磁环境下对信息的复杂调制，对应的信号处理为信息解调、信息提取以及信道估计与均衡等。

图4是内外层复合调制波形及其携载信息示意图，该波形的幅度包络一般要求是恒定的，以保证雷达发射机功放工作在“饱和区”，实现满功率发射。

下面对典型的通信化雷达发射信号波形需要嵌入的信息量进行初步分析。嵌入信息一般至少应包括校验码、发射站位置、发射时刻、发射波束指向等，其需要的信息量分析如下：

(1) 波形校验码：6 bit；

(2) 发射站位置：假设当前发射站位置的可能区域面积为10 km×10 km、位置精度要求为10 m×10 m，可将其等效划分为106个小网格，需要20位二进制表示其二维直角坐标，即需要20 bit；

(3) 发射时刻：假设距离和(电磁信号在发射站-目标-接收站之间的传输路程)可能范围是30～300 km，时间精度要求为0.1 µs，可将其划分为约9000个小网格，则需要14位二进制表示该距离范围，即需要14 bit；

(4) 发射波束方位角：假设探测角度范围为0～360°，角度精度要求为0.1°，可将其划分为3600个小网格，则需要12位二进制表示，需要12 bit。

以上共计需要52 bit，那么如果外层采用BPSK方式进行调制，则仅需要52个码元，如果采用QPSK方式，则仅需26个码元。需要说明的是，实际应用中发射站可以预先发送相关粗略信息，可进一步地压缩所需嵌入和传输的信息量，或在限定信息量情况下可以提高信息精度。

3.2 通信化雷达目标定位

通信化雷达可使用“距离和-方位角-方位角”定位法，在收发站均仅采用方位向扫描(俯仰向使用宽波束)的情况下就可实现对目标三维空间位置的定位。定位原理如图5所示，图5中，T表示发射站位置(坐标(xT,yT,zT)),R表示接收站位置(坐标(xR,yR,zR)),P表示目标位置(坐标(x,y,z)),hT,rT,rR分别为目标与发射站的高度差，目标与发射站的距离，目标与接收站的距离。

根据图5中几何关系，可得定位方程

式中，ρ为目标与发射站、接收站的距离和，θT,θR为发射方位角、接收方位角，分别是目标与发射站、接收站连线在水平面投影与x轴的夹角。可根据式(1)解得目标的二维坐标(x,y)

图4 内外层复合调制波形及其携载信息示意图Fig.4 Schematic diagram of inner and outer layer compound modulation waveform and the embedded information

图5 通信化雷达定位方式示意图Fig.5 Location method of communicational radar

通过解式(3)可解得两个z值。当两个z取值为一正一负时，使用正值作为解得的z值。当两个z均大于等于0时，此时出现高度模糊，可通过粗略测量目标俯仰角等综合手段进行解模糊，难度不大。特别地，如果发射站、接收站均在地面/海面，则两个z取值为一正一负，z ＞0即为目标高度值。

根据式(2)—式(4)可知，通信化雷达定位共需5组参数，具体获取方式如表1所示。

需要特别说明的是，表1中，有3个重要的参数信息是通过信息解调方式获取的，仅需进行接收方位角和回波到达时刻的传统测量处理，就可以实现雷达目标的定位。

4 通信化雷达探测性能分析

下面首先分析通信化雷达的探测定位能力，然后对通信化雷达在远程探测、反隐身、抗干扰等方面的应用前景进行简要阐述。

4.1 定位能力分析比较

以最常见情况进行分析比较，发射站、接收站均采用方位窄波束、俯仰宽波束(兼顾空域监视效率)。

双基地雷达由于难以准确获知发射站当前脉冲的波束指向、发射脉冲准确时刻，因此必须要采用接收直达波信号、建立通信链路等方式，才能够利用“角度-距离和”等方式获得目标的二维坐标(即图6左所示蓝色粗线)，效率较低、灵活性差。

通信化雷达可以从接收到的脉冲信号中提取当前脉冲的发射站波束指向、发射时刻、发射站位置等信息，因此可以直接采用“角度-角度-距离和”等方式获得目标的三维坐标(即图6右所示两条蓝色粗线交点)，效率较高、灵活性强。

因此，可以看出，通信化雷达相比于传统双基地雷达在定位能力方面具有较大优势：能够在更远的收发站间距(无收发站直视要求)、更低的通信链路支持、更灵活地对目标进行三坐标定位。

表1 通信化雷达定位所需参数及其获取方式Tab.1 Required parameters for location and their corresponding access methods

图6 通信化雷达定位能力比较Fig.6 Comparison of location performance

下面进一步采用定位精度分布性能曲线(Geometric Dilution Of Precision,GDOP)，也称精度几何扩散因子，来描述通信化雷达的定位性能。由3.2节可知，通信化雷达定位性能既由5组输入参数的精度决定(发射站位置、发射方位角、接收站位置、接收方位角、距离和)，也与收发站之间距离(基线长度)、目标相对位置、天线波束宽度等有关。下面就典型因素对定位性能的影响进行分析。

图7是基线长度对定位精度分布GDOP的影响。可以看到：发射站和接收站连线方向上的测量精度较差；接收站附近(不包括基线区)定位精度较好，且与接收站越近定位精度越高；基线长度增加时，GDOP整体的分布基本保持不变，但定位精度整体下降。

图8是发射时刻信息精度对定位分布精度GDOP的影响(站址测量误差为5 m，基线长度为128 km)。由图可见，对于10 ns,1 µs的情况，GDOP相似，这表明发射时刻信息的精度较易满足定位要求。

图9是(发射站、接收站)站址测量误差对定位精度分布GDOP的影响。当站址测量误差小于100 m时，对整体的GDOP影响不大，而一般通过GPS、北斗都可以达到比100 m更高的精度。

因此，总的来看，信息提取精度较易满足雷达目标的定位精度需求。

4.2 通信化雷达应用前景分析

通信化雷达通过在信号波形中嵌入辅助探测信息，既可以在双/多基地分布式探测中更好地定位目标，也能够在复杂的对抗场景中辨别目标与干扰。本节简要阐述通信化雷达的应用前景。

对于中远程探测，可将接收站(隐身飞机、无人机或舰艇平台)前置隐蔽接收，由于接收路径相对较短(目标与接收站距离)，目标回波接收功率相对单基地雷达更大，具有探测威力和高生存力的优势。对于直达波抑制问题，通信化雷达亦具有显著优势，由于其定位无需利用直达波，因此避免了既要抑制直达波又要利用直达波的矛盾，可利用地球曲面遮挡、接收站在发射站方向形成波束零点等多重措施抑制直达波，也可以通过波形设计从时域上与直达波进行隔离。

图7 基线长度对GDOP的影响Fig.7 Influence of baseline length on GDOP

图8 发射时刻信息精度对GDOP的影响Fig.8 Influence of transmitting time information precision on GDOP

图9 站址测量误差对GDOP的影响Fig.9 Influence of site measurement error on GDOP

对于复杂对抗场景中的目标探测，在欺骗假目标干扰识别方面，当雷达采用复杂信息调制波形后，由于干扰机一般仅能对雷达信号的频率、脉宽、重频等常规参数进行分选识别，难以对嵌入的信息进行准确提取，因此转发干扰信号与目标回波必然存在差异，即使干扰机采用直接转发的方式，如切片式转发，则也会显著地破坏信号波形的信息结构，从而被识别。在压制干扰抑制方面，如果信息内嵌波形设计与频率捷变、波形切换相结合，将给干扰机的存储-转发带来很大困难。

总的来说，通信化雷达相比于传统单基地雷达具有更好的战场探测隐蔽性、生存力，相比于双/多基地雷达则具有更好的探测灵活性和抗干扰能力。

5 结束语

本文提出了一种新的雷达探测体制——通信化雷达，充分发掘“合作式探测”的潜力，通过对发射波形中嵌入的辅助信息的提取和利用，可显著改善双/多基地等分布式探测系统的探测定位能力、抗干扰潜力和使用灵活性。本文阐述了通信化雷达的基本原理，对应用前景进行了展望，后续将结合具体探测场景开展波形设计、信号处理的深化研究，解决多目标、多径等复杂场景带来的问题，将其应用于远程探测、反隐身、抗干扰等具体应用场景。