雷達與通信一體化的工程實現方法探討*

黃 斌，張 軍

（海軍裝備部，四川 成都 610036）

0 引言

隨著各種預警、電子戰和高精尖武器的陸續面世，陸、海和空戰場環境的日趨復雜。為了提高平臺的作戰效能和戰場生存力，各種武器、傳感器平臺的光、電信息裝備的地位和作用越來越突出，電子系統綜合化設計也應運而生。傳感器與通信一體化設計正是電子系統綜合化設計的重要組成部分，而其中尤以雷達通信一體化設計成為國內外工程師們研究的重點[1]。促使雷達通信一體化設計的源動力主要有以下幾方面：一是系統載荷小型化需求，應盡量提高系統資源利用率，多功能線程共用硬件資源；二是電子系統降成本需求，應使用更少的資源實現更多的功能，降低硬件系統成本；三是通信效能提升需求，利用雷達陣面發射的高等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP）和高增益，提升通信距離、抗干擾能力和傳輸容量，在加入一定的認知算法后，通信距離、抗干擾能力和傳輸容量三者可互相轉換；四是平臺隱身需求，盡可能優化天線孔徑布局，減少天線數量，降低平臺RCS。實現雷達通信一體化還會給系統帶來其他好處，主要包括：一是各種功能線程硬件資源型譜可實現盡可能統一，減少了備件采購類型，提升了系統綜合保障水平；二是雷達通信一體化設計一般需采用軟件無線電等技術才能實現，而采用軟件無線電技術后，系統的功能拓展、能力提升等只需在通用硬件平臺上進行軟件升級即可，也能較大提升系統的后向兼容能力。

本文擬在總結前人研究的基礎上，提出現階段可工程化的雷達通信一體化設計方案，供型號設計參考。

1 國內外研究情況

國外從20 世紀60 年代開始就已經提出了在雷達脈沖上添加通信信息的方法，并實現了簡單的信息傳遞。20 世紀70 年代，美國的工程師發表專利《雷達兼容數據鏈系統》，提出通過對不同的通信數據使用不同的脈沖重復頻率來發送。該系統不需要雷達和通信分時復用，在接收端通過識別不同脈沖重復頻率即可恢復發送端比特信息，對雷達工作性能無影響，只是通信效率較為低下，容量不滿足實際使用需求。美國海軍研究實驗室在20 世紀80 年代進行了雷達通信一體化試驗驗證。該系統雷達和通信系統天線獨立，但發射機采用了一體化發射機。雖然有學者認為雷達和通信使用獨立天線并非嚴格意義的一體化，但該項目是雷達通信一體化進入工程化的第一個實例[2]。進入21 世紀，美國空軍在雷達通信一體化上邁出了重要的一步，其最先進的F-22A 戰斗機裝備了APG-77 雷達。該雷達天線孔徑能同時產生多個波束，第1 組波束用來檢測和定位空中或地面目標，第2 組波束在第1 組波束的引導下對目標實施干擾，第3 組波束用來與己方的協同平臺進行通信，比雷達通信一體化更進一步，實際上已經達到了雷達-電子戰-通信一體化設計的技術層面[3]。

國內眾多學者和工程師對雷達通信一體化也進行了大量探討。經過作者對典型文獻進行歸納分析，目前的研究熱點主要在集中在以下兩方面：一是雷達通信波形融合；二是雷達通信一體化系統總體設計。

雷達通信波形融合研究絕大部分是基于雷達和通信共享硬件資源的前提，在實現雷達功能的同時兼有通信功能，主要研究雷達通信一體化波形綜合設計。它的研究熱度最高，詳見文獻[4-6]等。但是，作者認為這部分研究并沒有解決通信作為己方協作平臺信息溝通的問題，主要原因如下。一方面，未考慮通信網絡拓撲關系。傳統通信是有專門的組網協議來保證網內成員在合適的時間收到合適的信息，波形融合方式實現的是雷達與被雷達照射方的信息傳遞，但實際上信息接收者絕大多數情況下并不是被雷達照射方，可能導致該收信息者收不到，而不該收信息的收到的情況，故評估該方式主要適用于需要將各種雷達傳感器組網應用的場景，但對傳統戰術數據鏈通信不適用。另一方面，未考慮通信技術體制的延續性問題。軍用通信體制更新換代不及民用移動通信快，許多技術體制在長期的作訓中能夠滿足需求，運行可靠，故得以長期沿用。裝備的研制并不能將所有的通信體制推倒重來，通信體制尚需兼容現有標準，波形融合方式需要定義新的通信波形，與現有體制不兼容，推廣到戰術數據鏈通信領域尚有很長的路要走。

有一部分雷達科技工作者根據雷達研制工程實踐經驗，提出了雷達通信一體化系統總體設計方案。文獻[7]提出了在數字陣列雷達上基于共用射頻前端模塊和天線，利用時序控制實現兼具雷達探測、跟蹤和通信的多任務綜合體。但是，該方式采用預分配時分多址（Time Division Multiple Access TDMA）組網協議，通信距離約為2 km，速率為100 kb/s，與戰術通信的動態組網、遠距離通信等要求尚有一定的差距，且通信時需占用雷達接收時間，增大了雷達探測周期。文獻[8]對艦載雷達通信一體化系統中實現通信功能線程的工作流程、時間資源、時隙分配以及協議設計中需要關注的重點進行了討論。該文采用雷達實現通信的初衷是為了實現類似于美軍聯合傳感器網絡協同作戰能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）的概念，將各型艦載雷達組網應用，與傳統戰術數據鏈通信場景有一定的差異。文獻[9]介紹了民用汽車雷達通信一體化系統的評價指標、系統構成和波形設計方案，提出了基于線性調頻的雷達通信一體化方案，實現車載雷達探測和車間通信功能，且不會額外增加汽車的硬件模塊，也不會因為通信功能的引入使得汽車的電磁環境更加復雜，既降低成本又可以提高頻譜利用率，成為雷達通信一體化技術從軍事應用轉向民用領域的重要突破之一。

綜上所述，目前國內雷達通信一體化主要研究方向是基于雷達和通信共用硬件資源下的波形綜合化設計和具備相同頻段雷達的平臺之間的協同通信，在雷達工作的同時“順便”實現一定的通信功能，應用場景有局限，與傳統的數據鏈通信有區別，更多是“為了雷達而通信”，而非“為了達到戰術目的而通信”。

作者認為，雷達通信一體化設計無需拘泥于實現形式或“一體化”理論上的完美，而是需要根據平臺的裝機適應性、電磁兼容性、功能特性等因素做出方案選擇，以“發揮平臺作戰效能”和“達到戰術目的而通信”為主要目的，也就是說盡量滿足戰術數據鏈通信的使用場景才會有廣闊的生存空間。

2 雷達通信一體化工程方法探討

2.1 雷達與通信工作的異同

在討論雷達通信一體化的工程實現方法之前，簡單回顧雷達和通信在處理流程、工作頻段、波形設計和應用場景方式方面的異同，從中找出影響雷達通信一體化設計的約束條件。

信號和信息處理流程大致相同，二者發射均是經歷從基帶數據、調制解調、變頻與放大和天線發射4 個過程，只是雷達是接收自己的回波，通信是接收通信對端發射信號，但在處理上完全是發射的逆過程，為一體化設計帶來了便利。

頻段逐漸趨于相近。雖然前期雷達一般集中在L 或S 以上高頻段，以提高探測精度，但隨著隱身目標的出現，為了提升對隱身目標的探測距離，反隱身雷達工作頻段逐漸下移，目前已和部分戰術數據鏈工作頻段有所重合。為了滿足高容量、低截獲概率等需求，通信鏈路工作頻段逐漸向X、Ku、Ka頻段上移，與雷達工作頻段接近，二者在頻率上的接近為一體化設計帶來了便利。但是，雷達發射功率巨大，二者接收靈敏度均很高，如工作頻段靠的太近，二者電磁兼容會帶來一定的挑戰。

波形可趨于相同。雷達為了提高功率，功放一般工作在飽和區，一般采用連續波和脈沖調制波，傳統通信一般采用連續波。近來，一些新通信手段大量采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等峰均比較大的波形，功放工作在線性區，但目前專家學者已經在研究OFDM 等波形應用于雷達系統的可行性，并通過仿真等驗證，所以二者的差異基本可忽略[10]。

應用場景截然不同。雷達一般是針對非合作目標的探測，目標可能位于4π 空間任意一點。雷達工作時一般先是定向大功率窄波束發射進行盲掃描、高增益接收，后對需要重點關注的目標進行高頻次跟蹤。戰術通信鏈路為了滿足實時信息傳遞、全網信息廣播的需求，需要設計專用組網協議，用以保證在合適的時間內信息可發送到網內需要接收的平臺。這就需要采用全向通信或感知網絡拓撲前提下的定向通信而非盲掃描通信，這是二者本質的區別，也是部分雷達通信一體化設計方案應用受限的重要原因。所幸目前大量采用的相控陣雷達的靈活波束調度特性為定向通信，也能為滿足戰術數據鏈需求提供先天條件。

2.2 實現方法探討

基于以上討論，作者認為雷達通信一體化工程設計可基于以下兩種方法進行。

方法一：基于部分共享硬件資源下的雷達通信一體化，即雷達和通信功能在天線孔徑、射頻通道、信號處理和數據處理方面一定程度的綜合，視平臺能夠提供的硬件條件而定。不同的資源共享可能帶來不同的收益，同時帶來應用方式上的制約。

方法二：基于全部共享硬件資源下的雷達通信一體化，即采用信號融合、時分復用等方式開展設計工作。

在第一種方法中，由于現代數字信號處理和數據處理硬件能力的提升，要實現信號和數據處理核心硬件平臺的統一并不難。同時，射頻收發信道同時滿足100 dB 的動態，10～20 000 kHz 帶寬需求也并不難，故一般均認為二者信號和數據處理硬件平臺、射頻收發信道可以通用，僅需針對不同的功能線程做細節上的分別設計，主要的資源共享工作還是在天線孔徑上。共享雷達天線孔徑具體又可分為陣元抽取、極化隔離和孔徑共用3 種方式。不同的天線孔徑共享方式需考慮不同的總體設計方案和約束條件，以下進行具體分析。

陣元抽取。雷達陣面一般包含幾百甚至上千個天線陣元，用以實現定向高EIRP 發射，同時實現高接收增益。此時，可考慮將一定的天線陣元抽取出來供通信功能線程使用。抽取的天線陣元一般對雷達影響不大，但可能會影響雷達的旁瓣抑制等指標，會導致其抗干擾能力有所下降。當然，也可采用波束賦形等算法修正旁瓣抑制等指標，對雷達性能做出補償[11]。此時的設計約束是雷達和通信工作頻段需要比較接近，抽取的子陣面盡量考慮通信所需布局，以提高天線組陣的效率。另外，由于天線陣元間距小，工作頻率相近，對電磁兼容要求高，但該方案無需增加新的陣元，故裝機難度較低。國內已有相關文獻對陣元抽取方式進行了深入研究，可參見文獻[12]。

極化隔離。為了不影響雷達的EIRP 和旁瓣抑制等指標，可采用雙極化天線。雷達和通信各采用一個極化方式的電磁波。目前，一般通信技術體制已經定型，其極化方式基本確定。雷達只需接收自身回波，其極化方式可自行確定。因此，二者極化方式交叉并非不可能。例如，雷達采用水平極化、通信采用垂直極化，在天線設計較好的情況下，達到20 dB 的極化隔離并不難，電磁兼容難度有所降低。同時，無需新增陣元，裝機難度較低。國內已有文獻對雙極化雙頻段天線開展了研究，可參見文獻[13]。

孔徑共用。陣元抽取方式會占用雷達有效孔徑大小，如平臺裝機空間允許，可在一個大陣面分雷達子陣面和通信子陣面，二者分開布局。此時，并不要求雷達和通信頻率相近，且天線陣元物理距離拉開后，二者的電磁兼容工作也變得更加簡單，同時對雷達工作基本無影響。當然，可能會有專家對該方式存疑，是否還是雷達通信一體化？作者認為工程型號就是要在性能指標、裝機適應性等方面做出平衡，講究實用價值，無需糾結概念，因為孔徑綜合設計也屬于一體化的一種，且后端射頻收發、信號和數據已經進行一體化處理。

3種不同天線孔徑共享方式的影響分析見表1。

表1 不同天線孔徑共享方式影響分析

在第二種方法中，由于雷達和通信共用所有的硬件資源，故一般可能存在3 種應用方式：一是如文獻[4-6]中所述的波形綜合化設計方式；二是雷達通信分時共享硬件資源；三是應急通信方式。

波形綜合化方式各類文獻中描述已經較多，不再冗述。正如前文所述，該方式的主要缺點是與一般的通信場景和既有體制不符，應用空間有限。

例如，采用資源時分復用的方式，由于通信占用了一定的工作時隙，可能會影雷達掃描的工作周期，故通信需盡量少占用雷達工作時間，所以需設計一個高速（一般需10 Mb/s 以上）波形，而這種波形一般與現有戰術數據鏈不兼容，需要通信對端做適應性升級。由于雷達陣面都是定向發射，故通信較難實現全時、全空域的覆蓋，可采用一定的通信協議保證對所需通信對象的拓撲進行維護。

另一種極端的情況是應急通信。當平臺應急通信的需求大于雷達探測需求時，可將全部時隙資源供通信功能線程使用。此時，可采用數字多波束等技術，同時滿足多個方向的應急通信需求，并可進一步提升通信容量。

各種共享硬件資源遠方式影響見表2。

表2 共享硬件資源方式影響分析

3 雷達通信一體化工程實踐

本文以兩個案例簡單說明應用第2 章的方法進行雷達通信一體化設計的實例，供參考。

3.1 陣元抽取方案示例

考慮一個雷達工作在400 MHz 左右頻段，以提升雷達對隱身目標的探測距離，通信工作在300 MHz 左右，實現現有戰術數據鏈能力的系統。本方案的主要目的是通過抽取雷達陣元為通信服務，獲取較高的EIRP 值，用以提升通信容量或提高通信抗干擾能力，同時盡量小影響雷達功能。雷達通信一體化系統實現方案如圖1 所示。

圖1 陣元抽取方式系統架構

該系統中，雷達和通信采用相同的信道收發陣列、信號處理和數據處理硬件平臺，通過加載不同的軟件實現不同的功能線程。

方案要點如下。

第一，共址濾波陣列。采用兩個共址濾波陣列，其中陣列1 對雷達工作頻段帶通，其他頻段帶阻。共址濾波陣列2 對通信工作頻段帶通，其他頻段帶阻。共址濾波陣列1 的作用是抑制通信主頻信號，避免雷達接收機飽和，并抑制雷達發射信號的帶外雜散、寬帶噪聲和諧波型號。共址濾波陣列2 的作用是抑制雷達主頻信號，避免通信接收機飽和，并抑制通信發射信號的帶外雜散、寬帶噪聲和諧波信號，避免引起雷達降靈。省略計算過程，兩個濾波陣列的帶外抑制比需要70 dB 以上。以目前的濾波器水平看，多級腔體濾波做到70 dB 的帶外抑制已經比較現實，可解決雷達和通信之間相互的主頻阻塞和降靈等電磁兼容問題。

第二，通信和雷達波束獨立控制及通信拓撲維護，其中波束控制指令由后端信號處理給出。雷達波束控制無需冗述，與傳統相控陣雷達或數字陣列雷達設計方式相同。通信波束控制的主要目的是網絡拓撲維護和確保信息能夠被正確接收。通信網絡拓撲維護包括初始網絡拓撲獲取和網絡拓撲動態維護。在獲得初始網絡拓撲時，可采用寬波束掃描方式，即降低通信采用的雷達陣元個數，將波束寬度展寬到60°左右，然后啟動360°范圍掃描，只需6 個波束即可覆蓋360°水平范圍。一般說來，所有平臺均可在5 s 之內實現入網，是戰術通信能夠容忍的范圍。在實現初始拓撲后，各平臺相互交互自身位置信息，理論上在200 ms 之內會再次進行信息交互。而機動平臺在該時間內一般難以脫離當前波束照射范圍，還可正常交互數據。在正常交互數據時，可再次交互平臺自身位置信息，修正網絡拓撲。下一次通信時按照最新位置重新調整通信波束對準方向，周而復始即可動態維護網絡拓撲。在進行信息發送時，可分為兩種情況：一是當信息需要全網成員均接收時，采用多波束拼接覆蓋，將信息分發至全網絡成員，此時需考慮波束覆蓋全空域的總時間與信息保鮮期之間的矛盾；二是當信息接受者為某特定成員時，僅需波束覆蓋該成員即可。

第三，共用天線陣面。考慮6 m×2 m 的天線口徑，雷達采用密集布陣方式，陣元之間間距0.2 m，共計橫向布置30 個陣元，縱向布置10 個陣元。按照最靠近通信頻段半波長的間距抽取4 行2 列共計8 個陣元供通信系統使用。通信工作在300 MHz 附近，半波長為0.5 m，考慮組陣效率，陣元間距接近半波長為宜，故隔一個陣元抽取一個陣元供通信使用。如圖2 所示，方形部分為雷達使用陣元，三角形部分為抽取給通信使用的8 個陣元。

圖2 通信陣元抽取方式

采用Matlab 軟件（V7.0）對陣元抽取設計后的雷達增益進行仿真。圖3 是陣元抽取前的雷達法線方向增益仿真圖（圖3 中分別為垂直方向和水平方向雷達增益，上方為垂直方向，下方為水平方向，下同）。圖4 是抽取了8 個陣元供通信使用后的雷達法線方向增益仿真圖，其中單陣元法線方向增益取3 dB。從圖3 和圖4 對比可以看出，當300 個雷達陣元抽取8 個陣元作為通信使用后，雷達法線方向增益由26.92 dB 下降到26.8 dB，降低0.12 dB，對雷達探測威力基本不會有影響。

圖3 陣元抽取前雷達法線方向圖

圖4 陣元抽取后雷達法線方向圖

圖5 是從雷達陣面抽取的8 陣元通信天線陣法線方向的增益仿真圖，其中單個陣元增益也取3 dB。

圖5 8 陣元通信天線法線方向圖

從圖5 可以看出，通信天線陣增益可達11.2 dB左右。再加上8 個通信TR 組件的功率累積效應約為9 dB，整個陣元獲取的增益約為20 dB。該數值可轉化為通信容量或通信抗干擾能力。在強對抗環境下，如通信采用抗干擾波形，可再獲取15 dB以上的抗干擾處理增益，累計可達到35 dB 以上的抗干擾增益，在強對抗環境下工作具有極大的優勢。

3.2 時分復用方案示例

考慮一型裝備，其雷達和通信工作頻段相近，通信頻段采用雷達天線引起天線增益降低不高于2 dB，可采用高速通信波形在雷達發射空隙進行通信。系統實現方案見圖6。

圖6 時分復用系統方案

該方案與陣元抽取方式最大的不同在于通信發射時可全部占用雷達天線陣面，所獲取的EIRP 值更高。當然，也可采用數字波束合成（Digital Beam Forming，DBF）技術，同時形成多個波束，與多個方向通信，共享EIRP。該方案中雷達和通信無需同時工作，故無需考慮兼容工作的問題，任何時候僅需一個波束控制，故可省略共址濾波陣列單元和一個波束控制單元。相比于陣元抽取方式，它的裝機代價大大減小。

時分復用。雷達工作一段時間后，預留2 ms工作時間給通信工作，周而復始，如圖7 所示。考慮通信信道速率為10 Mb/s，加上信道建立時間等，通信有效數據發射占空比約為50%。再加上編碼開銷考慮為50%左右，在一個時隙內，通信可發射約2.5 kb 數據，基本能滿足戰術通信單次信息傳輸的需要。如通信工作時間約占雷達工作時間的1/9，整個通信網容量約為250 kb/s，與現行大部分戰術數據鏈網絡容量相當，可以滿足戰術通信網的需要。

圖7 時分復用方式時隙分配示意

通信拓撲維護同陣元抽取方式，不再冗述。

4 結語

本文探討了雷達通信一體化的內涵，并提出了雷達通信一體化并非一味追求資源的一體化，而是可以根據平臺特性進行適當取舍，且通信也需盡量遵循既有通信體制才能有更廣闊的應用空間的理念，提出了工程設計的初步方案，對后續型號工作具有一定的參考意義。