战场雷达和通信频谱兼容研究

2021-02-26杨勇军林小芳

电脑与电信 2021年11期

杨勇军常明郭勇林小芳

（空军通信士官学校，辽宁大连 116600）

1 引言

随着信息化技术的不断深入发展，战场上无线电电子设备越来越多，电子对抗日益加剧，频谱资源的需求不断增长。为迅速掌控未来战争电磁领域的主导权，美军视电磁频谱为继陆、海、空、天和网络之外的第六维作战域[1]。由此可见，电磁频谱已经关系到国防和军队的信息化建设，是各国维护自身安全的战略性任务之一。其中，雷达是战场上的目标探测装备[2]，通信是战场上交流信息、实时指挥的装备[3]，随着装备的增多及使用频率的接近，战场雷达和通信频谱兼容问题不断出现，严重制约了装备的使用效能。本文主要研究战场雷达和通信频谱兼容问题，首先分析了战场雷达和通信使用频谱的差异，然后对战场雷达和通信在频谱相邻、频谱交叉和频谱重叠的三种情况下的频谱兼容进行了分析。

2 战场雷达和通信使用频谱的差异

2.1 频谱功率不同

雷达探测目标需要发射信号并接收目标的回波信号，现代战场的隐身技术、小型化以及无人化技术越来越先进，目标雷达散射截面越来越小[4]，需要较大的雷达发射功率才能实现目标探测，所以雷达信号的幅度较大，其频谱图的幅度也较大；通信的功率相对于雷达来说较小，其频谱图的幅度也相对较小。一般情况下，雷达和通信在用频接近的情况下，通信受到的影响会比较大。

2.2 波形和频谱特征不同

目前，常用的雷达信号有连续波信号、线性调频信号、频率分集雷达信号等，其信号波形类型有连续型和脉冲型[5-6]。大多数雷达信号波形是固定的，既具有一定的周期性，其频谱特征也是具有一定的平稳性。常用的通信信号有振幅键控、相移键控、频移键控和正交振幅调制、正交频分复用等信号，其信号波形类型分为频率调制、相位调制和振幅调制，或不同类型调制的组合[7-8]。通信信号通常是随机的，除一些导频信号相同外，不同的通信信号调制后的波形是不同的，其频谱特征具有一定的随机性。

2.3 频谱方向性不同

雷达探测目标时，如果目标的回波信号太弱，就会因识别不出信号而造成误警，所以雷达难以实现对全方向发射信号，通常是使用定向天线将信号功率集中在一个方向发射，然后依靠天线的旋转来实现对不同的方向进行目标探测[9]，所以雷达信号通常具有很强的方向性，在对雷达进行频谱监测时，不同时刻在同一方向监测到的雷达信号频谱强度是不一样的。而通信除散射[10]、卫星[11]等少部分通信装备具有较强的方向性外，其它通信装备通常采用的是全向天线，其信号强度在各方向基本一致，在对通信进行频谱监测时，不同时刻在同一方向监测到的通信信号频谱强度的平均值基本保持一致。

3 战场雷达和通信频谱兼容研究

战场上各种武器装备的使用容易造成频谱拥挤，导致雷达和通信的频谱使用空间被压缩。基于雷达和通信使用频谱的差异，本文对战场雷达和通信在频谱相邻、频谱交叉和频谱重叠的三种情况下的频谱兼容进行研究，分别如图1(a)(b)(c)所示。

图1 战场雷达和通信使用频谱示意图

3.1 雷达和通信频谱相邻的情况

战场上雷达为了在复杂的电磁环境中接收目标的回波，需要发射较大功率的信号，其发射机的末级功率放大器大多工作在饱和状态，容易产生非线性失真，从而导致基波信号的各次谐波的产生，使得战场上雷达和通信在频谱相邻的情况下有邻频道干扰、带外干扰等，不利于雷达和通信的同时工作。为解决干扰问题，可以从以下两方面入手：

（1）优化武器装备防电磁干扰设计

在武器装备设计方面，可以对雷达或通信的关键部位用特殊材料包裹形成防护层[12]，或是根据雷达频谱方向性不同，在特定的方向加强防护，增加电磁屏蔽或电磁吸收效果。

（2）增强信号处理

雷达和通信同时工作时，可以对信号进行滤波处理，比如自适应滤波技术[13]、卡尔曼滤波技术[14]等减少电磁干扰。

3.2 雷达和通信频谱交叉的情况

战场雷达和通信在频谱交叉的情况下，如果二者仍正常用频，当二者中心频率一致时，即使没有外界电磁环境干扰，雷达和通信之间也会出现同频干扰。根据雷达和通信的频谱特征，雷达或通信在空域、时域和频域都会出现对于当前工作冗余的、可以被利用的空闲频谱资源，这些频谱资源被称为频谱空穴。为解决同频干扰，可采用以下技术：

（1）匿影技术

匿影的基本工作原理是其它装备利用雷达的脉冲间隙时间来工作[15]。脉冲雷达为了增加最大不模糊距离，发射的脉冲信号占空比往往较小，所以通信可以充分利用其脉冲间隙时间来工作，减少雷达信号的干扰。

（2）认知无线电技术

认知无线电技术的基本思路是基于认知功能提前感知和分析可以使用的频率，并实时接入可以使用的频率，避免对拥有授权频段的主用户形成干扰[16]。雷达或通信可以使用认知无线电技术及时感知和使用空闲频率，避免发生同频干扰，提高频谱利用率。

3.3 雷达和通信频谱重叠的情况

战场雷达和通信频谱重叠时，可以采用共享频谱的方式同时工作。雷达和通信共享频谱是指雷达和通信通过共同采用一种共享信号综合实现雷达功能和通信功能[17]，这样可以提高资源的共享程度、降低能源消耗和节约维护成本，并且能减小系统自身的电磁干扰，增加系统运行的可靠性和高效性。对于共享信号的选择有正交频分复用信号、线性调频信号等。

（1）正交频分复用信号

正交频分复用信号作为共享信号具有多载波特性，且形式类似于噪声，能有效降低被敌方电子侦察的概率，且拥有较大的时宽带宽积保证其具有较高的距离与速度分辨率[18]。主要缺点有两个方面：一是峰均功率比较高，二是脉压峰值旁瓣比的随机性较大。其中，高峰均功率比信号经过功率放大器会导致信号畸变、频谱偏移等严重问题，导致信号失真严重，大幅增加通信误码率；峰值旁瓣比会影响雷达检测的虚警概率，如果虚警目标的数量超出了系统的可承受范围，将对真实目标的检测造成很大的影响。因此，正交频分复用信号需要在发送端抑制峰均功率比，在接收端抑制脉压峰值旁瓣比的随机性。

（2）线性调频信号

线性调频信号作为共享信号有系统简单容易实现、拥有较大的时宽带宽积等优点[19]。主要缺点是通信速率较低和通信信息解调困难。因此，线性调频信号的载波通常需要搭载通信速率较高的多进制信号，以及优化通信信息解调的方式方法。