霍 凱 趙晶晶

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OFDM新體制雷達研究現狀與發(fā)展趨勢

霍 凱*趙晶晶

(國防科學技術大學電子科學與工程學院 長沙 410073)

正交頻分復用(OFDM)雷達是近些年才提出的一種新體制雷達，它借鑒了通信系統(tǒng)中正交多載頻的原理，相比于傳統(tǒng)雷達，具有一些獨特的優(yōu)勢。該文系統(tǒng)地介紹了OFDM雷達的特點，全面梳理了國內外關于OFDM新體制雷達研究的文獻，總結了信號特性與波形設計、信號處理、新體制雷達系統(tǒng)等幾個重點方向的研究進展，并分析了OFDM雷達未來的幾個發(fā)展趨勢和應用前景。

正交頻分復用雷達；多載頻；相位編碼；波形設計；信號處理

1 引言

正交頻分復用[1,2](Orthogonal Frequency- Division Multiplexing, OFDM)技術易于實現頻譜資源控制和無線環(huán)境下的高速傳輸，因而被首先應用于通信領域。Jankiraman等人[1,2]于1998年將OFDM技術引入到雷達系統(tǒng)中，他們設計了名叫“PANDORA”的雷達，它的信號由幾個窄帶的LFM通道組成，各通道的輸出信號在接收機中進行合成來獲得高分辨特性。近幾年來，OFDM新體制雷達引起了包括美、德等多國在內的世界范圍內研究者的興趣，在國際期刊和會議上涌現出不少高水平的相關論文，從不同角度和背景研究了相關的技術和理論，推動著OFDM雷達向前發(fā)展。

本文系統(tǒng)地介紹了OFDM雷達的特點，全面梳理了國內外關于OFDM新體制雷達研究的文獻，總結了信號特性與波形設計、信號處理、新體制雷達系統(tǒng)等幾個重點方向的研究進展，并分析了OFDM雷達未來的幾個發(fā)展趨勢和應用前景。

2 OFDM雷達的基本概念與特點

OFDM雷達采用了多載頻發(fā)射信號體制，通過同時發(fā)射多個相互正交的子載頻，每個子載頻上均可采用各種調制方式，從而獲得大的時寬帶寬積。

設雷達發(fā)射信號為

從數學意義上來說，兩子載頻正交是指：

理論上OFDM雷達的子載頻上可以進行任何形式的調制，最常見的有線性調頻調制(Linear Frequency Modulation, LFM)和相位編碼(Phase Coded, PC)調制，分別稱為LFM-OFDM和PC- OFDM，其與基本OFDM信號的區(qū)別如圖1所示。圖1(a)是基本的OFDM信號，每個子載頻是單載頻，子載頻之間的頻率間隔為；圖1 (b)是LFM- OFDM信號，每個子載頻采用線性調頻，帶寬均為；圖1 (c)是PC-OFDM信號，每個子載頻上采用相位編碼調制，且子載頻頻率間隔和碼元寬度滿足。這種PC-OFDM信號脈內、脈間子載頻上編碼可以相同也可以不同，設計非常靈活，而且還具備一些獨特優(yōu)點，如抗干擾能力強、易于數字化、通信雷達一體化等，因此這種信號是OFDM雷達研究的熱點。

PC-OFDM信號單脈沖的復包絡可表示為

OFDM雷達體制主要有以下幾個方面的特點：

(1)波形設計靈活。OFDM雷達信號參數很多，都可以進行相應的設計并很容易實現參數的改變。例如子載頻加權系數，表示了各子載頻上能量的大小，它在發(fā)射時很容易根據需求進行變化，也就意味著較易實現頻譜能量分配和頻譜管理。每個子載頻上的編碼也可以靈活設計，這種特點從體制上帶來了一些優(yōu)點，例如易于通過頻率捷變有效對抗窄帶干擾，通過設計實現低截獲，在復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境中有較強的適應能力。事實上，OFDM雷達信號包絡是時變的，與傳統(tǒng)的恒包絡信號不同，這種時變包絡帶來了上述優(yōu)點的同時，也產生了包絡峰均比(Peak-to-Mean Envelope Power Ratio, PMEPR)過高的問題。

(2)距離高分辨和多普勒高分辨。OFDM雷達信號具有圖釘狀模糊函數，這就意味著OFDM雷達同時具備距離高分辨和多普勒高分辨，不存在距離多普勒耦合，這是傳統(tǒng)的LFM雷達和頻率步進(Stepped Frequency, SF)雷達所不具備的。這就意味著OFDM雷達可以采用一種信號體制實現多普勒測速、高分辨成像等多種功能。然而，圖釘狀的模糊函數也使OFDM雷達信號成為“多普勒敏感”信號，在回波處理時如果匹配濾波器存在細微的多普勒失配，將導致濾波器性能迅速下降。從另外一個角度來看，多普勒頻偏將破壞OFDM雷達信號的正交性，出現子載頻間串擾，導致脈沖壓縮峰值降低，因此需要頻偏估計與補償。

(3)PC-OFDM信號在雷達和通信中的發(fā)射機制相同。PC-OFDM信號最早應用在通信系統(tǒng)中，是將信息編碼并調制到每個子載頻上。在PC- OFDM雷達中，其發(fā)射信號也是將相位編碼調制到每個子載頻上，它們的區(qū)別在于，通信調制的編碼是以發(fā)送信息為目的，而雷達的相位編碼是以降低PMEPR或回波處理為目的。但是無論PC-OFDM通信還是雷達，信號調制、發(fā)射的機制是相同的，這就意味著雷達和通信系統(tǒng)可以共用發(fā)射硬件設備，即采用PC-OFDM這一種信號體制可實現雷達和通信的一體化。

(4)頻率分集與正交性。OFDM雷達信號本身實現了頻率分集，并且具備了正交性，這種特性使其具備了很多優(yōu)勢。例如較易實現多基地、多頻段的雷達組網，與MIMO技術結合，形成新體制雷達。

總的來說，OFDM雷達是一個全能選手，它既具備寬帶雷達成像的能力，又可以實現目標檢測、多普勒測速；既具備波形捷變、抗干擾、低截獲的優(yōu)勢，又有應用于雷達通信一體化、雷達組網等新體制雷達的潛力。在單個功能方面，例如寬帶成像，它可能不比LFM有明顯的優(yōu)勢，甚至后端信號處理更復雜；在抗干擾低截獲方面，它的性能可能并不比隨機單載頻PC更優(yōu)良，但它比LFM的抗干擾低截獲性能更好，比單載頻相位編碼信號寬帶成像能力更強。綜合來看，常見的雷達信號體制(LFM、SF、PC)沒有一個像OFDM雷達這樣能力全面，它的眾多優(yōu)點使其成為新體制、多功能雷達研究的熱點之一，具有廣泛的應用前景。

圖1 3種OFDM雷達信號時頻結構示意圖

OFDM雷達在實際應用上主要存在兩個缺點：

(1)發(fā)射波形的包絡峰均比(PMEPR)較高，導致射頻放大器功率效率低。 由于雷達發(fā)射機的功率放大器一般都不是線性的，且其動態(tài)范圍有限，當OFDM信號這種變化范圍較大的信號通過非線性部件(例如進入放大器的非線性區(qū)域時)，信號會產生非線性失真，產生諧波，造成較明顯的頻譜擴展干擾以及帶內信號畸變，從而導致整個雷達系統(tǒng)性能的下降，而且同時還會增加A/D和D/A轉換器的復雜度并降低它們的準確性。因此OFDM雷達要獲得高的發(fā)射功率，就要盡量降低信號的PMEPR并采用大動態(tài)范圍的線性放大器，一般情況下設計PMEPR降低到2以內就可滿足普通雷達的發(fā)射要求[3]。在雷達發(fā)射功率不很高的情況下，對不是很大的PMEPR也可以忍受。

(2)對多普勒頻偏和相位噪聲較為敏感。OFDM技術區(qū)分各子載頻的關鍵在于利用個載頻之間嚴格的正交關系。雷達信號的目標或者雷達平臺運動產生的多普勒頻偏以及相位噪聲會破壞OFDM雷達回波子載頻間的正交性，產生鄰道干擾，損失一定的信號能量，從而導致檢測、測速或成像性能的下降。低速運動目標產生的這種影響不大，但是針對高速運動目標，影響不可忽略，需要進行運動補償。

3 OFDM雷達的研究現狀

第1篇關于OFDM雷達的文獻是1998年Jankiraman等人[1]發(fā)表的多載頻調頻連續(xù)波雷達，之后以色列的Levanon教授發(fā)表了一系列關于多載頻雷達信號方面的論文。最近十年，國外關于OFDM雷達的文獻大幅增加，包括美、德、法、以、荷、印等多個國家的大學和研究機構都開展了相關研究，內容涉及從OFDM雷達波形設計、OFDM雷達信號處理，到OFDM新體制雷達系統(tǒng)設計等各個方面。國內的國防學技大學、北京航空航天大學、電子科技大學、南京理工大學等單位也針對OFDM雷達展開了相關的研究。下面就將從信號特性與波形設計、信號處理、新體制雷達系統(tǒng)等幾個方面介紹OFDM雷達的研究進展。

3.1 OFDM雷達信號特性與波形設計

現有文獻主要針對OFDM雷達信號模糊函數(Ambiguity Function, AF)、自相關函數(Auto- Correlation Function, ACF)、包絡峰均比(PMEPR)以及功率峰均比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)等特性展開研究，并在此基礎上，進行信號波形設計與優(yōu)化。

以色列的Levanon針對OFDM雷達信號特性開展了系統(tǒng)的研究工作，特別對相位編碼OFDM信號的研究尤為深入。他提出了一種多載頻互補相位編碼(Multicarrier Complementary Phase-Coded, MCPC)信號[4,5]，采用構成互補集的編碼序列進行調制，這種信號具有良好的特性：PMEPR可控制在2左右，模糊函數為圖釘狀，自相關旁瓣較低，同一系列的MCPC的互模糊函數的峰值較低，互相干擾小，該信號已申請了美國專利[11]。圖2為MCPC信號的結構圖與模糊函數。他還研究了相位編碼OFDM脈沖串信號和連續(xù)波信號的性質[7,9]，其中脈沖串信號分為兩種情況，一種是脈沖串每個脈沖各子載頻編碼相同，所有脈沖所用編碼序列構成同一互補集(Identical Complementary Set, ICS)，其模糊函數為峰值周期重復的“釘床”，PMEPR可達到1.48，但是自相關函數第一碼元內的旁瓣相對較高；一種為MPCP脈沖串，各脈沖采用周期循環(huán)移位的同一互補集進行編碼，其模糊函數不再具有周期重復的峰值，峰值的個數和旁瓣基座高度受編碼方式和加權系數影響。相位編碼OFDM連續(xù)波信號的周期自相關函數具有較窄的主瓣，旁瓣受相位編碼形式影響；不同編碼的互模糊函數沒有主瓣，表明相互間干擾較小。Ruggiano等人[12]對相位編碼OFDM信號的寬帶模糊函數進行了推導，并且考慮了目標散射特性隨頻率的變化情況，研究結果適用于超寬帶雷達的情況，在一定的條件下，可進行窄帶近似。

為了減輕OFDM雷達信號包絡起伏較大帶來的影響，現有常用方法主要有：第一，增大系統(tǒng)功率放大器的動態(tài)范圍和線性度，但這種方法勢必會增加系統(tǒng)復雜度；第二，限幅方法，空軍預警學院的李自琦等人[13]在雷達通信一體化系統(tǒng)中，利用直接限幅法對發(fā)射信號PAPR進行抑制，并研究了直接限幅法對系統(tǒng)性能的影響，直接限幅是一種非線性操作，會帶來明顯的帶內噪聲和帶外干擾，進而破壞信號子載頻之間的正交性，影響目標信息提取，因此可采用多次限幅的方法抑制帶外干擾，但帶內噪聲仍無法避免；第三，優(yōu)化設計雷達波形參數，這種方法目前研究最為廣泛，印度的Irukulapati等人[14]、Gupta等人[15]和中國的Cheng等人[16]利用選擇性映射方法(SeLected Mapping, SLM)降低了OFDM信號PAPR，其思想為，用不同的相位序列對傳輸數據進行加權，從得到的信號集中選出PAPR值最低的信號發(fā)射，Irukulapati等人[14]選用歸一化黎曼矩陣的行向量作為相位序列，可使信號的PAPR值降低2.3dB左右；Cheng等人[16]研究了不同相位序列降低PAPR的效果，并將混沌序列引入SLM中；Gupta等人[15]則提出了一種現代化SLM算法(MSLM)，通過將復基帶信號的實部和虛部分離，分別進行相位加權，選擇PAPR最低的再進行組合，相較于傳統(tǒng)的SLM算法，該算法所得信號的PAPR值降低了0.25~1dB之間。另外，伊朗的Mohseni等人[17]將相位調制(PC)和頻率調制(Frequency Coding, FC)與OFDM信號相結合，得到恒包絡信號(Constant Envelope, CE)，并進行了脈沖壓縮與參數設計。中國電子科技大學的Wang等人[18]通過隨機子線性調頻方法降低OFDM Chirp信號的PAPR，該信號同時具有OFDM信號較大的時間帶寬積和較低的發(fā)射功率，近乎不變的時域頻域模數，較低的PAPR，且跟蹤運動目標時，回波不存在時間-多普勒耦合現象，具有較大的優(yōu)越性。

圖2 MCPC信號結構圖與模糊函數

為了得到“圖釘形”的模糊函數，伊朗的Sebt等人[19]運用最小二乘法來分配編碼相位，并且設計了一種迭代算法，壓縮模糊函數的旁瓣；Alimosaymer等人[20]通過最小化實際與理想模糊函數之間的均方誤差，提出了相應迭代算法，設計了一種多載頻小波調制OFDM雷達信號(WPM-OFDM)，該方法可以有效降低OFDM雷達信號模糊函數旁瓣，得到適用于雷達應用的理想信號。在此基礎上，他們還提出了一種WPM-OFDM雷達信號系統(tǒng)化設計方法[21]，該方法可以有效降低整個模糊函數平面上的旁瓣，他們還將該方法擴展到WPM-OFDM脈沖對的設計中，使得脈沖對互模糊函數接近于理想情況。

OFDM信號多載頻的信號體制，提高了稀疏條件下目標的檢測概率，且信號體制包含有可供設計的波形參數，因此可以通過自適應波形設計進一步提高系統(tǒng)的性能，美國的Sen等人發(fā)表了一系列論文介紹OFDM雷達自適應波形設計方法。為了設計發(fā)射信號的參數，他們提出了一個多目標優(yōu)化問題[22,23]，同時提高系統(tǒng)檢測性能、估計精度、提高稀疏估計方法的性能；進一步建立了一個PAPR約束下的多目標優(yōu)化方案[26]，同時優(yōu)化4個目標函數，設計了一種OFDM空時自適應處理雷達，性能相比于傳統(tǒng)雷達有較大提升；通過最小化角速度估計的克拉美羅限(Cramér-Rao Bound, CRB)自適應設計波形參數，提高了轉動目標的微多普勒頻率估計精度[25]?？哲姽こ檀髮W的Luo等人[27]，研究了一種認知雷達波形設計方法，該方法基于壓縮感知理論，并且提出了LFM-OFDM波形自適應設計及其高分辨率成像的方法。Sebt等人[19,28]同時考慮了OFDM模糊函數的優(yōu)化和PMEPR的降低，提出了一種迭代算法，首先以獲得接近理想的模糊函數為目的，尋求最優(yōu)的信號編碼形式，然后再通過編碼修正來減小發(fā)射信號的PMEPR。Mohseni等人[29,30]用正交小波復用(Orthogonal Wavelet Division Multiplexing, OWDM)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的OFDM，獲得了設計更加靈活的OWDM編碼信號，這種信號模糊函數的旁瓣較低，并且頻譜利用率較高。考慮到OFDM信號在雷達通信中的雙重用途，美國的Guo等人[31]提出了一種基于凸優(yōu)化的OFDM波形設計框架，同時獲得深度零譜、較低的自相關函數旁瓣以及良好的距離分辨。

總體來說，在OFDM雷達信號特性與波形設計方面，國內外諸多學者都開展了針對不同應用場景、不同設計目的的研究，取得了一些建設性的成果，但是缺乏系統(tǒng)和全面的理論。降低OFDM信號的PMEPR是信號設計的一個關鍵環(huán)節(jié)，但不能單純片面地追求這一目標，設計的信號還與信號其它特性及后續(xù)信號處理密切相關，在很多應用場景下需要一體化考慮信號的設計與處理。信號特性分析與波形設計多以模糊函數為理論基礎，然而模糊函數描述信號性質有一定的局限性，其關注信號本身的分辨能力，而未考慮實際情況中是否能達到以及如何達到這一理論極限值，這就導致在實際中應用這一理論的困難。例如信噪比是信號處理的很重要一個因素，信號處理效果受信噪比的影響較大，在低信噪比下根據模糊函數分析得到的分辨率往往無法達到，這就導致在檢測、成像等處理時采用模糊函數分析分辨率說服力不足，需要構建更加貼近實際應用的系統(tǒng)全面的信號設計與特性分析理論，統(tǒng)籌考慮從信號發(fā)射到接受、處理各個環(huán)節(jié)的主要因素。

3.2 OFDM雷達信號處理

對OFDM雷達信號處理方面的研究，目前主要集中在OFDM雷達脈沖壓縮、多普勒處理等方面，以實現包括目標檢測、測速、成像在內的多種雷達常見功能。

伊朗的Mohseni等人[32,33]針對相位編碼OFDM信號的特點，提出了一種基于FFT的脈沖壓縮方法。這種方法等效于匹配濾波，主要優(yōu)勢在于降低了計算復雜度，降低的程度取決于信號的參數，并且估計了不同子載頻的相位和幅度便于用作雷達系統(tǒng)中的能量管理。他們同時提出了一種低采樣的脈沖壓縮處理方法，采樣速率僅為原來的四分之一。

在目標檢測方面，德國的Fink等人[43]提出了基于多用戶訪問原則的目標檢測。該原則下，每個用戶隨機選取OFDM信號全部子載頻的一個子集，每個子載頻被選擇的概率相等，且所選的子載頻頻率間隔是任意的，這就大大降低了兩個用戶選擇完全相同子集的情況發(fā)生，這種原則下的目標檢測器較傳統(tǒng)的檢測性能有所下降，但是更加適應實際的需要。伊朗的Kafshgari等人[44]，利用廣義似然比檢測器研究了高斯雜波背景下的起伏目標檢測問題。他們共研究了4種雜波分布下3種目標運動情況下OFDM雷達檢測性能。美國的Bufler等人[45]研究了基于成像的目標檢測，將OFDM信號應用與超寬帶SAR成像領域，可以同時產生多幅圖像，每個子載頻可單獨產生一個圖像，并利用改進的自動目標檢測算法對所成的像進行檢測。荷蘭的Ruggiano等人對OFDM雷達目標檢測問題進行了一系列研究，他們將CLEAN和LMMSE算法運用于OFDM雷達目標檢測問題中[46,47]，并證明了OFDM信號的均方誤差比P3編碼信號要小，可以更有效地分辨出被旁瓣遮掩的微弱目標。綜合考慮旁瓣壓縮比和輸出信噪比[48]，他們提出了一種基于最小均方誤差的濾波方法并運用于自適應脈沖壓縮中，該方法適用于多目標和弱目標檢測。他們將這種算法運用于編碼OFDM信號處理中，研究了雷達通信一體化的實現。南京理工大學的顧陳等人[49]對OFDM雷達信號處理及目標檢測方法進行了研究，證明了在測量高速目標時，OFDM雷達相較單載頻調制雷達具有更優(yōu)的脈沖壓縮性能和更高的檢測概率。空軍預警學院的Gu等人[50]利用相位編碼OFDM-MIMO雷達系統(tǒng)，對高速目標進行檢測，結果顯示該體制下，檢測性能有所提高，檢測RCS起伏較為平滑。

圖3一種OFDM雷達信號距離和多普勒處理流程

在雷達成像方面，Schuerger等人[51]在欺騙式干擾背景下，研究了OFDM-SAR的成像性能，并且證明了隨機子載頻編碼OFDM信號具有優(yōu)良的抗干擾性能。Riché等人[52]也對SAR的距離模糊進行了壓縮，對于遙感目標而言，距離模糊是SAR系統(tǒng)一個不可回避的問題，當回波時延大于雷達脈沖重復周期時，SAR成像出現距離模糊。他們用實驗證明了相較于傳統(tǒng)的chirp信號，編碼OFDM信號可以有效緩解脈沖重復率的限制。Wang[53]利用OFDM信號消除高脈沖重復率SAR的距離模糊，研究了相關的系統(tǒng)規(guī)劃、波形設計，詳細推導了該情況下的距離模糊-信號比。Buhari等人[54]對超寬帶OFDM-SAR雷達多目標成像進行了研究。中國科學院的王杰等人[55]分析了多普勒頻移對OFDM-SAR信號的影響，多普勒頻移不僅降低了距離向的脈沖壓縮系數，還影響了SAR系統(tǒng)的方位向聚焦效果，他們提出了一種距離多普勒域的多普勒頻移補償方案，消除了多普勒偏移對距離向脈沖壓縮性能的影響。

針對OFDM-SAR雷達無副瓣距離向處理引起了廣泛的研究，中國電子科技大學的Zhang等人[56,57]將引入通信中發(fā)展已較為成熟的保護間隔和循環(huán)前綴技術引入雷達信號處理中，提出了一種基于循環(huán)前綴的SAR成像方法，該方法對每個發(fā)射脈沖添加循環(huán)前綴，可以有效消除距離單元間的干擾，在距離像重構中獲得理想的零距離旁瓣效果。圖4所示為加入循環(huán)前綴的OFDM信號結構示意圖，該方法中，每個脈沖所加循環(huán)前綴長度必須約等于成像帶內距離單元數，而OFDM信號子載頻數須大于循環(huán)前綴長度，此時發(fā)射OFDM單脈沖序列長度至少為距離單元數的兩倍，為解決這一問題，他們進一步提出了一種隨機長度循環(huán)前綴法，該方法在有效消除距離向旁瓣的同時，消除了發(fā)射信號能量冗余。西安電子科技大學的Cao等人[58]也提出了一種基于循環(huán)前綴的MIMO-OFDM SAR成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)中各發(fā)射機均發(fā)射一個OFDM單脈沖以獲得目標距離像，并且具有相同的頻帶，因此，并未降低距離分辨率。該方法利用循環(huán)位移的Zadoff-Chu序列對MIMO陣列中各個發(fā)射天線發(fā)射OFDM波形進行加權，并對各接收天線分別進行空間濾波以將完整成像帶分割成多個子帶，達到消除距離向旁瓣的目的。

圖4 基于循環(huán)前綴的OFDM信號結構示意圖

另外，還有多篇文獻針對OFDM-MIMO這種新體制雷達的信號處理開展研究。德國的Sit等人[59]將OFDM信號的距離和多普勒估計算法，運用于MIMO雷達中，通過研究多對收發(fā)天線之間的相位差異，運用MUSIC算法對波到達方向(Direction Of Arrival, DOA)進行估計，達到目標方位向定位的目標。所使用的天線對越多，該算法精度越高。他們還對基于OFDM-MIMO體制的雷達通信一體化系統(tǒng)進行了研究[60]，由于OFDM信號對載頻內失配較為敏感的特點，他們提出了相應的抗干擾措施，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。他們將OFDM-MIMO體制運用于車載雷達通信系統(tǒng)中[61]，并分析了相應的載頻分配方法以充分利用空間分集對目標進行定位，提高估計精度，為了解決車載系統(tǒng)的多用戶多通道環(huán)境的特殊問題，他們提出了相應的解決措施。電子科技大學的袁海峰等人[62]，利用在OFDM的多載頻帶來的頻率分集，和MIMO技術通過陣元分布帶來的空間分集，降低多徑信號對消的概率，有效抑制了鏡面反射多徑干擾，經驗證，OFDM-MIMO雷達體制能夠帶來目標檢測性能的提高。新加坡的Kim等人[63]提出一種利用MIMO雷達陣列結構來壓縮柵瓣的算法，以解決DOA估計中的模糊問題。國防科技大學的Cheng等人[64]將調頻連續(xù)波SAR與正交多發(fā)波形結合起來，該發(fā)射信號結合了線性調頻與OFDM波形的優(yōu)勢。中國電子科技大學的Cheng等人[65]對MIMO-OFDM雷達波形設計問題展開了研究，提出了基于直接序列擴頻編碼技術的OFDM-chirp信號設計方法，他們將這種方法稱為擴頻編碼OFDM- chirp(Spread Spectrum Coding OFDM Chirp, SSCOC)信號，他們還分析了擴頻編碼長度、類型、信號帶寬、脈寬對信號互模糊函數的影響，該信號具有超高分辨率，對于臨近目標分辨有較大優(yōu)勢。大連科技大學的Lin等人[66]充分利用了I-OFDM體制的載頻間的正交性，并將該信號運用于均勻線性陣列(Uniform Linear Array, ULA)MIMO雷達中。

OFDM信號還可以應用于無源雷達設計中，Berger等人[71]研究了針對OFDM廣播通信信號的OFDM被動雷達檢測旋轉運動目標的方法，并研制了被動雷達試驗系統(tǒng)進行了驗證。武漢大學的Yi等人[72]研究了一種新的分載波雜波抑制方法，該方法針對帶循環(huán)前綴的正交頻分復用信號所設計，能較好地克服單頻網配置下，多徑雜波和地雜波成倍增長的問題。Lehmann[73]采用先跟蹤再檢測的原則，研究了多目標背景下OFDM雷達被動聯合檢測跟蹤的問題，提出了一種遞推貝葉斯濾波器。Arroyo等人[74]針對被動處理合成孔徑雷達WIMAX OFDM波形進行研究。德國的Searle等人[75]研究了雜波環(huán)境下OFDM被動雷達的模糊處理方法，并實驗證明了OFDM信號在被動雷達運用中的優(yōu)越性能。武漢大學的趙志欣等人[76]研究了載波頻偏(Carrier Fequency Offset, CFO)對OFDM波形外輻射源雷達性能的影響，CFO會影響參考信號的重構誤碼率，從而影響時域雜波抑制和匹配濾波，CFO本身會對時域雜波抑制性能產生影響，另外，CFO估計誤差還會影響目標的速度估計精度。

從眾多文獻可以看出，OFDM信號可應用于多種雷達體制，實現多種功能。針對傳統(tǒng)的雷達目標檢測、測速、成像等功能，OFDM信號處理的難點不在于其實現功能的理論方法，而在于其方法對比于傳統(tǒng)雷達體制體現出來的優(yōu)勢。在某些方面，獲得同樣功能的效果可能OFDM雷達需要付出更大的代價，但其優(yōu)勢在于一種體制同時實現多種功能，如何使OFDM雷達成為集多種功能于一身的“全能型選手”將是未來研究的重點方向之一。另外，在新體制雷達方面，例如MIMO、多基地、通信雷達一體化系統(tǒng)等，OFDM信號體制均具有較多的優(yōu)勢和潛力，這是另一個研究的重點方向。雖然各種信號處理技術還未成熟，但隨著研究的不斷展開和深入，可以預計未來OFDM雷達將在多功能、新型雷達方向上占有重要的地位。

3.3 OFDM新體制雷達系統(tǒng)

美國邁阿密大學研制了超寬帶SAR，并使其成為通信雷達一體化系統(tǒng)[77]，圖5為其假想的應用場景，為多個無人機組成的偵察雷達網絡，對復雜地形的目標進行探測與識別。圖6為他們在實驗室研制的OFDM超寬帶SAR試驗系統(tǒng)。德國Sturm等人[78]也研究了OFDM雷達通信一體化系統(tǒng)，他們設計的雷達中心載頻為24GHz。Slimane等人[79]設計了OFDM超寬帶SAR穿墻成像雷達，工作在3GHz，距離分辨率約為10cm。法國ONERA(The French Aerospace Lab)成功研制了名叫HYCAM的超寬帶數字雷達[80]，采用OFDM編碼信號體制。如圖7所示，它是一個高動態(tài)范圍的數字系統(tǒng)，用來測量和實時分析時變目標的RCS，帶寬達到8GHz，距離分辨率為1.8cm。

圖5 網OFDM超寬帶SAR的應用場景??????????圖6 OFDM超寬帶SAR試驗系統(tǒng)

圖7 HYCAM雷達結構圖及其試驗結果

Paichard等人[81]研究了OFDM組網雷達系統(tǒng)的發(fā)射編碼信號及其特性，Lellouch等人[82]研究了支持通信的OFDM雷達網絡的性能。美國Stralka等人[83]研究了OFDM雷達系統(tǒng)在應用中的幾個關鍵問題，包括收發(fā)裝置、天線陣列、多徑衰落等。另外，荷蘭Van Genderen等人[84]還研制了多載頻SFCW雷達，同時發(fā)射8個子載頻，用來探測地雷。美國華盛頓大學Sen等人[85]提出了動目標檢測的自適應OFDM雷達，能根據實際情況自適應設計下一時刻發(fā)射信號的頻譜加權系數，提高雷達的動目標檢測性能。Lellouch等人[86]還基于OFDM信號提出了一種結合頻率捷變雷達和感知雷達的新概念雷達，指出OFDM信號體制在新概念雷達實現方面具有很大的優(yōu)勢。部分文獻還將OFDM體制與MIMO體制結合，研究OFDM-MIMO新體制雷達的一些問題。

Kim等人[90]提出了一種OFDM MIMO-SAR系統(tǒng)，介紹了其調制與解調過程。Wang[91]設計了一種多孔徑天線SAR遙感系統(tǒng)，并采用多發(fā)多收的天線陣列和線性調頻OFDM信號，獲得了更寬成像帶，提高了距離模糊壓縮比。德國的Reichardt[92]和Braun[93]都將IEEE 802.11p標準下的OFDM信號作為雷達通信一體化系統(tǒng)的發(fā)射信號，實現了機動車輛間(Car-to-Car, C2C)的通信。Sturm等人[94]研究了無線通信和雷達探測一體化系統(tǒng)中的波形設計和信號處理問題，并驗證了雷達通信一體化系統(tǒng)的現實可行性。武漢大學的邵啟紅等人[95]利用武漢大學研制的全數字化被動一體化高頻地波雷達硬件平臺，開展了短波通信與雷達探測一體化實驗研究，證明了OFDM信號是一種性能良好的雷達通信一體化共享信號?？哲婎A警學院的楊瑞娟等人[96]分別研究了頻分多載波Chirp技術、OFDM技術和擴頻技術作為雷達通信共享信號的可行性和相關方案，并初步分析了共享信號雷達目標回波檢測、數據調制解調方式以及相關性能。Braun等人[97]對OFDM雷達通信一體化網絡進行了研究，網絡中每一個節(jié)點均發(fā)射OFDM信號同時實現雷達和通信功能，為分析系統(tǒng)性能，他們將通信系統(tǒng)中常見的停機概念引入雷達系統(tǒng)中，并以停機概率作為性能指標。德國的Koslowski等人[98]設計了一種濾波器組多載頻(Filter Bank Multi-Carrier, FBMC)OFDM雷達通信一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)被用于車載雷達通信應用中。

20世紀90年代，西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室和中國電子科技集團第38所共同研制了一部米波稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(Synthetic Impulse and Aperture Radar, SIAR)試驗系統(tǒng)[99]，該雷達采用稀布陣列天線，克服了米波雷達分辨率差的不足，通過各個陣元全向發(fā)射正交編碼頻率信號以使得各向同性照射，在接收端通過信號處理形成接收與發(fā)射波束。SIAR系統(tǒng)是一種典型的MIMO雷達，多個天線同時發(fā)射相互正交的多載頻信號，其發(fā)射信號采用了OFDM體制，實際上是OFDM與MIMO的結合。SIAR這種獨特的體制和工作方式使其與常規(guī)雷達有許多不同之處，文獻[93]探討了將其應用于高頻和微波波段的一些關鍵技術，但遺憾的是未進一步開展微波雷達的試驗系統(tǒng)的工作。

從文獻可以看出，國外研制了各種類型的OFDM雷達試驗系統(tǒng)，開展了許多有意義的試驗。國內在這方面還處于起步階段。OFDM新體制雷達系統(tǒng)在實現上還存在一些技術難點，例如信號發(fā)射多載頻頻率穩(wěn)定度對系統(tǒng)的影響，大動態(tài)范圍的線性功率放大器，大帶寬情況下回波接收采集及處理問題等，每個環(huán)節(jié)都與雷達系統(tǒng)關系密切。但從發(fā)展過程上看，開展試驗系統(tǒng)研究是新體制新技術從理論走向實用的必經環(huán)節(jié)，應在加強理論研究的同時積極開展OFDM雷達試驗系統(tǒng)研制，攻克研制過程中的瓶頸技術，推動新體制雷達從理論走向實際應用。

4 OFDM雷達的發(fā)展趨勢及應用前景

通過總結和分析國內外研究現狀可知，OFDM新體制雷達的研究還不成熟，未來可以圍繞波形設計、信號處理、試驗系統(tǒng)、新體制雷達技術等幾個方面開展研究。

(1)波形設計。 在波形設計方面，不僅需要解決PMEPR較高這個問題，還要綜合考慮實際應用中的其它需求。為了控制OFDM雷達發(fā)射波形的PMEPR小于2，采用相位編碼調制是一種較好的解決途徑，通過初相加權和幅度加窗，能有效降低PMEPR，但是同時帶來了脈沖壓縮旁瓣比較高的問題，特別是整數倍碼元長度處的旁瓣較高，這就需要解決相位編碼OFDM信號的旁瓣問題。脈沖壓縮旁瓣低的優(yōu)良編碼前人已有豐富的研究成果，但是總的來說，性質優(yōu)良的編碼數目有限，而且編碼長度也不能任意，無法滿足實際應用的需求。因此，需要一體化考慮PMEPR改善、旁瓣抑制和編碼數量長度的問題，建立OFDM雷達波形設計的系統(tǒng)完善的理論，并針對不同應用提出可行的設計方案。其中，編碼優(yōu)化設計算法是一個關鍵技術，也是研究熱點，可以借鑒優(yōu)化理論的成果，重點解決優(yōu)化建模及尋優(yōu)算法性能問題。

另外，如果將OFDM與MIMO相結合，如SIAR體制或者采用發(fā)射陣列體制，多個天線同時發(fā)射相互正交的多載頻信號，每個天線只發(fā)射一個單載頻或者一個調制信號，則可以繞開發(fā)射波形PMEPR的問題，但同時帶來波束形成、相位補償等其它方面的技術問題。將OFDM與認知雷達相結合，其中的一個關鍵環(huán)節(jié)是自適應波形設計，需要根據具體應用場景開展研究。

(2)信號處理。 在OFDM雷達信號處理方面，根據應用背景的不同可以研究不同的具體方向，例如目標檢測、測速、SAR/ISAR成像等。OFDM信號體制同時具備距離和多普勒高分辨，因此具有一種信號體制同時實現多功能的潛力。OFDM雷達信號處理最基本的兩個研究點是脈沖壓縮和多普勒處理：脈沖壓縮是寬帶回波處理的基礎，經典的基于FFT的方法計算復雜度低，但對采樣有較高要求，需要進一步研究性能更好的脈沖壓縮方法；多普勒頻移的處理是速度估計、動目標指示等多種功能的技術基礎，其難點在于多普勒解模糊，特別是OFDM信號為寬帶信號時，傳統(tǒng)的多普勒頻移的處理算法不再適用，需要研究新的算法。同時，還需要研究OFDM雷達回波處理中面臨一些特殊問題，如速度補償、脈沖壓縮旁瓣抑制、多普勒頻偏導致的子載頻串擾等。

另外，目標檢測的關鍵技術還涉及到雜波抑制、動目標檢測、旁瓣抑制等。雷達成像方法也是寬帶OFDM雷達的一個重要方向，除了傳統(tǒng)的成像原理之外，新的研究熱點包括OFDM-MIMO雷達的目標ISAR成像、稀疏成像、組網超寬帶SAR成像、多波段融合成像、OFDM被動雷達檢測等前沿技術。更具有現實意義的是針對不同的應用場景，研究OFDM雷達實現多功能的技術，以克服現有多功能雷達采用寬窄交替波形導致的雷達資源不足。

(3)試驗系統(tǒng)。 搭建試驗系統(tǒng)是推動OFDM新體制雷達從理論走向實際應用的必經環(huán)節(jié)。在OFDM雷達試驗系統(tǒng)研究方面，有兩條研究思路：一是開發(fā)半實物雷達模擬器，前端發(fā)射信號可采用DDS信號源產生，主要對關鍵器件和功能模塊進行開發(fā)，這樣做可以靈活設計和改進，較好節(jié)約成本，并驗證關鍵技術和功能；二是直接研制雷達試驗系統(tǒng)，可以在威力或者指標上進行縮減，但所有功能與實際雷達近似，這樣可以更好地驗證OFDM雷達的性能指標，獲得實測試驗數據，更利于雷達成品的研制和各項技術的驗證。OFDM雷達試驗系統(tǒng)包含若干關鍵部件和核心功能，硬件包括大動態(tài)范圍的線性放大器等元器件開發(fā)，算法包括各種信號處理技術，它是一項系統(tǒng)工程，需要研究者不斷進行創(chuàng)新和攻關，通過循環(huán)反復的試驗推動OFDM雷達新技術從試驗系統(tǒng)走向成熟。

(4)新體制雷達技術。 OFDM體制可以與其它新體制雷達相結合，形成新概念、新體制、新技術。OFDM-MIMO雷達是熱點之一，實際上MIMO的概念也是首先在通信領域中提出的，而且OFDM- MIMO技術也最早在通信領域開展研究。OFDM- MIMO體制有很多優(yōu)勢，前面文獻中有很多闡述，其應用也包括目標檢測、定位、成像等多種功能，但也存在很多未解決的問題，其中一個很重要的是同步技術，特別是稀布陣MIMO，時間同步是其相參工作的前提。OFDM-MIMO雷達還在陣列設計、波形設計、信號處理等方面均有大量的問題需要研究，有許多是跟MIMO體制共性的問題。

分布式組網OFDM雷達是一種很有潛力的雷達，其較易實現空-時-頻-碼4個域的分集，充分挖掘雷達的潛能；另外，由于OFDM本身可用于通信，因此在組網雷達中，可以很容易實現數據傳輸，將多部機載雷達通過這種通信雷達一體化系統(tǒng)組成偵察網絡，實現網絡化?；贠FDM信號的被動雷達也是研究的熱點，OFDM信號已廣泛應用于4G移動通信網絡，基于廣播通信信號的被動雷達目標檢測是重點區(qū)域低空防空和航空管控的途徑之一；OFDM雷達由于其信號設計靈活、易于控制等優(yōu)點使其比較適合應用于感知雷達，但研究較多的是其自適應波形設計方面，對于如何進行感知環(huán)境和目標的變化問題仍然是感知雷達的核心問題有待解決。研究這些新雷達技術分支也具有前瞻性和創(chuàng)新性，但其最基本的波形設計和信號處理問題也必須先行突破。

從本質上說，OFDM技術實際上是一種頻率分集，如果與相位編碼結合，就增加了一種編碼分集，這對于我們常用的時間、空間分集是一個有力的拓展。OFDM具備同時進行空-時-頻-碼域綜合利用的潛力，可充分挖掘雷達的綜合潛能。從雷達技術的發(fā)展趨勢看，多功能、智能化、網絡化代表著下一代雷達的特點，OFDM雷達在這一發(fā)展潮流下有著先天的優(yōu)勢，雖然在實用化上面臨著諸多工程上的難題，但隨著技術的發(fā)展和研究的深入，難題終會獲得突破和解決。OFDM新體制雷達技術將在以下幾個領域具有重要的應用前景：

(1)抗干擾。目前干擾的形式和手段多種多樣，其中最典型的有源欺騙式干擾是基于數字射頻存儲器(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)的轉發(fā)式干擾。它依賴于對雷達信號的截獲、偵收和精確復制。傳統(tǒng)的雷達信號多為確定性信號，由于形式單一、參數簡單，很容易被ESM、有源干擾機等所截獲。OFDM雷達的波形設計靈活，易于捷變，相位編碼OFDM信號更繼承了相位編碼雷達的低截獲性能，是對抗這類干擾的有效途徑之一。

(2)多功能。OFDM雷達具有距離高分辨能力和多普勒分辨能力，可采用這一種信號體制同時實現檢測、測速、寬帶成像等多種功能，避免了雷達寬窄交替的低效率工作模式。據報道美國最先進的X波段多功能前置雷達FBX具備高精度測距測速、跟蹤、成像識別等多種功能，其發(fā)射的就是一種不同于傳統(tǒng)雷達的復雜的新波形體制。另外，相位編碼OFDM信號體制支持通信功能的開發(fā)，還有利于實現雷達、通信一體化。

(3)智能化。OFDM雷達體制具有良好的智能化潛力，它的波形設計具有極大的靈活性，例如很容易設計信號頻譜能量、帶寬等，這是傳統(tǒng)的線性調頻、步進頻等信號不能比擬的，并且波形易于產生和改變，可實現完全數字化存儲和處理，為智能化雷達提供了良好的前提。

(4)網絡化。雷達網絡化是利用多部雷達相互合作實現遠超過單部雷達的信息獲取能力，其實現形式有多種，例如雷達分布式組網，OFDM-MIMO新體制雷達等。當然，雷達網絡化也面臨著一些難題，例如雷達之間的同步性、相參性，多部雷達獲取數據的處理方法等。值得一提的是，OFDM雷達組網有一點優(yōu)勢其它體制不具備，就是OFDM相位編碼信號在通信中的應用已非常成熟，能夠實現同時具備雷達之間的數據傳輸通信能力，這在組網衛(wèi)星、組網臨近空間飛行器、組網無人機等雷達通信一體化平臺的應用上具有較大潛力。

在雷達技術多功能、智能化、網絡化的發(fā)展趨勢下，OFDM雷達技術具有廣闊的應用前景。雖然當前只是剛剛開始，面臨著一些困難，但相信通過雷達研究者的不懈努力，一定會在不久的將來取得令人鼓舞的成果。

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The Development and Prospect of the New OFDM Radar

Huo Kai Zhao Jing-jing

(,,410073,)

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) radar is a newly developed radar system, which uses the OFDM principle in communication systems, and has some unique advantages over traditional radar systems. This paper formulates the characteristics of OFDM radar, reviews thoroughly the Literatures on OFDM new radar system, summarizes the research achievements in the key research directions of signal properties and waveform design, signal processing, and new radar system, and finally analyzes the future development tendencies and application prospects of OFDM radar.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) radar; Multicarrier; Phase-coded; Waveform design; Signal processing

TN958

A

1009-5896(2015)11-2776-14

10.11999/JEIT150335

2015-03-20；改回日期：2015-07-14；

2015-08-27

霍凱 huokai2001@163.com

國家自然科學基金(61501481)；中國航天科技創(chuàng)新基金；CEMEE國家實驗室開放課題基金 (CEMEE2014K0207B)

The National Natural Science Foundation of China (61501481); The Foundation of China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC); The Foundation of the State Key Laboratory of CEMEE (CEMEE2014K0207B)

霍 凱： 男，1983年生，博士，講師，研究方向為雷達波形設計與信號處理.

趙晶晶： 女，1990年生，碩士生，研究方向為空間信息獲取與處理技術.