李 軒 周逸瀟 趙尚弘 王國棟

（空軍工程大學信息與導航學院，陜西西安 710077）

1 引言

雷達是利用電磁波空間傳播和反射探測目標的電子設備，廣泛應用于氣象預報、警戒監(jiān)視、地形測繪以及生物醫(yī)學等各個方面。常用雷達工作頻段包括L 波段（1～2 GHz）、S 波段（2～4 GHz）、C 波段（4～8 GHz）、X 波段（8～12 GHz）等。雷達工作占用帶寬很寬，可達到GHz 量級。無線通信通常指無線射頻通信，通過電磁波空間傳播來傳遞信息，是移動、衛(wèi)星、機載、艦載等平臺進行通信的基本方式。無線通信所使用頻段范圍很廣，從短波電臺的3～30 MHz至衛(wèi)星通信的Ka波段（26.5～40 GHz），但所占用帶寬相對較窄，通常小于百MHz。

無論雷達還是無線通信，均需要一定的資源完成對應功能，這些資源包括：

1）硬件資源：射頻本振、變頻、功放、天線等硬件設備或器件，進行信號的產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理等。硬件資源的發(fā)展趨勢之一是小型化、集成化。

2）頻譜資源：電磁波具有一定的頻率，雷達信號和通信信號以此頻率為中心占用一定的帶寬。雷達和通信都在向更高頻段更寬帶寬不斷演進，但高低頻共存共用的局面也將長期存在。

3）時間資源：電磁波的發(fā)射、傳播、接收和處理需要一定的時間。在一些應用場景中，需要在不同時間段實施不同功能以避免相互干擾。理想的時間資源利用方式是系統(tǒng)可以隨時開機、即時可用而不受其他因素影響。另一方面，需要系統(tǒng)具有低時延處理能力，節(jié)約時間資源。

4）空間資源：指電磁波波束占用的方向和空間。根據(jù)天線特性，電磁波可以全向輻射，也可以形成波束朝特定方向進行傳播。整體上，電磁波輻射在向更窄波束更好指向性不斷發(fā)展，以更好的靈活利用空間資源。

5）能量資源：電磁波在空間傳播產(chǎn)生損耗，為保證接收性能，需要一定的發(fā)射功率。提高能量利用率的一個有效方法是采用波束成形技術，將發(fā)射能量集中在更窄范圍內(nèi)，可以在相同工作距離時節(jié)省發(fā)射功率。

6）極化資源：電磁波傳播過程中，電場矢量端點隨時間呈現(xiàn)出特定的變化規(guī)律，稱為電磁波的極化。電磁波收發(fā)必須考慮天線和電磁波的極化匹配，以減少損耗。另一方面，可以采用極化態(tài)相互正交的兩路電磁波來同時執(zhí)行不同功能而不相互干擾。

綜合來講，雷達和無線通信表現(xiàn)出高度的相似性。二者的物理本質(zhì)基本相同，都是電磁波的發(fā)射和接收，其理論基礎雷達方程和通信方程均由電磁波自由空間傳播損耗決定［1］；二者系統(tǒng)結構部分重疊，都具有本振、變頻器、功放、天線等器件，在毫米波頻段，現(xiàn)有雷達和通信系統(tǒng)的硬件架構、信道特征以及信號處理方法已經(jīng)十分接近［2］；同時，二者工作頻段趨于融合，隨著5G 時代的到來，通信對頻譜資源的需求日益迫切，推動通信和雷達進行頻譜共享［3］。目前，在民用領域，以智慧城市、智慧家庭等物聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等智能交通為代表的5G/B5G 新興應用，需要對感知與通信進行聯(lián)合設計，高效利用各種資源［4-6］。例如，IEEE 通信協(xié)會倡議的新興技術——綜合傳感和通信，已被確定為B5G/6G 和下一代Wi-Fi 系統(tǒng)的支撐技術，其功能是將雷達傳感和通信系統(tǒng)結合起來，甚至追求互惠互利的設計范式。另一方面，在軍用領域，戰(zhàn)爭已由單一平臺對抗轉(zhuǎn)化為多功能體系對抗，需要對雷達、通信、導航、電子戰(zhàn)等進行功能融合，提升系統(tǒng)作戰(zhàn)效能［7-9］。例如美國海軍研究實驗室開展的先進多功能射頻系統(tǒng)、美國國防部高級研究計劃局開展的共享頻譜接入等研究，為其艦載、機載平臺作戰(zhàn)裝備的集成設計以及基地各射頻系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行探索有效的技術手段。

2 雷達通信一體化技術內(nèi)涵和發(fā)展階段

雷達通信一體化（Joint radar and communication，JRC）是射頻綜合系統(tǒng)設計層面的變化，體現(xiàn)在系統(tǒng)架構的創(chuàng)新。這些創(chuàng)新，在系統(tǒng)硬件方面，表現(xiàn)為由器件分離向器件共用的變化；在頻譜利用方面，表現(xiàn)為由相互干擾向和諧共存的變化；在系統(tǒng)功能方面，變現(xiàn)為由獨立并行向協(xié)同融合的變化。因此，雷達通信一體化的技術內(nèi)涵，不僅包括促成雷達與通信設備的硬件共用、互不干擾，還包括設計兼容二者的新型射頻綜合系統(tǒng)，高效利用各種資源，同時同頻完成信息傳輸和目標探測兩種功能［10-11］。目前為止，可預見JRC 技術將在雷達/商用無線通信系統(tǒng)共存、5G 車聯(lián)網(wǎng)毫米波定位、6G 智能全息無線電、無人機感知和通信、Wi-Fi 室內(nèi)定位及動作識別、雷達輔助低截獲概率通信、多功能射頻系統(tǒng)等民用和軍用領域的諸多典型應用場景中發(fā)揮重要作用［12-15］，由此，各國針對JRC 開展了廣泛研究。

雷達和通信一體化的萌芽很早就已出現(xiàn)。1963 年，美國馬丁公司設計了對測距雷達脈沖進行位置調(diào)制實現(xiàn)地空單向通信的方法，以利用雷達系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能［16］。1967年，美國專利局公布的一項專利提出了利用多普勒雷達進行通信的信號產(chǎn)生和處理方法［17］。1978 年，美國休斯飛機公司為NASA 設計的航天飛行器Orbiter 中，Ku 波段的雷達和通信共用收發(fā)機、天線和伺服平臺［18］。1981 年，美國海軍研究院分析了在保證性能的前提下借用雷達部分硬件資源進行通信的可行方法，并在切薩皮克灣搭建了雷達通信驗證系統(tǒng)［19］。然而，受當時技術條件限制，雷達和通信還是以系統(tǒng)分離、硬件獨立、各自演進為主，JRC的研究處于萌芽階段。

20 世紀末21 世紀初，隨著寬帶有源相控陣天線的廣泛應用，世界各國密集展開了基于復用技術、共用射頻前端的射頻綜合系統(tǒng)研究，推動JRC進入基于復用技術的第一階段。其基本原理如圖1所示［20］，通信和雷達通過對時間、空間、頻譜、碼元等資源進行劃分，共用射頻前端等硬件資源進行無線發(fā)射和接收，從而降低多天線堆疊產(chǎn)生的體積重量和信號串擾問題。

圖1 基于復用技術的JRC示意圖Fig.1 JRC system based on multiplexing technology

與基于復用技術的JRC 幾乎同步展開研究的，還有另一種技術路線——基于波形共享、共用各種資源的新型一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過一個信號同時進行探測與通信，如圖2所示［20］。在接收端，首先將一體化信號的雷達和通信功能分離開，然后分別進行后續(xù)處理，由此，通信和雷達不僅可以共用射頻前端，還可以共用發(fā)射端的射頻本振、變頻、功放等硬件資源。基于復用技術的一體化系統(tǒng)的核心在于資源的劃分和調(diào)度，以避免功能間相互干擾；基于波形共享的一體化系統(tǒng)的核心則在于共享波形的設計和處理，以促成雷達通信的一體設計和功能協(xié)同［20-21］。但是，受數(shù)字處理能力的限制，在一段時間內(nèi)，針對波形共享的一體化研究主要集中在算法設計和仿真分析方面。隨著數(shù)字處理技術的發(fā)展和5G 通信對頻譜需求的提升，波形共享逐漸成為JRC 的主流方向，JRC 研究進入了基于波形共享的第二階段。

圖2 基于波形共享的一體化系統(tǒng)Fig.2 JRC system based on sharing waveform

值得注意的是，近年來，隨著人們對雷達探測精度和通信傳輸速率要求的不斷提升，高性能JRC系統(tǒng)構建、波形產(chǎn)生和處理面臨的電子瓶頸效應逐漸凸顯出來。例如：現(xiàn)有電子器件水平與系統(tǒng)高頻化寬帶化發(fā)展需求之間存在矛盾，復雜電磁屏蔽措施與系統(tǒng)小型化集成化發(fā)展趨勢之間存在矛盾等。以微波光子為代表的新興技術為高頻寬帶射頻應用提供了很好的技術手段［22］。利用微波光子技術，構建資源復用或波形共享的雷達通信一體化系統(tǒng)，成為最近幾年JRC研究的顯著特點之一。

3 雷達通信一體化中的復用技術

基于復用技術的JRC研究較為成熟。軍事應用上，1996 年美國啟動了先進多功能射頻系統(tǒng)和先進共享孔徑等項目，研究面向艦載和機載應用的寬帶多功能陣列，工作頻段覆蓋C、X 和Ku 波段，保證雷達、通信同時或者分時使用射頻資源［23］，其概念示意圖如圖3所示。2005年12月，美國在F-22機載相控陣雷達AN/APG-77 上加裝通用數(shù)據(jù)鏈調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)了274 Mbps高速率視距通信，遠高于機載Link-16 數(shù)據(jù)鏈238.08 kbps 傳輸速率［24］。之后，美國在E-8C預警機上構建基于雷達的數(shù)據(jù)鏈，等待雷達搜索跟蹤任務完成后進入數(shù)據(jù)傳輸模式，距離140 km時通信速率達到1.5 Mbps，結合高階調(diào)制可以將通信速率提升至16 Mbps 以上［25］。2004 年，荷蘭國防部開始研究可擴展多功能射頻系統(tǒng)，利用同一射頻前端、基于頻分復用技術，空中載荷可以同時進行X 波段雷達探測和Ku波段數(shù)據(jù)通信，雷達和通信的帶寬分別達到2.5 GHz和500 MHz［26］。2005年，瑞典國防研究局和意大利國防部聯(lián)合開展多功能有源電掃陣列項目，研究能夠根據(jù)作戰(zhàn)場景動態(tài)執(zhí)行雷達、通信等功能的新技術和系統(tǒng)架構［27］。2009年，美國Acorn 科技公司提出面向空中載荷應用的時分復用雷達通信結構，將脈沖壓縮碼元和正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）符號調(diào)制到同一射頻載波上，交替進行探測和通信［28］。2013 年，美國國防部高級研究計劃局啟動了共享頻譜接入項目，其研究內(nèi)容之一是綜合利用空間、時間、極化等資源的多樣性，實現(xiàn)雷達和通信的無干擾共存［29］。2021年，美國在希爾空軍基地部署專用網(wǎng)絡，研究該基地5G網(wǎng)絡與該頻段機載雷達間頻譜共享解決方案，以最大限度保證現(xiàn)有軍用射頻系統(tǒng)與商用5G 通信在頻譜上的協(xié)調(diào)運用。此外，2014 年，法國高等電力學院報道了基于空分復用的雙功能天線陣列，天線主瓣用于雷達探測，旁瓣用于進行通信［30］。2016年，美國維拉諾瓦大學也設計了基于空分復用的雷達通信系統(tǒng)，通信采用雷達主波束以外的旁瓣來實現(xiàn)，且通信波束靈活可調(diào)［31］。除了傳統(tǒng)的空/時/頻分復用方式外，還可以對線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation，LFM）信號的啁啾進行復用。2003年，美國加州大學設計了啁啾復用LFM 雷達通信一體化波形，其中雷達采用負啁啾脈沖信號，通信采用正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）調(diào)制的正啁啾連續(xù)波信號［32］。2007 年，加州大學對上述方案進行了演示驗證，其系統(tǒng)結構如圖4 所示，產(chǎn)生的雷達波形為載頻750 MHz、帶寬500 MHz、時寬500 ns、重復頻率150 kHz 的負啁啾LFM 信號，通信用正啁啾LFM 信號與雷達波形載頻帶寬相同，信息傳輸速率為1 Mbps［33］。接收端，雷達和通信信號在極化域進行分離，之后，分別進行脈沖壓縮獲得探測距離和通信數(shù)據(jù)。

民用方面，基于復用技術的智能車路系統(tǒng)在這一時期迎來了蓬勃發(fā)展。1997 年，日本某天線公司為車頭測距雷達增加了通信功能，利用不同時隙交替發(fā)射載頻59.5 GHz 的LFM 雷達信號和幅移鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）通信信號［34］。2002年，日本三菱電機電子與系統(tǒng)實驗室設計了基于頻分復用的汽車雷達通信系統(tǒng)，其中雷達信號所使用載頻為60.5 GHz、帶寬100 MHz，通信收發(fā)頻率分別為59.74 和59.05 GHz［35］。2007年，奧地利GmbH &Co 公司和德國慕尼黑大學也提出一種基于頻分復用的車用雷達通信系統(tǒng)，在載頻24.125 GHz、帶寬285 MHz雷達信號的頻譜過零點處，插入QPSK信號，同時進行雷達探測和數(shù)據(jù)通信［36］。2011至2016年，加拿大蒙特利爾大學設計了面向智能交通應用的多功能收發(fā)機，交替發(fā)射載頻5.8 GHz 左右的梯形調(diào)頻雷達信號和二階相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）通信信號，如圖5 所示，雷達信號帶寬150 MHz，通信最大傳輸速率75 Mbps［37-38］。

圖5 多功能收發(fā)機信號功率譜密度Fig.5 Power spectral density of the signal in the proposed multi-function system

在這一階段，我國也積極開展了JRC 的研究。2001年起，海軍航空工程學院、空軍工程大學、電子科技大學、北京理工大學、中科院、中電研究院、中國空間技術研究院等先后針對雷達通信的資源共用和一體化展開了研究，取得了一系列成果［39-43］。例如，2006 年，中科院提出了基于碼分復用的JRC 方案，通信擴頻碼元和雷達碼元采用相互正交的兩個偽隨機序列，以消除二者之間的相互干擾［40］；2011年，北京理工大學、中電研究院、中電38 所等單位聯(lián)合研制了基于數(shù)字陣列的JRC 試驗系統(tǒng)，如圖6所示，工程驗證了利用雷達進行通信的可行性［43］。

圖6 數(shù)字陣列JRC試驗系統(tǒng)Fig.6 JRC system based on digital array

總結這一階段研究進展可以發(fā)現(xiàn)，為避免雷達和通信在共用射頻前端等硬件資源時相互干擾，可以在時間、空間、頻譜等單個或多個維度上對二者進行功能劃分。此時，雷達信號和通信信號可以根據(jù)應用場景靈活設計，但一體化系統(tǒng)的波形本質(zhì)上是兩個獨立信號的相互疊加，由此會產(chǎn)生一系列問題，具體見表1所述。

表1 JRC中的復用技術性能比較Tab.1 Characteristics of different multiplexing technologies for Radar-communication integration

4 雷達通信一體化中的共享波形

基于波形共享的JRC 具有更高的功率、頻譜、硬件等資源利用效率，其核心問題是共享波形的設計。直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技術是最為直觀的一種通信雷達共享波形設計方法。直接序列擴頻通信和相位編碼脈沖壓縮雷達均使用具有優(yōu)良壓縮特性的碼元，在序列擴頻通信中加入雷達處理單元，就可以實現(xiàn)雷達通信一體化。2000年，日本橫濱國立大學利用127位M 序列對速率1.2 Mbps 的通信數(shù)據(jù)進行直接序列擴頻，然后進行BPSK 調(diào)制產(chǎn)生一體化信號；接收端，利用匹配濾波處理獲得測距時延并實現(xiàn)信息解擴［44］。2008年，瑞典布萊津理工大學針對M 序列編碼信號測距時多普勒敏感問題，提出利用多相Oppermann 序列擴頻的共享波形［45］。2014 年，日本工業(yè)大學提出用兩組互補碼對二進制數(shù)據(jù)進行擴頻，之后進行相位調(diào)制獲得共享波形，以提升接收端壓縮處理的主瓣旁瓣比［46］。

除了DSSS 以外，采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術的共享波形也受到了廣泛研究。OFDM 是一種多載波技術，多路并行的符號分別調(diào)制至相互正交的各子載波上形成OFDM 信號，依托該技術，有望實現(xiàn)未來寬帶射頻系統(tǒng)與現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的相互兼容。同時，該信號具有近似圖釘狀的模糊函數(shù)，針對運動目標具有良好的探測能力［47］。OFDM共享波形研究的重點在于基帶符號的設計、子載波調(diào)制方式的選擇以及接收端信號的處理算法。2006 年，澳大利亞Filtronic公司提出在MIMO（Multi-Input Multi-Output）雷達中，各發(fā)射陣元按特定頻率步進規(guī)律輻射OFDM 信號的各子載波，通信數(shù)據(jù)經(jīng)13 位巴克碼擴頻后采用BPSK 方式調(diào)制至子載波上，在雷達探測的同時將成像信號分發(fā)至用戶［48］。2007年，美國邁阿密大學提出利用OFDM 結合子載波開關鍵控調(diào)制的一體化波形，用于進行雷達成像和數(shù)據(jù)傳輸，搭建的實驗系統(tǒng)雷達信號帶寬為1 GHz，通信速率可達到57 Mbps［49］。以上兩種OFDM 一體化信號在接收端均采用相關處理，此時，通信數(shù)據(jù)會惡化輸出脈沖的主瓣旁瓣比，影響雷達探測性能。針對該問題，2009 年，德國卡爾斯魯厄大學設計了OFDM結合子載波4PSK 調(diào)制的共享波形，在接收端利用頻域采樣和離散傅里葉變換算法對雷達回波進行參數(shù)估計，以消除通信調(diào)制對雷達探測性能的影響［50］。2010 年，該大學對所提出方法進行了演示驗證，實驗中所產(chǎn)生OFDM共享信號載頻為6或24 GHz、帶寬為93.1 MHz、子載波數(shù)為1024、峰均比為10 dB左右，該處理方法可以提供與相關運算近似的處理增益［51］。2018年，盧森堡大學設計了一種新的OFDM共享波形，其中一半子載波調(diào)制純雷達信號用于進行信道估計，另一半子載波調(diào)制雷達通信共享信號，在接收端首先利用交替最小二乘有效迭代方法對目標進行到達角、多普勒參數(shù)提取和距離粗測，然后進行通信數(shù)據(jù)解調(diào)和目標距離精確估計［52］。2021 年，瑞典查爾姆斯理工大學等提出在OFDM 一體化收發(fā)機和通信接收機之間加入低速前向反饋信道，以實時調(diào)整共享波形中各子載波功率，從而優(yōu)化通信雷達聯(lián)合性能［53］。同年，英國倫敦大學學院提出了面向MIMO 系統(tǒng)的OFDM 共享波形設計算法，利用半正定規(guī)劃方法降低共享波形的幅度峰均比［54］。2022年，英國紐卡斯爾大學等設計了具有6個發(fā)射天線和2 個接收天線的MIMO-OFDM 結構JRC一體化測試樣機，實驗分析了不同波束模式下通信和雷達性能。樣機使用的OFDM 共享波形中心頻率為2.4 GHz、包含12 個子載波、數(shù)據(jù)調(diào)制方式為QPSK調(diào)制［55］。

第三種典型的一體化共享波形是基于LFM 的復合信號。通過對LFM 信號的幅度、頻率、相位等進行操控，可以將通信信息加載到雷達波形上，形成共享信號。2007 年，荷蘭國防部仿真研究了幅度調(diào)制-線性調(diào)頻（Amplitude Modulation-LFM，AMLFM）共享波形一體化系統(tǒng)，同時執(zhí)行目標探測和信息傳遞功能，其結構如圖7所示［56］。在接收端，雷達和通信均采用去斜處理，獲得的低頻信號進行目標參數(shù)提取，獲得的中頻信號進行AM解調(diào)。2016年，美國空軍研究實驗室提出LFM 脈沖結合脈內(nèi)BPSK調(diào)制的雷達通信共享波形及其性能優(yōu)化方法［57］。在數(shù)字域利用通信信息對LFM 信號的相位進行移相處理，數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到一體化波形。通過減小BPSK 調(diào)制的相移變化量可以減弱相位突變對雷達探測性能的影響，而相移減小引起的通信誤碼率惡化則利用M序列擴頻進行彌補。

圖7 AM-LFM共享波形一體化系統(tǒng)結構框圖Fig.7 Joint system using AM-LFM sharing waveform

最近，一些新型調(diào)制波形也逐漸引入到一體化系統(tǒng)中。例如，正交時頻空（Orthogonal time frequency space，OTFS）調(diào)制信號在延遲多普勒域調(diào)制數(shù)據(jù)符號，信號具有恒定包絡和很強的抗選擇性衰落能力。2020 年起，意大利帕爾馬大學、英國新南威爾士大學等先后設計了面向JRC 的OTFS 共享波形及其處理算法，結果表明該信號適合運動場景下目標探測和通信［58-59］。但是，作為相對較新的調(diào)制方式，該類共享波形在計算復雜度、硬件成本等方面還具有一定的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)方面，2012 年，空軍預警學院提出了具有抗回波遮掩特性的完全互補碼DSSS 共享波形［60］；2014 年，電子科技大學研究了DSSS 結合最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）的共享信號的模糊函數(shù)性能［61］；2018 年，空軍工程大學分析了DSSS結合脈沖幅度調(diào)制的共享波形分辨性能和雜波抑制能力［62］?；贠FDM 的共享波形研究方面，自2013 年起，空軍預警學院提出了多種抑制信號峰均比、降低雷達距離旁瓣、增強通信能力的方法［63-64］。2016 年起，西安電子科技大學針對OFDM 共享波形的處理問題，提出了多種目標距離-速度聯(lián)合估計方法［65］。此外，陸軍特種作戰(zhàn)學院、華中科技大學等針對OFDM 共享波形應用中的子載波干擾和同頻干擾問題進行了研究［66-67］，南京信息工程大學、中國科學院等針對OFDM 共享信號的處理算法進行了研究［68-69］。上海交通大學對OFDM 共享波形進行了硬件平臺設計與優(yōu)化，所產(chǎn)生信號載頻4875 MHz，帶寬23 MHz，峰均比8.3 dB［70］。南京科技大學聯(lián)合南方科技大學和南京航空航天大學等提出基于稀疏矢量編碼的OFDM 共享波形，以降低雷達旁瓣并提升通信可靠性［71］?；贚FM 的共享波形研究方面，2011 年起，中電研究院針對MSK-LFM 共享波形開展了研究［72］，空軍預警學院分析了基于初始頻率控制的LFM 共享信號波形性能［73］，西安電子科技大學先后設計了基于啁啾率調(diào)制和基于頻移鍵控的LFM 共享波形［74-75］，清華大學提出了連續(xù)相位調(diào)制的LFM 共享波形［76］，電子科技大學則設計了頻率-相位復合調(diào)制的LFM 共享波形［77］。為提升通信速率，傳統(tǒng)二階調(diào)制逐漸被高階調(diào)制所替代。2020年，重慶大學提出了16QAM-LFM 共享波形及其處理方法［78］，華中科技大學設計了MPSK-LFM 共享信號［79］。此外，空軍預警學院、電子科技大學、西安電子科技大學等還將OFDM 與LFM 結合起來提出了多種OFDM-LFM共享波形［80-81］。

總結這一階段研究進展可以發(fā)現(xiàn)，波形共享使得通信和雷達在發(fā)射端可以更高效地整合共用射頻本振、變頻、功放、天線等硬件資源。在共享波形設計上，DSSS 一體化共享波形設計靈活、實現(xiàn)簡單。但接收端需要通過相關運算進行脈沖壓縮和解擴，寬帶信號處理數(shù)據(jù)量大、時效性差；序列重復時間決定雷達最大不模糊距離和通信速率，導致兩種功能相互制約?；贠FDM的共享波形是現(xiàn)階段研究熱點，國內(nèi)外主要針對信號幅度峰均比高、多普勒頻偏干擾、脈壓旁瓣偽峰、速度距離耦合、系統(tǒng)性能邊界等問題進行波形設計和算法研究，提出了針對以上單個或多個問題的不同解決方案。但整體上OFDM一體信號設計復雜、調(diào)諧困難、運算量大，在現(xiàn)有技術條件下難以滿足GHz 量級帶寬的實時處理要求?；贚FM 的共享波形具有成熟的技術基礎，接收端采用去斜方法可以極大簡化處理復雜度、提升寬帶信號的處理實時性，通過脈內(nèi)調(diào)制可以克服雷達最大不模糊距離和通信速率的矛盾問題。然而，寬帶LFM 信號的產(chǎn)生需要多級倍頻處理，信噪比惡化且結構復雜；共享波形中的線性時頻對應關系如果被破壞（如頻率調(diào)制情況），信號的處理則需要進行相關運算，同樣具有較高的處理時延?；贠TFS的共享波形作為新型調(diào)制信號，能很好適應高速運動場景需求，但信號產(chǎn)生和處理計算復雜度和硬件成本很高。不同共享波形特點對比如表2所示。需要指出的是，以上進展是從波形的具體形式出發(fā)，除此之外，還可以從最優(yōu)化理論出發(fā)，將JRC共享波形的設計轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題，結合雷達和通信的需求和約束，直接設計共享波形以提高一體化系統(tǒng)的性能。這種方法設計的共享波形不受常規(guī)波形限制，但其生成涉及復雜優(yōu)化問題的求解并依賴于通信信道狀態(tài)信息，實際應用還有很大挑戰(zhàn)［82］。

表2 JRC中共享波形特點比較Tab.2 Characteristics of different sharing waveforms for JRC

5 雷達通信一體化中的微波光子技術

目前，產(chǎn)生信號的電子器件如頻率合成器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等采樣時鐘速率受限，難以直接輸出高頻寬帶射頻波形。此外，寬帶信號在電纜波導等介質(zhì)中傳輸損耗大、幅相一致性差。最后，電學器件存在相互干擾，需要采取電磁屏蔽措施，進一步增加了系統(tǒng)體積重量功耗。以上問題限制了雷達和通信的性能提升。

新興的微波光子技術是解決上述瓶頸問題的有效技術手段之一。微波光子的處理手段是光子技術，主要利用其頻率高、帶寬大、處理靈活的優(yōu)點以及光傳輸介質(zhì)在體積、重量、功耗、集成度和抗電磁干擾等方面的優(yōu)勢；處理對象是模擬射頻信號，這是與傳統(tǒng)數(shù)字光纖通信最本質(zhì)的區(qū)別；實現(xiàn)功能包括在光域產(chǎn)生射頻信號并進行傳輸，在光域?qū)崿F(xiàn)射頻信號的頻率轉(zhuǎn)換、參數(shù)測量、多路分配、延時移相，在光域完成射頻信號的濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。如下表3所示，與電子技術相比，微波光子技術可以直接產(chǎn)生、低損傳輸、靈活處理具有高頻寬帶、大調(diào)諧范圍和抗電磁干擾能力的射頻波形，有望為雷達和通信系統(tǒng)發(fā)展帶來技術性和體制性變革［83-84］。最近幾年，國內(nèi)外逐步展開了面向JRC 的微波光子技術應用研究。

表3 電子技術和光子技術的主要特性對比［85］Tab.3 Characteristics of electronics and photonics technologies［85］

2016 年，意大利進行了光子輔助雷達通信雙功能演示，利用鎖模激光器豐富的頻譜資源，結合電域濾波，對載頻2.475 GHz、帶寬20 MHz 的LFM 雷達信號和載頻4.9 GHz、速率54 Mbps 的64QAM-OFDM 通信信號進行光域變頻處理，如圖8 所示［86］。該演示初步探索了光子技術在JRC 中的應用，二者共用激光源、接收天線和接收處理光電鏈路，但是，通信和雷達分割頻譜資源，系統(tǒng)頻譜利用率低。2018 年，浙江大學利用光脈沖干涉結合頻時映射產(chǎn)生瞬時頻率324～345 GHz 的LFM 雷達脈沖，利用雙光源外差上變頻產(chǎn)生載頻370 GHz 的16QAM 通信信號［87］。雷達和通信信號在同一光纖進行傳輸，使用同一探測器進行光電轉(zhuǎn)換，信號頻率通過光子技術提升至THz 量級。但雷達和通信信號獨立產(chǎn)生，系統(tǒng)基于頻分復用、頻譜利用率低。2021 年，復旦大學利用雙光源外差上變頻處理，將時分復用的雷達LFM 信號和通信QAM-OFDM 信號上變頻至W 波段，雷達帶寬達到15 GHz，通信速率為46.55 Gbps［88］。然而，雙光源相干性差、輸出噪聲大，且單功能存在“時間盲區(qū)”。

圖8 光子雷達通信雙功能系統(tǒng)結構示意圖Fig.8 Photonics-based radar/communication dual-function system

共享波形方面，2019 年，南京航空航天大學設計了ASK-LFM一體化信號的光子產(chǎn)生和處理方案，系統(tǒng)結構如圖9 所示［89］。在發(fā)射端，對LFM 信號進行光域倍頻和ASK 調(diào)制，光電探測后得到載頻帶寬為輸入LFM 信號四倍的ASK-LFM 共享波形。通信接收端，對接收信號進行包絡檢波實現(xiàn)信息解調(diào)；雷達接收端，對LFM 信號進行光域去斜處理，提取出目標距離信息。實驗產(chǎn)生了帶寬18～26 GHz 的ASK-LFM 連續(xù)波形，通信速率為100 Mbps，雷達接收端采樣示波器采樣率為100 MSa/s。該方案驗證了基于微波光子技術利用共享波形同步進行雷達和通信的可行性，設計了光電鏈路和射頻前端等硬件資源共用的光子一體化發(fā)射機，然而，ASK 調(diào)制引起波形包絡起伏，影響雷達作用距離。同年，南京大學對16QAM-OFDM 共享信號進行光域上變頻處理，所產(chǎn)生信號載頻28 GHz、帶寬500 MHz、通信速率1.56 Gbps，但信號峰均比高、調(diào)諧和處理復雜［90］。2021 年，清華大學利用光電振蕩器將DSSS共享波形上變頻至24 GHz，同時結合光域I/Q 調(diào)制將信號擴展為兩路相同載頻、不同擴頻序列的共享波形，以提升雷達的最大不模糊距離和通信速率［91］。然而，信號處理需要進行相關運算和數(shù)據(jù)融合，復雜度高、時效性差。此外，西南交通大學也利用光域變頻方法將DSSS共享波形頻率提升至35 GHz，并結合擾頻處理提升接收端脈沖壓縮主瓣旁瓣比，同樣，信號處理復雜［92］。2020 年起，空軍工程大學先后提出了多種不同結構的PSK-LFM 共享波形光子產(chǎn)生和處理方案，分析了其在雷達和通信中的應用性能［93-96］。所提方案利用微波光子倍頻技術實現(xiàn)高頻寬帶共享波形的光域產(chǎn)生，利用光偏振復用技術進行通信數(shù)據(jù)的光域相干解調(diào)處理。PSK-LFM波形的優(yōu)點在于包絡平坦，不會減小雷達探測距離，相反，可以通過設置調(diào)相數(shù)據(jù)，增大其探測范圍。但是，共享信號中LFM 波形的重復時間對應一位通信二進制數(shù)據(jù)，通信速率較低。

圖9 ASK-LFM共享波形光學產(chǎn)生和處理方案示意圖Fig.9 Photonics generation and processing of ASK-LFM sharing waveform

基于微波光子的JRC 的技術愿景是依托全光或以光子技術為主產(chǎn)生高頻寬帶、靈活調(diào)諧、抗電磁干擾的共享射頻波形，并對接收到的射頻信號進行光域?qū)崟r靈活處理，同時，對射頻前端以外的收發(fā)部分進行光子集成，極大減小系統(tǒng)體積、重量和功耗因素?？偨Y以上研究進展可以發(fā)現(xiàn)，基于微波光子技術的JRC 研究處于萌芽狀態(tài)，主要完成的功能是對一體化系統(tǒng)的信號進行光域上變頻處理，信號的產(chǎn)生、處理依然以電子技術為主，尚未充分發(fā)揮微波光子技術寬帶承載、高度集成和靈活處理等優(yōu)勢。需要指出的是，面向JRC 應用的微波光子技術未充分發(fā)揮其優(yōu)勢的原因之一在于，微波光子本身亟待技術突破。例如，微波光子器件的穩(wěn)定性、微波光子集成芯片等研究正迅猛發(fā)展，尤其是光子集成芯片一旦實現(xiàn)技術突破和規(guī)?；a(chǎn)應用，會極大提升JRC等射頻綜合系統(tǒng)的技術性能。

6 總結與展望

數(shù)十年來，人們致力于雷達和通信的一體化研究，以優(yōu)化系統(tǒng)結構、提升系統(tǒng)性能。隨著5G 技術的迅猛發(fā)展和軍事斗爭的不斷演化，設計一種硬件共用、頻譜共享、功能協(xié)同的JRC 系統(tǒng)具有極為重要的民用和軍用價值。

論文闡述了JRC 的技術內(nèi)涵和發(fā)展階段，總結了面向JRC 應用的資源復用、波形共享、微波光子等關鍵技術研究進展。JRC 體現(xiàn)在系統(tǒng)架構的創(chuàng)新，以構建小型、高效、多功能、無相互干擾的射頻綜合系統(tǒng)。直觀的方法是利用復用技術實現(xiàn)通信和雷達的一體化設計，但時分復用時一體化系統(tǒng)單功能存在“時間盲區(qū)”，頻分復用時一體化系統(tǒng)頻譜利用率低，空分、碼分和啁啾極性等復用方式時各功能分割發(fā)射功率、作用距離受限。波形共享技術可以有效規(guī)避以上問題。與復用技術相比，基于波形共享的JRC 可以更高效利用各種資源、更有效促進功能協(xié)同，是一體化發(fā)展的主要方向。相比于DSSS 和OTFS 共享波形，現(xiàn)階段OFDM 和LFM 共享波形具有更好的發(fā)展和應用前景。OFDM共享波形的最大優(yōu)點在于，可以將下一代寬帶射頻系統(tǒng)與現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)兼容起來，LFM 共享波形的最大優(yōu)點則在于去斜處理可以極大降低寬帶信號處理復雜度。微波光子技術是射頻系統(tǒng)的一項關鍵使能技術，基于光子技術高頻寬帶、低損傳輸、靈活處理特點以及光學器件體積、重量、功耗和集成方面的優(yōu)勢，微波光子技術有望進一步推動一體化系統(tǒng)的高頻化、寬帶化和小型化發(fā)展，全面提升系統(tǒng)性能。