雷达通信一体化技术研究综述

随着新材料、信息技术及微电子技术的发展,电子信息系统与技术取得了较大进展,逐步形成了较为成熟的侦察、干扰、雷达探测和无线通信等多个功能体系。这些功能基本上是在不同时期、面向不同需求应运而生的。虽然都能在独占资源的条件下获得最佳性能,但是彼此之间缺乏统一的规划设计,导致并行协同能力不足。近年来,这种并行协同的矛盾越发不可调和。这主要是因为,在5G无线通信、物联网、智能协同作战等新型民用和军用需求驱动下,现有电子信息系统的带宽需求日益增长、工作频段不断重合、设备数量指数增加。倘若若干雷达、通信等设备在同一平台或同一区域并行工作,则必然导致严重的电磁频谱拥挤与干扰、资源利用率低下和管理控制复杂困难等诸多问题。鉴于此,国内外专家学者对雷达通信一体化展开了持续数十年的研究和探索[1-13]。

最初的雷达通信一体化是指,在共享频谱、空间、时间和能量等资源条件下,通过信号、通道和信息等层面上的统一设计,实现一个通道、一个天线、一个信号对雷达和通信信息的统一承载。其初始的研究动机源于挖掘利用战机、舰船等作战平台的空间资源。通过共用控制与显示、数据处理、通道和射频前端等资源,可大幅减少雷达、通信等电子设备占用的平台体积,为隐身设计、燃油储备和武器弹药腾出空间。现阶段,部分欧美国家已初步实现了该研究初衷,并逐步将研究重点转移到微小型一体化系统和电磁信号一体化。基于泛在的低成本、微小型一体化系统,可实现电磁空间的多功能一体化协同,进而衍生出面向未来的新型一体化思想,实现在任意时刻、任意地点和任意频点,并行形成任意功能的目标。因此,只有进一步实现微小型一体化和信号一体化,才能真正意义上实现一体化。

然而,从理论模型和系统构型来看,雷达和通信在信号、通道、处理和应用等方面存在许多固有的、不可调和的矛盾[3]。无论是传统大型一体化系统,还是未来微小型一体化系统,都面临着种种限制。其中,信号一体化是两者的共同核心难点。因此,为了实现雷达和通信的有机一体,需要从理论上统一认识雷达传感与无线通信的信号模型,从物理、数学角度揭示一体化物理本质和实现原理,通过信号的一体化设计寻求电磁资源的统一共享和利用,通过信息的一体化承载牵引孔径、通道、处理、管控等多方面的一体化设计,逐步从雷达和通信的共存走向共生,最终实现多种功能对电磁资源的统一操控。

2 发展历程与现状

从电磁波承载信息的物理本质来看,雷达、通信等电磁波收发设备的构型主要包括控制与显示、处理、通道、孔径和信号五个部分。围绕这五个部分的共享设计,现有雷达通信一体化系统的发展大致分为四个阶段[14-15]。第一个阶段是独立式结构,是一体化系统发展的萌芽阶段,雷达、通信等电子系统各自实现独立的功能,只将设备集中于一个平台之上,该结构虽然简单,系统的体积、重量、功耗(SWaP)十分巨大且难以消除各系统之间的相互干扰,但是其意义在于,在理论上首次提出多功能一体化的概念;第二个阶段是联合式结构,是一体化发展的初级阶段,雷达、通信等电子系统共享控制与显示终端,此时的系统同样面临SWaP巨大且系统相互干扰的问题,但是迈出了多种系统相互融合的第一步,第二阶段的核心难点主要体现为综合显控记录、总线接口等技术;第三个阶段是综合式电子系统,实现了雷达、通信等对控制与显示终端和信号处理机等功能的共享,系统的SWaP由于信号处理机的共用而得以减小,这是系统深度融合理论的成果,但通道与孔径的分立使得系统的集成度仍然很低,第三阶段的核心难点包括软硬件的模块化、并行处理机、高速数据总线、实时操作系统及通用应用程序接口等技术。第四个阶段是第三阶段的延伸,进一步实现了对通道和孔径等资源的共享,从而在硬件层面上实现电子信息系统的全面融合,但是不同功能采用同一套射频收发系统来实现,对信号波形提出了非常苛刻的要求。这四个阶段的研究始于美国20世纪80年代对战机、战舰等平台空间资源的挖掘利用,典型代表有“宝石柱”和“宝石台”计划、先进多功能射频概念(Advanced Multifunction Radio Frequency Concept, AMRFC)等。这四个阶段的进一步是微小型一体化硬件系统和对电磁资源统一共享利用的信号一体化。微小型一体化硬件系统典型代表是射频任务操作中融合的合作式单元(Converged Collaborative Elements for RF Task Operations, CONCERTO)项目,信号一体化的典型代表有雷达通信频谱共享项目(Shared Spectrum Access for Radar and Communications, SSPARC)和中国科学院空天信息创新研究院的高分辨率SAR与无线通信一体化系统。

2.1 “宝石柱”和“宝石台”计划

1987年,美国空军莱特实验室雷达、通信、电子战等多功能一体化需求,提出了支持系统功能综合和物理综合的综合化航空电子系统结构,即“宝石柱”(Pave Pillar)计划。这是具有变革意义的系统结构。它将联合式系统功能从纵向划分变成横向划分,具体作用如下:实施了各传感器信号和任务数据的综合处理;建立了传感器管理区、任务管理区和飞机管理区的功能区概念,并实现了功能区间高速网络互连;定义了功能区内资源共享、容错和动态重构策略;用模块化的外场可更换模块替代外场可更换单元,取消了中间维护。这一系统结构增强了作为信息平台的航空电子系统机内、外战场信息的搜集、传输、处理、分发和使用能力,提高了系统资源的共享和动态重构能力。模块化结构革新了航空电子系统的维修体制,提高了系统的可靠性、维修性和可保障性。“宝石柱”在20世纪90年代中期首先被用于第四代战斗机F-22[16-17]。

20世纪90年代初,美国空军莱特实验室、麦道飞机公司、AT&T公司等在“宝石柱”的基础上进一步提出了“综合传感器系统”(Integrated Sensor System, ISS)计划和“宝石台”(Pave Pace)系统结构。“宝石台”结构核心是采用统一航电网和综合传感器系统。前者用单一高速光总线(传输速率大于1 Gbps)实现系统的互连,消除了各个部分在飞机上布局的位置限制。后者则提出了射频综合与孔径综合。研究表明,采用综合射频传感器不仅提高了传感器资源共享程度,而且可将射频电子的成本和重量减少达50%。采用综合传感器之后,射频模块将由原来的63种减少到20种以内,天线数目也由常规的60多付减少到10余付。“宝石台”结构成果已应用于战斗机F-35的第四代先进一体化航空电子系统研制中,如图1所示[18-19]。

2.2 先进多功能射频概念(AMRFC)

1996年,美国海军研究局和海军研究实验室联合发起了水面舰船“先进多功能射频系统”(AMRFS)计划,对集成了雷达、电子战和通信等功能在内的宽带射频多功能、低信号特征共用孔径的概念做出了原理性的验证。其目标是大幅缩减舰船顶部射频系统孔径的数量,同时有效增加功能和带宽。AMRFS后来进一步发展成为“先进多功能射频系统概念”(AMRFC),AMRFC旨在开发、演示能同时收发多个波束的宽带、高性能多功能射频孔径,同时降低孔径的数量,在解决平台电磁兼容、实现多功能集成的同时提升隐身能力。如图2所示,相对于AMRFS,AMRFC的设计进行了简化,发射和接收均采用单部天线,频率覆盖范围也相应调整为6～18 GHz,信号处理器和显示器也进行了综合。2004年,AMRFC系统成功演示了多种有源/无源电子战系统、通信、雷达系统同时工作,执行多功能的射频任务[20]。

需要说明的是,上述一体化研究的止于孔径,其进一步的演变是微小型的一体化和电磁空间的信号一体化。典型代表是美国DARPA启动的CONCERTO项目和SSPARC项目。

2.3 射频任务操作中融合的合作式单元(CONCERTO)

2016年4月,DARPA战略技术办公室发布了“协奏曲”(CONCERTO)项目征询书。“协奏曲”项目全称为“射频任务操作中融合协作单元”,旨在“为紧凑型无人机设计和实现新的融合式射频架构,支持对所有战术范围内射频频谱的使用”。CONCERTO将推进多功能在射频端的融合,为雷达、通信和电子战等一体化带来自适应、灵活可重构等诸多变革性的系统能力。DARPA表示CONCERTO项目的目标是:“在任意时间、任意频段,以任意孔径执行任何任务”。如图3所示,CONCERTO架构主要包括以下单元:将辐射孔径和机身集成于一体的射频前端;能够让便携式硬件以预先不可知的方式执行运转模式的异质射频处理单元;能够智能协调和优化使融合系统达成不同任务目标的多目标管理系统。CONCERTO能在通信、雷达、电子战模式之间自适应和灵活切换[21]。

2.4 雷达通信频谱共享接入项目(SSPARC)

“雷达和通信共享频谱接入”项目主要面向陆基和海军舰船平台,旨在研发军用雷达与通信系统间、军用雷达与商用通信系统间频谱共享技术。SSPARC项目第一阶段由美国密歇根技术大学、萨兹技术有限责任公司、洛克希德-马丁公司先进技术实验室和科学应用国际公司4家机构共同承担。该项目第一阶段的开发目标是,在避免跨平台干扰的同时,提升雷达与通信系统性能,并通过模拟和分析,验证在保留雷达和通信性能不变的情况下,频谱共享是否具备可行性。2015年10月SSPARC项目进入第二阶段,旨在S波段(2 GHz～4 GHz)范围实现雷达与通信的频谱共享。与此同时,诺思罗普-格鲁曼公司面向全美高校征集创新性的波形方案,寻求先进通信信号和雷达信号设计方法的统一[22-24]。

2.5 高分辨率SAR与无线通信一体化系统

相对美国而言,我国起步较晚,但已取得了一些成果。特别地,在信号一体化方面,已设计出了若干可行的波形方案,并开展了初步的验证性试验。例如,中国科学院电子学研究所已基于MIMO体制和多维波形,同时、同频、同空域实现了高分辨率SAR与无线通信一体化,初步验证了成像雷达和无线通信共享利用电磁频谱资源的可行性,如图4所示。

3 理论瓶颈和技术挑战

雷达和通信的应用模式不同、理论基础不同。在实现两者的一体化时,存在诸多理论约束和技术挑战。依据前文研究现状可知,在控制与显示、处理、通道、孔径方面,雷达通信一体化已经获得了初步的成果和应用。现阶段,核心难点在于信号一体化[25-29]。

对于信号一体化而言,无论是共用波形还是正交波形,雷达和通信都存在着不可调和的矛盾。这是由香农定理、能量守恒定律、模糊函数定义等理论模型决定的。

雷达是对信道信息的探测,其设计准则是最大化、不失真获取信道信息。依据传统雷达探测理论可知,对信道信息的获取能力与信噪比、模糊函数密切相关。信噪比决定了探测距离、发现概率、虚警率等性能。这些性能越高,获得的信道信息量越大。另外,被覆盖的信道频谱越宽,雷达分辨率越高,信道信息量也越大。因此,为了满足“最大化”要求,需要通过发射端饱和放大和接收端匹配滤波来提高信噪比,通过提高带宽来提升分辨率。从信噪比和分辨率的角度来讲,雷达和通信是等效的。如若将信道看作是雷达的“信源”,则雷达探测过程即为雷达与“信源”的通信过程,其性能与信噪比和信号带宽密切相关。该结论与香农定理一致。但重点是,雷达对信道探测还有“不失真”的要求。由于雷达通过匹配滤波来获取信道的信息,则“不失真”要求主要体现为对模糊函数旁瓣的要求。过高的旁瓣或伪峰会引入虚假目标、淹没微小目标,进而导致信道信息的失真,影响雷达探测性能[30-32]。

通信是对信源信息的探测,其设计准则是最大化、不失真获取信源信息。信道对于通信而言,是一种包含多径和多普勒等干扰的路径。依据香农定理可知,为了满足“最大化”要求,需要提高信噪比和带宽。但鉴于“不失真”要求,通信不能通过饱和放大和匹配滤波提升信噪比。在给定信噪比和带宽的条件下,香农定理决定了通信性能上界。对上界的逼近过程主要体现为对“去失真”的过程。为了去除失真、逼近通信上界,通常需要在通信信号中嵌入导频、同步、循环前缀等信号,用以标定并补偿信道影响[33]。然而,依据模糊函数定义可知,周期性导频和同步信号势必会在点扩展函数中产生过多的伪峰。另外,幅相调制的通信信号随机性较高,导致其脉压旁瓣不满足雷达探测要求。因此,如若通信和雷达共用一个信号,则不能同时满足对信源“不失真”和对信道“不失真”的探测要求。例如,在图5中,与chirp信号相比,通信符号的点扩展函数旁瓣在-30 dB左右,且存在多个伪峰。

基于对雷达和通信的经典理论模型对比分析可知,“最大化”获取信息对两者要求是一致的,但“不失真”对两者的要求是相互矛盾的。雷达和通信对“不失真”的矛盾进一步衍生出了对射频前端的线性放大和饱和放大矛盾。然而,这种共用波形的思路并不是必不可行的。可在后端数据处理缓解“不失真”引入的矛盾,满足某些特点应用要求。例如,外辐射源雷达不对通信发射信号做任何改变,其通过对回波做自适应滤波、杂波对消、失配滤波等处理,能达到降低旁瓣和去除伪峰的效果。但这势必会引入相位畸变、信噪比损失等问题,进而降低雷达探测性能。

鉴于共用波形的局限,部分学者提出了正交波形的思路[3]。如若雷达和通信信号相互正交,则可各自满足“不失真”要求,实现性能最优,两者互不干扰。从概念上讲,正交波形可以突破共用波形面临的理论瓶颈,更适用于雷达通信一体化。但问题在于,何为正交？

正交概念最早出现于数学中的向量分析。若两个向量的内积是零,则可认为这两个向量正交。通信中的正交定义与数学上保持一致,要求信号间的零延迟内积为零。该定义是码分信号的基础,且已广泛应用于通信领域。然而,对于雷达,特别是合成孔径雷达而言,正交约束更为苛刻,要求同频信号间的互模糊函数为零,即任意延迟下的内积都为零[34-37]。事实上,这种约束违背了能量守恒定律,同频信号的互相关并不会将能量消除,而是将其散开到了时域。鉴于此,传统MIMO脉冲多普勒雷达将正交定义弱化为两个信号的互相关电平远小于1。这种弱化可以满足低分辨率对空探测的稀疏目标场景。若一体化场景中存在大量的散射体,则必然会产生模糊能量积累效应,形成很强的同频干扰。如图6,两路GOLD序列在单个点目标条件下的同频干扰电平在-20 dB左右。而在多个点目标条件下,同频干扰电平累积到-10 dB左右,并对多个点目标的幅值产生了影响。所以,从理论上讲,在同时、同频、同空域内,任何编码信号都不满足正交要求。在此约束下,如何设计雷达和通信的理想正交信号？本文将在下一节给出指导性解决思路。

4 多维信号波形

信号作为信息交互的主要媒介,贯穿电磁波设备的所有部分,涵盖了从发射机、信道到接收机的所有特征,是所有系统参数在电磁空间的最终体现。从这个角度看,任何信号都是多维的,都承载了电子信息系统在时间、空间、频率、极化、多普勒、编码、涡旋等多个维度上的特征。然而,传统信号的定义过于狭隘,仅在时频、编码等维度具备有限的自由度,将其他维度归类为硬件系统层面上的参数。因此,传统信号设计所利用到的维度不足、自由度有限,不能同时、同频、同空域承载雷达、通信等多种功能,难以实现电磁资源统一操控。鉴于此,本文提出多维信号波形的概念。多维信号波形可定义为在时间、空间、频率、极化、多普勒、编码、涡旋等多个维度内具备丰富自由度的广义波形。

假设仅考虑时间、空间、频率、极化、多普勒、编码、涡旋,则多维信号波形可做如下定义

其中,φ,φ,a,p,c,t, f分别表示方位角、俯仰角、涡旋、极化、编码、时间和频率,g1(·)、g2(·)、g3(·)、g4(·)、g5(·)、g6(·)分别表示多维信号波形随方位角、俯仰角、涡旋、极化、编码和时频的变化关系,特别地,g6(t, f)表示传统的时频调制信号。

若多维信号波形在方位角、俯仰角、涡旋、极化、编码和时频维度内的自由度分别为Nφ、Nφ、Na、Np、Nc、Ntf,则信号自由度为N=Nφ·Nφ·Na·Np·Nc·Ntf。对于传统时频调制信号g6(t, f)而言,自由度为N′=Ntf=B·T,B为信号带宽,T为信号时宽。

依据信息量与维度的显式关系,可知多维信号波形的信息承载力为

其中,SNRi为第i个自由度的信噪比。

因此,从信息论的角度来看,多维信号波形具备丰富的系统自由度和较高的信息承载力,可在相同的时频维度内,同时同频承载雷达探测和无线通信的信息。

源于多维信号波形的概念,可从精细挖掘传统时频维度内的自由度、拓展利用新维度、联立多个维度等角度出发,研究设计一体化信号。

在精细挖掘传统维度内的自由度方面,正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是近年来备受关注的重点技术之一。OFDM是一种多载波调制技术,已广泛用于4G及5G通信,具备频谱利用率高、抗干扰能力强等诸多优点。OFDM技术在传统时频、编码调制的基础上,进一步获得子载波自由度,在雷达通信一体化研究方面得到了较高的关注。依据现有研究可知,一种切实可行的、基于OFDM技术的一体化信号设计思路是子载波复用。将雷达Chirp信号调制到OFDM奇子载波,通信的高随机信号调制到偶子载波,可在同频段内,同时满足雷达和通信对“不失真”的要求(如图7和图8所示)。与此同时,雷达探测的信道信息可为通信信道估计提供支撑。

在拓展利用新维度方面,基于逐次干扰对消(Successive Interference Cancellation, SIC)的功率维拓展是近年备受关注的重点技术之一。该技术的主要思想是在功率维度获得雷达回波和通信信号的分辨能力,并利用这种分辨能力将雷达回波和通信信号分离开来。其基本框图和处理结果分别如图9和图10所示。在处理方面,主要包括三步。首先,通过匹配滤波聚焦雷达目标的能量,估计信道信息,并将聚焦的目标能量从混叠回波中去除;其次,残余回波用于解译通信的信息;再者,利用解译的通信信息和估计的信道信息重构通信信号,用残余回波减去重构的通信信号,并对处理后的结果再次进行第一步操作。通过反复迭代,直至残余回波到达噪声水平,可实现通信信号和雷达回波的有效分离,获得功率维分辨率。

在联立多个维度方面,主要思想是联立时间、空间、频率、极化、多普勒、编码、涡旋等多个维度,构建多维立体信号空间,并利用丰富的多维自由度,优化设计多维信号波形,使多种功能信号回波在信号空间中处于分离或存在较少交集的状态,且令这些信号在立体信号空间中每个维度上的支撑域相同。例如,为了方便分析,可假设一体化应用场景如图11所示。其中,雷达在探测的同时,接收探测范围内通信节点1和通信节点2的数据。若雷达和两个通信节点共用时间和频率资源,则在雷达接收回波中,会产生时频二维混叠。其中,黄色和红色平面代表通信节点1和节点2的信号,蓝色平面则表示雷达chirp信号回波。此时,可引入空间维度,构建时间-空间-频率三维立体信号空间,将“瘫倒”在时频二维的多功能信号“立”起来(如图12所示)。在立体信号空间内,不同功能信号的回波体现为相互独立的曲面,并且这些信号的回波在时频二维的投影是重合的,因而可以实现多路信号共用频谱和时间等资源。

在接收端,可依据信号在多维空间中的分布情况设计多维“体通”滤波器,用于滤出不同信号的回波,抑制同时、同频、同空域干扰,并保留场景的相位信息。

为了便于理解,本文对图11和图12做出如下理论推导分析。

在考虑时间、频率和波达角三个维度时,假设雷达发射的线性调频信号为g6(t, f),通信节点1和2发射的通信信号q1(t, f)和q2(t, f)到达雷达的时延为τc1和τc2。通信信号和雷达信号具有相同的时间和频率覆盖范围。雷达照射范围内有M个点目标。

若雷达在波达角维度φ内具有自由度,则雷达接收回波为

由于不同点目标具有不同波达角φi,则对雷达回波而言,所有点目标在图12中三维平面里是“立起来”的。由于通信节点1和2的信号也对应了两个不同的波达角φc1和φc2,则这两个信号之间是在波达角层面上是分离的。此时,通信信号平面和雷达回波平面之间仍有交集。但这种交集干扰很小,无法形成多目标之间的积累效应,其影响可忽略不计。

若雷达在波达角维度φ内没有自由度,则雷达接收回波为

由于节点1通信信号、节点2通信信号和雷达信号具有相同的时间和频率覆盖范围,则这三种信号在时频维度内无法分离,在图12中二维平面内处于“瘫倒”状态。

多维信号波形实现正交的手段是“体通”滤波,这与基于互相关的正交定义有着本质的区别。从能量守恒的角度来说,传统时频编码信号散开了多种功能之间的模糊能量,而多维信号波形是滤除了多功能间的模糊能量。因此,多维信号波形能避免模糊能量的积累效应。滤出的多功能信号互不干扰,能分别满足雷达、通信等对信号的“不失真”要求。

需要说明的是,时间-空间-频率三维立体信号空间只是一个示例。由于信号维度涉及到时间、空间、频率、极化、多普勒、编码、涡旋等,则多维信号波形设计可以利用到的维度和自由度非常丰富。在精细挖掘传统维度内的自由度、拓展利用新维度的基础上,通过联立多个维度,能进一步满足未来Massive MIMO雷达、通信等信号在电磁空间的一体化需求。

5 发展趋势与展望

5.1 电磁信号一体化是雷达通信一体化的必然发展趋势

现阶段,雷达和通信已经在控制与显示、处理、通道、孔径方面初步实现了一体化。这能够减小系统平台体积、降低电子设备间的电磁干扰、提高平台的机动能力等。平台的空间资源得到了充分共享利用。但对于频谱资源而言,现有一体化系统的多种功能之间仍然处于生硬的、分割使用状态。电磁频谱资源的竞争局面并没有解决。日益增长的带宽需求、不断重合工作频段和指数增加的设备数量必将进一步加剧频谱资源的竞争和拥挤,导致局部区域的若干通信、雷达功能无法并行工作,如图13所示。因此,为了真正意义上实现雷达、通信等多种功能的一体化协同,需要在控制与显示、处理、通道、孔径一体化的基础上,进一步实现信号的一体化。本文提出的多维信号波形为信号一体化的研究指明了方向。

5.2 微小型一体化系统是雷达通信一体化的必然发展趋势

微小型一体化系统是芯片化的一体化系统,可理解为在传统大型一体化系统的基础上对平台空间资源的进一步压缩,也可以理解为精细挖掘多维信号自由度的必要手段。这主要是因为,多维信号波形是一种在时间、空间、频率、极化、多普勒、编码、涡旋等多个维度内具备丰富自由度的广义波形。信号设计可利用的维度和自由度越多,多维信号波形的性能越高。若在局部区域内广泛布设微小型、低成本的一体化系统,则可大幅提升信号在空间维度的自由度,进而为电磁信号空间的多功能并行一体化协同奠定基础。目前,先进微电子技术正进入后摩尔时代,微系统技术也不断向异构异质巨集成方向发展。因此,基于三维异构异质巨集成的微小型一体化系统是未来一体化系统的重点发展方向。

5.3 雷达通信一体化的未来延伸是为对电磁资源的统一操控

在信号一体化和微小型一体化系统基础上,雷达通信一体化概念的未来延伸是对电磁资源的统一操控。具备多维信号收发与分布式处理能力的微小型一体化系统不能够简单理解为传统意义上的电子信息系统。应回归电磁波承载信息的物理本质,将其抽象为单纯的电磁波收发设备。此时,雷达、通信等功能不再是传统意义上对硬件系统设备的定义,而是以电磁资源统一操控为目标的应用。电磁资源统一操控的媒介是多维信号波形。硬件系统只是信号收发装置。通过泛在的、分布式电磁波收发设备辐射统一调制的多维信号波形,可将在任意时刻、任意地点和任意频率,并行形成任意功能。而当具体到每个发射节点时,发射的信号形式是杂乱无章的类噪声。对于其他时刻、地点和频点,信号形式也是杂乱无章的类噪声。例如,在图14所示的模型中,三个微小型一体化节点在目标点A、目标点B和目标点C处分别形成了两个通信信号和一个雷达chirp信号。虽然每个节点发射的具体信号是杂乱无章的,但可以同时、同频、同空域在想要的地方并行形成多个想要的信号波形。然而,这需要在分布式节点之间实现信号级同步。因此,广域、泛在的分布式节点之间的信号级同步是电磁资源统一操控的核心难点。另外,文中提出了在任意时刻、任意地点和任意频率并行形成任意功能的思想,并给出了初步的仿真和示例。为了真正意义上实现对电磁资源的统一操控,还需要进一步从分布式信号形成与数据处理的角度建立完备的理论框架。

6 结论

长期以来,雷达系统和通信系统被严格区分,彼此之间独立纵向发展。但是二者具有相同的基本原理,都是无线电收发设备,且体现出同质化的发展趋势。鉴于此,国内外专家学者提出了雷达通信一体化概念,并开展了广泛的研究。将雷达系统和通信系统综合起来,进行一体化设计,不仅能够减小雷达和通信设备所占的空间,提高平台机动性能,还可以使雷达系统的一些优良特性为通信所用,提高通信的质量。然而,随着研究的深入,雷达通信一体化的概念发生了转变,逐步从传统大型硬件系统层面上的一体化走向电磁空间的信号一体化和微小型一体化,并衍生了电磁资源统一操控概念。未来的雷达通信一体化不是局限在硬件设备上的一体化,而是在此基础上的电磁信号空间的一体化。

本文围绕雷达通信一体化,分析了初始研究动机、内在本质、潜在优势和研究现状,并从香农定理、能量守恒定律和模糊函数的角度,指明了信号一体化是核心难点。从理论上讲,任何传统时频编码信号都难以解决雷达和通信对“不失真”的矛盾要求。基于此,本文首次提出多维信号波形概念。通过理论分析和举例论证可知,多维信号波形是解决上述矛盾的最具潜力的研究思路。最后,本文从信号一体化和微小型一体化角度,展望了未来雷达通信一体化的发展趋势,指明了一体化的未来延伸是通过泛在的、低成本微小型一体化系统为对多维电磁资源的统一操控,在任意时刻、任意地点和任意频点,并行形成任意功能。

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