劉曉斌，劉　進，趙　鋒，艾小鋒，張文明

(國防科學技術大學 電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

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OFDM雷達及其關鍵技術研究進展

劉曉斌，劉進，趙鋒，艾小鋒，張文明

(國防科學技術大學 電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073)

摘要正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)雷達采用了OFDM信號，具有大時寬帶寬積，且信號編碼方式靈活，通過不同的波形設計準則，能夠自適應調整信號子載頻的系數(shù)，具備了認知雷達系統(tǒng)的基本特點。通過簡要回顧OFDM雷達的發(fā)展歷程，討論了OFDM雷達信號特點、信號處理及波形設計方法等關鍵技術，對目前的研究成果進行了分析與總結，指出了存在的問題。討論了OFDM雷達的未來發(fā)展方向。

關鍵詞OFDM雷達；認知雷達；波形設計；信號處理

0引言

Jankiraman[1,2]等人于1998年將多載頻連續(xù)波信號引入到雷達系統(tǒng)中，設計了由8個調頻連續(xù)波信號組成的發(fā)射信號，并應用于PANDORA(Parallel Array for Numerous Different Operational Research Activities)雷達，獲得了高分辨能力。隨后，N.Levanon等人將多載波OFDM信號應用于雷達系統(tǒng)[3]，詳細討論了OFDM雷達信號的特性及處理方法[4,5]。OFDM信號易于數(shù)字化處理，頻譜利用率較高。與傳統(tǒng)多載頻雷達信號相比，OFDM雷達信號的子載頻相互正交，具備了抗多徑干擾等突出優(yōu)點，因而被廣泛研究。

從現(xiàn)有文獻來看，OFDM雷達信號的研究主要集中于信號處理技術與波形設計等方面。其中多普勒處理、脈沖壓縮、目標檢測與跟蹤等都是OFDM雷達信號處理的主要研究內容。認知雷達系統(tǒng)通過感知復雜多變的環(huán)境，采用波形設計等關鍵技術，自適應的調整雷達收發(fā)系統(tǒng)以適應當前的環(huán)境。OFDM雷達信號由多個子載頻組成，編碼技術多樣，使波形設計更加靈活，因而具備了認知雷達的基本特點。此外，不少國內外大學及研究機構已經建立了OFDM雷達系統(tǒng)，并進行了相關實驗，驗證了OFDM信號在雷達系統(tǒng)中的作用與優(yōu)勢。但是，OFDM信號峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)較大，相應的雷達信號處理技術也有待完善，作為新的雷達體制，這些問題仍需深入研究并予以解決。

本文從OFDM雷達信號的特性出發(fā)，結合當前OFDM雷達信號處理技術、波形設計理論，分析了當前OFDM雷達波形設計理論的本質以及研究進展；探討了OFDM信號與傳統(tǒng)雷達在多普勒處理、脈沖壓縮等信號處理方法上的不同。最后，給出了OFDM雷達系統(tǒng)框架，并討論了OFDM雷達的未來發(fā)展方向。

1OFDM雷達信號特性

設OFDM信號具有L個子載波，帶寬為BHz，脈寬為Ts。子載波權系數(shù)為al，則OFDM單脈沖復包絡信號為：

(1)

式中，φl(t)=ej2πl(wèi)Δft，Δf=B/L=1/T為子載波頻率間隔。

由于OFDM子載頻滿足fk-fi=(k-i)Δf，那么在一個符號周期內，子載波滿足：

(2)

從而保證了OFDM信號子載波間的正交性。

圖1為OFDM信號各子載波頻譜結構，每個子載波頻譜的最大值正好對應其他子載波的零點。各路子載波頻譜重疊，但在一個碼元持續(xù)時間內是正交的，這樣密集的頻譜結構提高了帶寬利用率。此外，每個子載波可以選取不同的調制方式而不影響頻譜結構，使OFDM信號的設計具備了很大的靈活性。

圖1　OFDM信號各子載波頻譜結構

總體而言，OFDM雷達信號具備了以下優(yōu)點：

① 信號產生易于實現(xiàn)。由于OFDM信號具有特殊的信號結構，使用FFT運算模塊可以保證信號的快速產生和解調[6]。

② 抗干擾能力強。OFDM信號各子載波能夠靈活使用不同的編碼方式，具備了低截獲概率特性。多載頻特性又使得OFDM雷達能夠實現(xiàn)頻率分集與捷變，能更好地對抗多徑效應等復雜戰(zhàn)場環(huán)境。

③ 易于進行波形設計。OFDM信號由多個不同頻率的子載頻相互疊加得到，當信號頻率不同時，目標散射中心對應不同的響應，為雷達提供了更多的目標信息。利用這一點進行波形設計，可以實現(xiàn)發(fā)射波形的最優(yōu)化，改善雷達性能。

OFDM信號有2個主要缺點：對信道產生的相位噪聲和頻率偏移非常敏感；信號的PAPR較大，工程實現(xiàn)時將會降低射頻功率放大器的效率，導致信號的非線性失真。針對信號PAPR較大的問題，改進的PTS算法[7]、預畸變技術和相位編碼技術等都能在一定程度上降低PAPR；不少波形設計方法也討論了在PAPR約束條件下OFDM雷達的性能。

2OFDM雷達關鍵技術研究進展及相關問題

2.1OFDM雷達信號波形設計

OFDM雷達子載波和相位編碼設計靈活，從而成為波形設計的主要研究內容。波形設計是通過對當前回波中的環(huán)境參數(shù)進行估計，根據不同的波形設計準則，自適應調整下次發(fā)射信號的參數(shù)，使波形達到最優(yōu)而提高雷達性能。波形設計主要包括2個過程：準則函數(shù)的選取和最優(yōu)波形的求解[8]。不同環(huán)境下，衡量OFDM雷達性能的標準不同，選擇的波形設計準則也有差異。

2.1.1基于模糊函數(shù)的OFDM雷達信號波形設計

模糊函數(shù)(Ambiguity Function,AF)是波形設計與分析的工具，常被用來分析信號的分辨率、副瓣性能等特性。OFDM信號作為新的雷達信號樣式，不少文獻都研究了其模糊圖的特性及優(yōu)化方法。

多載頻互補相位編碼技術[3,5]的提出，使OFDM雷達信號模糊函數(shù)具有較窄的主瓣和更低的旁瓣，從而更加接近圖釘形狀。為進一步改進OFDM信號模糊圖形狀，不少學者從不同角度，根據不同準則設計了OFDM信號波形。目前基于OFDM模糊函數(shù)的波形設計方法主要有2種，分別通過調整OFDM信號編碼和OFDM信號子載波系數(shù)完成波形設計。

在OFDM信號編碼波形設計方面，采用迭代算法選擇合適的OFDM信號編碼，然后合成模糊函數(shù)，對OFDM信號整個多普勒延時平面進行優(yōu)化設計，可以降低OFDM信號模糊函數(shù)的旁瓣，M.A.Sebt還發(fā)現(xiàn)OFDM信號的PAPR下降，將會以犧牲模糊函數(shù)的低旁瓣性能為代價[9]。然而，在對整個多普勒延時平面進行優(yōu)化時，往往導致計算量過大，影響了信號處理的實時性。

OFDM信號子載波系數(shù)決定了不同子載波的信號能量，由于目標散射中心對不同頻率信號的回波響應不同，通過調整子載波的系數(shù)，可以加強某個子載波的強度，以達到回波能量的均衡，這是目前OFDM信號波形設計的另一個重要方面。OFDM信號帶寬大，若目標速度較大，模糊函數(shù)不滿足窄帶近似條件[10]，為此，Sen提出了OFDM信號寬帶模糊函數(shù)模型，討論了其基本特性。OFDM寬帶模糊圖如圖2所示，其形狀與圖釘形狀的模糊圖非常接近。Sen還通過考慮目標散射系數(shù)對模糊函數(shù)的影響，對OFDM信號進行波形設計，降低了信號模糊圖的旁瓣[11]。

2.1.2實際環(huán)境的OFDM雷達信號波形設計

實際環(huán)境下，OFDM雷達信號波形設計主要涉及以下2種：雜波環(huán)境下的OFDM信號波形設計和多徑環(huán)境下的OFDM信號波形設計。

(1) 雜波環(huán)境下的OFDM信號波形設計

雜波背景下的目標檢測問題一直是雷達低空目標探測的研究熱點與難點，在分析雷達低空動目標檢測問題時，需要充分考慮雜波分布特性、目標起伏類型等因素。針對OFDM雷達，在高斯雜波背景下，不同子載波條件下的OFDM雷達檢測性能不同，子載波個數(shù)增加，檢測性能將會提高[12]。在非高斯分布雜波和起伏目標背景下，OFDM雷達目標檢測能力也得到了驗證[13]。這些研究表明，OFDM信號具備雜波背景下的目標探測能力，而子載波的增加，提高了信號的頻率多樣性，改善了雷達的性能。

以波形設計為主要方法，提高OFDM雷達探測性能的關鍵在于選取合適的波形設計最優(yōu)化準則。Sen提出了基于最大廣義似然比(GLR)的波形設計方法，自適應調整OFDM發(fā)射子載波的系數(shù)，提高了雷達的檢測性能。

機載雷達面臨雜波與干擾環(huán)境下的慢速動目標檢測問題時，常采用STAP(Space Time Adaptive Processing)技術，消除雜波與干擾的影響。將STAP與OFDM雷達結合，充分利用信號的多載頻特性與目標散射特性，并以最大信干噪比(SINR)準則進行波形設計，有效提高了機載雷達動目標檢測性能，豐富了OFDM雷達雜波環(huán)境下的目標檢測理論[14]。由于OFDM信號受PAPR的限制，Sen研究了PAPR約束下，OFDM雷達STAP的多目標最優(yōu)化問題，發(fā)現(xiàn)PAPR約束越小，STAP性能越好[15]。

然而，STAP的主要缺點在于計算復雜度過高，OFDM雷達采用多載頻體制，勢必會增加STAP的復雜性。采用稀疏重構、知識輔助等方法將會為OFDM-STAP處理提供新的思路。

(2) 多徑環(huán)境下的OFDM信號波形設計

OFDM信號最初被用來消除數(shù)字通信信道中多徑衰落帶來的碼間串擾，在單載波通信中，信道只用來傳輸一個碼元，信道的非理想頻響特性帶來多徑衰落，并導致碼間串擾。OFDM把信道帶寬劃分為若干子信道，使每一條子信道近乎理想，不但可以有效利用帶寬，還能抑制多徑效應。在雷達領域，同樣可以利用OFDM信號的多載頻特性，消除低空目標探測面臨的多徑效應。

在多徑環(huán)境下的目標跟蹤問題中，以最小后驗克拉美羅界(CRB)[16]和互信息[17]為波形設計準則，對OFDM信號進行波形設計，能有效降低距離、速度跟蹤誤差。此外，Sen還分析了OFDM雷達在多徑環(huán)境下的動目標檢測性能，采用GLR檢測目標，并通過波形設計方法獲得下個CPI中的OFDM波形參數(shù)，提高了雷達檢測性能[18]。

2.2OFDM雷達信號處理

在雷達系統(tǒng)中，多普勒處理是獲取目標速度等信息的重要手段，脈沖壓縮則是寬帶雷達信號處理中的常用技術。針對OFDM信號，傳統(tǒng)的多普勒處理與脈沖壓縮方法不再適用。因此，OFDM雷達信號處理的研究，主要集中于以上2個方面。此外，將OFDM信號與不同雷達體制、應用背景以及其他關鍵技術結合，提高雷達性能，也是一個重要研究方向。

2.2.1OFDM信號常規(guī)處理

多普勒處理是指雷達對接收到的來自某一固定距離單元或一段時間的信號，進行濾波或譜分析處理。OFDM信號結構特殊，信號子載頻的設計也不盡相同，在進行多普勒處理時，要根據不同的情況，選取相應的方法進行處理。由于OFDM信號具有多普勒敏感性，通過分別對回波信號進行距離及多普勒處理，可以徹底消除多普勒模糊[19]。頻率捷變OFDM信號被提出，并被應用于高距離分辨處理，且該信號應用于雷達多普勒處理同樣可行[20]。由此看出，OFDM信號不僅具備基本的多普勒敏感性，還可以通過靈活設計，使信號同時具備其他優(yōu)勢。

單載波雷達信號，通過匹配濾波進行脈沖壓縮，可獲得高距離分辨率。但是，在脈沖壓縮處理中，通過對比單載波調制與OFDM雷達脈沖壓縮輸出積分的旁瓣比，OFDM雷達在測量高速目標時具有更優(yōu)的脈沖壓縮性能和檢測概率[21]。OFDM信號的子載波可以采用不同的相位編碼方式，這為OFDM信號脈沖壓縮提供了新的思路。根據OFDM多載頻相位編碼信號特性，基于FFT的脈沖壓縮方法被提出，并使雷達獲得高距離分辨率[22]。

總體而言，OFDM雷達信號構成方式不同，多普勒與脈沖壓縮處理方式也不全然相同。這也正是OFDM信號靈活方便的優(yōu)點。在雷達系統(tǒng)應用中，可以根據不同的環(huán)境設計相應的子載頻及編碼樣式，并在接收端采用相應的方法進行處理。

2.2.2OFDM信號多技術融合處理

在傳統(tǒng)OFDM信號處理基礎上，許多學者將OFDM雷達與多輸入多輸出(MIMO)[22,23]、微動目標特征提取[24,25]、目標極化特性[26]以及合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)[27,28]等技術結合起來，豐富和擴展了OFDM雷達信號的應用范圍。

多徑效應是雷達低空目標探測面臨的一大難題，根據雷達低空探測面臨的多徑效應機理，將OFDM與MIMO的頻率分集和空間分集優(yōu)勢結合起來，OFDM-MIMO雷達在抑制多徑效應方面優(yōu)勢更加明顯。另一方面，建立OFDM雷達點散射目標及微動目標的回波信號模型，提出OFDM雷達微動目標特征提取技術，為雷達探測微動目標提供了技術基礎。

文獻[26]將OFDM信號進行改進，提出交織OFDM(Interleaved-OFDM)信號，使OFDM信號在雷達同時極化測量領域得到了良好的應用。在SAR領域，多載波OFDM-SAR信號處理方法、MIMO-OFDM SAR系統(tǒng)等的提出，豐富了OFDM信號在自適應SAR成像和高分辨率成像技術中的應用。

2.3OFDM雷達系統(tǒng)設計

最早應用于PANDORA系統(tǒng)的多載頻信號是OFDM雷達信號的雛形，此后，采用了OFDM信號的雷達系統(tǒng)開始出現(xiàn)。典型的OFDM雷達系統(tǒng)發(fā)射機與接收機框圖如圖3所示。在系統(tǒng)框圖中，OFDM信號均由FFT模塊產生。

OFDM信號以其高傳輸速率和高帶寬利用率，被作為重要的通信信號調制方式。在雷達中，利用其大時寬帶寬積特性進行脈沖壓縮等處理，可以獲得目標的距離和多普勒信息。因此，OFDM信號具備了雷達網間通信與雷達目標探測的雙重優(yōu)勢。在雷達網通信方面[29]和雷達通信一體化系統(tǒng)方面[30]，OFDM信號都被作為主要的研究內容。Stralka等人通過研究OFDM 雷達系統(tǒng)在應用中的幾個關鍵問題，如天線陣列、收發(fā)裝置和多徑衰落，為構建完整的OFDM雷達系統(tǒng)提供了重要依據[31]。這些系統(tǒng)的研究和建立都反映了OFDM信號的巨大研究與應用價值，也說明了OFDM信號作為未來構建雷達通信與探測一體化系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢。

3結束語

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達面臨復雜的地理和電磁環(huán)境，傳統(tǒng)雷達在適應復雜戰(zhàn)場環(huán)境等方面面臨較大挑戰(zhàn)。認知雷達概念被提出后，由于OFDM信號具有抗干擾性強、易于數(shù)字化和波形設計方法靈活等優(yōu)點，使得OFDM雷達具備了成為下一代多功能認知雷達的潛力。

當前，認知雷達信號處理技術及相關理論有待完善，這是OFDM雷達系統(tǒng)向認知雷達系統(tǒng)邁進的一大難點。其中，主要的難點在于OFDM信號波形設計相關理論還不完善，例如波形設計準則的選取較為單一；最優(yōu)波形求解方法的復雜性較大；對環(huán)境的認知能力有待提升等。如何有效解決以上問題，對構建以OFDM信號為主要信號樣式的認知雷達系統(tǒng)，有重要影響。

OFDM信號是通信領域的重要信號樣式，構建網絡化雷達系統(tǒng)是未來雷達系統(tǒng)一個發(fā)展方向。如何有效利用OFDM信號的特性，實現(xiàn)互相通信與目標探測之間互不影響，從而構建網絡化雷達系統(tǒng)，都是需要考慮和解決的問題。

此外，OFDM信號本身還存在不少缺點，如信號編碼樣式有一定的局限性；信號的PAPR較大，工程實現(xiàn)時易導致信號的非線性失真；傳統(tǒng)的信號結構比較固定，抗干擾能力受到限制等等。為解決這類問題，仍需要更多的信號處理技術和理論研究。

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劉曉斌男，(1990—)，博士研究生，信息與通信工程專業(yè)。主要研究方向：電子信息系統(tǒng)仿真評估技術，雷達、通信信號處理。

引用格式：劉曉斌,劉進,趙鋒,等.OFDM雷達及其關鍵技術研究進展[J].無線電工程,2016,46(1):25-29.

Research Advance on OFDM Radar and Its Key Technology

LIU Xiao-bin,LIU Jin,ZHAO Feng,AI Xiao-feng,ZHANG Wen-ming

(StateKeyLaboratoryofComplexElectromagneticEnvironmentEffectsonElectronicsandInformationSystem,

NationalUniversityofDefenseTechnology,ChangshaHu’nan410073,China)

AbstractThe Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)radar possesses broadband and wideband with the use of OFDM signal.By better utilizing the flexibility of coding and frequency diversities of the signal,the OFDM radar can be candidate cognitive radar in the future.This paper reviews the development of OFDM radar.Then the key technologies of signal processing and waveform design are discussed.The research advances are analyzed and summarized.At last,the prospects of OFDM radar are pointed out.

Key wordsOFDM radar;cognitive radar;waveform design;signal processin

作者簡介

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61101180；61401491)。

收稿日期：2015-09-14

中圖分類號TN958

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0025-05

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.06