OFDM新体制雷达研究现状与发展趋势学术报告

本报告基于霍凯与赵晶晶发表于《电子与信息学报》（*Journal of Electronics & Information Technology*）2015年第37卷第11期的论文《OFDM新体制雷达研究现状与发展趋势》。该文由国防科学技术大学电子科学与工程学院的研究人员撰写，是一篇系统性的综述文章。

论文主题与核心内容 本文聚焦于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）雷达这一新型雷达体制。该体制借鉴了通信领域中成熟的OFDM技术，将其应用于雷达系统，形成了一种兼具多种独特优势的新概念雷达。文章旨在全面梳理OFDM雷达的基本概念、核心特点、国内外研究现状（截至2015年），并展望其未来发展趋势与应用前景。

主要观点详述

1. OFDM雷达的基本概念与核心特点 作者首先阐述了OFDM雷达的基本工作原理：它采用多载频发射信号体制，同时发射多个相互正交的子载频，每个子载频上可加载不同调制（如线性调频或相位编码），从而获得大时宽带宽积，实现高分辨率。文中特别指出，子载频间需满足特定的正交条件（频率间隔Δf与脉冲宽度T_p满足Δf = 1/T_p），这是OFDM信号设计的数学基础。

文章系统总结了OFDM雷达相较于传统雷达体制的四大特点： * 波形设计灵活：OFDM雷达信号参数（如子载频加权系数、子载频上调制编码）众多且易于动态调整，便于实现频谱能量管理、频率捷变对抗干扰、低截获概率（LPI）设计。然而，这种灵活性也带来了包络峰均比（PMEPR）过高的固有问题，对发射机功放线性度要求苛刻。 * 兼具距离与多普勒高分辨能力：OFDM信号具有接近“图钉状”的模糊函数，这意味着它能同时实现高距离分辨率和高多普勒分辨率，且不存在线性调频（LFM）信号固有的距离-多普勒耦合现象。这使得单一OFDM信号体制可同时用于成像、测速等多种功能。但反过来，这也使其成为“多普勒敏感”信号，多普勒频偏会破坏子载频正交性，导致性能下降，需进行频偏估计与补偿。 * 便于实现雷达通信一体化：相位编码OFDM（PC-OFDM）信号在雷达与通信系统中的发射机制完全相同。这意味着可以设计一种共享信号，使雷达与通信系统共用发射硬件设备，为构建一体化平台奠定了信号基础。 * 天然具备频率分集与正交性：多载频结构本身提供了频率分集能力，而子载频间的正交性有利于实现多基地雷达组网，并与多输入多输出（MIMO）技术相结合，形成更具潜力的新体制雷达。

作者认为OFDM雷达是一个“全能型选手”，虽然在单一功能（如单纯成像或抗干扰）上可能并非最优，但其综合性能全面，在多功能、波形捷变、抗干扰、一体化及组网等方面展现出巨大潜力。

2. OFDM雷达的研究现状（截至2015年） 文章从三个主要研究方向详细梳理了国内外研究进展：

• 信号特性与波形设计：该方向的研究核心在于优化OFDM雷达信号的关键性能指标。目标一是降低过高的PMEPR。主要方法包括：a) 采用多载频互补相位编码（MCPC） 信号（由以色列Levanon教授系统提出），可将PMEPR控制在2左右；b) 采用选择性映射（SLM）、部分传输序列（PTS）等概率类方法，通过相位扰动寻找低PMEPR的等效信号；c) 结合频率编码（FC）等其他调制方式生成恒包络信号。目标二是优化模糊函数与自相关/互相关性能。研究者们通过最小二乘法、迭代算法等优化编码相位，旨在压低模糊函数旁瓣，获得更理想的“图钉状”响应。目标三是面向特定应用的自适应波形设计。例如，在认知雷达框架下，通过建立多目标优化问题（同时考虑检测性能、估计精度、稀疏恢复性能等），并施加PMEPR约束，来自适应设计子载频加权等参数。此外，将OFDM与正交小波复用（OWDM）结合，也被证明能提供更灵活的波形设计空间。

• OFDM雷达信号处理：该方向研究如何对OFDM雷达回波进行处理，以实现目标检测、测速、成像等功能。在脉冲压缩与多普勒处理方面，研究者提出了基于快速傅里叶变换（FFT）的高效脉冲压缩方法以降低计算量，并针对高速目标导致的距离徙动和宽带效应，研究了相应的多普勒估计算法与运动补偿技术。在目标检测方面，研究涵盖了高斯与非高斯杂波背景下的检测器设计、基于压缩感知和自适应滤波（如LMMSE）的弱目标检测方法等。在雷达成像方面，OFDM信号被应用于合成孔径雷达（SAR）和逆合成孔径雷达（ISAR）。一个研究重点是利用通信中的循环前缀（CP）技术来消除距离向旁瓣，实现无副瓣距离向处理。另一个重点是与MIMO技术结合。OFDM信号通过频率分集实现发射波形间的完全正交，从根源上解决了传统MIMO雷达中同频正交编码波形难以设计、互耦干扰大的问题，为MIMO-SAR、MIMO-OFDM雷达提供了新的发展思路。在被动雷达应用方面，利用广播（如DVB-T）、通信（如WiMAX）系统中的OFDM信号作为照射源，研究其目标检测与跟踪性能也是一个活跃方向。

• OFDM新体制雷达系统：该部分介绍了从理论走向实践的试验系统研制情况。文中列举了多个国际上的研究实例：美国迈阿密大学研制的超宽带OFDM-SAR试验系统，探讨了其用于无人机侦察网络的潜力；德国研究的24 GHz OFDM雷达通信一体化系统；法国ONERA实验室研制的“Hycam”超宽带数字雷达，采用OFDM编码信号，带宽达8 GHz，用于高动态目标雷达截面积（RCS）测量；荷兰研制的多载频SFCW雷达用于探雷等。国内方面，作者提到西安电子科技大学与中国电科38所早年联合研制的米波稀布阵综合脉冲孔径雷达（SIAR），其发射正交多载频信号，实质上是一种OFDM-MIMO雷达的早期实践。作者指出，国内在OFDM雷达试验系统研制方面尚处于起步阶段，而系统实现面临大动态线性功放、宽带信号采集与处理、系统频率稳定度等技术挑战。

3. OFDM雷达的发展趋势与应用前景 基于研究现状的分析，作者从四个层面展望了未来研究方向： * 波形设计：需一体化解决PMEPR降低、旁瓣抑制、编码设计等问题，建立系统化的设计理论。结合MIMO体制，让不同天线发射不同（单）载频信号，是绕过PMEPR难题的另一思路。 * 信号处理：需深入研究适用于宽带OFDM信号的高效脉冲压缩、多普勒解模糊、运动补偿、旁瓣抑制等算法。同时，拓展其在MIMO雷达成像、稀疏成像、组网成像、被动雷达检测等前沿领域的应用。 * 试验系统：强调搭建半实物模拟器或功能完整的试验系统是推动技术走向应用的关键，需要攻克硬件实现和算法工程化的难题。 * 新体制雷达技术：重点看好OFDM-MIMO雷达（需解决同步等关键问题）、分布式组网OFDM雷达（实现空-时-频-码多维分集）、基于OFDM的感知雷达（结合认知与自适应波形设计）以及OFDM被动雷达（利用4G/5G等广泛存在的OFDM信号）等新概念的发展。

在应用前景上，作者认为OFDM雷达技术将在以下领域大有可为： * 抗干扰：凭借波形灵活、易于捷变的特性，特别是相位编码OFDM（PC-OFDM）的低截获特性，可有效对抗基于数字射频存储器（DRFM）的欺骗式干扰。 * 多功能：一种信号体制同时实现高分辨成像、精确测速、目标检测与跟踪，可替代传统雷达宽窄交替的低效工作模式。 * 智能化：灵活的波形参数为认知雷达、自适应雷达提供了理想的信号载体，便于实现环境感知与波形实时优化。 * 网络化：OFDM信号天然的通信兼容性，使其非常适合于构建雷达-通信一体化网络，例如在无人机编队、临近空间平台组网等场景中，实现探测与数据链传输的融合。

论文的意义与价值 本文发表于2015年，正值OFDM雷达研究在国际上方兴未艾、在国内逐渐引起关注之际。其重要价值在于： 1. 系统性梳理：首次在国内权威期刊上对OFDM这一新体制雷达进行了全面、系统的综述，涵盖了从基本原理、信号特性到处理方法和系统应用的完整链条。 2. 知识整合与传播：为国内雷达领域的研究人员提供了清晰的学术地图，汇总了大量关键文献（文末列出52篇参考文献），指明了技术难点与研究热点，起到了重要的知识普及与引领作用。 3. 前瞻性展望：基于对技术特点的深刻理解，准确预见了OFDM雷达在抗干扰、多功能、智能化、网络化及一体化方面的应用潜力，这些方向至今仍是雷达技术发展的前沿。 4. 推动国内研究：文中明确指出了国内在试验系统研制方面的不足，并呼吁加强从理论到实践的转化，对推动中国在OFDM新体制雷达领域的自主研发与创新具有积极的指导意义。

总而言之，这篇论文是一篇信息量大、结构清晰、论述深入的优秀综述，它不仅总结了OFDM雷达截至2015年的研究成果，更为后续该领域的研究与发展规划了清晰的路线图，在学术界和工程界均具有重要的参考价值。