頻控陣雷達：概念、原理與應(yīng)用

王文欽 邵懷宗 陳 慧

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頻控陣雷達：概念、原理與應(yīng)用

王文欽*邵懷宗 陳 慧

(電子科技大學通信與信息工程學院 成都 611731)

頻控陣雷達是近年來提出的一種新體制陣列雷達技術(shù)，它能夠形成具有距離依賴性的發(fā)射波束，克服了傳統(tǒng)相控陣雷達不能有效控制發(fā)射波束的距離指向問題，并具有很多獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。該文系統(tǒng)地介紹頻控陣雷達的概念、原理和應(yīng)用特點，全面梳理國內(nèi)外關(guān)于頻控陣雷達技術(shù)的研究文獻，系統(tǒng)性地總結(jié)歸納頻控陣概念、基本原理及其雷達應(yīng)用特點等幾個方面的研究現(xiàn)狀，并分析頻控陣雷達未來的應(yīng)用前景和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

頻控陣；頻控陣雷達；陣列設(shè)計；相控陣；新體制雷達

1 引言

相控陣雷達的優(yōu)勢之一在于可自由地實現(xiàn)波束的空間掃描，因而廣泛地應(yīng)用于雷達目標檢測與成像應(yīng)用。通常相控陣雷達每個陣元發(fā)射的是同一信號，通過在每個陣元的輸出端接入移相器進行波束方向控制，調(diào)整移相器的相移量便可實現(xiàn)波束的空域掃描。此外，還可以通過改變雷達系統(tǒng)的工作頻率來實現(xiàn)波束掃描，即頻率掃描天線。然而，相控陣和頻率掃描天線都存在一個缺點[1]：在每一掃描快拍內(nèi)，波束指向在距離向是恒定的，也就是說波束指向與距離是無關(guān)的。但是在某些應(yīng)用中，例如距離相關(guān)性干擾或雜波抑制應(yīng)用，常常又期望陣列波束在同一快拍內(nèi)能夠以相同的角度指向不同的距離，這就需要波束的指向能夠隨距離的變化而變化。

2006年，文獻[2]首次提出FDA(Frequency Diverse Array)雷達概念，并申請了美國專利[3]。FDA直譯應(yīng)為頻率復(fù)用陣列，但筆者認為這種新體制雷達從其工作原理上講譯作頻控陣更為妥當。這是因為頻控陣和相控陣雷達一樣發(fā)射相參信號，只是經(jīng)過附加很小的頻偏(頻偏遠遠小于其載頻)控制后輻射出去的信號頻率中心有所偏移，但其主要頻率成分是重疊的，這與OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[4]和MIMO(Multiple-Input Mltiple-Output)所要求的頻率正交性要求是不同的。表1比較頻控陣技術(shù)與幾種典型的陣列技術(shù)的特點。可見，頻控陣和相控陣具有相似的物理特性，可以將頻控陣看作是相控陣的一種擴展，而相控陣是頻控陣的一種特例，所以本文稱這種新體制雷達為頻控陣雷達[5]。

由于這種陣列天線具有距離依賴性方向圖，該概念一經(jīng)提出便在美國國防研究機構(gòu)中引起廣泛關(guān)注[6,7]。近年來，國際期刊和會議上也涌現(xiàn)出了不少頻控陣雷達方面的相關(guān)研究論文，從不同角度和應(yīng)用背景研究了相關(guān)的理論與方法，推動著頻控陣雷達技術(shù)向前發(fā)展[8]。本文系統(tǒng)地介紹頻控陣雷達的原

表1 頻控陣與幾種典型的陣列的技術(shù)特點比較

理、特點和應(yīng)用潛力，全面梳理國內(nèi)外關(guān)于頻控陣雷達技術(shù)的研究文獻，系統(tǒng)性地總結(jié)頻控陣雷達的基本原理、實現(xiàn)方式和應(yīng)用研究等方面的研究現(xiàn)狀，并分析其未來的應(yīng)用前景和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2節(jié)介紹頻控陣雷達的基本原理和基本特點；第3節(jié)討論頻控陣雷達的研究現(xiàn)狀；第4節(jié)和第5節(jié)分別討論頻控陣雷達的應(yīng)用前景、發(fā)展趨勢和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題；第6節(jié)總結(jié)全文。

2 頻控陣雷達的基本原理

2.1 頻控陣雷達的基本概念

如圖1所示，頻控陣雷達在相鄰陣元上對發(fā)射信號附加一個遠小于雷達工作載頻的頻率增量，即第1個陣元的輻射頻率為，而第個陣元的輻射信號頻率為

圖1 頻控陣雷達的發(fā)射陣列示意圖

由式(2)可見，頻控陣雷達具有以下特點[6,7,10]：(1)頻控陣雷達與頻率掃描雷達是不同的：頻率掃描雷達的頻偏是在不同時間施加的，所有陣元在相同時刻的頻偏是相同的；而頻控陣雷達是在同一時間對不同陣元施加不同的頻偏。(2)頻控陣雷達的頻偏是另外附加的，而不是陣列本身發(fā)射正交多頻信號：頻控陣發(fā)射信號是與相控陣一樣的相參信號，只是經(jīng)過附加的頻偏控制后輻射出去的信號頻率不同。因此，頻控陣仍然屬于相控陣范疇，這點與發(fā)射不同載頻信號的OFDM雷達是不同的。(3)如圖2所示，頻控陣的陣列指向?qū)⑹芩虞d的頻偏影響。(4)當頻偏固定時，波束指向隨頻偏變化而變化，即波束指向具有距離相關(guān)性；當距離固定時，波束指向隨頻偏變化而變化，即波束指向具有頻偏相關(guān)性；當頻偏時，頻控陣雷達退化為相控陣雷達。

2.2 頻控陣雷達的主要特點

頻控陣的另一個主要特點是陣列因子具有周期性。由式(2)可知，其陣列方向圖的峰值將出現(xiàn)在

式(3)表明，當一個參數(shù)固定時，非固定參數(shù)可有多組解；當其中兩個參數(shù)固定時，第3個參數(shù)將有唯一解。例如，考慮，我們可得

2.3 頻控陣雷達的幾種實現(xiàn)方式

為了避免發(fā)生目標響應(yīng)的頻率去相關(guān)效應(yīng)，其頻偏應(yīng)該滿足[11]：

圖2 頻控陣雷達的發(fā)射陣列示意圖 圖3 頻控陣與相控陣的陣列方向圖比較

目前有好幾種關(guān)于頻控陣雷達的頻偏設(shè)置實現(xiàn)方式，但不同的實現(xiàn)方式具有不同的系統(tǒng)性能特點[12]。2008年，WICKS和ANTONIK[3]申請了一種基于混頻器步進頻的頻控陣實現(xiàn)方法的技術(shù)發(fā)明專利，首先產(chǎn)生一個預(yù)設(shè)的頻率信號，該信號再分別與階躍頻率為的步進頻信號進行混頻，從而實現(xiàn)頻控陣的頻率配置。這種實現(xiàn)方案的最大缺點是混頻器的鏡像頻率和射頻與本振頻率的交調(diào)影響將導(dǎo)致陣列信號的頻譜純度較差，容易導(dǎo)致后續(xù)的信號處理出現(xiàn)目標模糊問題[13]。該專利還提出了另一種采用獨立本振源的實現(xiàn)方案，即每個陣元采用獨立的信號源。可以采用直接數(shù)字頻率合成器或可編程鎖相環(huán)來產(chǎn)生所需的各陣元波形，但需要考慮時鐘抖動和相位噪聲的影響問題。文獻[17]提出了另一種基于功分器的頻控陣實現(xiàn)方法。這種方案也有因混頻器引起的交調(diào)和鏡像頻率影響問題，但它避免了本振源的時鐘抖動和相位噪聲問題。由于頻控陣輻射方向圖具有時變性，文獻[18]提出一種基于時間延遲線的頻控陣設(shè)計方法，具有良好信號頻譜純度，但其對模擬信號的高精度延遲控制難度較大。

3 頻控陣雷達的研究現(xiàn)狀

在2006年的IEEE雷達學術(shù)年會上，ANTONIK等人[2]首次提出頻控陣雷達概念，即一種波束指向與距離有關(guān)的雷達系統(tǒng)；并進而提出一種多自由度(包括空間、時間、頻率、調(diào)制方式和波形)的多模式雷達[19]。隨著頻控陣雷達的深入研究，涌現(xiàn)出大量研究文獻，并完成了數(shù)篇博士/碩士學位論文。當前的研究現(xiàn)狀可歸納為以下幾個方面：

3.1 頻控陣的陣列特性分析

文獻[23-25]分析了頻控陣發(fā)射波束的距離依賴特性及其在距離模糊雜波抑制中的應(yīng)用，并有兩份美國專利[26,27]討論了頻控陣在增加雷達系統(tǒng)自由度方面的應(yīng)用潛力。文獻[17]分析了頻控陣輻射方向圖的時間和相位周期特性，文獻[28]分析了頻控陣天線的周期性波束掃描特性，并設(shè)計了一種廉價的頻控陣天線[25]。文獻[29]指出頻控陣發(fā)射波束會出現(xiàn)距離和方位角響應(yīng)的耦合問題，進而提出基于迭代最小均方的空間-距離自適應(yīng)處理算法和時間-距離自適應(yīng)處理算法[21]，用于解決頻控陣波束形成中的距離-相位耦合波束問題。在此基礎(chǔ)上，文獻[30,31]研究了基于空間-時間-距離聯(lián)合處理的距離模糊抑制問題。文獻[32]對頻控陣雷達的多徑特性作了電磁學仿真分析，指出頻控陣雷達能夠比相控陣雷達分辨更多目標。此外，文獻[33,34]也對頻控陣波束的距離依賴特性作了廣泛的仿真分析。

陣列流形模糊特性也是一個評估其目標檢測與估計性能的重要技術(shù)指標。陣列流形是陣元物理位置和陣列特性的函數(shù)，因此陣列結(jié)構(gòu)對陣列流形起決定性作用。文獻[38]研究了全向天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)與目標信號DOA(Direction-Of-Arrival)估計之間的關(guān)系。陣列流形的幾何特性也廣泛應(yīng)用于波束旁瓣比受限的陣列設(shè)計[39]和極化陣列設(shè)計[40]。文獻[41,42]通過分析陣列流形幾何參數(shù)，給出了陣列存在測向模糊的充分條件。這種“流形模糊”存在的主要原因是陣列流形存在線性相關(guān)的模糊集。基于此，文獻[43,44]推導(dǎo)了頻控陣陣列流形的幾何特性，利用微分幾何方法分析了頻控陣的檢測和分辨能力，并采用基于均勻劃分陣列流形曲線的方式計算出頻控陣的模糊集。相對于相控陣，頻控陣具有更小的一階曲率，更高的檢測和分辨能力，以及更少的模糊生成集，即能夠無模糊地分辨更多的目標。需要說明的是，雖然利用均勻劃分陣列流形曲線的方法可以獲得模糊生成集，但是不能保證其包括所有的模糊生成集。此外，文獻[45]還分析頻控陣的雷達模糊函數(shù)特性。

3.2 頻控陣陣列優(yōu)化設(shè)計

頻控陣雷達發(fā)射波束具有角度和距離依賴性，這為目標參數(shù)聯(lián)合估計與定位應(yīng)用創(chuàng)造了條件，但需要回答一個基本的問題：頻控陣雷達能達到怎樣的參數(shù)估計性能？雖然CRLB(Cramer-Rao Lower Bound)廣泛用于分析各種陣列的參數(shù)估計性能，但現(xiàn)有文獻主要針對相控陣雷達和MIMO雷達：文獻[46]推導(dǎo)了相控陣的距離(時間延遲)、速度(多普勒頻移)和方位角估計的CRLB；文獻[47]推導(dǎo)了針對共置天線和分置天線兩種MIMO雷達進行目標參數(shù)聯(lián)合估計的CRLB；文獻[48]分析了非相干MIMO雷達對運動目標的估計能力。為此，文獻[49]分別考慮匹配濾波前后的兩種信號模型，推導(dǎo)出頻控陣雷達估計目標方位角、距離和多普勒頻移的CRLB表達式，其理論分析和仿真結(jié)果均表明頻控陣在方位角和距離向是存在耦合的。

為了解決這個問題，文獻[50,51]研究了基于時變或?qū)?shù)頻偏的頻控陣距離和方位角去耦方法，但這種方法會惡化陣列的目標檢測與分辨性能。文獻[52]提出一種子陣列結(jié)構(gòu)，可解決頻控陣發(fā)射波束在距離向和方位角向之間存在的耦合問題，但陣元位置和頻率增量的改變會直接影響目標參數(shù)的估計性能[53,54]，非常有必要對陣列進行優(yōu)化設(shè)計。陣列優(yōu)化主要包括陣列結(jié)構(gòu)和加權(quán)向量設(shè)計兩個方面。線性陣列的優(yōu)化多以降低旁瓣電平為目的，其中加權(quán)是最常用的方法；而非均勻線陣往往是通過陣元位置優(yōu)化來提高陣列孔徑性能，如最小冗余陣。雖然優(yōu)化布陣問題一直是陣列信號處理研究中的熱點問題，但頻控陣的優(yōu)化設(shè)計還沒有得到有效解決。

頻控陣陣列的優(yōu)化設(shè)計需要回答如下問題：(1)對于相同孔徑的陣列，什么陣列結(jié)構(gòu)擁有最佳的角度估計精度；(2)針對同一陣列結(jié)構(gòu)，如何劃分子陣列，才能獲得最佳的目標參數(shù)估計精度；(3)陣列優(yōu)化準則的選取和優(yōu)化目標函數(shù)的最優(yōu)求解。為此，文獻[61]推導(dǎo)了任意個子孔徑-頻控陣雷達進行目標方位角和距離估計的CRLB表達式，并以最小化CRLB為準則，提出一種陣元頻率增量優(yōu)化配置的設(shè)計方法，并提出基于罰函數(shù)和NELDER-MEAD算法[62]的優(yōu)化問題求解方法，其仿真結(jié)果表明：對于相同孔徑的均勻線陣、中心對稱的線陣和最小冗余陣，均勻線陣具有最好的測向性能。但是，該文獻在優(yōu)化多個子陣(>3)時，只考慮了方位角估計CRLB的優(yōu)化，沒有同時考慮距離估計CRLB的優(yōu)化，所以在多代價函數(shù)的優(yōu)化方面還需要作進一步研究，可以考慮使用近年來廣泛應(yīng)用的凸優(yōu)化技術(shù)。文獻[63]提出一種基于球函數(shù)[64]的發(fā)射波束形成方法，以期將發(fā)射信號能量集中指向我們所期望的距離或方位角觀測區(qū)域，但沒有考慮頻控陣波束的時變特性，所以文獻[65,66]在此基礎(chǔ)上作了進一步研究。

此外，文獻[67]設(shè)計了一種針對頻控陣雷達的接收機體系結(jié)構(gòu)；文獻[18]設(shè)計了一種適用于線性調(diào)頻連續(xù)波的頻控陣天線。文獻[68]提出一種針對頻控陣的接收波束形成方法，并應(yīng)用于解決空時信號處理中的距離模糊問題；文獻[69]提出一種針對極化敏感頻控陣的多域濾波方法。

3.3 基于頻控陣的新體制雷達技術(shù)

文獻[20]首先將頻控陣應(yīng)用于雷達成像，其主要目的是利用頻率復(fù)用來增大方位向合成孔徑長度，從而提高雷達成像時的方位向分辨率[70]。文獻[71]提出一種基于頻控陣的前視雷達地面運動目標指示方法。文獻[72,73]提出一種基于頻控陣的雙站雷達系統(tǒng)，其主要應(yīng)用背景是低截獲電子偵察，并進而提出基于頻控陣的MIMO雷達技術(shù)[9]，但該方法需要選擇一個合適的固定參考點來布局陣元位置。為了避免這個問題，文獻[74]提出一種基于非均勻布陣的解決方法，并可應(yīng)用于雷達2維成像[75]。文獻[76]將頻控陣應(yīng)用于抑制分布式MIMO雷達發(fā)射-接收波束柵瓣的影響；文獻[77]提出一種結(jié)合頻控陣和MIMO雷達優(yōu)勢的Phased-MIMO雷達發(fā)射波束形成方法。

頻控陣在雷達中的一個重要應(yīng)用潛力是對目標距離和方位角進行2維聯(lián)合估計，但需要解決其波束形成中存在的距離-方位角耦合問題。對此，文獻[78,79]分別提出基于雙脈沖的頻控陣雷達目標距離-方位角聯(lián)合估計方法，文獻[80,81]進而提出基于頻控陣-MIMO雷達的距離和方位角聯(lián)合估計方法。同時，受近年來興起的認知雷達研究熱潮影響，文獻[82,83]分別提出基于自適應(yīng)選擇和認知選擇增量頻偏的認知頻控陣雷達技術(shù)概念。在此基礎(chǔ)上，文獻[84,85]分別提出具有環(huán)境感知和陷波認知的新體制頻控陣雷達技術(shù)。因為上述文獻都是將頻控陣用于雷達發(fā)射端，文獻[86,87]借鑒嵌套陣列(nested- array)技術(shù)[88]，提出基于延遲線的嵌套頻控陣接收機設(shè)計方法[89]，并對其目標檢測和估計性能作了理論分析。

進而，文獻[90]提出一種基于頻控陣的雷達射頻隱身方法，即借鑒無線通信中的擴頻技術(shù)，通過展寬雷達發(fā)射波束寬度，降低其發(fā)射信號的峰值功率，從而降低雷達被截獲概率。此外，文獻[91]還提出一種基于頻控陣的無線保密通信方法，可在不降低通信誤碼率的前提下，大大降低通信信號被截獲破譯的概率。

4 頻控陣雷達的應(yīng)用前景

如前所述，與相控陣波束不依賴距離參數(shù)特性不同，頻控陣最主要的特點便是其陣列方向圖具有距離依賴性，而且能夠有效地控制其發(fā)射波束的距離指向，所以頻控陣雷達具有廣泛的應(yīng)用前景[9]。下面，本文簡要介紹幾種可能的應(yīng)用方式。

4.1 頻控陣作發(fā)射機的新體制雙站雷達

為了解決頻控陣陣列方向圖存在的距離-相位角耦合問題，我們可以采取非均勻布陣的頻控陣作發(fā)射機和均勻布陣的相控陣作接收機，如圖5所示。

圖 5 基于非均勻頻控陣發(fā)射機和均勻相控

陣接收機的雙站雷達示意圖非均勻頻控陣的陣元間距按式(7)設(shè)置：

4.2 基于頻控陣的認知雷達

認知雷達賦予雷達感知環(huán)境、理解環(huán)境、學習、推理并判斷決策的能力，使雷達系統(tǒng)能夠適應(yīng)日益復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，從而提高雷達系統(tǒng)的性能。因此，認知雷達一經(jīng)提出便在雷達系統(tǒng)研究領(lǐng)域的掀起新的研究熱潮，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。將認知雷達相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于頻控陣雷達，有望實現(xiàn)一種具有環(huán)境認知的認知頻控陣雷達，實現(xiàn)雷達雜波和干擾的自適應(yīng)抑制。

如圖7所示，我們通過自適應(yīng)更新調(diào)整頻控陣雷達的頻率增加來最大化雷達接收機的輸出 SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)，從而達到最佳的雷達雜波和干擾抑制效果。首先，我們采用一個初始頻率增量，計算相應(yīng)的接收機輸出SINR，并反饋SINR的變化情況給發(fā)射端。如果第次的SINR優(yōu)于前面次的SINR，則反饋信息，反之，則反饋信息，即[84]

然后，再根據(jù)SINR的比較結(jié)果來調(diào)整頻控陣雷達發(fā)射機的頻率增量參數(shù)：

圖6 基于非均勻頻控陣發(fā)射機的雙站雷達陣列方向圖

圖7 基于頻率增量自適應(yīng)調(diào)整的認知頻控陣雷達信號處理原理框圖

經(jīng)過這種迭代處理，我們就可實現(xiàn)雷達雜波和干擾的抑制，從而提高雷達目標檢測與跟蹤性能。

4.3 基于頻控陣的射頻隱身雷達

隨著雷達電子對抗技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代雷達戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，以無源探測技術(shù)為代表的各種反雷達措施使得雷達的生存能力受到嚴峻威脅和挑戰(zhàn)。無源探測系統(tǒng)的最大探測距離可遠大于雷達的有效作用距離。為了提高雷達的生存能力，除了利用雷達橫截面積減縮技術(shù)之外，射頻隱身技術(shù)也是一種十分有效的解決途徑。射頻隱身指雷達、數(shù)據(jù)鏈和敵我識別系統(tǒng)等電子設(shè)備對抗無源探測、跟蹤和識別的隱身技術(shù)，以降低無源探測系統(tǒng)的作用距離及跟蹤制導(dǎo)精度，從而提高雷達的突防能力、生存能力和作戰(zhàn)效能[105]。

近年來，已陸續(xù)有一些考慮雷達射頻隱身的研究文獻發(fā)表。文獻[106]提出一種基于相位編碼的雷達低截獲概率波束形成方法。文獻[107]提出在雷達跟蹤時考慮射頻隱身的采樣間隔和基于目標距離及雷達截面積變化的最低輻射功率自適應(yīng)設(shè)計方法；文獻[105]還提出一種最小化能量消耗函數(shù)和最小化檢測概率誤差的雷達射頻隱身最優(yōu)搜索方法，并設(shè)計了一種功率分級準則[108]，以實現(xiàn)最小化副瓣功率為目標，通過改進多目標優(yōu)化粒子群算法對陣元的開關(guān)設(shè)置進行優(yōu)化。文獻[109]建立了以檢測概率為準則的探測優(yōu)化模型，提出兩種輻射能量控制策略下的最優(yōu)控制方案，并進而將射頻隱身能力與發(fā)現(xiàn)目標能力綜合考慮，建立多目標優(yōu)化模型來配置雷達的工作參數(shù)。文獻[110]和文獻[111]提出一種基于資源管理的MIMO雷達搜索模式下的射頻隱身優(yōu)化算法，可自適應(yīng)地控制MIMO雷達執(zhí)行搜索任務(wù)時天線劃分的子陣數(shù)、信號占空比、波束駐留時間和搜索幀周期。文獻[112]提出一種基于噪聲調(diào)制的射頻隱身雷達波形設(shè)計方法。大多數(shù)射頻隱身技術(shù)都要求天線主瓣波束窄和旁瓣峰值低，這就要求采用陣列天線，但目前考慮射頻隱身的文獻大都以相控陣為研究對象。相控陣可靈活地實現(xiàn)波束的空間掃描，但其陣列方向圖場強分布與指向距離是無關(guān)的，只能實現(xiàn)陣列信號的定向而不是定點輻射，因而可以采用頻控陣來彌補這個缺點[113]。

借鑒LAWRENCE的低截獲概率相控陣方法[106]，我們可以通過對各陣元的頻偏進行特殊編碼，使陣列瞬時輻射功率在距離-方位角2維空間盡可能均勻分布，并通過相位調(diào)制降低發(fā)射信號的被截獲解調(diào)概率，最后在接收端通過波束的相位解碼和接收波束形成，恢復(fù)綜合出高增益的發(fā)射陣列方向圖。文獻[113]已經(jīng)證明了這種研究方案的有效性(見圖8)，但需要進一步研究收發(fā)陣列參數(shù)的優(yōu)化配置和旁瓣峰值電平的抑制問題。

圖8 基于頻控陣的雷達射頻隱身波束形成比較結(jié)果

4.4 基于頻控陣的定向安全通信

傳統(tǒng)的無線通信發(fā)射機都是在基帶實現(xiàn)數(shù)字通信信息的調(diào)制，然后再利用天線輻射通信信息，但這種方式發(fā)射的無線通信信號，竊聽接收機在旁瓣中能夠接收信號包含的信息與主瓣期望接收信號相同，唯一的不同之處在于接收信號的信噪比不同。如果竊聽接收機足夠靈敏，可以從接收信號中解調(diào)出有用的通信信息。

針對這個問題，文獻[114]提出一種基于相控陣的方向調(diào)制技術(shù)，進而實現(xiàn)了這種基于相控陣的物理層安全通信系統(tǒng)[115]。圖9給出了基于相控陣方向調(diào)制信號的發(fā)射機與傳統(tǒng)發(fā)射機對比示意圖。以這種方式發(fā)射的調(diào)制信號在期望方向發(fā)射信號的信號星座圖與傳統(tǒng)的基帶調(diào)制信號相同，而在其它方位發(fā)射信號的星座點在相位和幅度上會產(chǎn)生畸變。期望接收機可以像解調(diào)基帶調(diào)制信號一樣解調(diào)接收信號，而竊聽接收機即使接收到與期望接收機相似的通信信號功率，也無法從正常解調(diào)接收信號，因為畸變的信號星座圖會導(dǎo)致通信誤碼性能惡化甚至無法解調(diào)出有用的通信信息。這種定向調(diào)制技術(shù)在射頻端完成基帶調(diào)制功能，使發(fā)射信號的星座圖依賴于接收機所在的空間方位。如果將這種定向調(diào)制技術(shù)中的相控陣替換成頻控陣，再利用頻控陣距離依賴性波束形成技術(shù)，則有望實現(xiàn)有效的點對點定向安全通信，這在軍事通信中具有重要應(yīng)用潛力[91]。

5 頻控陣雷達中亟待解決的問題

作為一種新體制雷達技術(shù)，頻控陣雷達也面臨許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，這里我們只討論其在陣列信號處理方面存在的問題。

5.1 頻控陣雷達波形優(yōu)化設(shè)計問題

為了解決頻控陣發(fā)射波束存在的距離-方位角耦合問題，有必要構(gòu)建基于頻控陣和MIMO混合陣列的雷達系統(tǒng)。將頻控陣劃分為多個子陣，每個子陣內(nèi)的所有陣元發(fā)射類似相控陣的相同信號，而子陣間則發(fā)射類似MIMO的獨立信號[116]。這就要求子陣間發(fā)射的獨立信號具有良好的正交性，并要求滿足常規(guī)雷達對波形的基本要求，即大時間-帶寬積和恒包絡(luò)。雖然MIMO雷達波形設(shè)計已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，但大多文獻主要是從統(tǒng)計信號處理角度進行波形設(shè)計考慮的，難以工程實現(xiàn)。而且，這些波形還應(yīng)該具有大時間-帶寬積和盡可能好的恒包絡(luò)特性，以便既能實現(xiàn)高探測分辨率，又不需要太大的峰值發(fā)射功率，但現(xiàn)有文獻往往沒有考慮波形的時間-帶寬積問題。當然，還應(yīng)具有良好的模糊函數(shù)特性(包括距離向和多普勒分辨力)、較強的鄰帶干擾抑制性能和較低的匹配濾波旁瓣。由于這些苛刻要求，目前可用于MIMO雷達的波形設(shè)計方法很少，所以針對射頻隱身背景的大時間-帶寬積LPI波形的自適應(yīng)設(shè)計將極具挑戰(zhàn)性，但該研究具有重要的現(xiàn)實意義。此外，和相控陣一樣，當發(fā)射通道的串擾較大時，也需要相應(yīng)的補充處理，但目前還沒有關(guān)于該問題的頻控陣文獻發(fā)表。

5.2 頻控陣發(fā)射與接收波束形成問題

需要充分挖掘頻控陣相對相控陣的優(yōu)缺點，研究具有距離和方位角依賴的射頻隱身發(fā)射與接收波束形成方法。通過結(jié)合頻控陣的陣列參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和2維(距離維和方位角維)發(fā)射波束形成，實現(xiàn)發(fā)射波束的信號能量可以靈活地集中到感興趣的探測區(qū)域。例如，可以借鑒無線通信中的擴頻技術(shù)，通過展寬發(fā)射波束寬度降低其發(fā)射信號的峰值功率，從而降低雷達被截獲概率，然后在接收端中采用相干解調(diào)方式綜合恢復(fù)出高增益的等效發(fā)射波束，保證雷達的探測性能不受影響。同時，再通過基于環(huán)境感知的閉環(huán)反饋控制機制，實現(xiàn)這種射頻隱身發(fā)射

圖9 定向調(diào)制技術(shù)和傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的比較

圖10 當期望通信接收機位于時經(jīng)定向調(diào)制后的陣列方向圖

與接收波束形成算法的自適應(yīng)處理，但需要解決能夠?qū)崿F(xiàn)定點射頻隱身的陣列參數(shù)優(yōu)化配置、陣列方向圖綜合和超低旁瓣設(shè)計及其自適應(yīng)實現(xiàn)等技術(shù)難題。

5.3 頻控陣雷達的自適應(yīng)目標檢測與跟蹤問題

現(xiàn)有關(guān)于自適應(yīng)雷達和認知雷達的文獻往往都是采用單天線或相控陣作接收機。基于相控陣的接收波束形成方法只能提供目標的方位角信息，而沒有目標的到達距離信息。雖然頻控陣發(fā)射波束能夠提供目標距離信息，但其距離和方位角響應(yīng)存在耦合問題，不能無模糊地進行目標定位。為此，需要研究有效的頻控陣雷達接收波束形成方法，從而實現(xiàn)感興趣探測區(qū)域目標的距離和方位角聯(lián)合估計，進而還可利用認知雷達技術(shù)，并通過基于環(huán)境感知的閉環(huán)反饋控制機制，實現(xiàn)面向環(huán)境認知的自適應(yīng)目標檢測與跟蹤，構(gòu)建全自適應(yīng)的頻控陣雷達理論框架，但在協(xié)方差矩陣估計、雷達目標自適應(yīng)檢測與跟蹤和環(huán)境認知處理方面存在許多待解決的關(guān)鍵問題。尤其需要指出的是：頻控陣方向圖隨時間變化會增加噪聲與干擾協(xié)方差矩陣估計的難度，這就會給頻控陣雷達接收信號自適應(yīng)處理帶來新的研究問題。

6 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地介紹頻控陣雷達的概念、原理和應(yīng)用特點，全面梳理國內(nèi)外關(guān)于頻控陣雷達技術(shù)的研究文獻，系統(tǒng)性地總結(jié)歸納頻控陣概念、基本原理、實現(xiàn)方式及其雷達應(yīng)用等幾個方面的研究現(xiàn)狀，分析了頻控陣雷達在新體制雙基地雷達、認知雷達、射頻隱身雷達和定向安全通信等方面的應(yīng)用前景，并討論了頻控陣雷達在波形優(yōu)化設(shè)計、發(fā)射與接收波束形成和自適應(yīng)目標檢測與跟蹤等方面亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。頻控陣雷達是相控陣雷達技術(shù)的擴展，它不僅具有相控陣雷達的全部優(yōu)點，而且能夠彌補相控陣雷達波束指向不具有距離依賴性的缺點。因此，雖然頻控陣雷達面臨許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，我們相信對頻控陣雷達進行進一步的深入研究是值得的。

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王文欽： 男，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為現(xiàn)代信號處理及其應(yīng)用研究.

邵懷宗： 男，1969年生，副教授，研究方向為通信信號處理.

陳 慧： 女，1984年生，講師，研究方向為稀疏信號處理.

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61501781, 61471103), Sichuan Provincial Technology Research and Development Fund (2015GZ0211, 2014GZ0015)

Frequency Diverse Array Radar: Concept, Principle and Application

WANG Wenqin SHAO Huaizong CHEN Hui

(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Frequency Diverse Array (FDA) radar is a new radar technique proposed in recent years. FDA uses a small frequency increments across its array elements to provide a range-dependent transmit beampattern, which overcomes the disadvantages of a phased-array providing range-independent beampattern, and offers many promising advantages for radar applications. This paper introduces the concepts, principles and application characteristics of FDA radar, makes an overview of recent FDA radar literature, and discusses FDA radar promising applications, along with existing technical challenges.

Frequency Diverse Array (FDA); FDA radar; Array design; Phased-array; New radar scheme

TN958

A

1009-5896(2016)04-1000-12

10.11999/JEIT151235

2015-07-28；改回日期：2015-11-27；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-02-19

王文欽 wqwang@uestc.edu.cn

國家自然科學基金(61501781, 61471103)，四川省科技支撐項目(2015GZ0211, 2014GZ0015)