王文欽 陳 慧 鄭 植 張順生
①(電子科技大學信息與通信工程學院 成都 611731)
②(電子科技大學電子科學技術研究院 成都 611731)
為了彌補相控陣陣列因子與距離變量無關的缺點,美國空軍研究實驗室的Antonik和Wicks等人[1–3]提出一種具有距離依賴性方向圖的FDA(Frequency Diverse Array)新概念技術,并提出一種結合空間、時間和頻率調制的FDA雷達系統。FDA直譯應為頻率復用陣列,但筆者認為從其工作原理上講譯作頻控陣更為恰當[4]。這是因為頻控陣和相控陣一樣發射相參信號,只是經過附加很小的頻偏(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)[5]和MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)[6–10]所要求的頻率正交性要求是不同的。也就是說,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。
頻控陣與傳統相控陣的主要差別是前者的各陣元采用不同的發射信號載頻,而后者的各陣元一般采用相同的發射信號載頻。頻控陣所采用的陣元間頻偏將導致其空間傳播波束不但與方位角有關,也與距離有關。因此,除了具有相控陣的所有功能特性,頻控陣在目標探測、干擾抑制、電子對抗和安全通信等領域也具有廣泛的應用潛力。近年來,頻控陣雷達技術受到國內外的廣泛研究關注:2014年,美國空軍研究實驗室研制出一款頻控陣雷達原型機,驗證了頻控陣雷達的發射波束傳播特性。2015年,土耳其也研制出頻控陣雷達原理樣機。2017年,國際信號處理領域頂級期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing》組織出版了頻控陣技術方面的專刊[11]。2017年和2018年的IEEE雷達學術年會均安排有頻控陣雷達專題討論分會??梢?,頻控陣技術已經成為一個研究熱點,但還存在諸多技術難點亟待研究解決。為此,在作者的“頻控陣雷達:概念、原理與應用”(《電子與信息學報》,2016, 38(4):1000–1011)一文基礎上,本文全面梳理近3年來國內外關于頻控陣雷達技術及其應用方面的最新研究進展,討論頻控陣在雷達對抗和雷達-通信一體化等幾種新領域方面的應用潛力,并指出其亟待研究解決的關鍵問題,以期進一步推動頻控陣雷達技術及其應用方面的研究進展。
本文的結構安排如下:第2節簡要介紹頻控陣的基本原理和基本特點,第3節綜述頻控陣雷達技術及其應用方面的最新研究進展。第4節和第5節分別討論頻控陣技術在雷達對抗和雷達-通信一體化等方面的應用前景和亟待解決的關鍵技術問題。第6節總結全文。
由于頻控陣是一種相對較新的陣列技術,我們首先對頻控陣的信號模型作簡要的推導分析。與相控陣不同,常規頻控陣在相鄰陣元上對發射信號附加一個遠小于其載頻的頻率偏移Δf。假設載頻為f0,則第m個陣元輻射信號的頻率為:
式中,M為陣元數。假設相鄰陣元之間的距離為d和陣列物理指向θ,則頻控陣的輻射波束方向圖在目標處的電場場強為[12]:
式中,αm表示輻射電場的激勵幅度,ψm表示信號對天線陣元的激勵相位,rm≈r-mdsinθ和ωm=ω0+mΔω=2f0+2mΔf分別表示第m個陣元的距離和角頻率,km=k0+mΔk表示第m個陣元的傳播常數,其中k0為對應f0的傳播常數。值得一提的是,fe(θ|ωm)是當角頻率為ωm時的陣元輻射方向圖函數。由于頻控陣陣元的輻射方向圖函數是頻率的函數,而且頻控陣是一個多載波頻率的陣列,其陣元的輻射方向圖有可能是不同的。由于頻控陣不同陣元間的頻率偏移很小(Δf<<f0),本文假設在頻控陣帶寬內的陣元輻射方向圖是近似相等的,即fe(θ|ωm)≈fe(θ|ω0)=fe(θ)。
同時,在遠場情況下,由于rm?(M-1)·dsinθ,我們可以認為距離衰減對所有陣元具有相等的電場幅度影響。因此,式(2)可以表征為:
式(3)則可表示為:
式中,c0為光速,相位因子式(6)表明:頻控陣的輻射方向圖依賴角度θ、距離r和時間t,而傳統的相控陣(Δf=0)的輻射方向圖只依賴角度。
假設給定時間t=0,M=8,f0=10 GHz,Δf=30kHz,d=c0/(2f0)和目標位置為(0°, 10 km),圖1給出頻控陣的距離-方位角2維空間波束方向圖。可見,頻控陣的輻射方向圖不僅具有距離和方位角依賴性,而且具有 “S”形的距離和方位角耦合性。這是因為頻控陣頻偏Δf帶來的等效陣列指向θe可表示為[14]:
因此,雖然頻控陣波束的距離依賴性可以拓展雷達的目標探測能力,但需解決距離和方位角耦合問題。
頻控陣的最主要特點是其陣列因子具有距離依賴性、時變性和自動掃描特性。由于頻控陣波束的距離依賴性已經受到廣泛的研究關注[15–20],這里只介紹波束的時變性和自動掃描特性。
2.2.1 時變性為了更好地分析頻控陣的時變性,我們假設每個陣元發射的是矩形脈沖信號:
式中,t1和t2分別為脈沖信號的起始和截止時間。對于連續波信號發射情況,則有t1=0和t2→∞。依據式(6),頻控陣的發射波束峰值會出現在
進而可得
對于給定的距離r和方位角θ,頻控陣發射波束的幅度也具有時變性,即其波束指向具有時變性。
假設頻控陣在時刻t1和t2時的波束指向分別為則可得
式中,Tp=t1-t2為頻控陣發射信號的脈沖寬度。式(11)表明,脈沖頻控陣雷達的發射波束也具有脈內時變性。
假設Tp=1 ns, Δf=1 kHz和陣元間距為半波長,則有這說明頻控陣發射波束的脈內時變性可以忽略,但其脈間時變性不能忽略,如圖2所示。
2.2.2 自動掃描特性將式(10)等號兩邊對時間t求導,可得
相應地,頻控陣等效瞬時波束在時間t∈[t1,t2]內的掃描方位角范圍為:
自2006年Antonik等人提出頻控陣雷達概念技術以來,該技術已引起廣泛的研究關注[21–31],并進行了試驗測試[23]。由于筆者已經在2016年初發表的“頻控陣雷達:概念、原理與應用”一文[4]中對2006年–2015年期間的頻控陣雷達研究情況作了較全面的梳理和歸納,本文主要討論2016至今的近3年來頻控陣雷達技術最新研究進展情況。
為了抑制頻控陣發射方向圖的距離-方位角耦合問題,Khan等人[32]提出一種采用對數頻偏的去耦合方法,可以實現頻控陣在傳播空間中出現能量不連續的點波束,但這種方法的非線性頻偏遞增緩慢,而且波束的聚焦效果并不明顯。為此,我們提出采用指數增長頻偏的去耦合方法[33],即第m個陣元的頻偏為Δfm=mηΔf。當η=1時,為常規頻控陣;當η=0時,為相控陣。假設f0=10 GHz,d=c0/(2f0),M=16, Δf=3 kHz和目標位置為(10°, 10 km)。圖3比較了采用不同非線性頻偏時的頻控陣發射方向圖??梢姡害窃酱螅瑒t波束越聚焦,但其旁瓣電平也越高。這是由于非線性頻率偏移破壞了頻控陣的柵瓣分布規律,非線性越大,頻率偏移也越大,造成了柵瓣靠近了主瓣。同時,由非線性頻偏破壞了原來規整的柵瓣組合規律而形成新的波束柵瓣。進而,Liu等人[34]提出采用隨機頻偏的頻控陣發射波束去耦合方法,但其缺點是在實際系統中并不能實現隨機頻偏配置。
為了更好地解決頻控陣波束的距離-方位角耦合問題,“點”波束方向圖綜合已成為研究熱點[35]:Shao等人[36]提出一種基于多載波的頻控陣“點”狀發射波束方向圖綜合方法。該方法采用了最簡單的均勻加權,沒有考慮頻控陣陣列因子時變因素的影響,只是驗證了頻控陣可以在距離-方位角空間中形成點狀波束方向圖。值得說明的是,頻控陣波束的耦合性和時變性并不一定是頻控陣的缺點,只是不同應用場合可能需要利用其不同的陣列特性。為此,Gao等人[37]進一步提出考慮時變因素影響的頻控陣點波束方向圖綜合方法。在此基礎上,Xiong等人[38]提出一種基于遺傳算法的頻控陣點狀波束方向圖優化設計方法。
為了解決頻控陣發射波束的時變性,Khan等人[39]提出采用時變頻偏的解決思路。Yao等人[40]提出采用時間調制頻偏的頻控陣時不變空間聚焦波束形成方法,并將其推廣到多點時不變聚焦[41]和近距多點時不變聚焦[42]發射波束形成方法。在此基礎上,Cheng等人[43]進一步引入陣列指向調制技術來設計時不變頻控陣發射波束,Yang等人[44]提出基于稀疏頻控陣[45]的時不變聚焦波束形成方法,但文獻[46]指出上述方法在工程實現中存在諸多問題。此外,將當前針對相控陣的陣列方向圖綜合新方法應用到頻控陣中也是一個研究熱點[47–50]。
頻控陣發射波束的距離依賴性能夠拓展現有陣列探測能力,有望應用于檢測/抑制距離依賴性目標/干擾,以及多徑甚至主瓣干擾抑制,所以目標距離-方位角聯合估計是當前頻控陣雷達研究中的一個熱點。Sammartino等人[51]提出一種基于頻控陣的雙站雷達系統,并引入非線性頻偏和MIMO配置,其主要目的是增加雷達系統的自由度。Wang等人提出使用雙脈沖[52]或子陣技術[53]的頻控陣雷達目標檢測與定位方法,進而分析了頻控陣雷達的模糊函數特性及其優化設計方法[54],并提出基于嵌套陣的頻控陣雷達目標距離和角度聯合估計方法[55]。Li等人[56]提出一種通過無模糊識別頻域模式的頻控陣雷達目標定位方法。Qin等人[57]提出采用互質頻偏的頻控陣雷達多目標定位方法。
為了徹底解決頻控陣雷達目標探測應用中由距離-方位角耦合性帶來的目標參數估計模糊問題,有必要綜合利用頻控陣的距離依賴性和MIMO陣列的自由度,構建新體制的FDA-MIMO技術。需要說明的是,雖然基于頻率波形復用的MIMO和FDA-MIMO具有相似性,但它們在物理本質上是不同的。前者的頻偏主要用來分離不同發射天線的信號,因而需要其頻偏足夠大;而后者的頻偏很小,遠小于其發射信號的帶寬。雖然前者在空間上也可以形成距離相關性波束,但其大頻偏會形成大量柵瓣,導致能量發散和增加目標參數估計難度。Xu等人[58]提出基于FDA-MIMO的雷達目標距離和方位角聯合估計方法,并進而提出一種基于自適應FDA-MIMO雷達的目標3維參數估計方法[59]。由于CRLB(Cramer-Rao Lower Bound)是一種常見的目標參數估計性能評估手段,Gao等人[60]提出基于CRLB最小化的FDA-MIMO優化設計方法。在此基礎上,Xiong等人[61]推導了FDA-MIMO雷達在目標距離-方位角聯合估計中的CRLB、MSE(Mean of Square Error)和分辨力特性,其結果表明FDAMIMO雷達能夠綜合利用頻控陣雷達和MIMO雷達的優勢。
為了避免頻控陣雷達目標距離-方位角聯合估計中的多維峰值搜索估計復雜度,Cui等人[62]提出針對雙基FDA-MIMO雷達的無搜索DOD(Direction Of Departure)、DOA(Direction Of Arrival)和距離估計算法。Li等人[63]分析指出FDA-MIMO雷達在低空波束覆蓋能力方面具有應用優勢,并提出基于面陣FDA-MIMO雷達的目標3維參數聯合估計方法[64]。Gong等人[65]將稀疏信號處理技術應用到FDA-MIMO雷達中。由于上述方法均未考慮頻控陣雷達目標響應的時變性影響問題,Gui等人[66]提出一種基于頻控陣雷達時變性考慮的多通道相關接收處理模型,并分析了其SINR(Signal-plus-Interference-to-Noise Ratio)和CRLB性能。
Xu等人[67]分析指出頻控陣雷達在抗欺騙干擾方面具有明顯優勢,提出采用頻控陣雷達接收-發射聯合處理解決目標距離估計中的模糊問題[58]。由于頻控陣可以提供一個可控的額外自由度,目標可以從距離相關的干擾和雜波中分離出來,通過距離-方位角-多普勒3個維度的聯合處理,頻控陣雷達可以抑制距離相關性干擾和雜波,再采用空時自適應處理來分辨出距離模糊雜波[68,69],并將該方法應用到運動目標檢測[70]和合成孔徑雷達成像[71,72]。
此外,受認知雷達研究熱潮的影響,認知頻控陣雷達也受到研究關注[73,74]。Wang[75]提出一種具有環境自適應感知的認知頻控陣雷達概念技術,以及具有自適應射頻隱身功能的頻控陣雷達運動目標跟蹤方法[76]。在此基礎上,Xiong等人[77]提出一種具有低截獲概率特性的認知頻控陣雷達概念技術,Gui等人[78]提出一種基于FDA-MIMO的認知運動目標檢測與跟蹤方法。
美國空軍研究實驗室的Antonik等人研制出單頻頻控陣雷達發射模塊(見圖4[3]),并進行了外場測試。英國的Huang的等人[25]設計一個4陣元的頻控陣雷達天線,如圖5所示。2015年土耳其中東理工大學研制了一款基于線性調頻波信號的頻控陣雷達原型機[79],并通過試驗驗證了頻控陣雷達波束方向圖的時間相關性和距離相關性[80],如圖6所示。此外,美國空軍研究實驗室在2016年公開了一個基于頻控陣的物理層安全通信試驗平臺,如圖7所示。筆者研究團隊2017年也研制了針對頻控陣雷達的多通道信號源和頻控陣天線,并開發了能夠滿足頻控陣雷達系統仿真與數據處理的軟件平臺“頻控陣雷達仿真與處理系統”,如圖8所示。
綜上可見,頻控陣雷達技術及其應用已經引起國內外廣泛的研究關注,并成為2017年和2018年IEEE雷達學術年會的專題討論會。目前,國內也有不少研究單位在從事該方面的研究,例如電子科技大學、西安電子科技大學、清華大學、空軍工程大學、雷達預警學院和南京理工大學等?,F有研究結果表明頻控陣具有廣泛的應用前景,但在硬件實現、自適應信號處理和系統驗證方面還存在許多亟待研究解決的關鍵問題。
頻控陣不但具有相控陣的所有功能優勢,而且其發射波束的距離依賴性、距離-方位角耦合性和空變特性,有望給現有的有源雷達探測技術、無源被動偵測技術和電子對抗與干擾技術帶來顛覆性的影響。頻控陣的主要應用特點體現在以下幾個方面:
(1) 具有射頻隱身和低截獲能力:頻控陣發射波束圖具有可控的“彎曲”特性,容易使得其被偵察測向定位失準,大大降低其被探測和攻擊的概率,從而實現一定程度的射頻隱身效果。而且,我們還可以通過對頻控陣各陣元的頻偏進行特殊編碼,使陣列瞬時輻射功率在距離-方位角空間盡可能均勻分布,并通過特定的相位調制來降低發射信號被截獲解調的概率,最后在接收端通過波束的相位解碼和接收波束形成恢復出高增益的發射陣列方向圖,則有望進一步提高頻控陣有源探測裝備的射頻隱身能力。
(2) 具有強抗干擾抑制應用能力:傳統相控陣雷達往往利用空域自由度,對副瓣干擾具有較好的抑制效果。但是,當雷達面臨強干擾或主瓣干擾時,傳統基于空域濾波的副瓣干擾抑制方法性能將嚴重下降,甚至失效,此時現有雷達裝備很難對目標進行有效探測。頻控陣不同陣元發射載頻具有偏差的相同信號,其方向圖具有距離-角度2維自由度,具有強抗干擾抑制應用潛力。
(3) 多徑干擾自適應抑制能力:頻控陣波束的陣列因子包含有角度、距離和時間3個變量,充分挖掘和利用這3種變量關系,尤其是其時間特性,有可能提出基于時域處理的多徑干擾抑制方法,但具體如何實現還需進一步論證,也未見相關參考文獻。
(4) 具有前視目標探測能力:前視目標探測具有重要應用意義,但現有基于相控陣的前視探測方法不能解決目標多普勒參數在方位向的左右對稱模糊問題,而且當面對強地雜波時需要進行雜波抑制處理,但當存在距離模糊時目前的雜波補償方法均會失效。利用頻控陣波束的主瓣走動特性和距離依賴特性,有助于分離和抑制干擾,從而可在一定程度上抑制距離模糊雜波。
(5) 目標多維參數聯合估計與定位:在相同陣元數目的情況下,當干擾與目標的角度比較靠近時,頻控陣對干擾的抑制度比相控陣更高,甚至可以抑制具有與目標有相同角度方向的干擾,這在相控陣上是很難實現的。而且,頻控陣應用于雷達目標參數估計時,能夠估計出一些在相控陣雷達中無法估計的目標,如方位角相同而距離不同的目標。
(6) 自動波束掃描功能:頻控陣發射波束具有距離-方位角自動掃描功能,而且彌補了相控陣不能進行距離維自動掃描的缺點。
(7) 定點發射波束形成功能:與相控陣只能實現“定向”發射波束形成不同,頻控陣還能夠通過干涉效應實現“定點”發射波束形成,可以應用于開發頻控陣定點干擾新技術。需要說明的是這種現象其實是一種干涉效應,而不是發生能量會聚。
(8) 大范圍群體目標欺騙干擾功能:利用頻控陣波束的自動掃描功能、陣元頻偏優化設計和距離-方位角耦合特性,頻控陣干擾機能夠對敵方探測雷達形成大范圍群體目標欺騙干擾效果。
筆者在“頻控陣雷達:概念、原理與應用”一文中[4]已經討論了頻控陣作發射機的新體制雙站雷達、基于頻控陣的認知雷達、基于頻控陣的射頻隱身雷達和基于頻控陣的定向安全通信等應用前景。因此,這里只討論幾種新的頻控陣雷達應用前景,主要包括雷達對抗和雷達-通信一體化。
由于傳統的噪聲壓制干擾技術對一些新體制雷達的干擾效果非常有限,我們可以利用頻控陣陣列因子的距離依賴性、空變性和時變性特點,提出基于頻控陣的新型干擾樣式,有望產生比常規干擾技術更多的假目標,有效破壞雷達對目標的檢測和跟蹤能力。同時,頻控陣干擾機也能夠對雷達進行距離欺騙和速度欺騙,產生大量假目標來對雷達進行有效干擾。與相控陣干擾機相比,頻控陣干擾機的優點可歸納為:
(1) 能夠采用窄波束來提高干擾機的有效輻射功率,能夠實現對多個目標的干擾,具有迅速、靈活、準確的波束指向能力等。
(2) 由于頻控陣在相鄰陣元之間附加了頻率增量,利用這個微小的頻偏還可以對雷達的多普勒頻域檢測形成有效的欺騙,使得雷達在時域-多普勒頻域同時受到干擾,從而能夠給雷達造成大范圍群體目標欺騙干擾效果,如圖9所示。
(3) 頻控陣干擾機可以在不改變頻控陣雷達內部結構的情況下,將其功能拓展,完成方位和距離的搜索、跟蹤、實施欺騙式干擾,做到一機多用,簡化了干擾系統。
雷達-通信一體化是未來綜合電子信息系統發展趨勢[81]。從天線的角度來說,陣列雷達具有高增益的特點,利用有源陣列天線發射或接收通信信號,不僅可以極大地提高通信系統的信息傳輸速率,而且可以使通信系統與雷達共用收發通道,提高了集成度,降低了成本。同時,陣列雷達具有方向性強、波束窄和旁瓣低等特點,可提高反探測、抗干擾和保密性等能力。因此,通過利用一體化設計所獲得的共享資源和所具有的協調能力,可根據戰場態勢和作戰要求,有選擇地執行最佳的系統功能,并對威脅目標作出最佳作戰決策,使雷達探測、定位、引導、識別更準確,目的性更強,系統反應更及時和迅速[82]。
雖然雷達-通信一體化技術已成為一個研究熱點,已有不少相關文獻發表[83–88],但現有方法大都是基于相控陣天線的。由于頻控陣具有相控陣的所有功能特性,我們也可以將頻控陣應用于雷達-通信一體化技術。如圖10所示,可以針對所要傳遞的通信信息編碼選擇合適的頻偏作為頻控陣雷達的頻偏,實現通信信息在雷達發射信號中的嵌入,并在接收機中采用雙通道處理分別實現通信信息解碼和雷達信號處理功能,如圖11所示。
而且,基于頻控陣的雷達-通信一體化技術還能保證信息傳輸的安全性[89,90]:Ding等人[91]將頻控陣的頻偏和OFDM的頻偏聯系起來,在安全通信中取得比傳統OFDM更好的安全效果,Hu等人[92]將隨機頻偏頻控陣用于安全通信,Nusenu等人[93]將時間調制頻控陣用于物理層安全通信中,Lin等人[94]提出基于頻控陣波束形成的物理層安全通信方法。同時,已有文獻證明[80]:與相控陣發射信號相比,頻控陣發射信號具有更平穩的回波平均功率,(如圖12所示),該特點對多徑環境下的雷達-通信一體化應用非常有利。
雖然近年來頻控陣雷達技術研究方面已經涌現出不少研究文獻,但由于這種新體制陣列與傳統的相控陣在陣列特性和功能特性方面存在諸多不同,目前頻控陣雷達技術仍然存在大量亟待解決的研究問題:
(1) 頻控陣雷達波束的時變性及其影響問題:與相控陣雷達相比,頻控陣雷達的一個主要差別是其波束具有空變性和時變性?,F有頻控陣文獻大多是通過固定時間變量來忽略時變性的影響問題,這顯然是不合理的,需要研究頻控陣波束的時變性影響及其抑制或利用方法。值得指出的是,頻控陣波束具有的時變性不一定是缺點,所以也有必要進一步研究如何利用這種時變性。
(2) 頻控陣雷達接收機設計問題:由于頻控陣最早是作為雷達發射陣列提出的,當前的研究主要集中在發射端,而對其接收端方面的研究還很少,所以非常有必要研究針對頻控陣雷達發射信號的接收機優化設計方法,尤其是接收端的自適應最優陣列處理算法。
(3) 頻控陣雷達發射參數的優化設計問題:雖然頻控陣雷達發射參數優化設計是當前的一個研究熱點[95,96],但是如何根據復雜變化環境優化出切實可行的頻控陣雷達發射參數仍然需要進一步研究。同時,針對頻控陣雷達的魯棒性分析與處理方面也需要進一步研究。
(4) 頻控陣MIMO(FDA-MIMO)雷達信號檢測問題:目前頻控陣MIMO雷達被認為是頻控陣雷達諸多技術中最為合理、功能最為完善和最具工程可實現性的。這是因為基本的頻控陣雷達存在距離-方位角耦合問題,在目標參數估計中容易帶來估計模糊問題,這種模糊問題可以通過引入MIMO技術來增加陣列自由度,從而可以在一定程度上緩解目標參數估計中的模糊問題。但是,針對頻控陣MIMO雷達的信號檢測、估計和跟蹤方面都存在諸多研究問題。
(5) 頻控陣雷達原理樣機研制與試驗驗證:當前頻控陣雷達技術研究主要還處在理論研究、應用基礎研究和概念系統設計階段,亟待開展頻控陣雷達原理樣機研制與關鍵技術試驗驗證方面的研究。
本文在作者“頻控陣雷達:概念、原理與應用”一文的基礎上,簡要地介紹頻控陣雷達的基本原理,全面梳理近3年來國內外關于頻控陣雷達技術及其應用方面的最新研究進展,討論了“頻控陣雷達:概念、原理與應用”一文中沒有涉及的幾種新的頻控陣雷達技術應用前景,主要包括雷達對抗和雷達-通信一體化應用,并指出目前亟待解決的幾個關鍵研究問題。雖然目前頻控陣方面的理論研究面臨諸多難題,而其應用模式也還不夠明朗,但我們相信在頻控陣雷達技術方面進行進一步的深入研究是值得的。
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