基于頻控陣實現的射頻隱身技術應用探討

吳煒霞，李曉東，鄧 招

(中國電子科技網絡信息安全有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

2006年，美國空軍研究實驗室的Antonik和Wicks等人首次提出Frequency Diverse Array(FDA)新概念技術，并申請了美國專利[1-3]，國內學術界根據其工作原理翻譯為頻控陣。頻控陣和相控陣一樣發射相參信號，只是陣元間附加很小的頻偏(頻偏遠遠小于其載頻)控制后輻射出去，導致其空間傳播波束不但與方位角有關也與距離有關，彌補了相控陣陣列因子與距離變量無關的缺點。因此，頻控陣除了具有相控陣的所有功能特性外，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而全新的應用潛力。

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[4]。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。本文主要討論基于頻控陣的射頻隱身技術及其應用潛力，以期進一步推動頻控陣技術的發展。

1 頻控陣的基本原理

均勻直線頻控陣的基本結構模型如圖1所示。

圖1 均勻直線頻控陣基本結構

由于頻控陣是一種相對較新的陣列技術，首先對頻控陣的信號模型作簡要的推導分析[5-10]。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：

fm=f0+mΔf,m=0,1,…,M-1

(1)

式中，M為陣元數。假設相鄰陣元之間的距離為d，陣列物理指向，則頻控陣的輻射波束方向圖在目標處的電場場強為：

(2)

式中，am表示輻射電場的激勵幅度，φm表示信號對天線陣元的激勵相位，rm≈r-mdsinθ和ωm=ω0+mΔω=2πf0+2πmΔf分別表示第m個陣元的距離和角頻率，km=k0+mΔf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,φ|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)，故在頻控陣帶寬內的陣元輻射方向圖是近似相等的，即fe(θ,φ|ωm)≈fe(θ,φ|ω0)=fe(θ,φ)。

(3)

在遠場條件處r?(M-1)dsinθ，距離因子對不同陣元的在目標P處的電場幅度衰落的影響可以認為是相同的，即1/rm≈1/r。在相位上采用相控陣當中的距離因子計算方法即rm≈r-mdsinθ。考慮所有的近似處理，這時有：

(4)

由于r?(M-1)dsinθ和f0?Δf，式(4)中最后一項m2Δfdsinθ/c≈0。因此m2Δfdsinθ/c可以被忽略，則有：

(5)

式中，γ=2π(f0dsinθ/c+Δf(t-r/c))。通常將激勵幅度和激勵相位歸結到一起，并將其定義為加權矢量，即wm=amejφm。

則有:

fe(θ,φ)/rej2πf0(t-r/c)wHa(t,R,θ)

(6)

式中,w=[w1,w2,…,wM-1]為加權矢量，a(t,R,θ)=[1,ejγ,…,ej(M-1)γ]為頻控陣的導向矢量。定義頻控陣的陣列因子為：

AF(t,R,θ)=wHa(t,R,θ)

(7)

對于均勻線性陣，假設所有陣元的幅度激勵都是相同的，而且進行歸一化，即w1=w2=…=wM-1=1，則有:

AF(t,R,θ)=ejγ(M-1)/2sin(Mγ/2)/sin(γ/2)

(8)

其絕對值為:

|AF|=|sin(Mγ/2)/sin(γ/2)|

(9)

式(8)有3個變量，分別為角度θ、距離r和時間t，而相控陣的陣列方向圖只會存在一個角度變量。對式(8)進行建模仿真，頻控陣的輻射方向圖不僅具有距離和角度的依賴性，而且具有“S”形的距離和角度耦合性，如圖2所示。

圖2 頻控陣發射“S”形波束圖

這種“S”形波束采用距離-角度解耦技術后，可以形成空間位置點的波束聚焦，如圖3所示。

圖3 頻控陣的發射點波束圖

2 頻控陣技術的應用前景展望

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、安全通信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。在此基礎之上，利用頻控陣的距離-角度解耦技術，形成空間波束點聚集，這種點波束和傳統的定向波束不同，不存在波束角度最大方向，因此探測設備無法通過檢測來波方向獲得發射設備的位置角度信息，這一特性將進一步提高頻控陣設備的射頻隱身效果。而且，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，由此提高頻控陣電子裝備的射頻隱身能力。

2)射頻隱身精準通信：無線通信安全面臨的主要威脅來自于電磁波的廣播特性。傳統的天線陣中將主瓣調向期望方向，而旁瓣發射的信號幅度則遠低于主瓣，來保證安全傳輸。但是，當非期望接收機和期望接收機在同一方位角度上，也就是說非期望接收機和期望接收機僅僅是距離發射機的距離不一樣時，作為發射陣列相控陣波束成形就不再能保證安全傳輸。為了進一步提高無線通信的安全性，將頻控陣的點波束圖應用于無線通信傳輸，可以實現電磁波在收發之間的點-點的傳輸，即使非期望接收機和期望接收機在相同角度區域內，由于距離發射機的遠近不同也不能檢測到發射頻控陣信號，從而有利于信息的保護。基于頻控陣的距離-角度點聚焦技術不僅實現了目標角度上的安全通信，而且實現了目標距離上的安全通信，尤其是在竊聽接收機和期望接收機同方向的情況下，具有距離角度維上的低截獲率。因此在安全性上，基于頻控陣的距離-角度點聚焦圖比基于相控陣角度方向圖更具優勢。

3)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，頻控陣應用于探測目標參數估計時，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。

4)具有強抗干擾抑制應用能力：傳統相控陣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，當陣列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，此時現有陣列裝備很難正常工作。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-角度二維自由度，具有強抗干擾抑制應用潛力。

5)大范圍群體目標欺騙干擾功能：由于傳統的噪聲壓制干擾技術對一些新體制探測設備的干擾效果非常有限，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，有效破壞探測設備對目標的檢測和跟蹤能力。同時，頻控陣干擾機也能夠對探測設備進行距離欺騙和速度欺騙，產生大量假目標來對探測設備進行有效干擾。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設備形成大范圍群體目標欺騙干擾效果。

3 結束語

本文討論了頻控陣技術及其應用前景。主要探討了基于頻控陣列實現的射頻隱身技術，在安全通信、探測、電子對抗領域的應用模式。通過這些探討，可以看出頻控陣列技術會在諸多應用領域帶來巨大的性能提升以及作戰模式的改變，值得進一步的深入研究。