頻率捷變雷達波形對抗技術現狀與展望

全英匯, 方 文, 沙明輝, 陳俠達, 阮 鋒, 李興華,孟 飛, 吳耀君, 邢孟道

(1.西安電子科技大學電子工程學院, 陜西 西安 710071; 2.北京無線電測量研究所, 北京 100854;3.西安電子工程研究所, 陜西 西安 710100; 4.北京電子工程總體研究所, 北京 100039;5.西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室, 陜西 西安 710071)

0 引 言

隨著電子攻防對抗技術的快速發展,電子戰已經成為現代戰爭中的新戰場。電子干擾往往被技術發達國家用作必備的進攻或防御手段,能形成對被干擾方的嚴重威脅,極大地削弱了被干擾方的探測打擊能力。特別是基于數字射頻存儲技術的干擾機能快速截獲雷達發射信號,根據提取的載頻、重頻、波達方向等雷達技術參數,產生靈活多變的干擾信號,對雷達實施精準干擾,嚴重制約了雷達的戰場生存能力。經過多年技術的發展,雷達裝備的抗干擾能力有了很大的提升。對于旁瓣干擾的抑制,專家學者已經提出許多行之有效的干擾對抗方法,如自適應廣義旁瓣相消、超低旁瓣設計及方向圖綜合技術等。但對于主瓣干擾的抑制,目前雷達的對抗效果并不理想[1]。因此,開展雷達抗主瓣壓制/欺騙干擾新技術研究,以提高雷達的低截獲能力和生存能力具有重要意義。

頻域作為重要的信號特征域,是雷達波形設計的重要出發點,也是干擾對抗的一個重要落腳點。通過頻域復雜調制可以有效提升雷達探測性能和抗干擾能力[2]。現代雷達信號的波形設計、雷達回波的信號處理、電子設備的電磁兼容以及頻譜分配、雷達分辨能力的提升、雷達干擾信號的調制等均無一例外的和信號的頻域息息相關,因而頻率捷變是現有雷達設計理論體系下行之有效的抗干擾技術手段之一。因頻率在寬頻帶內快速跳變,頻率捷變雷達降低了被偵察機識別的概率,并可以對抗壓制式和轉發式干擾。雖然寬帶阻塞式干擾能有效干擾頻率捷變雷達,但是干擾功率譜密度卻大大降低。因此,頻率捷變雷達具有良好的主動波形對抗優勢。

自20世紀60年代以來,美國、日本、俄羅斯、歐洲等國家相繼開展了頻率捷變技術方面的研究。最初的頻率捷變雷達采用非相參雷達體制,這一時期對捷變頻雷達測距[3]、海雜波特性[4]、目標探測性能[5]、角閃爍特性[6]等基礎特征展開了相應研究。1995年, Wehner通過引入匹配濾波理論,提出了一種擴展的Stretch方法,解決了傳統快速傅里葉變換的多普勒處理方法與頻率捷變雷達回波不兼容的問題,實現了頻率捷變雷達的相參積累[7],全相參捷變頻雷達開始出現在人們的視線中。文獻[8]結合了頻率捷變方法和稀疏重建技術,在壓縮感知框架下對多個頻率進行匹配濾波,生成高分辨率距離多普勒圖。

近幾年,全相參捷變頻雷達成為研究熱點之一,得到了廣泛應用。目前,國外主流的數字陣列雷達(如新型的AN/MPQ-63防空預警雷達、AN/SPY-1D反導雷達以及AN/APG-77/79機載雷達等)均采用了波形和頻率隨機捷變體制,發射波形通過軟件形成,可多達上萬個,捷變頻采用脈間大帶寬跳變方式,速率極快,難以被干擾機追蹤,具有良好的低截獲和抗干擾能力。

與國外的研究相比,國內相關頻率捷變雷達技術研究起步較晚,但發展迅速、勢頭強勁。清華大學的劉一民發表了一系列文章討論了幾種頻率捷變雷達目標的速度和距離估計方法,并研究了載波頻率的設計準則,提出了自適應頻率捷變機制,以進一步提高頻率捷變雷達的高分辨成像能力與抗干擾能力[9-11]。黃天耀利用觀測場景的稀疏性,采用壓縮感知算法重建場景,還提出了自適應匹配追蹤算法來解決壓縮感知算法中的模型失配問題[12]。張晨路等人探討了頻率捷變雷達接收機的系統實現,并針對該體制在雜波抑制上的難題,提出一種基于最優輸出信雜比的雜波濾波器的設計方法,對回波信號進行雜波抑制以實現動目標處理[13]。同時他們還研制了相參捷變頻雷達原理樣機,工作在X波段(9～10 GHz),共64個跳頻頻點,每個頻點間隔16 MHz,總合成帶寬為1 GHz。西安電子科技大學的全英匯教授研究了高頻雷達隨機跳頻信號的距離-多普勒二維高分辨處理。結合頻率監測系統,構建距離-速度二維冗余時頻字典矩陣,利用稀疏信號處理技術實現目標二維高分辨成像[14]。在彈載雷達末制導應用中,陳超和胡仕友等人將雷達的頻率捷變技術與相參技術相結合,分析了在頻率捷變條件下,運動目標回波相位的變化規律,并在此基礎上提出了利用相位補償原理來進行有效相參積累的方法[15]。然而,由于受到研究數據及算法穩健性等影響,頻率捷變雷達信號處理技術發展相對緩慢,特別是在復雜雜波背景、強密集干擾環境下對低雷達散射截面積(radar cross section,RCS)目標的識別與探測信號處理方面,需要進一步深入地研究和探討。

1 頻率捷變雷達的基本概念和特點

頻率捷變雷達指各發射脈沖載頻頻率在寬帶范圍內,按某種規律快速變化的一種脈沖體制雷達。頻率捷變雷達按照頻率捷變方式可分為脈內捷變頻、脈間捷變頻和脈組間捷變頻3種方式,本文主要研究脈間頻率捷變雷達。得益于相參頻率綜合技術的發展,現代頻率捷變雷達一般采用全相參脈沖體制,其頻率綜合器能夠確保雷達載頻在寬頻帶范圍內快速跳變,同時實現各個脈沖的相位相參,以確保后續的目標能夠得到有效的相參合成。其捷變頻信號模型可以表示為

(1)

fm=fc+a(m)Δf,m=1,2,…,M

(2)

式中:M為脈沖積累數;a(m)為隨機整數,被稱為第m個脈沖的頻率調制碼字,取值范圍0≤a(m)≤N-1;N為總的跳頻數,且滿足N>M;Δf表示相鄰載頻之間的頻率間隔,為了提高不同脈沖信號之間的正交性,使得

Δf=k/Tp

(3)

式中:k為正整數。頻率捷變雷達一般采用線性調頻(linear frequency modulated,LFM),復包絡:

(4)

頻率捷變雷達體制主要有以下幾個方面的優點。

(1)抗干擾能力強。現今的頻率捷變雷達可以實現大帶寬跳頻,完全隨機捷變,這樣雷達就掌握了信號頻譜上的主動權。首先,頻率捷變技術增加了干擾機的偵察干擾成本,使得偵察機難以準確截獲、分辨、識別雷達輻射源,同時載頻大范圍跳變可以有效降低干擾功率密度;其次,載頻快速捷變使得干擾機接收到雷達發射信號脈沖之后才能進行測頻及調制轉發干擾。這樣,雷達可以有效避免跨脈沖重復周期干擾和部分前拖干擾,甚至能由此計算出干擾機的真實距離[16]。

(2)提高雷達的探測成像性能。在雷達系統探測低空目標時,多徑效應導致接收的回波信號是由在強雜波背景下目標直接反射路徑與在波束寬度范圍內的反射路徑的信號疊加組成的,使角誤差明顯增大,降低了目標跟蹤精度。如果相鄰發射脈沖的載頻頻率變化很大,可以有效地去除相鄰回波脈沖間的相關性,減緩多徑效應帶來的負面影響[17]。在逆合成孔徑雷達中,捷變頻技術能防止成像結果發生堆疊[12, 18]。

(3)提高跟蹤精度。角閃爍效應會嚴重影響目標跟蹤性能,在雷達跟蹤系統中必須有效抑制角閃爍。脈間頻率捷變能夠有效去除相鄰回波脈沖間的相關性,人為地改變目標不同部位回波的相對相位關系,以達到抑制角閃爍現象的效果,因而可以大大減小角閃爍所引起的角度跟蹤誤差。而這種誤差是單脈沖雷達對近距離和中距離目標跟蹤誤差的主要來源[19]。采用頻率捷變技術后,對于飛機目標回波,在2～4 Hz以上的閃動誤差顯著地減小[20];對于船艦一類的大型目標,可以將跟蹤誤差減小為原來的1/2～1/4。

(4)距離高分辨和多普勒高分辨。對于經過頻率序列優化的頻率捷變雷達信號,其具有圖釘狀的模糊函數,這就意味著頻率捷變雷達可以同時為速度和距離測量提供高分辨的能力,不存在距離多普勒耦合現象,這是傳統的LFM雷達和頻率步進(stepped frequency, SF)雷達所不具備的。因此,頻率捷變雷達可以采用一種信號體制實現多普勒測速、高分辨成像等多種功能。

(5)抑制海浪雜波。海浪雜波特性會受到海況、雷達的載頻、極化等因素的影響。頻率捷變體制可以降低相同距離分辨單元內海浪雜波的時間相關性。去相關后的海浪雜波與海面目標在統計特性上有一定的差異,也會增加相參積累時等效獨立采樣脈沖數。可見,頻率捷變技術有助于改善雷達系統的信雜比,提高雷達系統海雜波背景下的目標檢測能力。

頻率捷變雷達在實際應用上主要存在兩個缺點。

(1)目標RCS快速起伏。雷達截面積對頻率和觀測視角是十分敏感的,頻率的變化也會引起有效反射面積的極大變化。由于復雜目標是由許多大小形狀有極大差別的小射體所組成的,而雷達天線所接收到的回波是這些散射體反射回波的矢量和[21]。當雷達發射的頻率變化時,由傳播途徑差而引起的相位差也隨之不同,因而各散射體所反射電波的矢量和也就隨著變化。當雷達工作于頻率捷變體制下時,由于每個脈沖的載頻都是不同的,因而每個回波的幅度將會有很大的變化,會對雷達系統的目標檢測帶來不小的影響。

(2)相參合成困難。不同于傳統的固定載頻脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達,由于捷變頻雷達所采用的脈間載頻跳變的原因,雷達回波信號在慢時間域等間隔采樣,導致脈間相位的非線性跳變,因而適用于固定參數PD雷達的快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)手段無法完成信號的相參積累,采用二維匹配濾波方法則會導致旁瓣抬高。同時,圖釘狀的模糊函數也使捷變頻雷達信號成為“多普勒敏感”信號,回波中的多普勒頻偏以及系統相位噪聲都會導致匹配濾波器產生多普勒失配現象,將導致濾波器性能迅速下降[22]。

2 頻率捷變雷達信號處理研究現狀

假設觀測場景中存在一個動目標,在t=0時刻目標的徑向距離和速度分別為r0和v0,則經過下混頻得到的基帶信號可以表示為

(5)

圖1 3種頻率捷變雷達信號頻率跳變方式示意圖

1968年,Ruttenburg將頻率步進引入雷達系統,提出了頻率步進雷達的概念。頻率步進雷達發射脈間頻率均勻步進的脈沖信號,相比于固定載頻PD雷達,該體制能夠以較小的硬件代價換取合成帶寬,從而提高雷達的距離分辨率,同時也提高了雷達系統的抗干擾能力。頻率步進雷達發射的信號脈間載頻頻率均勻步進,可以通過簡單的逆FFT(inverse FFT,IFFT)運算實現相參積累。同時針對目標的徑向運動會造成距離像的移動、波形發散的問題,文獻[23-24]討論了頻率步進雷達運動目標的信號處理方法。步進頻率雷達雖然可以通過高可靠性的硬件實現來獲得優異的雷達探測結果,但是其順序步進的雷達脈沖發射序列極易被電子戰設備偵獲并施加干擾,因此隨機步進頻率RSF雷達應運而生。該雷達體制將順序步進頻的連續頻點打亂發送,以提高雷達的抗干擾能力,同時可以降低系統瞬時帶寬和數據采樣率。文獻[25]研究了隨機頻率步進信號的相關輸出及模糊函數的統計特性。文獻[7]介紹了隨機頻率步進信號的相參處理方法,將接收回波按照頻率重組之后通過stretch拓展算法合成高分辨像。文獻[26]針對RSF波形,提出了一種同時提取多目標距離和多普勒信息的方法。為了驗證隨機步進頻率信號合成距離高分辨,設置隨機頻率步進信號及目標參數如表1所示,圖2為RSF信號相參處理結果,可見通過脈沖間的相參合成處理獲得了高距離分辨率,但是脈沖間頻率隨機跳變也導致了旁瓣的抬高。針對RSF信號的隨機性會抬高合成高分辨距離像的底噪,容易造成微弱目標漏檢這個問題,專家學者相繼提出采用Costas碼、雙曲線頻率序列、偽隨機碼[27]等隨機編碼序列,通過跳頻編碼的設計抑制匹配濾波后的旁瓣,以提升頻率捷變雷達的相參積累性能。文獻[28]則通過設計失配濾波器實現距離旁瓣的抑制。

圖2 RSF信號相參處理結果

表1 RSF信號及目標參數

無論是順序步進頻率還是隨機步進頻率,都存在一個問題:一旦某一個頻段被干擾覆蓋,接收的回波中總是存在干擾信號,則雷達的處理性能將大大降低。因此,有學者提出在隨機步進頻率的基礎上進行頻率抽取,只發射部分頻率的脈沖信號,這樣就能及時避開干擾能量強的頻段,進一步提高雷達系統的抗干擾性能。相對于傳統固定參數PD雷達以及步進頻雷達,這種脈間隨機頻率捷變雷達(frequency agility radar,FAR)的慢時間相位呈現出更強的非連續特征,其模糊函數呈現為圖釘形狀,可以實現時間-多普勒解耦合。但是FAR信號的隨機性使得其模糊函數中出現強度隨機起伏的旁瓣平臺,這意味著,不同參數的目標之間可能會相互影響,從而影響目標場景的重建性能,傳統基于匹配濾波思想的相參處理方法將不再適用于FAR。

為了減輕頻率捷變雷達信號的隨機起伏旁瓣平臺帶來的影響,實現FAR信號的相參處理,現有常用方法主要包括:① 先對目標初始距離進行參數估計,并對回波信號進行距離相位補償,然后進行目標多普勒估計。文獻[15]針對反艦導彈高速運動平臺,將頻率捷變與重頻抖動結合,通過參差脈沖重復間隔法來消除回波中的二次相位項,通過基于最大積累幅度準則的補償法來估計目標距離信息,最后通過FFT實現目標多普勒像的獲取。類似地,文獻[29]使用最小波形熵準則作為代價函數進行相參積累。然而,就目前的硬件水平來看,大跳頻帶寬或者長時間相參積累會使得算法的計算量提高,增加工程化應用難度[15]。② 先對目標速度進行參數估計,并對回波信號進行速度相位補償,然后進行目標距離像合成。文獻[30]采用這種方法,提出了一種新的基于非均勻FFT(nonuniform FFT,NUFFT)的多普勒處理方法進行消除速度項相位的影響,針對頻譜不連續波形存在高距離旁瓣或光柵旁瓣的問題,提出了一種新的合成高分辨距離方法,同時采用凸優化方法以抑制參數失配下的高旁瓣問題。文獻[31]針對高速目標檢測問題,提出了一種相干積分方法。該方法先采用keystone變換進行距離偏移校正,利用radon變換對多普勒頻率模糊度進行補償,并通過chirp-z變換對回波進行相干積分,最后通過逆傅里葉變換進行相參積累。與方法一類似,該類方法的難點同樣在于目標速度參數估計的計算量較大,難以實際工程應用。③ 同時實現速度-距離二維參數估計。文獻[32]中針對高速運動目標的長時間相參積累問題,提出FA-CRT方法得到目標距離-速度二維像,并針對寬帶模型進行了相應的改進。以上方法雖然可以完成相參積累難題,但是卻存在分辨力不足、參數估計精度不高、頻率跳變序列約束等短板。

2006年壓縮感知(compressed sensing,CS)理論被提出,在稀疏約束的條件下,構造與目標參數信息相關的字典矩陣,可以對目標的參數進行估計[33-34]。對于典型的稀疏目標場景、比如對空目標探測、海面大型艦艇探測等場景非常適用于CS參數重構框架。在稀疏場景下,稀疏重構方法同時適用于步進頻率雷達、RSF雷達和脈間隨機頻率捷變雷達,可以有效降低整個合成高分辨像的旁瓣,是目前雷達領域的熱點研究課題。文獻[35]討論了將CS方法應用FAR進行相參合成的一些關鍵問題,并給出了FAR使用壓縮感知方法進行稀疏重構的充分條件。文獻[36]系統闡述了頻率捷變波形在距離分辨率和頻譜利用率方面的優勢。文獻[37]提出基于自適應CS的RSF雷達距離-速度聯合估計算法,相比傳統的相參合成算法,在距離像分析中具有較高的分辨率。文獻[38]提出了一種基于CS的稀疏優化方法,用于隨機頻率跳頻和PRI抖動脈沖的高分辨率距離-多普勒像重構。文獻[39]提出了一種基于加權粒子群優化(particle swarm optimization,PSO)的CS方法實現FAR距離速度聯合估計方法。該算法基于泰勒展開法自適應地實時更新字典矩陣,解決了CS中存在的網格失配問題,并在CS迭代求解時結合了加權PSO動態優化方法,克服了傳統CS容易陷入局部極小值的問題,提高了算法的收斂速度。文獻[40]討論了貝葉斯框架下,捷變頻雷達信號的CS稀疏信號重構方法。

為驗證基于稀疏重構的捷變頻雷達相參積累方法的有效性,課題組開展了脈間FAR觀測空中大疆精靈3無人機實驗。實驗中使用的頻率捷變雷達參數如表2所示。圖3為脈間觀測空中無人機所錄實測數據的相參積累結果。圖3(a)和圖3(b)分別為脈沖壓縮結果與稀疏成像結果。圖3(c)和圖3(d)為分別采用基于CS的稀疏成像方法與直接進行速度-距離二維參數估計的成像方法得到的目標所在粗分辨單元的高分辨成像結果與直接進行速度-距離二維參數估計的成像方法相比,基于CS的稀疏成像方法大幅降低了旁瓣功率,大大提高了雷達系統的目標檢測性能。

圖3 FAR實測數據相參積累結果

表2 無人機實驗中FAR參數

然而,在強雜波或強干擾的情況下,直接基于CS的稀疏重構方法重構精度和成功率將大大降低。為此,文獻[41]提出了一種欺騙式干擾抑制算法,該方法通過Hough變換和峰值提取實現干擾的識別與抑制,采用CS實現高分辨率距離-多普勒像重構,提高了強干擾下FAR的目標檢測能力,文獻[42]則提出利用數學形態學和大津算法實現捷變頻體制下的干擾抑制。

為驗證FAR抗干擾性能,課題組與國內研究所聯合開展了不同的雷達外場對抗實驗。在外場對抗實驗1中,某研究所通過某雷達改造,完成了捷變波形的產生、接收與處理,實現了捷變波形的工程化應用。圖4為在雙干擾機下跟飛對抗試驗中,采用常規脈沖串波形與捷變波形下雷達處理結果。試驗中,在兩個干擾機均釋放窄帶瞄頻間斷噪聲干擾,干噪比約50 dB。從圖4中可以看出,常規脈沖串波形由于受干擾嚴重,經過干擾抑制和相參積累后,無法檢測到目標;使用捷變波形后,由于干擾占空比下降,采用干擾抑制與相參積累技術后,可以檢測到目標,有效提升了系統的干擾對抗能力。

圖4 波形處理結果

在雷達外場對抗實驗2中,干擾機位于海面目標船舶上,干擾遠處雷達;雷達分別工作在PD體制和捷變頻體制,探測目標。實驗中所用FAR參數如表3所示。

表3 外場對抗實驗2中FAR參數

圖5為雷達外場對抗實驗2數據處理結果,圖5(a)和圖5(b)分別為PD雷達脈沖壓縮結果與MTD結果。PD雷達被嚴重干擾,無法正確檢測目標。圖5(c)和圖5(d)為FAR脈沖壓縮結果與其俯視圖。與PD雷達脈壓結果相比,FAR回波信號中,干擾數量明顯減少,干擾信號強度也明顯降低。圖5(e)為未抑制干擾得到的二維高分辨稀疏重構結果,可以看到干擾信號破壞了回波的部分相位信息,導致重構結果中旁瓣抬高,不利于檢測目標。圖5(f)為采用抗干擾算法得到的稀疏重構結果,可以看到采用一定的抗干擾算法能進一步提高頻率捷變雷達的電子對抗能力。從捷變頻雷達外場對抗實驗1、實驗2的處理結果可知,FAR通過脈間載頻捷變增加了干擾機偵收截獲雷達波形的難度,進而有效降低回波信號中干擾的數量及功率密度,提升了雷達抗干擾能力。此外頻率捷變也使得雷達在電子對抗中由傳統的被動抗干擾轉為主動的波形對抗,可見FAR不僅具有良好的抗干擾能力,同時也具有獨特的主動波形對抗優勢。

圖5 捷變頻信號實測數據抗干擾成像結果

針對FAR,基于多普勒的雜波處理方法將失效,因此雜波抑制也是一個難題。文獻[13]針對相參FAR中的雜波抑制問題,提出了一種基于最大化輸出信雜比的雜波濾波器的原理和實現。文獻[22]利用雜波頻譜的先驗知識,提出一種基于CS和雜波白化加權的稀疏重構方法實現雜波抑制和目標速度檢測。文獻[43]給出了FAR的海浪雜波和目標回波頻域特性,并開展了FAR抗海雜波性能驗證試驗。但是目前關于捷變頻體制下的強干擾、強雜波抑制研究仍十分有限,相關的理論和算法仍處于論證和探索階段。

3 FAR接收機系統實現

不同于傳統固定參數PD雷達,FAR要求雷達在脈沖間隔內快速、準確地進行頻率跳變,同時要保證發射信號和解調信號保持嚴格的相位同步關系,這對雷達系統的硬件提出了更為苛刻的要求。最初FAR采用旋轉調諧磁控管振蕩器以及機械式的調諧方式,由于存在隨機初相、頻率穩定度低、捷變帶寬小等缺點,FAR長期停留在非相參體制。國外學者從20世紀60年代逐漸展開了全相參體制雷達的研究,經過數十年的發展,隨著集成電路技術的迅猛發展以及高穩定度高集成度芯片技術的發展,脈間FAR的頻率合成技術以及脈間波形捷變功能都已經相當成熟,在頻率穩定度、跳頻速度、最大跳頻帶寬等參數上都取得了長足的進步,并在各個雷達頻段都有相應頻率捷變源技術的實現[44]。通用的頻率捷變源技術主要分為基于鎖相環(phase locked loop,PLL)合成和直接數字頻率合成以及混合頻率合成技術等。基于鎖相環合成技術的捷變頻頻率源相當于一個閉環的相位控制系統,主要包括鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器和可變分頻器[45]。其通過對基準頻率的倍頻、分頻等產生所需要的載頻頻點,進而載頻信號選擇器進行載頻跳變,此種頻率生成方式具有較寬的頻帶,頻譜純度較好,結構簡單等優點,缺點在于輸出信號相位噪聲較差。基于直接數字頻率合成技術(direct digital synthesis,DDS)的捷變頻頻率源通過DDS波形發生器調制不同頻率的中頻信號,將中頻信號與相同載頻混頻并傳送到天線發射來實現頻率捷變,這種波形發生器可以通過集成電路與DA轉換器來實現,或者采用專用的DDS芯片來實現[46],該種頻率捷變方案具有靈活性高、分辨率高、相位噪聲低等優點,缺點是雜散抑制差,輸出頻率低。當雷達工作在高脈沖重復頻率條件下時存在距離模糊問題,需要有兩套同源的本振同時工作以解決上述問題,此時如采用基于鎖相環合成法容易產生相位模糊問題,而DDS的輸出頻率范圍不足。因此實際中往往采用PLL技術與DDS技術相結合的混合頻率合成技術以滿足高脈沖重復頻率頻率捷變信號的生成[47]。

關于頻率捷變新體制雷達的工程應用,國內多個研究所對FAR的頻綜、波控及信號處理進行了升級改造,并進行了外場試驗驗證。后續各科研院所將會對FAR進行更深入的研究和全面的工程化應用。

圖6 高脈沖重復頻率頻率捷變頻綜

4 FAR的發展趨勢

現代戰場復雜電磁環境下,難以在一個特征維度完全濾除干擾,往往需要在多個特征維度對干擾和目標進行區分。將頻率捷變技術與其他參數捷變技術相結合,充分挖掘現有雷達平臺多特征維度的目標參數測量潛力,發展靈活多變的多參數捷變是未來雷達研究的趨勢。文獻[48]提出將頻率捷變和極化捷變相結合,建立了相應的全極化模型,探討了極化捷變體制和頻率捷變體制之間的兼容性問題。文獻[49]提出一種同時綜合極化、頻率捷變和多載波相位編碼(multicarrier phase code, MCPC)的雷達探測技術,并就波形的設計和系統性能做了具體的分析。文獻[50]討論了載頻重頻聯合捷變波形模糊函數的期望和方差,同時給出了隨機參數與波形分辨能力、副瓣抑制能力之間的數值關系。文獻[51]在文獻[22]的基礎上提出一種以載頻、重頻、極化和波形編碼4種參數聯合捷變的新體制雷達,構建了雷達信號模型,給出了模糊函數的推導,并提出了基于多參數聯合捷變雷達的信號處理與目標檢測方法。

同時實現雷達智能化也是未來雷達技術發展的重要趨勢。智能化雷達相對于傳統FAR而言,其通過將雷達環境感知技術、波形調制技術、頻率捷變技術等有機融合,通過接收機的信號處理到發射機閉環反饋的形式實現高智能化、高靈活性、可配置的創新型雷達體制。基于對雷達環境探測信息的充分利用,智能化雷達可以在后續脈沖發射經過實時優化的捷變波形,在雷達成像、目標檢測、新體制雷達研究[52]等方向獲得了廣泛關注。智能化雷達的波形變化通常是通過構造的目標函數求解來獲取,根據不同的觀測任務會構造不同的代價函數,大量研究工作聚焦于代價函數的構造和優化求解來獲取自適應捷變波形。文獻[53]中構造關于交互信息和信噪比的代價函數,通過最大化信噪比和交互信息進行波形合成;文獻[54]構造關于干擾信號能量的代價函數來進行相位編碼波形設計。波形捷變方式更具針對性,在干擾環境下具備更優異的抗干擾效能。文獻[55]基于相位共軛梯度算法實現了自適應相位編碼信號的研究。文獻[56]中通過代價函數優化求解的方法來進行雷達波形的脈間初相捷變波形設計,并通過構造多普勒頻域凹陷對速度欺騙干擾目標進行抑制,從而提高了目標檢測的信干比。文獻[57]針對多干擾信號的目標探測場景,迭代求解關于干擾信號能量的目標函數,實現了基于感知信息的脈間初相捷變雷達信號處理算法研究。文獻[58]從電磁頻譜兼容性能和模糊函數角度出發進行認知雷達波形設計,提出了波形設計的數學模型及相應的求解算法,同時通過構建的試驗臺驗證并評估了優化后雷達信號的電磁頻譜兼容性能。

此外,在新體制脈間頻率捷變雷達方面,文獻[59]中研制出基于光學解調來實現相位調制頻率捷變的方案,實驗表明該種頻率源在10～40 GHz的頻率區間內有著很高的穩定度。文獻[60]中提出了一種多輸入多輸出體制的頻率捷變成像雷達,利用信號重組技術實現了高分辨率成像。

5 結束語

本文對頻率捷變雷達技術進行了詳細的描述,介紹了頻率捷變雷達的基本概念和特點,綜合國內外最新研究成果,著重闡述了FAR的信號處理方法研究,并介紹了FAR接收機系統實現和頻率捷變雷達的發展趨勢。頻率捷變技術雷達具有優異的低截獲和抗干擾性能,同時還提升了雷達的目標跟蹤探測能力和抗海浪雜波的性能,已廣泛應用于防空反導、戰場監視預警、目標探測、SAR高分辨成像等軍用和民用領域。近幾十年伴隨著信息處理算法和集成電路技術的迅猛發展,FAR的理論研究和應用取得了長足進步,但仍然存在一些亟待解決的問題。

(1)自適應頻率捷變。目前FAR多采用固定的載頻跳變序列。為進一步提升雷達在強電子對抗環境下的抗干擾能力,雷達載頻、重頻、編碼等波形參數可以自適應捷變。在空間態勢感知技術的支持下,自適應頻率捷變技術能夠實時監測雷達周圍復雜電磁環境,結合獲取的干擾信息和目標信息等觀測場景信息,對發射信號參數進行自適應優化,提高雷達的低截獲性能和抗干擾性能。

(2)復雜目標電磁散射機理的表征。雷達截面對頻率和視角是十分敏感的,現有的電磁散射機理建模與表征方法雖然能夠適用于典型目標甚至復雜目標,但多未考慮大帶寬頻率捷變的情況。當雷達發射的頻率變化時,目標多散射點合成的相位差也隨之不同,因而各散射體所反射電波的矢量和也就隨著變化,當雷達工作于頻率捷變體制下時,由于每個脈沖的載頻都是不同的,因而其每個回波的幅度將會有很大的變化,現有的RCS模型不能完全適用于FAR目標,難以為后續信號處理提供完整的理論支撐。

(3)高性能信號處理能力。雷達觀測場景感知、雷達參數動態捷變技術及捷變相參處理技術具有計算密大、實時性高、靈活多任務等特性,對傳統的信號處理平臺的運算能力、處理速度、數據吞吐量和工作環境等方面提出嚴苛的挑戰,因此需要高性能計算平臺作為支撐,這對嵌入式的彈載、無人平臺信號處理帶來挑戰。

盡管如此,隨著國內外學者和研究機構對頻率捷變雷達重視程度、科研成本投入以及軟/硬件水平的不斷提高,FAR信號處理技術必將得到更強力的推動和更廣泛的應用,擁有廣闊的發展前景。