波形分集陣列新體制雷達(dá)研究進(jìn)展與展望

朱圣棋 余 昆 許京偉 蘭 嵐 李西敏

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

1 引言

從機(jī)械掃描雷達(dá)到相控陣(Phased Array,PA)雷達(dá)直至多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷達(dá)，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)和環(huán)境的信息獲取能力不斷擴(kuò)展，系統(tǒng)可控自由度不斷增加。波形分集陣列雷達(dá)是在此基礎(chǔ)上又一次體制升級(jí)，其各發(fā)射天線的信號(hào)在空間、時(shí)間、頻率、極化以及調(diào)制方式上存在差異，增加了雷達(dá)系統(tǒng)的自由度，雷達(dá)可以更好地獲取信息，優(yōu)化目標(biāo)探測(cè)性能。

2004年美國(guó)電子電氣工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineering,IEEE)組織召開(kāi)“波形分集與設(shè)計(jì)”的國(guó)際會(huì)議，在波形分集概念和理論方面開(kāi)展了深入研究，展示了波形調(diào)制在通信、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域的成果[1–4]。近年來(lái)，波形分集受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。IEEE雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)P686/D2(2008年1月)將波形分集定義為“能夠?yàn)樘囟▓?chǎng)景和任務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化雷達(dá)性能的雷達(dá)波形的適應(yīng)性”。2007年IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing上出版關(guān)于波形分集的專題[5]。2009年IEEE Signal Processing Magazine發(fā)布了“波形捷變傳感與處理”特刊[6]。國(guó)外麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室、華盛頓大學(xué)、新澤西研究所、佛羅里達(dá)大學(xué)和牛津大學(xué)等以及國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等已展開(kāi)波形分集雷達(dá)理論和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究。波形分集陣列發(fā)射調(diào)制帶來(lái)了電磁波輻射特性的變化，取得了一定的研究進(jìn)展，提升了雷達(dá)在檢測(cè)、跟蹤和抗干擾[7]等方面的性能。從波形分集雷達(dá)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上主要分為頻分、時(shí)分、碼分3種方式。

基于頻分的波形分集技術(shù)—頻率分集陣列(Frequency Diverse Array,FDA)概念最早由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室Antonik等人[8]在2006年的IEEE雷達(dá)會(huì)議上提出。文獻(xiàn)[9–12]對(duì)FDA進(jìn)行了綜述性的介紹。對(duì)FDA的研究包含了對(duì)發(fā)射方向圖特性分析和信號(hào)處理層面上系統(tǒng)自由度的利用。在發(fā)射方向圖特性方面，部分學(xué)者探討了FDA天線發(fā)射方向圖隨頻率步進(jìn)量、時(shí)間、距離的變化特性、距離-角度耦合問(wèn)題及時(shí)變問(wèn)題。文獻(xiàn)[13–15]分析了FDA天線方向圖的周期性、距離-角度依賴特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者直接從發(fā)射端考慮解決目標(biāo)距離-角度耦合問(wèn)題，通過(guò)采用對(duì)數(shù)頻偏[16,17]、隨機(jī)頻偏[18]、漢明窗遞減的頻偏[19]以及采用智能算法[20–22]的方式進(jìn)行非均勻頻率步進(jìn)量設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射方向圖在目標(biāo)處的能量聚焦以及干擾抑制。FDA天線發(fā)射方向圖的時(shí)變問(wèn)題，可以通過(guò)脈沖體制[23]、凸優(yōu)化算法[24]實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)的發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，空軍工程大學(xué)、海軍航空大學(xué)等學(xué)者也對(duì)時(shí)不變方向圖問(wèn)題進(jìn)行了分析[25,26]。在信號(hào)處理方面，諸多文獻(xiàn)探索了FDA新信息/新自由度的利用方法。文獻(xiàn)[27]利用FDA距離維可控自由度對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行無(wú)模糊估計(jì)，文獻(xiàn)[28]推導(dǎo)了FDA-MIMO雷達(dá)基于MUSIC的參數(shù)估計(jì)的性能表達(dá)式。文獻(xiàn)[29]初步探討了利用自適應(yīng)二維波束形成對(duì)抗主瓣干擾的問(wèn)題，隨后文獻(xiàn)[30]做了改進(jìn)，分析了對(duì)抗跨周期的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙式干擾的可行性。針對(duì)假目標(biāo)偽隨機(jī)分布問(wèn)題，提出接收主瓣方向的子空間投影和信號(hào)功率檢測(cè)[30]、非奇異樣本挑選[31]方法實(shí)現(xiàn)樣本挑選。文獻(xiàn)[32]考慮了非理想正交波形條件下的抗干擾，基于距離-角度二維匹配濾波器來(lái)抑制由于距離維失配的假目標(biāo)。此外，電子科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、空軍工程大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)對(duì)基于波形分集的抗主瓣欺騙式干擾問(wèn)題做了相關(guān)研究[33–36]。文獻(xiàn)[37–40]研究了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)FDA-MIMO雷達(dá)在地海面雜波抑制和廣域運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[41]通過(guò)空時(shí)距離三維自適應(yīng)處理方法，綜合利用空間角度、距離和多普勒三維信息進(jìn)行自適應(yīng)雜波與干擾的同時(shí)抑制。文獻(xiàn)[42]提出了一種增強(qiáng)的三維聯(lián)合域局域化STAP方法，包括發(fā)射-接收空間頻率域的欺騙式干擾預(yù)白化方法，在存在強(qiáng)真實(shí)目標(biāo)和重地雜波的情況下，有效地提取不可預(yù)測(cè)的欺騙干擾樣本，提高雷達(dá)抗干擾性能。文獻(xiàn)[43]提出了一種基于FDA的目標(biāo)高分辨距離方位成像方法，使雷達(dá)波束圖不僅是角度的函數(shù)，還含有距離信息，通過(guò)協(xié)同收發(fā)波束形成實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的距離角度成像。文獻(xiàn)[44]提出了一種利用FDA距離維自由度實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶成像距離解模糊方法，解決了SAR成像測(cè)繪帶寬對(duì)方位高分辨率的制約問(wèn)題。本團(tuán)隊(duì)以復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)主瓣干擾抑制的世界性難題為牽引，揭示FDA雷達(dá)同時(shí)利用角度和距離信息分離目標(biāo)與干擾的原理，提出FDA雷達(dá)聯(lián)合多維域信號(hào)處理方法，突破雷達(dá)主瓣干擾抑制的難題。

基于時(shí)分的波形分集技術(shù)—時(shí)間分集陣列(Time Diverse Array,TDA)雷達(dá)通過(guò)在相鄰陣元間引入時(shí)間延遲，獲得了空間和時(shí)間耦合特性，僅需要一種波形即可實(shí)現(xiàn)全空域的覆蓋，而且不同陣元所發(fā)射的信號(hào)在時(shí)間上正交，從而克服了傳統(tǒng)的相干MIMO[45–48]雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射波形正交性的限制。2013年Babur等人[49]將TDA與MIMO雷達(dá)相結(jié)合，首次提出了時(shí)間分集空時(shí)編碼陣列(Space Time Coding Array,STCA)的概念。文獻(xiàn)[50–56]對(duì)STCA特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[49,51]指出STCA通過(guò)引入時(shí)間延遲可以在廣闊的空間覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定增益。文獻(xiàn)[52]對(duì)STCA的空域覆蓋能力及其在距離上的分辨率做出了分析和驗(yàn)證，指出空域覆蓋能力的提升是以降低距離分辨率為代價(jià)的。針對(duì)距離分辨率降低問(wèn)題，文獻(xiàn)[53]提出通過(guò)相位校正方法來(lái)降低距離副瓣。Babur等人[54,55]對(duì)STCA的性能進(jìn)行了分析，詳細(xì)推導(dǎo)了典型空時(shí)編碼波形的模糊函數(shù)，并針對(duì)陣元發(fā)射波形間的互耦問(wèn)題，提出在發(fā)射端的波束形成校準(zhǔn)技術(shù)[56]。此外，STCA的許多應(yīng)用已在文獻(xiàn)[57–62]發(fā)表，包括數(shù)字波束形成、陣列校準(zhǔn)、參數(shù)估計(jì)等。文獻(xiàn)[58]在STCA的啟示下，實(shí)現(xiàn)了在雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)工作模式下的方向圖誤差矯正以及天線互耦的聯(lián)合校正，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[59]提出了一種擴(kuò)展的恒定稀疏的循環(huán)碼用于發(fā)射波束的合成。文獻(xiàn)[60]詳細(xì)推導(dǎo)了時(shí)間延遲與波束角覆蓋范圍之間的定量關(guān)系，提出了一種新的基于chirp-STCA的波束形成方法，從而使能量能夠均勻地輻射到期望角區(qū)域。文獻(xiàn)[61]在快拍不足和信噪比低的情況下，研究了基于STCA的波達(dá)方向(Direction Of Arrival,DOA)估計(jì)方法。本團(tuán)隊(duì)研究提出了一種基于發(fā)射維空間自由度的波束域超分辨角度估計(jì)方法[63]，通過(guò)設(shè)計(jì)角度-時(shí)間二維匹配濾波器，在接收端等效形成發(fā)射多波束，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的自由度，提高距離角度分辨性能，且工程上易實(shí)現(xiàn)。

基于碼分的波形分集技術(shù)—編碼技術(shù)已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)的各種維度，包括快速時(shí)間維、空間維、脈沖維，以及它們之間的聯(lián)合。通過(guò)研究二相碼和多相碼的最優(yōu)自相關(guān)峰值旁瓣電平[64]和積分旁瓣電平[65]保持脈沖壓縮信噪比；文獻(xiàn)[66,67]采用脈沖間編碼方式用于擴(kuò)大合成孔徑雷達(dá)的成像條帶；方位向編碼技術(shù)[68]、MIMO技術(shù)[69–71]用于SAR抑制距離模糊；文獻(xiàn)[72]提出了一種陣元間的編碼方式，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信一體化系統(tǒng)的干擾抑制。最早研究的空時(shí)編碼是基于通信系統(tǒng)的，然后應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的聯(lián)合快時(shí)間維和空間通道維[73–76]以及聯(lián)合脈沖維和陣元維[77]。實(shí)際上，空間或脈沖內(nèi)引入相位編碼項(xiàng)等價(jià)于調(diào)制發(fā)射脈沖內(nèi)有關(guān)項(xiàng)頻率，在波形分集研究工作中，我們提出了一種脈沖和陣元間的編碼方案。基于MIMO體制提出了采用傅里葉基在聯(lián)合發(fā)射陣元-脈沖維進(jìn)行編碼的新雷達(dá)框架[78]，即陣元脈沖編碼-多輸入多輸出(EPCMIMO)雷達(dá)。研究表明，EPC-MIMO在發(fā)射空間頻率域引入了新的自由度，可實(shí)現(xiàn)不同脈沖回波的分離。新自由度同時(shí)提升了雷達(dá)解距離模糊的能力，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)角度和距離模糊數(shù)估計(jì)，且模糊數(shù)識(shí)別能力與陣元數(shù)成正比。上述所提傅里葉基是以單調(diào)遞增或遞減的順序加入到陣元和脈沖的，在無(wú)雜波環(huán)境下的編碼方式可以是任意的[79]。文獻(xiàn)[80]考慮利用EPC方法實(shí)現(xiàn)主瓣干擾抑制，制定了EPC-MIMO雷達(dá)編碼系數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，來(lái)區(qū)分不同模糊區(qū)內(nèi)的真假目標(biāo)，并通過(guò)非自適應(yīng)波束形成實(shí)現(xiàn)了主瓣欺騙式干擾抑制。文獻(xiàn)[81]研究了面對(duì)高分寬幅(High Resolution and Wide Swath,HRWS)SAR成像應(yīng)用的編碼方法，提出兩種編碼方案并對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性與限制做了具體的分析。本團(tuán)隊(duì)利用EPC雷達(dá)陣元脈沖間發(fā)射靈活的優(yōu)勢(shì)，提出距離無(wú)模糊參數(shù)估計(jì)[78]和主瓣欺騙式干擾抑制[80]方法，未來(lái)可推廣應(yīng)用于星載高分寬幅成像[82]。

本文對(duì)波形分集陣列雷達(dá)的基本概念、研究現(xiàn)狀和研究趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)歸納與總結(jié)，重點(diǎn)介紹了本團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展，突破主瓣欺騙式干擾抑制和高分寬幅成像難題等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了波形分集陣列試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，并進(jìn)行雷達(dá)主瓣干擾抑制的初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。全文結(jié)構(gòu)安排如下：第1節(jié)為引言；第2節(jié)介紹波形分集陣列雷達(dá)的基本概念，重點(diǎn)對(duì)3種主要的發(fā)射分集技術(shù)進(jìn)行闡述；第3節(jié)從應(yīng)用角度介紹本團(tuán)隊(duì)波形分集陣列雷達(dá)方面所提出的信號(hào)處理新方法，以及原理樣機(jī)的研制與試驗(yàn)驗(yàn)證效果；第4節(jié)對(duì)波形分集陣列雷達(dá)技術(shù)難點(diǎn)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 波形分集陣列的概念

波形分集陣列常見(jiàn)形式包括對(duì)發(fā)射陣元進(jìn)行頻率調(diào)制構(gòu)成的頻率分集陣列(FDA)、對(duì)發(fā)射陣元進(jìn)行時(shí)延調(diào)制形成的時(shí)間分集陣列(TDA)和對(duì)發(fā)射陣元沿慢時(shí)間進(jìn)行相位調(diào)制形成的陣元脈沖編碼陣列(EPC)。通過(guò)多樣式的發(fā)射分集，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束靈活可控，可以最大限度地提高雷達(dá)資源的利用率，達(dá)到提升雷達(dá)系統(tǒng)性能、擴(kuò)展雷達(dá)系統(tǒng)能力的目的。

2.1 FDA的基本原理與概念

考慮M個(gè)陣元組成的一維等距線陣，F(xiàn)DA在各發(fā)射陣元上引入微小的線性頻率變化，因此不同天線單元的發(fā)射頻率可表示為

其中，f0為雷達(dá)的參考工作頻率，Δf為遠(yuǎn)小于工作頻率的頻率步進(jìn)量。陣元間距為dλ0/2，其中λ0c/f0為參考波長(zhǎng)，c為光速。第m個(gè)發(fā)射陣元的發(fā)射信號(hào)形式可以表達(dá)為

其中，φ(t)表示各發(fā)射陣元的基帶信號(hào)。在空間遠(yuǎn)場(chǎng)距離R，角度θ，空間遠(yuǎn)場(chǎng)合成的信號(hào)可以表示為

FDA相對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)在發(fā)射陣元上僅存在微小的頻率調(diào)制。然而，F(xiàn)DA和相控陣的方向圖卻發(fā)生了本質(zhì)的變化。采用表1的仿真參數(shù)，F(xiàn)DA和相控陣的方向圖如圖1所示，方向圖呈現(xiàn)S型，在距離和空間角度產(chǎn)生耦合。利用耦合信息，可獲取發(fā)射端距離維可控自由度，具有靈活的信號(hào)處理能力。可用于解決傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)難以實(shí)現(xiàn)抗主瓣欺騙式干擾、距離模糊雜波抑制等問(wèn)題。

圖1 方向圖對(duì)比Fig.1 Comparison of transmit pattern

表1 FDA和PA仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of FDA and PA

2.2 TDA的基本原理與概念

時(shí)間分集陣列雷達(dá)不同發(fā)射陣元發(fā)射的信號(hào)之間存在一定的時(shí)延差異，因此TDA第m個(gè)發(fā)射天線陣元的信號(hào)可以表示為

其中，?Tp/2≤t ≤Tp/2。同樣，在空間遠(yuǎn)場(chǎng)距離R，角度θ，空間合成的遠(yuǎn)區(qū)信號(hào)分布可以表示為

采用表2的仿真參數(shù)，圖2所示為T(mén)DA發(fā)射方向圖。時(shí)延導(dǎo)致了不同時(shí)刻的發(fā)射端相位變化，當(dāng)時(shí)延等于帶寬的倒數(shù)即Δt1/B時(shí)，相位在一個(gè)脈沖寬度時(shí)間的變化范圍內(nèi)剛好覆蓋整個(gè)空間角度域。在FDA雷達(dá)中，當(dāng)Δf1/Tp時(shí)，由頻偏帶來(lái)的脈內(nèi)空時(shí)耦合使波束掃描覆蓋整個(gè)空域，也可實(shí)現(xiàn)方向圖全空域覆蓋。因此，可以認(rèn)為T(mén)DA和FDA的發(fā)射方向圖都具有距離角度耦合特性。與相控陣?yán)走_(dá)相比，無(wú)須預(yù)先對(duì)發(fā)射端進(jìn)行相位調(diào)制，TDA陣列即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束自動(dòng)空域掃描。因此，這種靈活的發(fā)射波束分集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了波形分集體制雷達(dá)相比相控陣體制在獲取目標(biāo)信息方式上的轉(zhuǎn)變，可以增強(qiáng)雷達(dá)提取信息的能力。

圖2 TDA發(fā)射方向圖Fig.2 Transmit pattern of TDA

表2 TDA仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of TDA

2.3 EPC 的基本原理與概念

對(duì)各發(fā)射陣元進(jìn)行相位調(diào)制可理解為對(duì)發(fā)射波束指向進(jìn)行控制。陣元脈沖編碼是一種在脈沖間對(duì)各發(fā)射陣元進(jìn)行相位調(diào)制，利用隨慢時(shí)間時(shí)變的發(fā)射波束，實(shí)現(xiàn)波形分集的技術(shù)。第m個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射的第k個(gè)脈沖的相位編碼信號(hào)可表示為

假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)(R,θ)位置處存在一點(diǎn)目標(biāo)，在陣元發(fā)射第k個(gè)脈沖時(shí)，空間合成的遠(yuǎn)區(qū)信號(hào)分布可以表示為

EPC等效發(fā)射波束示意圖如圖3所示，多個(gè)連續(xù)脈沖發(fā)射波束，可視為全空域覆蓋。EPC和FDA,TDA同樣具備靈活的發(fā)射波束，可作為一種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與跟蹤多樣化的新體制技術(shù)手段。

圖3 EPC發(fā)射波束示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmit pattern for EPC radar

3 波形分集陣列雷達(dá)最新進(jìn)展

現(xiàn)有波形分集陣列雷達(dá)的研究主要分為兩類，一種是結(jié)合MIMO技術(shù)，另一種就是相干體制。在相干體制下，接收端不能分離各個(gè)發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的信號(hào)，波形分集體制的發(fā)射維信息得不到充分的利用。若要獲得分離的發(fā)射信號(hào)，則需要采用MIMO技術(shù)。目前已有的對(duì)于相干體制下的波形分集陣列的研究主要是基于匹配濾波方法的參數(shù)估計(jì)方法研究。

3.1 距離角度二維聯(lián)合處理的發(fā)射波束形成和匹配濾波

傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)在遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶假設(shè)下，空域和時(shí)域可以級(jí)聯(lián)處理，而時(shí)間分集陣列時(shí)域發(fā)射波形與空域?qū)蚴噶坎荒芊蛛x，通過(guò)設(shè)計(jì)角度-時(shí)間二維匹配濾波器，可以在接收端等效形成多發(fā)射波束，獲得發(fā)射端自由度，實(shí)現(xiàn)距離維匹配濾波和發(fā)射波束形成[63]。經(jīng)過(guò)下變頻后的回波信號(hào)可表示為

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行M路匹配濾波，第i路匹配濾波函數(shù)可構(gòu)造為

其中，θi為第i個(gè)匹配角度，即波束形成角度，滿足如下條件：

在式(10)的約束下，匹配濾波函數(shù)中的空域?qū)蚴噶靠赊D(zhuǎn)化為離散傅里葉基的形式，即exp{j2πmi/M}，其中，m0,1,...,M ?1,i0,1,...,M ?1。因此，M路匹配濾波可進(jìn)行正交波束形成，得到M組正交波束進(jìn)行全空域探測(cè)。

相干FDA體制下，不同空間角度方向的散射點(diǎn)的回波包絡(luò)和相位變化歷程不同，因此，相干FDA雷達(dá)的匹配濾波函數(shù)是角度-時(shí)間的二維函數(shù)[83]。FDA的回波可表示為

為實(shí)現(xiàn)對(duì)空間任意點(diǎn)的匹配濾波，需要對(duì)每個(gè)空間角度設(shè)計(jì)一個(gè)匹配濾波函數(shù)，構(gòu)造的匹配濾波函數(shù)為

對(duì)于給定角度，等效匹配濾波器受發(fā)射方向圖的幅度和相位調(diào)制，脈壓積累時(shí)間僅為發(fā)射方向圖主瓣對(duì)應(yīng)的窗長(zhǎng)。相干FDA的匹配濾波函數(shù)實(shí)際上是由基帶波形和發(fā)射方向圖共同決定的。如圖4所示，沿電磁波傳播方向，TDA發(fā)射方向圖沿距離維是時(shí)變的，對(duì)于給定角度，相干FDA有效的相干積累時(shí)間僅為發(fā)射方向圖主瓣的持續(xù)時(shí)間。

圖4 發(fā)射方向圖隨距離的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between transmit pattern and range

需要說(shuō)明的是，當(dāng)發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)，F(xiàn)DA通過(guò)調(diào)整雷達(dá)發(fā)射脈沖的寬度或頻率步進(jìn)量，TDA通過(guò)調(diào)整陣元間時(shí)延，可以實(shí)現(xiàn)部分空間的覆蓋，調(diào)整雷達(dá)感興趣的觀測(cè)空域。相干FDA和TDA具有靈活的空間覆蓋能力，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)和信號(hào)接收處理方法，可大大提高雷達(dá)空間覆蓋能力和效率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 頻率分集MIMO雷達(dá)抗主瓣欺騙式干擾

從干擾產(chǎn)生機(jī)理上講，多通道發(fā)射的信號(hào)在空間中線性疊加，發(fā)射調(diào)制的信息在干擾機(jī)截獲方是無(wú)法辨別的，所以當(dāng)干擾機(jī)產(chǎn)生虛假目標(biāo)時(shí)，只能利用截獲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間的延遲和多普勒調(diào)制處理，這在傳統(tǒng)雷達(dá)體制下，假目標(biāo)和真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)形式完全一致，難以辨別。如圖5所示，首先在停拖期產(chǎn)生和目標(biāo)相同距離單元的假目標(biāo)，假目標(biāo)能量高于真實(shí)目標(biāo)能量。其次在拖引期移動(dòng)假目標(biāo)所在距離單元，欺騙雷達(dá)的跟蹤波門(mén)跟隨假目標(biāo)。當(dāng)真實(shí)目標(biāo)和假目標(biāo)距離很遠(yuǎn)時(shí)，干擾機(jī)關(guān)機(jī)，導(dǎo)致雷達(dá)跟丟目標(biāo)，進(jìn)而再次轉(zhuǎn)入搜索階段。這是主瓣欺騙式干擾用于雷達(dá)跟蹤階段的典型示例。

圖5 假目標(biāo)產(chǎn)生示意圖Fig.5 Schematic diagram of false target generation

捷變是通過(guò)“快變”降低干擾信號(hào)相參可能性，保證目標(biāo)信號(hào)相參積累增益。而分集思想是設(shè)計(jì)可辨識(shí)的調(diào)制信息，用于在接收端獲得信號(hào)和干擾的區(qū)分度。如圖6所示，頻率分集陣列雷達(dá)是利用了雷達(dá)多天線之間頻率的差異，使得目標(biāo)距離維信息表現(xiàn)為發(fā)射陣元之間的頻率差異，對(duì)不同距離的目標(biāo)存在不同的相位差異。傳統(tǒng)雷達(dá)在抑制主瓣干擾的同時(shí)目標(biāo)也被抑制。本質(zhì)上，頻率分集引入新的距離維信息和距離維可控自由度，可形成距離-角度二維發(fā)射天線方向圖，在距離角度二維空間調(diào)零，選擇性抑制特定距離的回波，從而抑制延遲轉(zhuǎn)發(fā)的欺騙式干擾信號(hào)。

圖6 干擾抑制原理Fig.6 Principle of interference suppression

利用FDA雷達(dá)距離角度二維自由度，在發(fā)射-接收二維域進(jìn)行自適應(yīng)波束形成，約束真實(shí)目標(biāo)的距離和角度二維信息，從而抑制與真實(shí)目標(biāo)信息距離角度信息失配的欺騙式干擾信號(hào)，即使是主瓣方向的欺騙式干擾信號(hào)也會(huì)因?yàn)榫嚯x信息的失配被有效地抑制[84]。圖7給出了FDA雷達(dá)基于非自適應(yīng)波束形成抗主瓣欺騙式干擾結(jié)果。圖7(a)給出了Capon譜分布，可見(jiàn)真實(shí)目標(biāo)由于收發(fā)頻率相同，因此沿主對(duì)角線分布，而對(duì)于假目標(biāo)，與真實(shí)目標(biāo)存在pRu·2Δf/c的發(fā)射頻率偏差，分布偏離主對(duì)角線。圖7(b)給出了發(fā)射-接收二維非自適應(yīng)波束形成器響應(yīng)，即二維方向圖。圖7(c)對(duì)比了不同方法FDA雷達(dá)的匹配濾波結(jié)果。FDA-MIMO雷達(dá)由于同時(shí)具有角度和距離維的自由度，采用非自適應(yīng)波束形成抑制假目標(biāo)后，預(yù)設(shè)的真實(shí)目標(biāo)處會(huì)形成峰值。此外，可以采用穩(wěn)健的信號(hào)處理方法，設(shè)計(jì)穩(wěn)健波束形成器，可克服小樣本、陣列誤差、估計(jì)誤差等造成的波束形成器性能損失。

圖7 FDA雷達(dá)主瓣欺騙式干擾抑制結(jié)果Fig.7 Suppression results of deceptive interference in the mainlobe with FDA radar

3.3 EPC-MIMO星載雷達(dá)高分寬幅成像

星載合成孔徑雷達(dá)因其獨(dú)特的全天時(shí)、全天候、全球?qū)Φ爻上衲芰Γ诃h(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事偵察等領(lǐng)域得到高度重視。方位向高分辨率意味著較大的多普勒帶寬，需要以足夠高的脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)進(jìn)行方位采樣，而寬測(cè)繪帶無(wú)距離模糊要求采用低 PRF。星載雷達(dá)高分寬幅成像矛盾在于對(duì)PRF的選擇提出了截然相反的要求。筆者團(tuán)隊(duì)先后提出基于FDAMIMO的SAR系統(tǒng)高分辨寬測(cè)繪帶成像距離解模糊方法和基于空間-脈沖相位編碼技術(shù)的HRWSSAR成像新方法。

頻率分集陣列發(fā)射導(dǎo)向矢量具有距離和角度二維依賴性，可表示為

其中，fR為距離頻率，fa為角度頻率，R為距離，θ為方位角度。由于方位角度的不同，相距Ru的距離模糊目標(biāo)，其空間頻率相差

其中，u ∈N為整數(shù)部分，q ∈[0,1]為小數(shù)部分。FDAMIMO雷達(dá)通過(guò)形成距離依賴的發(fā)射方向圖，因此不同距離的目標(biāo)在空間頻率域完全重疊，如圖8所示。

圖8 FDA雷達(dá)距離模糊信號(hào)的空間譜Fig.8 Spatial spectrum of range ambiguious signals for FDA radar

由于采用正交波形，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波可恢復(fù)FDA的發(fā)射自由度。進(jìn)行接收波束形成以及距離依賴性補(bǔ)償，使回波信號(hào)在空間頻率域區(qū)分開(kāi)。通過(guò)對(duì)補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射波束形成，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離模糊信號(hào)的抑制，從而提取各距離區(qū)域的回波信號(hào)。對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)成像處理即可得到無(wú)距離模糊的高分辨寬測(cè)繪帶SAR圖像[85]。

采用空間-脈沖相位編碼技術(shù)解決高分辨寬測(cè)繪帶成像距離解模糊[82]，首先，通過(guò)仿真模擬計(jì)算確定SAR系統(tǒng)參數(shù)，并基于所確定的距離區(qū)域覆蓋數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)良好的編碼方案。其次，根據(jù)所設(shè)計(jì)的編碼方案，沿著慢時(shí)間對(duì)每個(gè)發(fā)射通道所發(fā)射的脈沖進(jìn)行相位編碼。發(fā)射陣元和脈沖間采用如圖9(a)所示一般編碼方式。此外，還可采用一種更靈活的編碼方法，如圖9(b)所示，通過(guò)對(duì)編碼相位矩陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可獲取更好的模糊雜波分離效果。

圖9 EPC相位編碼方案Fig.9 Phase coding scheme for EPC

對(duì)接收到的回波數(shù)據(jù)做匹配濾波處理，將不同發(fā)射通道的發(fā)射脈沖所對(duì)應(yīng)的回波進(jìn)行距離匹配濾波并分離發(fā)射信號(hào)。針對(duì)每個(gè)距離區(qū)域的回波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行解碼操作，可得到對(duì)應(yīng)不同距離區(qū)域的P組回波數(shù)據(jù)。利用解碼后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射波束形成，分別提取出不同距離區(qū)域的主瓣回波數(shù)據(jù)，如圖10所示。采用傳統(tǒng)的 SAR 成像算法對(duì)所提取的主瓣回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，便可得到由各個(gè)距離區(qū)域SAR圖像所組成的HRWS-SAR圖像。

圖10 距離模糊回波分離方法Fig.10 Separation method for range ambiguious echo

3.4 頻率分集MIMO雷達(dá)雜波抑制

高速平臺(tái)前視陣?yán)走_(dá)在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程中面臨強(qiáng)大的雜波干擾，一方面，前視陣?yán)走_(dá)雜波具有顯著的距離依賴性，近程與遠(yuǎn)程雜波分布特性差異較大；另一方面，由于平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致主雜波嚴(yán)重?cái)U(kuò)展，雷達(dá)需提高脈沖重復(fù)頻率(PRF)來(lái)降低雜波多普勒模糊，但這將導(dǎo)致雜波發(fā)生多重距離模糊，如圖11所示。因此，當(dāng)二者同時(shí)存在時(shí)，近程雜波與遠(yuǎn)程雜波相互疊加，雷達(dá)雜波抑制性能將嚴(yán)重下降。

圖11 機(jī)載雷達(dá)距離模糊雜波區(qū)域幾何示意圖Fig.11 Geometric configuration of range ambiguity clutter for airborne radar

FDA雷達(dá)通過(guò)在陣元之間引入微小的載頻偏移，等效地在發(fā)射端引入了隨時(shí)間變化的發(fā)射權(quán)值，能夠形成角度、距離、時(shí)間依賴的發(fā)射方向圖，利用該距離角度依賴的方向圖來(lái)改善距離模糊的STAP算法，通過(guò)距離維自由度分離不同距離的模糊雜波，再在發(fā)射方向圖形成零陷來(lái)抑制距離模糊的雜波回波，最后通過(guò)傳統(tǒng)雜波補(bǔ)償算法對(duì)齊觀察區(qū)域的距離依賴性雜波[39–41]。傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)淹沒(méi)在近程雜波中，無(wú)法檢測(cè)到，如圖12(a)和圖12(c)所示。在FDA雷達(dá)中，利用FDA距離角度耦合特性，將近程雜波平移到兩端，從而避免近程模糊雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響，如圖12(b)和圖12(d)所示。

圖12 距離模糊雜波功率譜示意圖Fig.12 Power distribution of range ambiguity clutter

圖13給出了雜波抑制改善因子隨多普勒的變化曲線。由圖13可見(jiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)改善因子性能在模糊距離區(qū)主瓣雜波和無(wú)模糊距離區(qū)主瓣雜波的性能下降嚴(yán)重。FDA雷達(dá)中，由于雜波在空間頻率域?qū)崿F(xiàn)了分離，因此對(duì)于無(wú)模糊距離區(qū)目標(biāo)檢測(cè)，改善因子僅在無(wú)模糊距離區(qū)主瓣雜波處存在凹口。FDA距離模糊雜波抑制方法，利用頻率分集陣列發(fā)射導(dǎo)向矢量的距離角度依賴性，在空間頻率域可以有效地分離距離模糊雜波。將雜波分離技術(shù)與傳統(tǒng)雜波譜補(bǔ)償方法相結(jié)合，顯著提升了距離模糊雜波抑制的性能。由于FDA雷達(dá)能夠在空間頻率域?qū)o(wú)模糊距離區(qū)雜波與模糊距離區(qū)雜波分開(kāi)，因此能有效提高非均勻雜波抑制性能。

圖13 雜波功率譜IF曲線Fig.13 IFcurve of clutter power spectrum

3.5 波形分集陣列雷達(dá)原理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)波形分集陣列雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行演示與驗(yàn)證，本團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)展了波形分集陣列雷達(dá)原理樣機(jī)研制，如圖14所示，解決多通道波形產(chǎn)生、雷達(dá)發(fā)射機(jī)頻率步進(jìn)信號(hào)調(diào)制、多通道獨(dú)立基帶包絡(luò)信號(hào)調(diào)制以及多通道信號(hào)接收機(jī)高速數(shù)據(jù)采集、緩存、傳輸、存儲(chǔ)等問(wèn)題。采用上位機(jī)+系統(tǒng)邏輯控制器的研制方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、多種工作模式靈活控制。研制了多通道發(fā)射-接收射頻組件與天線系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多通道發(fā)射與接收的校正網(wǎng)絡(luò)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理表明該部雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了雜波抑制、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和抗主瓣欺騙式干擾等功能。在西安電子科技大學(xué)南校區(qū)，搭建了波形分集陣列雷達(dá)試驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)展了雷達(dá)外場(chǎng)/內(nèi)部校正、抗主瓣干擾試驗(yàn)、抗多樣式干擾試驗(yàn)。如圖15所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括一部架設(shè)在高樓上的雷達(dá)原理樣機(jī)，裝載在運(yùn)動(dòng)汽車上的主瓣欺騙式干擾機(jī)以及位于旁瓣的干擾站。實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景如圖16所示。試驗(yàn)的雷達(dá)參數(shù)如表3所示。

表3 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of radar

圖14 原理樣機(jī)組成部件Fig.14 Components of principle prototype

圖15 外場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)景及要素Fig.15 Experiment scenarios and elements

圖16 實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景Fig.16 Scenario of the actual outfield experiment

目前該部雷達(dá)具備相控陣、普通MIMO和EPC這幾種發(fā)射模式。由于實(shí)際地理環(huán)境中高樓比較多，雜波回波能量較強(qiáng)且沿距離單元分布不均勻。如圖17所示，強(qiáng)雜波沿距離維成塊出現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)中雜波主要集中在400～1200 m以及1800～2500 m兩塊區(qū)域，在其他區(qū)域可近似看成是噪聲。通過(guò)對(duì)比各種體制雜波抑制前后的結(jié)果，雜波均得到較好的抑制，說(shuō)明了EPC雷達(dá)和PA,MIMO雷達(dá)一樣具備雜波抑制和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力。但由于不同體制下目標(biāo)輸出功率不同，對(duì)波形分集陣列雷達(dá)和傳統(tǒng)體制的雜波抑制性能對(duì)比，有待進(jìn)一步研究。

圖17 雜波抑制結(jié)果Fig.17 Results of clutter suppression

通過(guò)裝載在目標(biāo)上的欺騙式干擾機(jī)，產(chǎn)生時(shí)延和多普勒調(diào)制的假目標(biāo)。設(shè)置雷達(dá)工作模式為相控陣模式、MIMO模式和EPC模式，錄取真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與地物雜波回波加干擾信號(hào)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行MTD和抗干擾處理，觀察抗主瓣干擾效果，如圖18所示。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理表明，EPC模式下可實(shí)現(xiàn)主瓣欺騙式干擾有效抑制，與PA雷達(dá)或MIMO雷達(dá)相比，干擾抑制性能提升50 dB。

圖18 干擾抑制結(jié)果Fig.18 Results of interference suppression

4 波形分集陣列雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用展望

波形分集陣列雷達(dá)增加了發(fā)射維系統(tǒng)自由度，在抗干擾、檢測(cè)等方面比傳統(tǒng)相控陣/MIMO雷達(dá)性能更優(yōu)，是雷達(dá)體制演化的一個(gè)重要方向，具有重要的研究意義。結(jié)合現(xiàn)有波形分集的部分研究進(jìn)展，筆者認(rèn)為在以下幾個(gè)方面仍需開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。

4.1 波形分集陣列雷達(dá)方向圖調(diào)控

波形分集體制的發(fā)射方向圖與相控陣?yán)走_(dá)不同，具有全/部分空域覆蓋特性，不同的波形分集體制波束也有差異，比如FDA和TDA具有距離依賴特性，而EPC不依靠距離角度耦合即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集。通過(guò)設(shè)計(jì)接收端的角度-時(shí)間二維匹配濾波器，在接收端形成等效發(fā)射多波束，獲得發(fā)射自由度，實(shí)現(xiàn)時(shí)空二維多波束相參處理。因此，后期研究需結(jié)合電磁場(chǎng)幅度和相位的分布特性，深入分析波形分集陣列發(fā)射分集優(yōu)勢(shì)，揭示其電場(chǎng)分布差異的物理本質(zhì)，使雷達(dá)具備更強(qiáng)的抗干擾、雜波抑制能力，適應(yīng)未來(lái)對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能提升的需求。

4.2 發(fā)射天線波形分離

FDA-MIMO雷達(dá)和EPC-MIMO雷達(dá)同時(shí)具有發(fā)射波形分集和MIMO雷達(dá)的雙重優(yōu)勢(shì)。由于結(jié)合MIMO雷達(dá)，需要在接收端對(duì)發(fā)射波形進(jìn)行分離，從而提取出距離維的可控自由度，而實(shí)際中多通道波形互相關(guān)會(huì)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能造成影響。同樣，非理想正交波形之間的相互干擾也將會(huì)給SAR圖像的質(zhì)量造成不同程度的影響。特別是對(duì)于山地、沙漠以及城市等大面積散射較強(qiáng)的SAR場(chǎng)景，上述干擾將嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，甚至很難從所獲得的SAR圖像中辨別地貌特征。考慮到實(shí)際中的正交波形難以滿足在任意延遲時(shí)間、任意多普勒頻移條件下互相關(guān)為零的條件，加之MIMO雷達(dá)中的空間角度因素不可忽略，波形設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。未來(lái)可開(kāi)展多維(時(shí)間維、頻率維、角度維)空間中的非凸優(yōu)化問(wèn)題研究，同時(shí)結(jié)合波形恒模特征等系統(tǒng)約束，進(jìn)行波形分集陣列雷達(dá)正交波形設(shè)計(jì)。

4.3 距離-角度-多普勒多維域聯(lián)合處理

筆者認(rèn)為，波形分集陣列的主要優(yōu)勢(shì)在于發(fā)射維自由度可控。因此，將發(fā)射維聯(lián)合接收維、距離、多普勒、極化等可以提高雷達(dá)系統(tǒng)資源的靈活性，多維域信號(hào)處理新方法是未來(lái)雷達(dá)獲取目標(biāo)信息的發(fā)展方向。而目前，在對(duì)于發(fā)射維還需要深入挖掘發(fā)射自由度，包括但不局限于距離、編碼自由度。研究波形分集雷達(dá)多維域中的信號(hào)分布，重點(diǎn)解決多維域中發(fā)射維自由度的利用與信息的提取問(wèn)題，以期解決在復(fù)雜背景下的波形分集雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)、雜波抑制和抗干擾問(wèn)題。

4.4 脈內(nèi)欺騙式干擾抑制

對(duì)于脈間欺騙式干擾，現(xiàn)有波形分集技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很好的抑制效果。然而隨著數(shù)字射頻采集與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，脈內(nèi)快速轉(zhuǎn)發(fā)欺騙式干擾將會(huì)嚴(yán)重影響雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)性能。由于波形分集陣列可以在發(fā)射維形成距離可控自由度，因此，波形分集技術(shù)依然是對(duì)抗脈內(nèi)快速轉(zhuǎn)發(fā)干擾的有效途徑。因此，需對(duì)距離維自由度的物理概念深入研究，明確發(fā)射方向圖距離角度耦合的解釋，進(jìn)一步挖掘相干FDA可控自由度的資源。

4.5 多維參數(shù)聯(lián)合捷變抗干擾

通過(guò)頻率捷變，實(shí)現(xiàn)載頻無(wú)規(guī)律跳轉(zhuǎn)及大帶寬能力，可對(duì)抗瞄準(zhǔn)式噪聲干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)前拖欺騙干擾、跨脈沖重復(fù)周期欺騙式假目標(biāo)和部分拖曳式干擾。通過(guò)波形捷變，使得相鄰脈沖間波形正交，跨脈沖重復(fù)周期的假目標(biāo)欺騙干擾無(wú)法進(jìn)行時(shí)域脈沖壓縮。相鄰脈沖頻率捷變，跨脈沖重復(fù)周期的假目標(biāo)欺騙式干擾無(wú)法進(jìn)行方位向積累。發(fā)射隨機(jī)的極化編碼序列，可以抑制固定極化發(fā)射的欺騙干擾。聯(lián)合頻率、極化、波形和重頻捷變，不僅提高了雷達(dá)的抗偵收和低截獲能力，同時(shí)對(duì)于干擾信號(hào)的抑制效果更好。

4.6 相控陣/波形分集陣列雙模雷達(dá)體制

波形分集陣列雷達(dá)發(fā)射波束覆蓋范圍廣，根據(jù)能量守恒，其反射信號(hào)回波的能量相比相控陣較弱，因此，該體制的弊端是回波信號(hào)的信噪比較低。如果結(jié)合相控陣的高增益特性，構(gòu)建相控陣和波形分集陣列雙模同時(shí)工作模式，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，合理利用雙模信息融合的技術(shù)方向，有望提升抗干擾、雜波抑制、目標(biāo)高分辨等方面的性能。

5 結(jié)論

發(fā)射分集技術(shù)改變了傳統(tǒng)雷達(dá)獲取信息的方式，是雷達(dá)技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。波形分集陣列有別于相控陣?yán)走_(dá)和MIMO雷達(dá)，通過(guò)合理的發(fā)射頻率、時(shí)間、脈沖參數(shù)調(diào)控，依靠距離-角度二維聯(lián)合發(fā)射波束形成技術(shù)，獲得了額外的發(fā)射維可控自由度，采用發(fā)射-接收聯(lián)合多維信號(hào)處理方法，增加了雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理的維度，在抗主瓣欺騙式干擾、距離模糊雜波抑制和高分寬幅成像等方面，提升了雷達(dá)系統(tǒng)性能。

未來(lái)隨著波形分集陣列方向圖調(diào)控、發(fā)射波形分多維域聯(lián)合信號(hào)處理、多維參數(shù)聯(lián)合捷變、相控陣-波形分集陣列雙模融合檢測(cè)等分項(xiàng)技術(shù)的日趨成熟，波形分集陣列新體制及其相關(guān)技術(shù)，將廣泛應(yīng)用于地海空天平臺(tái)雷達(dá)的更新?lián)Q代，依靠體制進(jìn)步，提升雷達(dá)的多維探測(cè)能力。