2016-频控阵雷达：概念、原理与应用

第38卷第4期电子与信息学报Vol.38No.42016年4月JournalofElectronics&InformationTechnologyApr.2016频控阵雷达：概念、原理与应用王文钦*邵怀宗陈慧(电子科技大学通信与信息工程学院成都611731)摘要：频控阵雷达是近年来提出的一种新体制阵列雷达技术，它能够形成具有距离依赖性的发射波束，克服了传统相控阵雷达不能有效控制发射波束的距离指向问题，并具有很多独特的应用优势。该文系统地介绍频控阵雷达的概念、原理和应用特点，全面梳理国内外关于频控阵雷达技术的研究文献，系统性地总结归纳频控阵概念、基本原理及其雷达应用特点等几个方面的研究现状，并分析频控阵雷达未来的应用前景和亟待解决的关键技术问题。关键词：频控阵；频控阵雷达；阵列设计；相控阵；新体制雷达中图分类号：TN958文献标识码：A文章编号：1009-5896(2016)04-1000-12DOI:10.11999/JEIT151235FrequencyDiverseArrayRadar:Concept,PrincipleandApplicationWANGWenqinSHAOHuaizongCHENHui(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China)Abstract:FrequencyDiverseArray(FDA)radarisanewradartechniqueproposedinrecentyears.FDAusesasmallfrequencyincrementsacrossitsarrayelementstoprovidearange-dependenttransmitbeampattern,whichovercomesthedisadvantagesofaphased-arrayprovidingrange-independentbeampattern,andoffersmanypromisingadvantagesforradarapplications.Thispaperintroducestheconcepts,principlesandapplicationcharacteristicsofFDAradar,makesanoverviewofrecentFDAradarliterature,anddiscussesFDAradarpromisingapplications,alongwithexistingtechnicalchallenges.Keywords:FrequencyDiverseArray(FDA);FDAradar;Arraydesign;Phased-array;Newradarscheme1引言相控阵雷达的优势之一在于可自由地实现波束的空间扫描，因而广泛地应用于雷达目标检测与成像应用。通常相控阵雷达每个阵元发射的是同一信号，通过在每个阵元的输出端接入移相器进行波束方向控制，调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描。此外，还可以通过改变雷达系统的工作频率来实现波束扫描，即频率扫描天线。然而，相控阵和频率扫描天线都存在一个缺点[1]：在每一扫描快拍内，波束指向在距离向是恒定的，也就是说波束指向与距离是无关的。但是在某些应用中，例如距离相关性干扰或杂波抑制应用，常常又期望阵列波束在同一快拍内能够以相同的角度指向不同的距离，这就需要波束的指向能够随距离的变化而变化。收稿日期：2015-07-28；改回日期：2015-11-27；网络出版：2016-02-19*通信作者：王文钦[e-mail]基金项目：国家自然科学基金(61501781,61471103)，四川省科技支撑项目(2015GZ0211,2014GZ0015)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61501781,61471103),SichuanProvincialTechnologyResearchandDevelopmentFund(2015GZ0211,2014GZ0015)2006年，文献[2]首次提出FDA(FrequencyDiverseArray)雷达概念，并申请了美国专利[3]。FDA直译应为频率复用阵列，但笔者认为这种新体制雷达从其工作原理上讲译作频控阵更为妥当。这是因为频控阵和相控阵雷达一样发射相参信号，只是经过附加很小的频偏(频偏远远小于其载频)控制后辐射出去的信号频率中心有所偏移，但其主要频率成分是重叠的，这与OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)[4]和MIMO(Multiple-InputMltiple-Output)所要求的频率正交性要求是不同的。表1比较频控阵技术与几种典型的阵列技术的特点。可见，频控阵和相控阵具有相似的物理特性，可以将频控阵看作是相控阵的一种扩展，而相控阵是频控阵的一种特例，所以本文称这种新体制雷达为频控阵雷达[5]。由于这种阵列天线具有距离依赖性方向图，该概念一经提出便在美国国防研究机构中引起广泛关注[6,7]。近年来，国际期刊和会议上也涌现出了不少频控阵雷达方面的相关研究论文，从不同角度和应用背景研究了相关的理论与方法，推动着频控阵雷达技术向前发展[8]。本文系统地介绍频控阵雷达的原第4期王文钦等：频控阵雷达：概念、原理与应用1001表1频控阵与几种典型的阵列的技术特点比较发射阵列方向图阵列类型工作模式发射信号阵列增益距离依赖方位角依赖FDA非正交载波相干有有有相控阵非正交载波相干有无有OFDM正交载波非相干无无有MIMO相同载波非相干无无有频率扫描相同载波相干有无有理、特点和应用潜力，全面梳理国内外关于频控阵雷达技术的研究文献，系统性地总结频控阵雷达的基本原理、实现方式和应用研究等方面的研究现状，并分析其未来的应用前景和亟待解决的关键技术问题。本文的结构安排如下：第2节介绍频控阵雷达的基本原理和基本特点；第3节讨论频控阵雷达的研究现状；第4节和第5节分别讨论频控阵雷达的应用前景、发展趋势和亟待解决的关键技术问题；第6节总结全文。2频控阵雷达的基本原理2.1频控阵雷达的基本概念如图1所示，频控阵雷达在相邻阵元上对发射信号附加一个远小于雷达工作载频的频率增量fΔ，即第1个阵元的辐射频率为0f，而第m个阵元的辐射信号频率为图1频控阵雷达的发射阵列示意图0,0,1,,1mffmfmM=+⋅Δ=−(1)式中，M为阵元数。以1维线性均匀阵列频控阵雷达为例，假设期望波束的指向角为θ和指向距离为r，则其均匀加权的发射波束辐射图可近似推导为[9]()00j0;,sinsinsinecccsinsinsincccFtrfdfrfdMftfdfrfdrftΦθθθθθ⎧⎫⎛⎞Δ⋅Δ⎪⎪⎪⎪⎟⎜πΔ−++⎨⎬⎟⎜⎟⎜⎪⎪⎝⎠⎪⎪⎩⎭=⎧⎫⎛⎞Δ⋅Δ⎪⎪⎪⎪⎟⎜πΔ−++⎨⎬⎟⎜⎟⎜⎪⎪⎝⎠⎪⎪⎩⎭(2)其中，d为阵元间隔，c为光速，而相位因子0Φ为()0002/c(1)(sinftrMfrfdfdΦθ=π−−π−Δ−−Δsin)/cftθ⋅−Δ。由式(2)可见，频控阵雷达具有以下特点[6,7,10]：(1)频控阵雷达与频率扫描雷达是不同的：频率扫描雷达的频偏是在不同时间施加的，所有阵元在相同时刻的频偏是相同的；而频控阵雷达是在同一时间对不同阵元施加不同的频偏。(2)频控阵雷达的频偏是另外附加的，而不是阵列本身发射正交多频信号：频控阵发射信号是与相控阵一样的相参信号，只是经过附加的频偏控制后辐射出去的信号频率不同。因此，频控阵仍然属于相控阵范畴，这点与发射不同载频信号的OFDM雷达是不同的。(3)如图2所示，频控阵的阵列指向将受所加载的频偏fΔ影响。(4)当频偏fΔ固定时，波束指向随频偏变化而变化，即波束指向具有距离相关性；当距离r固定时，波束指向随频偏变化而变化，即波束指向具有频偏相关性；当频偏0fΔ=时，频控阵雷达退化为相控阵雷达。2.2频控阵雷达的主要特点频控阵的昀主要特点是其阵列因子具有距离依赖性。假设3kHzfΔ=,12M=,010GHzf=和0c/2df=，图3比较了频控阵和相控阵的阵列方向图[8]。相控阵的阵列方向图不具有距离依赖性，而频控阵独特的“S”形阵列方向图是由其阵列因子0(csin/sin)/cftrdffdθθΔ−+Δ+引起的。该因子在0θ=和/2θ=π之间的距离差为0(c/)(/)fdλΔd+，其中00c/fλ=为信号波长。这表明，其阵列方向图的峰值是0/dλ和fΔ的函数。频控阵的另一个主要特点是阵列因子具有周期性。由式(2)可知，其阵列方向图的峰值将出现在0sinsin,ccc0,1,2,dfffdfkkθθΔΔΔ−++==±±(3)式(3)表明，当一个参数固定时，非固定参数可有多组解；当其中两个参数固定时，第3个参数将有唯一解。例如，考虑sinθ，我们可得()0ccsinkftrdffdθ−Δ−=+Δ(4)它依赖于距离r和时间t两个参数。假设10M=，0100MHzf=,o0θ=和10kHzfΔ=，图4给出了230st=μ和250st=μ两个时刻的阵列扫描指向图。2.3频控阵雷达的几种实现方式为了避免发生目标响应的频率去相关效应，其频偏应该满足[11]：()c21sinfMξθΔ−(5)1002电子与信息学报第38卷图2频控阵雷达的发射阵列示意图图3频控阵与相控阵的阵列方向图比较图4频控阵具有时变的阵列方向图扫描指向式中，ξ为目标长度，2sinξθ为目标长度在雷达孔径方向的投影。同时，为了保证各阵元发射信号之间不出现去相关效应，fΔ还应满足：()11pfMTΔ−(6)式中，pT为相干处理时间间隔。目前有好几种关于频控阵雷达的频偏设置实现方式，但不同的实现方式具有不同的系统性能特点[12]。2008年，WICKS和ANTONIK[3]申请了一种基于混频器步进频的频控阵实现方法的技术发明专利，首先产生一个预设的频率信号，该信号再分别与阶跃频率为fΔ的步进频信号进行混频，从而实现频控阵的频率配置。这种实现方案的昀大缺点是混频器的镜像频率和射频与本振频率的交调影响将导致阵列信号的频谱纯度较差，容易导致后续的信号处理出现目标模糊问题[13]。该专利还提出了另一种采用独立本振源的实现方案，即每个阵元采用独立的信号源。可以采用直接数字频率合成器或可编程锁相环来产生所需的各阵元波形，但需要考虑时钟抖动和相位噪声的影响问题[1416]−。文献[17]提出了另一种基于功分器的频控阵实现方法。这种方案也有因混频器引起的交调和镜像频率影响问题，但它避免了本振源的时钟抖动和相位噪声问题。由于频控阵辐射方向图具有时变性，文献[18]提出一种基于时间延迟线的频控阵设计方法，具有良好信号频谱纯度，但其对模拟信号的高精度延迟控制难度较大。3频控阵雷达的研究现状在2006年的IEEE雷达学术年会上，ANTONIK等人[2]首次提出频控阵雷达概念，即一种波束指向与距离有关的雷达系统；并进而提出一种多自由度(包括空间、时间、频率、调制方式和波形)的多模式雷达[19]。随着频控阵雷达的深入研究，涌现出大量研究文献，并完成了数篇博士/硕士学位论文[6,7,10,13,2022]−。当前的研究现状可归纳为以下几个方面：3.1频控阵的阵列特性分析文献[23-25]分析了频控阵发射波束的距离依赖特性及其在距离模糊杂波抑制中的应用，并有两份美国专利[26,27]讨论了频控阵在增加雷达系统自由度方面的应用潜力。文献[17]分析了频控阵辐射方向图的时间和相位周期特性，文献[28]分析了频控阵天线的周期性波束扫描特性，并设计了一种廉价的频控阵天线[25]。文献[29]指出频控阵发射波束会出现距离和方位角响应的耦合问题，进而提出基于迭代昀小均方的空间-距离自适应处理