王文欽 陳 慧 鄭 植 張順生

①(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 成都 611731)

②(電子科技大學(xué)電子科學(xué)技術(shù)研究院 成都 611731)

1 引言

為了彌補(bǔ)相控陣陣列因子與距離變量無關(guān)的缺點(diǎn)，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)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(shù)，并提出一種結(jié)合空間、時間和頻率調(diào)制的FDA雷達(dá)系統(tǒng)。FDA直譯應(yīng)為頻率復(fù)用陣列，但筆者認(rèn)為從其工作原理上講譯作頻控陣更為恰當(dāng)[4]。這是因?yàn)轭l控陣和相控陣一樣發(fā)射相參信號，只是經(jīng)過附加很小的頻偏(頻偏遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(kuò)展，而相控陣是頻控陣的一種特例。

頻控陣與傳統(tǒng)相控陣的主要差別是前者的各陣元采用不同的發(fā)射信號載頻，而后者的各陣元一般采用相同的發(fā)射信號載頻。頻控陣所采用的陣元間頻偏將導(dǎo)致其空間傳播波束不但與方位角有關(guān)，也與距離有關(guān)。因此，除了具有相控陣的所有功能特性，頻控陣在目標(biāo)探測、干擾抑制、電子對抗和安全通信等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用潛力。近年來，頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)受到國內(nèi)外的廣泛研究關(guān)注：2014年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室研制出一款頻控陣?yán)走_(dá)原型機(jī)，驗(yàn)證了頻控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射波束傳播特性。2015年，土耳其也研制出頻控陣?yán)走_(dá)原理樣機(jī)。2017年，國際信號處理領(lǐng)域頂級期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing》組織出版了頻控陣技術(shù)方面的專刊[11]。2017年和2018年的IEEE雷達(dá)學(xué)術(shù)年會均安排有頻控陣?yán)走_(dá)專題討論分會。可見，頻控陣技術(shù)已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)，但還存在諸多技術(shù)難點(diǎn)亟待研究解決。為此，在作者的“頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用”(《電子與信息學(xué)報》，2016, 38(4)：1000–1011)一文基礎(chǔ)上，本文全面梳理近3年來國內(nèi)外關(guān)于頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)及其應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展，討論頻控陣在雷達(dá)對抗和雷達(dá)-通信一體化等幾種新領(lǐng)域方面的應(yīng)用潛力，并指出其亟待研究解決的關(guān)鍵問題，以期進(jìn)一步推動頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究進(jìn)展。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2節(jié)簡要介紹頻控陣的基本原理和基本特點(diǎn)，第3節(jié)綜述頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)及其應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展。第4節(jié)和第5節(jié)分別討論頻控陣技術(shù)在雷達(dá)對抗和雷達(dá)-通信一體化等方面的應(yīng)用前景和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。第6節(jié)總結(jié)全文。

2 頻控陣的基本原理

2.1 頻控陣的信號模型

由于頻控陣是一種相對較新的陣列技術(shù)，我們首先對頻控陣的信號模型作簡要的推導(dǎo)分析。與相控陣不同，常規(guī)頻控陣在相鄰陣元上對發(fā)射信號附加一個遠(yuǎn)小于其載頻的頻率偏移Δf。假設(shè)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(shù)。假設(shè)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(biāo)處的電場場強(qiáng)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(shù)，其中k0為對應(yīng)f0的傳播常數(shù)。值得一提的是，fe(θ|ωm)是當(dāng)角頻率為ωm時的陣元輻射方向圖函數(shù)。由于頻控陣陣元的輻射方向圖函數(shù)是頻率的函數(shù)，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(shè)在頻控陣帶寬內(nèi)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(yuǎn)場情況下，由于rm?(M-1)·dsinθ，我們可以認(rèn)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(tǒng)的相控陣(Δf=0)的輻射方向圖只依賴角度。

假設(shè)給定時間t=0,M=8,f0=10 GHz,Δf=30kHz,d=c0/(2f0)和目標(biāo)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?？梢?，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?yàn)轭l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(dá)的目標(biāo)探測能力，但需解決距離和方位角耦合問題。

2.2 頻控陣的主要特點(diǎn)

頻控陣的最主要特點(diǎn)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(jīng)受到廣泛的研究關(guān)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(shè)每個陣元發(fā)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(xù)波信號發(fā)射情況，則有t1=0和t2→∞。依據(jù)式(6)，頻控陣的發(fā)射波束峰值會出現(xiàn)在

進(jìn)而可得

對于給定的距離r和方位角θ，頻控陣發(fā)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(shè)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(fā)射信號的脈沖寬度。式(11)表明，脈沖頻控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射波束也具有脈內(nèi)時變性。

假設(shè)Tp=1 ns, Δf=1 kHz和陣元間距為半波長，則有這說明頻控陣發(fā)射波束的脈內(nèi)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(dǎo)，可得

相應(yīng)地，頻控陣等效瞬時波束在時間t∈[t1，t2]內(nèi)的掃描方位角范圍為：

3 頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的最新研究進(jìn)展

自2006年Antonik等人提出頻控陣?yán)走_(dá)概念技術(shù)以來，該技術(shù)已引起廣泛的研究關(guān)注[21–31]，并進(jìn)行了試驗(yàn)測試[23]。由于筆者已經(jīng)在2016年初發(fā)表的“頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用”一文[4]中對2006年–2015年期間的頻控陣?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)技術(shù)最新研究進(jìn)展情況。

3.1 頻控陣發(fā)射方向圖綜合設(shè)計方面

為了抑制頻控陣發(fā)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(shù)頻偏的去耦合方法，可以實(shí)現(xiàn)頻控陣在傳播空間中出現(xiàn)能量不連續(xù)的點(diǎn)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(shù)增長頻偏的去耦合方法[33]，即第m個陣元的頻偏為Δfm=mηΔf。當(dāng)η=1時，為常規(guī)頻控陣；當(dāng)η=0時，為相控陣。假設(shè)f0=10 GHz,d=c0/(2f0),M=16, Δf=3 kHz和目標(biāo)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(fā)射方向圖?？梢姡害窃酱?，則波束越聚焦，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(guī)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(guī)整的柵瓣組合規(guī)律而形成新的波束柵瓣。進(jìn)而，Liu等人[34]提出采用隨機(jī)頻偏的頻控陣發(fā)射波束去耦合方法，但其缺點(diǎn)是在實(shí)際系統(tǒng)中并不能實(shí)現(xiàn)隨機(jī)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(diǎn)”波束方向圖綜合已成為研究熱點(diǎn)[35]：Shao等人[36]提出一種基于多載波的頻控陣“點(diǎn)”狀發(fā)射波束方向圖綜合方法。該方法采用了最簡單的均勻加權(quán)，沒有考慮頻控陣陣列因子時變因素的影響，只是驗(yàn)證了頻控陣可以在距離-方位角空間中形成點(diǎn)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(diǎn)，只是不同應(yīng)用場合可能需要利用其不同的陣列特性。為此，Gao等人[37]進(jìn)一步提出考慮時變因素影響的頻控陣點(diǎn)波束方向圖綜合方法。在此基礎(chǔ)上，Xiong等人[38]提出一種基于遺傳算法的頻控陣點(diǎn)狀波束方向圖優(yōu)化設(shè)計方法。

為了解決頻控陣發(fā)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(diào)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(diǎn)時不變聚焦[41]和近距多點(diǎn)時不變聚焦[42]發(fā)射波束形成方法。在此基礎(chǔ)上，Cheng等人[43]進(jìn)一步引入陣列指向調(diào)制技術(shù)來設(shè)計時不變頻控陣發(fā)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(xiàn)[46]指出上述方法在工程實(shí)現(xiàn)中存在諸多問題。此外，將當(dāng)前針對相控陣的陣列方向圖綜合新方法應(yīng)用到頻控陣中也是一個研究熱點(diǎn)[47–50]。

3.2 頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)探測方面

頻控陣發(fā)射波束的距離依賴性能夠拓展現(xiàn)有陣列探測能力，有望應(yīng)用于檢測/抑制距離依賴性目標(biāo)/干擾，以及多徑甚至主瓣干擾抑制，所以目標(biāo)距離-方位角聯(lián)合估計是當(dāng)前頻控陣?yán)走_(dá)研究中的一個熱點(diǎn)。Sammartino等人[51]提出一種基于頻控陣的雙站雷達(dá)系統(tǒng)，并引入非線性頻偏和MIMO配置，其主要目的是增加雷達(dá)系統(tǒng)的自由度。Wang等人提出使用雙脈沖[52]或子陣技術(shù)[53]的頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)檢測與定位方法，進(jìn)而分析了頻控陣?yán)走_(dá)的模糊函數(shù)特性及其優(yōu)化設(shè)計方法[54]，并提出基于嵌套陣的頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)距離和角度聯(lián)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?yán)走_(dá)目標(biāo)定位方法。Qin等人[57]提出采用互質(zhì)頻偏的頻控陣?yán)走_(dá)多目標(biāo)定位方法。

為了徹底解決頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)探測應(yīng)用中由距離-方位角耦合性帶來的目標(biāo)參數(shù)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(gòu)建新體制的FDA-MIMO技術(shù)。需要說明的是，雖然基于頻率波形復(fù)用的MIMO和FDA-MIMO具有相似性，但它們在物理本質(zhì)上是不同的。前者的頻偏主要用來分離不同發(fā)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(yuǎn)小于其發(fā)射信號的帶寬。雖然前者在空間上也可以形成距離相關(guān)性波束，但其大頻偏會形成大量柵瓣，導(dǎo)致能量發(fā)散和增加目標(biāo)參數(shù)估計難度。Xu等人[58]提出基于FDA-MIMO的雷達(dá)目標(biāo)距離和方位角聯(lián)合估計方法，并進(jìn)而提出一種基于自適應(yīng)FDA-MIMO雷達(dá)的目標(biāo)3維參數(shù)估計方法[59]。由于CRLB(Cramer-Rao Lower Bound)是一種常見的目標(biāo)參數(shù)估計性能評估手段，Gao等人[60]提出基于CRLB最小化的FDA-MIMO優(yōu)化設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，Xiong等人[61]推導(dǎo)了FDA-MIMO雷達(dá)在目標(biāo)距離-方位角聯(lián)合估計中的CRLB、MSE(Mean of Square Error)和分辨力特性，其結(jié)果表明FDAMIMO雷達(dá)能夠綜合利用頻控陣?yán)走_(dá)和MIMO雷達(dá)的優(yōu)勢。

為了避免頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)距離-方位角聯(lián)合估計中的多維峰值搜索估計復(fù)雜度，Cui等人[62]提出針對雙基FDA-MIMO雷達(dá)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(dá)在低空波束覆蓋能力方面具有應(yīng)用優(yōu)勢，并提出基于面陣FDA-MIMO雷達(dá)的目標(biāo)3維參數(shù)聯(lián)合估計方法[64]。Gong等人[65]將稀疏信號處理技術(shù)應(yīng)用到FDA-MIMO雷達(dá)中。由于上述方法均未考慮頻控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)響應(yīng)的時變性影響問題，Gui等人[66]提出一種基于頻控陣?yán)走_(dá)時變性考慮的多通道相關(guān)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?yán)走_(dá)在抗欺騙干擾方面具有明顯優(yōu)勢，提出采用頻控陣?yán)走_(dá)接收-發(fā)射聯(lián)合處理解決目標(biāo)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(biāo)可以從距離相關(guān)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(lián)合處理，頻控陣?yán)走_(dá)可以抑制距離相關(guān)性干擾和雜波，再采用空時自適應(yīng)處理來分辨出距離模糊雜波[68,69]，并將該方法應(yīng)用到運(yùn)動目標(biāo)檢測[70]和合成孔徑雷達(dá)成像[71,72]。

此外，受認(rèn)知雷達(dá)研究熱潮的影響，認(rèn)知頻控陣?yán)走_(dá)也受到研究關(guān)注[73,74]。Wang[75]提出一種具有環(huán)境自適應(yīng)感知的認(rèn)知頻控陣?yán)走_(dá)概念技術(shù)，以及具有自適應(yīng)射頻隱身功能的頻控陣?yán)走_(dá)運(yùn)動目標(biāo)跟蹤方法[76]。在此基礎(chǔ)上，Xiong等人[77]提出一種具有低截獲概率特性的認(rèn)知頻控陣?yán)走_(dá)概念技術(shù)，Gui等人[78]提出一種基于FDA-MIMO的認(rèn)知運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤方法。

3.3 頻控陣?yán)走_(dá)原型機(jī)和試驗(yàn)驗(yàn)證方面

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Antonik等人研制出單頻頻控陣?yán)走_(dá)發(fā)射模塊(見圖4[3])，并進(jìn)行了外場測試。英國的Huang的等人[25]設(shè)計一個4陣元的頻控陣?yán)走_(dá)天線，如圖5所示。2015年土耳其中東理工大學(xué)研制了一款基于線性調(diào)頻波信號的頻控陣?yán)走_(dá)原型機(jī)[79]，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了頻控陣?yán)走_(dá)波束方向圖的時間相關(guān)性和距離相關(guān)性[80]，如圖6所示。此外，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室在2016年公開了一個基于頻控陣的物理層安全通信試驗(yàn)平臺，如圖7所示。筆者研究團(tuán)隊(duì)2017年也研制了針對頻控陣?yán)走_(dá)的多通道信號源和頻控陣天線，并開發(fā)了能夠滿足頻控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)仿真與數(shù)據(jù)處理的軟件平臺“頻控陣?yán)走_(dá)仿真與處理系統(tǒng)”，如圖8所示。

綜上可見，頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)引起國內(nèi)外廣泛的研究關(guān)注，并成為2017年和2018年IEEE雷達(dá)學(xué)術(shù)年會的專題討論會。目前，國內(nèi)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(xué)、西安電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、空軍工程大學(xué)、雷達(dá)預(yù)警學(xué)院和南京理工大學(xué)等?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明頻控陣具有廣泛的應(yīng)用前景，但在硬件實(shí)現(xiàn)、自適應(yīng)信號處理和系統(tǒng)驗(yàn)證方面還存在許多亟待研究解決的關(guān)鍵問題。

4 頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的應(yīng)用前景展望

頻控陣不但具有相控陣的所有功能優(yōu)勢，而且其發(fā)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(xiàn)有的有源雷達(dá)探測技術(shù)、無源被動偵測技術(shù)和電子對抗與干擾技術(shù)帶來顛覆性的影響。頻控陣的主要應(yīng)用特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 具有射頻隱身和低截獲能力：頻控陣發(fā)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(zhǔn)，大大降低其被探測和攻擊的概率，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(diào)制來降低發(fā)射信號被截獲解調(diào)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(fù)出高增益的發(fā)射陣列方向圖，則有望進(jìn)一步提高頻控陣有源探測裝備的射頻隱身能力。

(2) 具有強(qiáng)抗干擾抑制應(yīng)用能力：傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)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(dāng)雷達(dá)面臨強(qiáng)干擾或主瓣干擾時，傳統(tǒng)基于空域?yàn)V波的副瓣干擾抑制方法性能將嚴(yán)重下降，甚至失效，此時現(xiàn)有雷達(dá)裝備很難對目標(biāo)進(jìn)行有效探測。頻控陣不同陣元發(fā)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(qiáng)抗干擾抑制應(yīng)用潛力。

(3) 多徑干擾自適應(yīng)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(guān)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(shí)現(xiàn)還需進(jìn)一步論證，也未見相關(guān)參考文獻(xiàn)。

(4) 具有前視目標(biāo)探測能力：前視目標(biāo)探測具有重要應(yīng)用意義，但現(xiàn)有基于相控陣的前視探測方法不能解決目標(biāo)多普勒參數(shù)在方位向的左右對稱模糊問題，而且當(dāng)面對強(qiáng)地雜波時需要進(jìn)行雜波抑制處理，但當(dāng)存在距離模糊時目前的雜波補(bǔ)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(biāo)多維參數(shù)聯(lián)合估計與定位：在相同陣元數(shù)目的情況下，當(dāng)干擾與目標(biāo)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(biāo)有相同角度方向的干擾，這在相控陣上是很難實(shí)現(xiàn)的。而且，頻控陣應(yīng)用于雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計時，能夠估計出一些在相控陣?yán)走_(dá)中無法估計的目標(biāo)，如方位角相同而距離不同的目標(biāo)。

(6) 自動波束掃描功能：頻控陣發(fā)射波束具有距離-方位角自動掃描功能，而且彌補(bǔ)了相控陣不能進(jìn)行距離維自動掃描的缺點(diǎn)。

(7) 定點(diǎn)發(fā)射波束形成功能：與相控陣只能實(shí)現(xiàn)“定向”發(fā)射波束形成不同，頻控陣還能夠通過干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)”發(fā)射波束形成，可以應(yīng)用于開發(fā)頻控陣定點(diǎn)干擾新技術(shù)。需要說明的是這種現(xiàn)象其實(shí)是一種干涉效應(yīng)，而不是發(fā)生能量會聚。

(8) 大范圍群體目標(biāo)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(yōu)化設(shè)計和距離-方位角耦合特性，頻控陣干擾機(jī)能夠?qū)撤教綔y雷達(dá)形成大范圍群體目標(biāo)欺騙干擾效果。

筆者在“頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用”一文中[4]已經(jīng)討論了頻控陣作發(fā)射機(jī)的新體制雙站雷達(dá)、基于頻控陣的認(rèn)知雷達(dá)、基于頻控陣的射頻隱身雷達(dá)和基于頻控陣的定向安全通信等應(yīng)用前景。因此，這里只討論幾種新的頻控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用前景，主要包括雷達(dá)對抗和雷達(dá)-通信一體化。

4.1 頻控陣在雷達(dá)對抗中的應(yīng)用前景

由于傳統(tǒng)的噪聲壓制干擾技術(shù)對一些新體制雷達(dá)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(diǎn)，提出基于頻控陣的新型干擾樣式，有望產(chǎn)生比常規(guī)干擾技術(shù)更多的假目標(biāo)，有效破壞雷達(dá)對目標(biāo)的檢測和跟蹤能力。同時，頻控陣干擾機(jī)也能夠?qū)走_(dá)進(jìn)行距離欺騙和速度欺騙，產(chǎn)生大量假目標(biāo)來對雷達(dá)進(jìn)行有效干擾。與相控陣干擾機(jī)相比，頻控陣干擾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可歸納為：

(1) 能夠采用窄波束來提高干擾機(jī)的有效輻射功率，能夠?qū)崿F(xiàn)對多個目標(biāo)的干擾，具有迅速、靈活、準(zhǔn)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(dá)的多普勒頻域檢測形成有效的欺騙，使得雷達(dá)在時域-多普勒頻域同時受到干擾，從而能夠給雷達(dá)造成大范圍群體目標(biāo)欺騙干擾效果，如圖9所示。

(3) 頻控陣干擾機(jī)可以在不改變頻控陣?yán)走_(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，將其功能拓展，完成方位和距離的搜索、跟蹤、實(shí)施欺騙式干擾，做到一機(jī)多用，簡化了干擾系統(tǒng)。

4.2 頻控陣在雷達(dá)-通信一體化中的應(yīng)用前景

雷達(dá)-通信一體化是未來綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展趨勢[81]。從天線的角度來說，陣列雷達(dá)具有高增益的特點(diǎn)，利用有源陣列天線發(fā)射或接收通信信號，不僅可以極大地提高通信系統(tǒng)的信息傳輸速率，而且可以使通信系統(tǒng)與雷達(dá)共用收發(fā)通道，提高了集成度，降低了成本。同時，陣列雷達(dá)具有方向性強(qiáng)、波束窄和旁瓣低等特點(diǎn)，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(shè)計所獲得的共享資源和所具有的協(xié)調(diào)能力，可根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)要求，有選擇地執(zhí)行最佳的系統(tǒng)功能，并對威脅目標(biāo)作出最佳作戰(zhàn)決策，使雷達(dá)探測、定位、引導(dǎo)、識別更準(zhǔn)確，目的性更強(qiáng)，系統(tǒng)反應(yīng)更及時和迅速[82]。

雖然雷達(dá)-通信一體化技術(shù)已成為一個研究熱點(diǎn)，已有不少相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表[83–88]，但現(xiàn)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(yīng)用于雷達(dá)-通信一體化技術(shù)。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?yán)走_(dá)的頻偏，實(shí)現(xiàn)通信信息在雷達(dá)發(fā)射信號中的嵌入，并在接收機(jī)中采用雙通道處理分別實(shí)現(xiàn)通信信息解碼和雷達(dá)信號處理功能，如圖11所示。

而且，基于頻控陣的雷達(dá)-通信一體化技術(shù)還能保證信息傳輸?shù)陌踩訹89,90]：Ding等人[91]將頻控陣的頻偏和OFDM的頻偏聯(lián)系起來，在安全通信中取得比傳統(tǒng)OFDM更好的安全效果，Hu等人[92]將隨機(jī)頻偏頻控陣用于安全通信，Nusenu等人[93]將時間調(diào)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(xiàn)證明[80]：與相控陣發(fā)射信號相比，頻控陣發(fā)射信號具有更平穩(wěn)的回波平均功率，(如圖12所示)，該特點(diǎn)對多徑環(huán)境下的雷達(dá)-通信一體化應(yīng)用非常有利。

5 頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)中亟待解決的研究問題

雖然近年來頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)研究方面已經(jīng)涌現(xiàn)出不少研究文獻(xiàn)，但由于這種新體制陣列與傳統(tǒng)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?yán)走_(dá)技術(shù)仍然存在大量亟待解決的研究問題：

(1) 頻控陣?yán)走_(dá)波束的時變性及其影響問題：與相控陣?yán)走_(dá)相比，頻控陣?yán)走_(dá)的一個主要差別是其波束具有空變性和時變性。現(xiàn)有頻控陣文獻(xiàn)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(diǎn)，所以也有必要進(jìn)一步研究如何利用這種時變性。

(2) 頻控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)設(shè)計問題：由于頻控陣最早是作為雷達(dá)發(fā)射陣列提出的，當(dāng)前的研究主要集中在發(fā)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?yán)走_(dá)發(fā)射信號的接收機(jī)優(yōu)化設(shè)計方法，尤其是接收端的自適應(yīng)最優(yōu)陣列處理算法。

(3) 頻控陣?yán)走_(dá)發(fā)射參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計問題：雖然頻控陣?yán)走_(dá)發(fā)射參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)[95,96]，但是如何根據(jù)復(fù)雜變化環(huán)境優(yōu)化出切實(shí)可行的頻控陣?yán)走_(dá)發(fā)射參數(shù)仍然需要進(jìn)一步研究。同時，針對頻控陣?yán)走_(dá)的魯棒性分析與處理方面也需要進(jìn)一步研究。

(4) 頻控陣MIMO(FDA-MIMO)雷達(dá)信號檢測問題：目前頻控陣MIMO雷達(dá)被認(rèn)為是頻控陣?yán)走_(dá)諸多技術(shù)中最為合理、功能最為完善和最具工程可實(shí)現(xiàn)性的。這是因?yàn)榛镜念l控陣?yán)走_(dá)存在距離-方位角耦合問題，在目標(biāo)參數(shù)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(shù)來增加陣列自由度，從而可以在一定程度上緩解目標(biāo)參數(shù)估計中的模糊問題。但是，針對頻控陣MIMO雷達(dá)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?yán)走_(dá)原理樣機(jī)研制與試驗(yàn)驗(yàn)證：當(dāng)前頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)研究主要還處在理論研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和概念系統(tǒng)設(shè)計階段，亟待開展頻控陣?yán)走_(dá)原理樣機(jī)研制與關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證方面的研究。

6 結(jié)束語

本文在作者“頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用”一文的基礎(chǔ)上，簡要地介紹頻控陣?yán)走_(dá)的基本原理，全面梳理近3年來國內(nèi)外關(guān)于頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)及其應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展，討論了“頻控陣?yán)走_(dá)：概念、原理與應(yīng)用”一文中沒有涉及的幾種新的頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)應(yīng)用前景，主要包括雷達(dá)對抗和雷達(dá)-通信一體化應(yīng)用，并指出目前亟待解決的幾個關(guān)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(yīng)用模式也還不夠明朗，但我們相信在頻控陣?yán)走_(dá)技術(shù)方面進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究是值得的。

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