蘭 嵐 廖桂生* 許京偉 朱圣棋 曾 操 張玉洪

①(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

②(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071)

1 引言

隨著雷達(dá)體制的進(jìn)步，相控陣突破了傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)掃描慢、精度低的缺點(diǎn)，其利用多通道同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立控制波束，獲取目標(biāo)角度、距離、速度等信息，并通過快速電掃描的方式提升了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)與信息獲取效率，具有高精度、高分辨力、強(qiáng)對(duì)抗性能、多目標(biāo)多功能處理能力、高可靠性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)，在預(yù)警監(jiān)視、探測(cè)識(shí)別、搜索跟蹤等核心領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，相控陣的天線方向圖僅是角度的函數(shù)，無法區(qū)分相同角度的目標(biāo)與干擾，制約了對(duì)目標(biāo)和環(huán)境信息獲取。

近年來，在相控陣基礎(chǔ)上又提出了頻率分集陣1值得注意的是，為了與相控陣形成對(duì)比，也有文獻(xiàn)稱FDA為頻控陣[3,5]，而本文統(tǒng)一使用“頻率分集陣”。(Frequency Diverse Array,FDA)新體制雷達(dá)[1]。在FDA中，發(fā)射天線載頻間存在步進(jìn)量 Δf(通常遠(yuǎn)小于發(fā)射載頻)，因此發(fā)射方向圖成為角度、距離、時(shí)間的多維函數(shù)[2]，進(jìn)一步擴(kuò)展了信號(hào)分辨維度2廣義上，發(fā)射陣元之間除了改變載頻，引入波形、時(shí)延、相位調(diào)制也可得到依賴于距離和時(shí)間的方向圖，即波形分集陣列[8]。，并提升了雷達(dá)系統(tǒng)的波束控制能力[3-8]。然而，F(xiàn)DA發(fā)射導(dǎo)向矢量中的距離與角度互相耦合，且具有時(shí)變性。對(duì)此，可結(jié)合多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)來分離發(fā)射波形，從而獲取距離維自由度[9]。值得注意的是，傳統(tǒng)方法由回波的時(shí)延來獲取距離信息，而FDAMIMO雷達(dá)中的發(fā)射導(dǎo)向矢量中包含了目標(biāo)距離信息，盡管不同的目標(biāo)信號(hào)在時(shí)域上重疊在一起，仍然能夠在發(fā)射空間域區(qū)分不同目標(biāo)，可有效解決目標(biāo)的距離模糊問題[8]。近年來，學(xué)者將FDA-MIMO雷達(dá)應(yīng)用于距離角度聯(lián)合參數(shù)估計(jì)、目標(biāo)檢測(cè)、距離模糊雜波抑制、主瓣欺騙式干擾抑制、無模糊高分寬幅成像、雷達(dá)通信一體化等方面，圖1以時(shí)間軸的方式給出了FDA相關(guān)研究現(xiàn)狀。具體各領(lǐng)域研究現(xiàn)狀總結(jié)如下：

圖1 FDA發(fā)展動(dòng)態(tài)時(shí)間線Fig.1 The dynamic timeline of FDA development

(1) 距離角度聯(lián)合參數(shù)估計(jì)。相比于傳統(tǒng)相控陣或MIMO雷達(dá)，F(xiàn)DA-MIMO雷達(dá)的等效發(fā)射導(dǎo)向矢量是距離與角度的函數(shù)，因此采用適當(dāng)?shù)姆椒蓪?shí)現(xiàn)距離-角度二維波束形成，采用空域處理方法能夠同時(shí)獲取距離和角度信息，鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者探索了多種目標(biāo)角度-距離聯(lián)合估計(jì)算法。學(xué)者大多基于最大似然(Maximum Likelihood,ML)準(zhǔn)則[9,10]、多信號(hào)分類(MUltiple SIgnal Classification,MUSIC)及其改進(jìn)算法[11,12]、旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)及其改進(jìn)算法[13,14]對(duì)目標(biāo)角度、距離、多普勒(Doppler)、極化信息等進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)[15]，并進(jìn)一步分析了參數(shù)估計(jì)的克拉默-拉奧界(Cramér-Rao Bound,CRB)、均方誤差、分辨力等性能指標(biāo)[16]。除了研究傳統(tǒng)均勻線陣(Uniform Linear Array,ULA)參數(shù)估計(jì)方法，學(xué)者也針對(duì)面陣[17]、共形陣[18]、互質(zhì)陣[19]研究參數(shù)估計(jì)方法。另外，文獻(xiàn)[20]提出了一種基于無網(wǎng)格壓縮感知的FDA-MIMO雷達(dá)角度-距離聯(lián)合估計(jì)算法，并研究了距離-角度估計(jì)的二維原子范數(shù)最小化問題；文獻(xiàn)[21]通過優(yōu)化加權(quán)范數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，采用稀疏迭代優(yōu)化的方法獲取目標(biāo)的距離、角度和幅度信息。

(2) 目標(biāo)檢測(cè)。FDA-MIMO雷達(dá)具有更高的信號(hào)處理維度，能夠獲取更全面的雜波和目標(biāo)信息，從而能提升目標(biāo)在雜波等非均勻環(huán)境下的檢測(cè)性能。實(shí)際上，文獻(xiàn)[22]初步研究了高斯白噪聲背景下已知目標(biāo)距離和干擾協(xié)方差矩陣的先驗(yàn)信息的目標(biāo)檢測(cè)性能。文獻(xiàn)[23]在無需干擾協(xié)方差矩陣先驗(yàn)信息下，通過對(duì)干擾進(jìn)行外錐域建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的檢測(cè)與假目標(biāo)抑制，并基于不同頻率步進(jìn)量提出了一種雙脈沖檢測(cè)方法[24]。文獻(xiàn)[25]在高斯色噪聲背景下，針對(duì)廣義似然比檢驗(yàn)(Generalized Likelihood Ratio Test,GLRT)準(zhǔn)則提出基于優(yōu)化理論的自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)器設(shè)計(jì)方法。此外，文獻(xiàn)[26]利用Doppler擴(kuò)展效應(yīng)在主瓣雜波環(huán)境中進(jìn)行盲Doppler目標(biāo)檢測(cè)，文獻(xiàn)[27]在Swerling I與Swerling II模型下通過設(shè)計(jì)多脈沖檢測(cè)器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。另外，文獻(xiàn)[28]提出空距頻聚焦信號(hào)處理(Space-Range-Doppler Focus,SRDF)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與辨識(shí)。

(3) 距離模糊雜波抑制。FDA-MIMO雷達(dá)具有距離-角度-Doppler三維自由度，可實(shí)現(xiàn)空時(shí)頻聯(lián)合域信號(hào)自適應(yīng)處理，用于抑制距離模糊的雜波。文獻(xiàn)[29]提出了空時(shí)距離三維自適應(yīng)處理方法，基于子空間投影實(shí)現(xiàn)了雜波、壓制式干擾和欺騙式干擾的同時(shí)抑制。文獻(xiàn)[30]基于二次距離補(bǔ)償(Secondary Range Dependence Compensation,SRDC)原理，利用FDA-空時(shí)自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)方法實(shí)現(xiàn)距離模糊雜波分離與抑制。文獻(xiàn)[31]針對(duì)面陣FDAMIMO雷達(dá)，通過空間頻率補(bǔ)償和預(yù)STAP濾波解決STAP雷達(dá)中的距離模糊問題。另外，文獻(xiàn)[32]基于自適應(yīng)波束形成技術(shù)提出了一種雜波抑制方法，并提出了一種基于輔助通道的距離補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[33]在雙基地FDA-MIMO STAP雷達(dá)中設(shè)計(jì)頻率增量，進(jìn)而在三維空間中實(shí)現(xiàn)距離模糊雜波分辨。

(4) 主瓣欺騙式干擾抑制。FDA-MIMO雷達(dá)利用目標(biāo)和干擾的距離差異，提供了一條從發(fā)射空域辨別真、假目標(biāo)并主動(dòng)抑制假目標(biāo)的有效思路。對(duì)此，不少學(xué)者研究了FDA-MIMO雷達(dá)空域抗干擾方法[34-46]，文獻(xiàn)[40]對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)?，F(xiàn)有方法主要體現(xiàn)在自適應(yīng)波束形成器設(shè)計(jì)類抗干擾[34-38]、空間投影類抗干擾[43,44]、方向圖設(shè)計(jì)類抗干擾[45,46]3種類型。此外，文獻(xiàn)[41]針對(duì)假目標(biāo)偽隨機(jī)分布問題提出了一種魯棒的非一致樣本檢測(cè)方法，包括奇異樣本挑選與目標(biāo)信號(hào)剔除，并利用收發(fā)聯(lián)合的二維自適應(yīng)波束形成技術(shù)，來抑制距離維失配的假目標(biāo)。文獻(xiàn)[45]針對(duì)陣列/系統(tǒng)誤差問題，提出了基于零點(diǎn)和主瓣展寬的方向圖精準(zhǔn)控制方法，并對(duì)干擾進(jìn)行方向圖置零來抑制。進(jìn)一步，在FDA-MIMO雷達(dá)基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[46]研究了陣元脈沖編碼(Element-Pulse-Coding,EPC)-MIMO雷達(dá)穩(wěn)健空域抗主瓣干擾方法。另外，筆者團(tuán)隊(duì)研制了頻率分集陣?yán)走_(dá)原理樣機(jī)，并在此基礎(chǔ)上開展了雷達(dá)主瓣干擾抑制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[8,40]。

(5) 無模糊高分寬幅成像。FDA-MIMO雷達(dá)經(jīng)過接收處理后可以獲得距離維自由度，等效于在發(fā)射空域上給不同距離模糊區(qū)間加上了等效主瓣指向“空域標(biāo)簽”，用來區(qū)分來自不同距離模糊區(qū)間的回波，可用于解決高分辨寬測(cè)繪帶成像中的距離解模糊問題。文獻(xiàn)[47,48]最早研究了FDA在合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)[49]在FDA中采用非均勻步進(jìn)頻，通過收發(fā)波束形成進(jìn)行成像。文獻(xiàn)[50]利用距離相關(guān)補(bǔ)償(Range Dependence Compensation,RDC)技術(shù)來解決距離模糊問題，并實(shí)現(xiàn)了高分辨率寬測(cè)繪帶成像(High Resolution Wide Swath,HRWS)。此外，針對(duì)多通道SAR地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(Ground Moving Target Indication,GMTI)中圖像配準(zhǔn)和通道相位誤差問題，文獻(xiàn)[51]根據(jù)通道間干涉相位與Doppler頻率間線性關(guān)系提出了一種FDA-SAR徑向速度估計(jì)方法。在FDA基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[52]通過設(shè)計(jì)發(fā)射通道與慢時(shí)間編碼，在接收處理后可以提取期望區(qū)域的回波，并進(jìn)一步抑制其他距離模糊區(qū)的回波。文獻(xiàn)[53]通過EPC陣列發(fā)射自由度有效提取各個(gè)距離模糊區(qū)域的主瓣回波，并利用方位壓縮處理進(jìn)一步降低殘留模糊回波的影響，緩解SAR/GMTI系統(tǒng)中的高分辨率和寬測(cè)繪帶的矛盾。

(6) 雷達(dá)通信一體化。通過在FDA發(fā)射波形中嵌入通信信息，并選擇合適的頻率步進(jìn)量，在接收端采用雙通道處理可分別實(shí)現(xiàn)通信信息解碼和雷達(dá)信號(hào)處理功能[3]。文獻(xiàn)[54]通過將通信信號(hào)沿著雷達(dá)主瓣指向零度的方向進(jìn)行投影，并利用巴特勒矩陣的正交性解決通信信號(hào)與雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的互擾問題。文獻(xiàn)[55]通過將通信信息嵌入到FDA-MIMO雷達(dá)的頻率增量中，提出了一種二次通信功能的信息嵌入方案，并分析了誤碼率與CRB關(guān)系，以檢驗(yàn)雷達(dá)發(fā)射中的通信信息嵌入對(duì)FDA-MIMO雷達(dá)性能下限的影響。文獻(xiàn)[56]在FDA中利用線性遞增的頻率步進(jìn)量來進(jìn)行距離-角度相關(guān)的正交空間調(diào)制無線通信，即利用不同的頻率發(fā)射同相分量和正交分量。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[57]將FDA用于毫米波無線通信中的綠色安全通信，實(shí)現(xiàn)距離角度解耦合，且具有自動(dòng)自跟蹤功能，以滿足發(fā)射/接收信道狀態(tài)信息要求。另外，文獻(xiàn)[58]將FDA的頻率步進(jìn)量和正交頻分復(fù)用技術(shù)的頻偏聯(lián)系起來，相比于傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用技術(shù)，能夠增強(qiáng)信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

另外，F(xiàn)DA在目標(biāo)跟蹤[59-62]、低截獲[63,64]等領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用，表1總結(jié)了FDA-MIMO雷達(dá)在各種應(yīng)用中具有的優(yōu)勢(shì)以及所采用的信號(hào)處理方法，圖2表示了各應(yīng)用間的關(guān)聯(lián)。然而，現(xiàn)有FDA雷達(dá)通常針對(duì)某一特性需求進(jìn)行系數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)，需要在不同功能間進(jìn)行切換與參數(shù)調(diào)整，各個(gè)任務(wù)互不兼容。實(shí)際上，雷達(dá)的任務(wù)涵蓋預(yù)警探測(cè)、電磁對(duì)抗、成像、識(shí)別、態(tài)勢(shì)感知等多種功能，在復(fù)雜多變的電磁環(huán)境中，功能互不兼容的單一設(shè)備或多設(shè)備的簡單疊加已不再滿足要求，因此多功能集成的雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前多功能雷達(dá)技術(shù)已在國際上獲得應(yīng)用，如AMDR (AN/SPY-6(V))雷達(dá)是美國海軍以防空反導(dǎo)一體化為核心的多功能雙波段有源相控陣艦載雷達(dá)，其中一部雷達(dá)采用S波段，另外一部雷達(dá)則使用X波段，用于執(zhí)行水平面搜索、精確跟蹤和引導(dǎo)導(dǎo)彈等任務(wù)。除此之外，美國DARPA開展了“協(xié)奏曲”多功能射頻系統(tǒng)項(xiàng)目，其在電子戰(zhàn)、通信、雷達(dá)模式之間自適應(yīng)和靈活切換，綜合性能優(yōu)于各獨(dú)立系統(tǒng)。因此，多功能一體化雷達(dá)技術(shù)已成為雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展的重要方向，探索相同體制下可兼容多任務(wù)的信號(hào)處理方法迫在眉睫。

圖2 FDA-MIMO雷達(dá)不同應(yīng)用的關(guān)聯(lián)Fig.2 Relationships among different FDA-MIMO radar applications

表1 多功能FDA-MIMO優(yōu)勢(shì)及信號(hào)處理方法Tab.1 Advantages and signal processing methods of multifunctional FDA-MIMO

因此，本文在總結(jié)FDA雷達(dá)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)FDA雷達(dá)多功能一體化波形設(shè)計(jì)與信號(hào)處理方法進(jìn)行總結(jié)，研究FDA波形設(shè)計(jì)方法，分析FDA在一體化參數(shù)估計(jì)與自適應(yīng)檢測(cè)、一體化解模糊與抗干擾、一體化成像與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等多任務(wù)中的優(yōu)勢(shì)，并指出其技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)一步，對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為多功能一體化雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

2 FDA信號(hào)模型與波形設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射波形設(shè)計(jì)

考慮具有M個(gè)陣元的ULA，脈寬內(nèi)第m個(gè)(m=1,2,...,M)陣元發(fā)射的信號(hào)表示為[4]

為衡量波形設(shè)計(jì)性能，定義FDA在角度、距離、Doppler維上的多維模糊函數(shù)為[65]

其中，d表示陣元間距(通常為半波長)，λ0=c/f0表示波長，c表示光速?？梢娖淠：瘮?shù)為距離、角度、Doppler的多維變量。進(jìn)一步地，當(dāng)Doppler為0時(shí)，圖3分別給出了FDA多維模糊函數(shù)的角度-角度剖面和距離-角度剖面示意圖。如圖3(a)所示其目標(biāo)角度-接收指向?qū)蔷€上具有高增益，且可形成全空域均勻覆蓋。另外，圖3(b)中接收能量在θ0附近具有高增益，且距離維具有低旁瓣特性。然而，其距離維主瓣寬度大，分辨率差。實(shí)際上，采用頻率-時(shí)間調(diào)制波形對(duì)應(yīng)的積累帶寬會(huì)降低，從而導(dǎo)致相干FDA雷達(dá)的距離維分辨率惡化。對(duì)此，文獻(xiàn)[66]提出一種“正切調(diào)頻+空域編碼”的相干FDA雷達(dá)波形設(shè)計(jì)方法，其發(fā)射信號(hào)在空間θ處的信號(hào)表達(dá)式為

圖3 FDA多維模糊函數(shù)Fig.3 Multi-dimensional ambiguity function of FDA

實(shí)際上，F(xiàn)DA-MIMO距離維自由度的獲取依賴于接收端對(duì)發(fā)射波形的分離，其發(fā)射通道間的波形正交性影響了FDA-MIMO在檢測(cè)與估計(jì)、解模糊、抗干擾/雜波、成像等應(yīng)用的性能[8]。大部分關(guān)于FDA-MIMO的文獻(xiàn)假設(shè)發(fā)射波形之間完全正交，然而，實(shí)際中無法獲取在所有時(shí)延、Doppler都正交的波形，其波形正交性能影響FDA-MIMO的功能。對(duì)此，可以借助傳統(tǒng)MIMO正交波形設(shè)計(jì)方法，在滿足恒模約束[67]、峰均比(Peak Average Ratio,PAR)約束[68]、相似性約束[69]等條件下進(jìn)行正交波形設(shè)計(jì)。為了提升FDA-MIMO雷達(dá)探測(cè)、對(duì)抗、成像等應(yīng)用領(lǐng)域性能，其常用正交波形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包括最小化加權(quán)積分旁瓣電平準(zhǔn)則[70,71]、最大信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)準(zhǔn)則[72,73]、最小化均方誤差(Mean Square Error,MSE)準(zhǔn)則等。其中通過最小化自相關(guān)旁瓣與互相關(guān)電平，更有利于減小波形分離后的殘余量，提升FDA-MIMO雷達(dá)解模糊性能。對(duì)于離散波形集合，加權(quán)后的積分旁瓣電平PWISL可以表示為[74]

其中，(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，該式第1部分表示自相關(guān)函數(shù)旁瓣，第2部分表示互相關(guān)函數(shù)，P表示多相編碼數(shù)，即每個(gè)脈沖所劃分的子碼片個(gè)數(shù)，∈CP×P表示移位矩陣，0表示零矢量，λ∈(0,1)為加權(quán)因子。

值得一提的是，針對(duì)MIMO正交波形，除了碼分正交信號(hào)外，可以通過頻分正交方式得到正交波形[75,76]，其發(fā)射功率也具有距離-角度耦合[77]，但是其與FDA-MIMO的區(qū)別是，其各陣元發(fā)射相同基帶波形，如線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)等，且發(fā)射通道間的頻率間隔 Δf通常大于等于帶寬以保證波形間的正交性。

2.2 低截獲特性與波形設(shè)計(jì)

相干FDA發(fā)射方向圖具有距離-角度-時(shí)間三維依賴特性[4]，脈沖體制下其表達(dá)式為[4,8]

其中，R0表示距離變量。

如圖4(a)所示，在任意給定時(shí)刻，F(xiàn)DA空間電場(chǎng)分布具有S型特性，且覆蓋全角度范圍，在遠(yuǎn)場(chǎng)空間任意一點(diǎn)處，隨著時(shí)間的變化，都會(huì)周期性地隨著快時(shí)間歷經(jīng)方向圖的主瓣和旁瓣[4]。相比于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)，F(xiàn)DA可利用寬發(fā)射天線波束降低雷達(dá)在目標(biāo)區(qū)域的發(fā)射功率。實(shí)際上，如圖4(a)-圖4(c)所示，F(xiàn)DA發(fā)射方向圖的空間覆蓋性與脈寬Tp和 Δf有關(guān)，對(duì)于給定的 Δf，當(dāng)Tp=1/Δf時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋，若Tp＜1/Δf僅覆蓋部分區(qū)域。圖4(d)給出了相同Tp內(nèi)發(fā)射方向圖的距離維剖面，根據(jù)發(fā)射方向圖表達(dá)式，其距離主瓣寬度(距離分辨率)由 Δf決定，即2 c/(MΔf)[8]。

圖4 相干FDA發(fā)射方向圖空域覆蓋性分析Fig.4 Analysis on the spatial coverage of the transmit beampattern for coherent FDA

需要說明的是，對(duì)于FDA-MIMO雷達(dá)，由于其發(fā)射正交波形，與傳統(tǒng)MIMO雷達(dá)一致，其發(fā)射方向圖無方向性，且功率在空間和時(shí)間都均勻，不具有距離-角度S型分布特性[8]。對(duì)于FDA-MIMO雷達(dá)接收匹配濾波器設(shè)計(jì)將在2.3節(jié)詳細(xì)描述。

針對(duì)FDA-MIMO雷達(dá)低截獲波形，文獻(xiàn)[63]在每個(gè)天線上的能量恒定下，結(jié)合輸出信雜噪比(Signal-to-Clutter-plus-Noise Ratio,SCNR)約束，通過最小化目標(biāo)區(qū)域(距離-方位)的輻射能量設(shè)計(jì)低截獲波形，其優(yōu)化問題構(gòu)建為[63]

其中，m in(·)表 示取最小值，W∈CM×K表示發(fā)射波束矩陣，CM×K表示M×K維復(fù)矩陣，K表示正交波形數(shù)，λ表示目標(biāo) SCNR 門限，x表示接收濾波器，P(W)表 示發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)處的功率，1K和1M分別表示K維和M維全1矢量，第1個(gè)約束保證目標(biāo)的輸出SCNR不低于一個(gè)給定的閾值；第2個(gè)約束表示每個(gè)天線上的能量恒定。進(jìn)一步采用迭代算法，首先隨機(jī)初始化W，利用廣義瑞利熵求解x，再根據(jù)基于輔助變量和交替方向乘子法求解W，直至收斂可得到優(yōu)化后的低截獲波形。

2.3 接收信號(hào)處理

相干FDA雷達(dá)中，考慮接收端非自適應(yīng)波束形成技術(shù)，為了實(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)，其匹配濾波函數(shù)是角度時(shí)間的二維函數(shù)，可以具體表示為[78]

可見，相干FDA雷達(dá)體制下的匹配濾波函數(shù)取決于基帶波形和發(fā)射方向圖，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)快時(shí)間維匹配濾波和發(fā)射波束形成。圖5給出了相干FDA雷達(dá)對(duì)應(yīng)的兩種理論等價(jià)接收處理結(jié)構(gòu)。由于發(fā)射方向圖可以在接收端等效合成，因此，相干FDA雷達(dá)的信號(hào)處理可在發(fā)射波束域空間進(jìn)行[78]。即構(gòu)造發(fā)射波束域M個(gè)正交的匹配濾波函數(shù)，其角度參數(shù)θm=arcsin(2(i-1)/M -1)?？紤]圖5第1種結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的發(fā)射波束域回波數(shù)據(jù)矢量僅與接收導(dǎo)向矢量有關(guān)；若考慮第2種結(jié)構(gòu)，則對(duì)應(yīng)的發(fā)射波束域回波數(shù)據(jù)與收發(fā)虛擬導(dǎo)向矢量有關(guān)。進(jìn)一步，可以構(gòu)造最小無失真響應(yīng)(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)準(zhǔn)則下的信號(hào)處理器[78]。

圖5 相干FDA接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)Fig.5 Basic structures of coherent FDA receiver

實(shí)際在干擾和雜波抑制過程中，由于干噪比/雜噪比的不同，兩種處理結(jié)構(gòu)存在性能差異。需要說明的是，當(dāng)角度-時(shí)間二維匹配濾波和接收波束形成對(duì)應(yīng)的角度保持一致時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)方向的最大匹配輸出[78]。

對(duì)于FDA-MIMO雷達(dá)，首先對(duì)接收信號(hào)經(jīng)過ej2πf0t混 頻后需要設(shè)計(jì)匹配濾波器去除ej2πΔf(m-1)t這一時(shí)變因子的影響。方便起見，圖6給出了第n個(gè)接收天線對(duì)應(yīng)的兩種匹配濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，每個(gè)接收天線的處理方法相同。其中，在第1種處理結(jié)構(gòu)中，每個(gè)接收通道的信號(hào)先進(jìn)行與 Δf相關(guān)的數(shù)字混頻，再進(jìn)行發(fā)射波形的匹配[40]；而在第2種結(jié)構(gòu)中，可以直接設(shè)計(jì)與 Δf相關(guān)的匹配濾波器[25]。

圖6 FDA-MIMO雷達(dá)接收匹配濾波處理流程Fig.6 Processing procedurse of receive matched filtering in FDA-MIMO radar

具體來說，第1種結(jié)構(gòu)得到矢量信號(hào)可以表示為[40]

采用第2種結(jié)構(gòu)可得到的輸出矢量表達(dá)式為[25]

可見，經(jīng)過接收端處理后能夠得到目標(biāo)的距離維信息。實(shí)際上，在高斯白噪聲背景下兩種接收處理結(jié)構(gòu)等價(jià)。

3 參數(shù)估計(jì)與目標(biāo)檢測(cè)一體化

3.1 估計(jì)檢測(cè)一體化模型

通常，目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)是兩個(gè)獨(dú)立過程，即確定主瓣內(nèi)存在目標(biāo)后再采取參數(shù)估計(jì)手段對(duì)目標(biāo)定位，實(shí)際上，采用單脈沖進(jìn)行空域處理可在確認(rèn)目標(biāo)存在的同時(shí)輸出目標(biāo)角度，然而現(xiàn)有方法無法通過空域處理同時(shí)得到目標(biāo)的距離和角度信息[79]。由于FDA-MIMO雷達(dá)具有能同時(shí)獲取目標(biāo)距離和角度信息的優(yōu)勢(shì)，因此可同步實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)估計(jì)與目標(biāo)檢測(cè)。實(shí)際中，往往需要在雜波、色噪聲等非均勻環(huán)境下，通過構(gòu)建目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)聯(lián)合框架，解決在對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的同時(shí)輸出未知參數(shù)。

考慮在高斯背景下(雜波或者高斯白噪聲)基于FDA-MIMO雷達(dá)進(jìn)行自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)，假設(shè)存在一組訓(xùn)練樣本，即zk(k=1,2,...,K),K≥MN表示樣本數(shù)，z∈CMN表示來自待檢測(cè)單元匹配濾波后的回波矢量。因此，檢測(cè)問題可以構(gòu)建為如下的二元假設(shè)檢驗(yàn)問題[25]：

根據(jù)Neyman-Pearson 準(zhǔn)則，上述二元假設(shè)檢驗(yàn)問題的似然比檢驗(yàn)(Likelihood Ratio Test,LRT)為最優(yōu)檢測(cè)器，然而實(shí)際中由于β1,θ0,Δτ,Q未知，可基于GLRT準(zhǔn)則設(shè)計(jì)檢測(cè)器為

另外，若假設(shè)Q已知，則兩步GLRT檢測(cè)器(也稱為自適應(yīng)匹配濾波(Adaptive Matched Filter,AMF))可以構(gòu)建為

g(z |β1,u,δ,Q;H1)和g(z |Q;H0) 分別表示H1和H0假設(shè)下的概率密度函數(shù)(PDF)，首先假設(shè)協(xié)方差Q已知，然后利用樣本協(xié)方差矩陣S來代替Q，經(jīng)過運(yùn)算后得到AMF檢測(cè)器最終表達(dá)式為

3.2 近似優(yōu)化方法

實(shí)際上，文獻(xiàn)[9]通過二維搜索的方式針對(duì)問題(16)進(jìn)行距離與角度估計(jì)。然而，上述二維搜索中，為了獲得精確估計(jì)結(jié)果，通常在角度和距離維進(jìn)行較精細(xì)的間隔劃分，從而導(dǎo)致計(jì)算量大。為解決這一問題，可以采用近似優(yōu)化方法[10,25]得到角度和距離的估計(jì)值，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的自適應(yīng)檢測(cè)器。現(xiàn)詳細(xì)介紹以下幾種：

(1) 坐標(biāo)下降(Coordinate Descent,CD)法。將二維搜索問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一維搜索問題，即通過固定角度和距離兩個(gè)變量中的一個(gè)，在另一個(gè)未知變量的取值區(qū)間中進(jìn)行搜索，將結(jié)果代入后再對(duì)另一變量進(jìn)行搜索，以此往復(fù)直至收斂。其中，A和B的離散值形式分別對(duì)應(yīng)角度和距離的搜索區(qū)間，即[10,25]

圖7給出了高斯噪聲背景下FDA-MIMO雷達(dá)一體化距離-角度多維參數(shù)估計(jì)與自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)一體化結(jié)果。其主要仿真參數(shù)包括M=N=4，虛警率為 1 0-4。圖7(a)與圖7(b)分別給出了角度和距離估計(jì)的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)結(jié)果，可見隨著輸入SINR的增加，采用所提CD和LAM方法估計(jì)結(jié)果的RMSE下降，且當(dāng)SINR大于12 dB左右時(shí)，逼近其各自CRB。圖7(c)給出了自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，其中對(duì)于存在失配誤差條件下，AMF檢測(cè)器性能略優(yōu)于GLRT檢測(cè)器性能，即在相同輸入信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)條件下具有更高的檢測(cè)概率(Probability of detection,Pd)。另外，從圖7可見所提近似優(yōu)化方法接近最優(yōu)檢測(cè)器(參數(shù)已知)的性能，且性能明顯優(yōu)于失配檢測(cè)器。

圖7 FDA-MIMO雷達(dá)檢測(cè)與估計(jì)一體化結(jié)果Fig.7 Integrated detection and estimation results in FDA-MIMO radar

4 解模糊與抗干擾一體化

4.1 FDA-MIMO雷達(dá)解距離模糊原理

在FDA-MIMO中，由目標(biāo)發(fā)射導(dǎo)向矢量可得到其發(fā)射空間頻率為

假設(shè)目標(biāo)存在距離模糊，即其距離可以表示為

其中，r0表示一個(gè)距離無模糊周期內(nèi)的主值距離，p表示跨脈沖數(shù)，Ru表 示最大無模糊距離，Na表示最大模糊數(shù)，則對(duì)主值距離補(bǔ)償后的發(fā)射空間頻率為

其中，T表示脈沖重復(fù)周期。可見發(fā)射空間頻率包含了目標(biāo)的發(fā)射距離模糊區(qū)序號(hào)p。進(jìn)一步可以表示出其等效發(fā)射方向圖：

其 中，Z(p,θ)=pΔfT+d/λ0(sinθ-sinθ0)?？梢?，相比于傳統(tǒng)雷達(dá)體制方向圖，PET(p,θ)中由于存在與pΔfT相關(guān)的相位，使得原本方向圖主瓣指向發(fā)生了偏移，且該偏移量由p決定。如圖8所示，對(duì)于不同p，其等效方向圖具有不同的指向，相當(dāng)于給雷達(dá)的發(fā)射脈沖加上了一個(gè)等效的空域指向“標(biāo)簽”，因此可根據(jù)不同的主瓣等效指向，對(duì)不同發(fā)射脈沖進(jìn)行區(qū)分，即實(shí)現(xiàn)了距離解模糊。另外，可通過多個(gè)脈沖指向不同的空域角度，即利用慢時(shí)間資源換取空間覆蓋性。

圖8 FDA-MIMO雷達(dá)解距離模糊示意圖Fig.8 Principle of resolving the range ambiguity in FDA-MIMO radar

實(shí)際上，將FDA-MIMO的第m個(gè)發(fā)射信號(hào)拓展至第k個(gè)脈沖可得

其中，?m(t)表示第m個(gè)陣元發(fā)射的正交波形?？梢姴煌l(fā)射脈沖(慢時(shí)間)存在相位差ej2π(m-1)Δf(k-1)T，且該項(xiàng)隨著不同發(fā)射通道m(xù)和脈沖k變化。實(shí)際上，若令γ?ΔfT，則可以得到EPC-MIMO雷達(dá)[80]。文獻(xiàn)表明EPC-MIMO雷達(dá)具有與FDA-MIMO雷達(dá)等效的解距離模糊特性[8]。然而需要注意的是，F(xiàn)DA-MIMO與EPC-MIMO雷達(dá)在抑制與真實(shí)目標(biāo)位于相同發(fā)射脈沖的假目標(biāo)方面具有局限性。

4.2 基于解模糊的抗主瓣干擾方法

考慮自衛(wèi)式干擾，即目標(biāo)與干擾機(jī)角度相同。干擾機(jī)通過對(duì)截獲的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)后形成若干假目標(biāo)(即全脈沖轉(zhuǎn)發(fā)形式)。對(duì)于距離拖引式干擾，跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)采取脈沖前沿跟蹤的方式提取目標(biāo)的距離維信息。進(jìn)一步，可以表示出經(jīng)過RDC后的真、假目標(biāo)的發(fā)射空間頻率[39]

由式(29)第1個(gè)式子可見，補(bǔ)償后的真實(shí)目標(biāo)由于發(fā)射與接收空間頻率fR=d/λ0sinθ0相等，即真實(shí)目標(biāo)位于發(fā)射-接收二維空域平面的對(duì)角線，而延遲了p個(gè)發(fā)射脈沖(即存在p重距離模糊)的假目標(biāo)由于具有偏移量 ΔfT=-2ΔfpRu/c，可在發(fā)射空域上實(shí)現(xiàn)任意分布。如圖9所示，盡管真、假目標(biāo)的距離在一個(gè)無模糊區(qū)間(即圖9中距離模糊區(qū)2)內(nèi)可能存在超前和滯后的關(guān)系，假目標(biāo)所在實(shí)際等效距離一定大于目標(biāo)的真實(shí)距離[40]。值得注意的是，若假目標(biāo)經(jīng)過快速轉(zhuǎn)發(fā)后形成，且與真實(shí)目標(biāo)位于相同的距離模糊區(qū)(如圖中假目標(biāo)1)，則此時(shí)抗干擾失效。換言之，在一個(gè)無模糊區(qū)間內(nèi)，超前于真實(shí)目標(biāo)的假目標(biāo)均可抑制，但是落后于真實(shí)目標(biāo)的假目標(biāo)則不一定可以抑制。即FDA-MIMO雷達(dá)只能對(duì)存在距離模糊的欺騙式干擾進(jìn)行有效抑制。

圖9 假目標(biāo)產(chǎn)生示意圖Fig.9 Generation of false targets

鑒于FDA-MIMO雷達(dá)在解距離模糊上的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)有抗干擾方法大多體現(xiàn)在空域波束形成上，包括非自適應(yīng)波束形成和自適應(yīng)波束形成[40]。圖10(a)和圖10(b)分別給出了基于非自適應(yīng)波束形成和自適應(yīng)波束形成的收發(fā)二維空域的等效發(fā)射方向圖剖面。如圖所示，由于假目標(biāo)發(fā)射空間頻率相對(duì)于真實(shí)目標(biāo)產(chǎn)生了偏移，且偏移量 ΔfT與延遲脈沖數(shù)有關(guān)，可通過對(duì)頻率步進(jìn)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得假目標(biāo)等效方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)真實(shí)目標(biāo)的零點(diǎn)，通過方向圖調(diào)零的方式抑制干擾[45,81]。其中，可以根據(jù)方向圖零點(diǎn)與假目標(biāo)指向的關(guān)系來設(shè)計(jì)頻率步進(jìn)量：

另外，可構(gòu)造基于MVDR的自適應(yīng)波束形成器，如圖10(b)所示，在距離-角度二維空域自適應(yīng)地形成零點(diǎn)，從而抑制距離維失配的假目標(biāo)[34,39,40]。其自適應(yīng)波束形成器可以表示為

圖10 基于波束形成的FDA-MIMO雷達(dá)抗主瓣欺騙式干擾方法Fig.10 Mainlobe deceptive jammer suppression with beamforming in FDA-MIMO radar

其中，Rj+n表示干擾加噪聲協(xié)方差矩陣，w=為自適應(yīng)權(quán)矢量。

實(shí)際應(yīng)用中，采用波束形成方式抗干擾會(huì)存在一定性能損失，因此需要研究基于穩(wěn)健波束形成抗干擾方法。針對(duì)非自適應(yīng)波束形成抗干擾方法，由于陣列/系統(tǒng)誤差導(dǎo)致目標(biāo)參數(shù)與理論值存在偏差，假目標(biāo)無法位于零點(diǎn)。對(duì)此，可通過展寬零點(diǎn)來充分抑制干擾，并展寬主瓣來提升抗干擾穩(wěn)健性。文獻(xiàn)[13]提出了基于虛擬干擾的預(yù)設(shè)寬零點(diǎn)波束形成(Preset Broadened Nulling BeamFormer,PBNBF)算法，文獻(xiàn)[46]通過對(duì)收發(fā)二維方向圖的權(quán)矢量進(jìn)行正交分解，提出了一種預(yù)設(shè)方向圖綜合(Preset BeamPattern Synthesis,PBPS)方法展寬方向圖主瓣與零點(diǎn)。如圖11(a)和圖11(b)所示，采用所提方向圖設(shè)計(jì)方法均可顯著提升輸出SINR，匹配濾波結(jié)果僅目標(biāo)處具有最大輸出響應(yīng)。針對(duì)自適應(yīng)波束形成抗干擾方法，由于假目標(biāo)分布不滿足獨(dú)立同分布條件，因此需要研究干擾加噪聲協(xié)方差矩陣重構(gòu)方法。對(duì)此，文獻(xiàn)[41]提出了一種魯棒的非一致樣本檢測(cè)(Nonhomogeneous Sample Detection,NSD)方法，通過挑選奇異樣本并對(duì)目標(biāo)分量進(jìn)行剔除。文獻(xiàn)[43]通過在收發(fā)二維空域構(gòu)造接收主瓣子空間并利用正交投影方法對(duì)主瓣欺騙式干擾樣本進(jìn)行挑選。文獻(xiàn)[44]提出了一種交替最小化的兩步GoDec方法來抑制欺騙式干擾。如圖11(c)所示，所提方法有效抑制距離維失配的干擾，具有較高的輸出信干噪比。

圖11 FDA-MIMO雷達(dá)基于穩(wěn)健波束形成抗干擾方法輸出SINR結(jié)果Fig.11 Output SINR with robust beamforming for jammer suppression in FDA-MIMO radar

值得一提的是，筆者所在團(tuán)隊(duì)較早開展了頻率分集系統(tǒng)原理樣機(jī)研制工作，包括天線與射頻組件、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、雷達(dá)系統(tǒng)顯控等。并開展了轉(zhuǎn)發(fā)式主瓣欺騙干擾抑制的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖12給出了頻率分集系統(tǒng)原理樣機(jī)及抗干擾驗(yàn)證結(jié)果。通過對(duì)比相控陣、MIMO雷達(dá)、FDA-MIMO雷達(dá)的抗干擾結(jié)果可見，相控陣與MIMO雷達(dá)由于缺乏足夠的空域自由度因此無法抑制主瓣欺騙式干擾，相比之下，F(xiàn)DA-MIMO雷達(dá)通過利用引入的距離維自由度能夠有效對(duì)抗主瓣欺騙式干擾，僅在目標(biāo)處具有最大輸出功率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后與理論結(jié)果一致[8,40,82]。

圖12 頻率分集系統(tǒng)抗干擾驗(yàn)證Fig.12 Verification of jammer suppression with FDA system

實(shí)際上，F(xiàn)DA-MIMO雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)距離-角度-Doppler三維聯(lián)合處理，基于其解距離模糊能力，可同步實(shí)現(xiàn)雜波與干擾抑制[6,30,31]。文獻(xiàn)[29]提出FDA-MIMO STAP機(jī)載雷達(dá)的信號(hào)模型，圖13(a)給出了發(fā)射-接收-時(shí)間三維空間中的真實(shí)目標(biāo)、雜波、壓制式干擾和欺騙式干擾的分布示意圖[83]，可見，真實(shí)目標(biāo)和雜波分布在同一個(gè)平面上，壓制式干擾僅在接收維具有角度依賴性，而假目標(biāo)在三維空間中可被分辨。因此，通過將角度、Doppler和距離信息結(jié)合在FDA-MIMO STAP雷達(dá)中，真實(shí)目標(biāo)就可以被檢測(cè)出來，而假目標(biāo)將被有效抑制。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[83]提出了基于子空間投影技術(shù)的空時(shí)距離三維自適應(yīng)處理(Space-Time-Range Adaptive Processing,STRAP)方法。該方法通過子空間投影方法在預(yù)濾波階段實(shí)現(xiàn)欺騙式干擾抑制，并利用補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)估計(jì)雜波和壓制式干擾的協(xié)方差矩陣，在發(fā)射-接收-時(shí)間三維空間上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。圖13(b)給出了輸出SCJNR損失，可見所提方法可以實(shí)現(xiàn)一體化雜波與干擾抑制。

圖13 基于FDA-MIMO STAP雷達(dá)的一體化雜波與干擾抑制Fig.13 Integrated clutter and jammer suppression in FDA-MIMO STAP radar

5 成像與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)一體化

5.1 成像與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)一體化設(shè)計(jì)原理

SAR成像和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(Moving Target Indication,MTI)是機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的兩大任務(wù)，而天線波束掃描和系統(tǒng)帶寬成為關(guān)鍵影響因素，通常，SAR成像要保證波束在區(qū)域相對(duì)較長時(shí)間的照射，為實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，需要雷達(dá)波束掃描整個(gè)空間。此外，為提高SAR成像距離分辨率，需要寬帶信號(hào)，而為實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，發(fā)射窄帶信號(hào)可以克服目標(biāo)跨距離門走動(dòng)問題。因此，現(xiàn)有成像與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)一體化主要面臨信號(hào)帶寬不兼容、波束掃描不兼容兩大問題。

為了實(shí)現(xiàn)一體化的SAR成像與MTI，可發(fā)射具有不同載頻且互相正交的LFM信號(hào)。FDA雷達(dá)中，其相鄰發(fā)射陣元間，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)較小的頻率步進(jìn)量，會(huì)導(dǎo)致頻譜重疊，如果進(jìn)一步增大頻率步進(jìn)量使其變?yōu)閹?，?Δf=B，則不同陣元間的發(fā)射信號(hào)頻譜互不重疊，即得到了頻分正交信號(hào)[75,76]。其中，第m個(gè)陣元發(fā)射的信號(hào)可以表示為

其中，fm=f0+(m-1)B。其與FDA-MIMO雷達(dá)的主要區(qū)別是，F(xiàn)DA-MIMO雷達(dá)的頻率步進(jìn)量通常較小且不同陣元發(fā)射波形通常是碼分正交，而頻分正交雷達(dá)的頻率步進(jìn)量為帶寬。文獻(xiàn)[2]對(duì)該構(gòu)型及功能進(jìn)行了描述，如圖14(a)所示，其中每個(gè)通道帶寬為500 MHz，整個(gè)發(fā)射信號(hào)占據(jù)11～15 GHz的頻帶，圖14(b)給出了9陣元的發(fā)射方向圖。

圖14 頻分正交LFM信號(hào)模型Fig.14 Signal model of orthogonal frequency diverse LFM signal

進(jìn)一步，通過將不同通道所對(duì)應(yīng)的窄帶信號(hào)進(jìn)行分離與頻譜搬移，可實(shí)現(xiàn)不同空間通道信號(hào)的頻譜重疊對(duì)齊。在接收端利用帶通濾波、頻譜對(duì)齊和匹配濾波等處理可以獲得分離的窄帶發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MTI功能。另外，通過將空間不同通道的窄帶信號(hào)進(jìn)行頻譜拼接合成可以獲得頻域?qū)拵盘?hào)，進(jìn)一步利用發(fā)射頻率域差異來實(shí)現(xiàn)模糊回波信號(hào)的分離與無模糊SAR成像。

5.2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與高分寬幅成像方法

首先，為實(shí)現(xiàn)地/海面雜波背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，可借助FDA-MIMO雷達(dá)空時(shí)頻聯(lián)合處理方法進(jìn)行距離Doppler模糊雜波抑制[29]。實(shí)際上，在接收端分離發(fā)射波形后，可等效形成發(fā)射方向圖，通過三維搜索實(shí)現(xiàn)對(duì)空間不同角度、不同距離模糊區(qū)域、不同Doppler的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)[29]?？紤]到FDAMIMO雷達(dá)中，距離模糊區(qū)域所對(duì)應(yīng)的雜波在發(fā)射-接收二維空間是彼此分離的，進(jìn)一步，文獻(xiàn)[29]設(shè)計(jì)了FDA-MIMO雷達(dá)多維波束域降維信號(hào)處理方法，對(duì)于任意角度，可在主距離模糊區(qū)周圍的發(fā)射和接收空域中形成多個(gè)波束。圖15給出了FDAMIMO雷達(dá)第1距離模糊區(qū)、天線法線方向的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的局域化多波束示意圖[4]。

圖15 FDA-MIMO空時(shí)頻局域化處理示意圖Fig.15 Diagram of space-time-frequency localized processing with FDA-MIMO

因此，3DL自適應(yīng)距離-角度-Doppler處理器可以表示為[29]

圖16 FDA-MIMO降維處理器結(jié)果Fig.16 Results on dimension reduction processor in FDA-MIMO

針對(duì)SAR成像，文獻(xiàn)[84]提出了一種基于多子帶FDA的高分寬幅SAR成像方法。其發(fā)射陣列由多個(gè)子陣組成，每個(gè)子陣內(nèi)各陣元發(fā)射的波形相互正交且有一個(gè)略小于或等于信號(hào)帶寬的頻率增量，可通過子陣內(nèi)距離角度二維依賴特性解決距離模糊問題，并通過頻譜拼接技術(shù)獲得大帶寬信號(hào)來獲得高距離分辨率。

圖17給出了其信號(hào)處理流程?；夭ㄊ紫冗M(jìn)行匹配濾波處理恢復(fù)發(fā)射端的自由度，隨后進(jìn)行接收波束形成獲得全部接收孔徑的增益。然后在子陣內(nèi)通過距離依賴補(bǔ)償和發(fā)射波束形成將距離模糊回波分解成多個(gè)無模糊部分。接著，將各個(gè)子陣對(duì)應(yīng)的無距離模糊信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償去除多余相位，再將所有子陣對(duì)應(yīng)的信號(hào)在距離頻域通過頻譜拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)大帶寬信號(hào)的合成。最后，將拼接好的信號(hào)進(jìn)行成像處理即可得到完整HRWS-SAR成像結(jié)果(如圖18所示)[84]。

圖17 基于多子帶FDA的高分寬幅SAR成像處理流程Fig.17 Procedure of HRWS SAR imaging based on multiple sub-band FDA

圖18 子帶FDA-HRWS成像結(jié)果Fig.18 Imaging results of sub-band FDA-HRWS

6 總結(jié)與展望

6.1 結(jié)語

面對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下目標(biāo)精細(xì)化探測(cè)需求，多功能一體化雷達(dá)技術(shù)已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。FDA具有發(fā)射寬覆蓋的雷達(dá)發(fā)射方向圖，通過接收端等效波束形成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)靈活的波束。另外FDA具有更高的系統(tǒng)自由度，通過合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和接收處理手段能夠?qū)崿F(xiàn)多功能一體化應(yīng)用。本文針對(duì)FDA這一研究熱點(diǎn)，對(duì)其多功能一體化理論與方法進(jìn)行了分析與歸納，重點(diǎn)研究其一體化波形設(shè)計(jì)方法，分析其在檢測(cè)與估計(jì)一體化、解模糊與抗干擾一體化、成像與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)一體化處理技術(shù)。然而，現(xiàn)有FDA雷達(dá)在快速轉(zhuǎn)發(fā)的主瓣干擾抑制、正交波形設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面仍存在一定局限性。目前，現(xiàn)有針對(duì)FDA的一體化研究仍處于理論層面，仍需進(jìn)一步論證FDA雷達(dá)同時(shí)多功能多任務(wù)技術(shù)，提升雷達(dá)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知能力、集成度和綜合性能。

6.2 發(fā)展趨勢(shì)與未來展望

結(jié)合雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用需求與目前FDA研究現(xiàn)狀，F(xiàn)DA雷達(dá)多功能一體化技術(shù)仍需從以下方面開展深入研究：

(1) 空時(shí)頻聯(lián)合調(diào)制波形設(shè)計(jì)。FDA具有靈活的波束賦形能力，未來仍需進(jìn)一步研究其空時(shí)頻聯(lián)合調(diào)制的波形設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法?？沼蚍矫妫枰芯堪l(fā)射寬波束設(shè)計(jì)方法和等效收發(fā)聯(lián)合多波束技術(shù)，進(jìn)一步解決系統(tǒng)多功能在空間波束掃描上的矛盾；時(shí)頻域方面，考慮結(jié)合超寬帶等技術(shù)提高一體化波形瞬時(shí)帶寬，充分利用多維度調(diào)度系統(tǒng)資源。根據(jù)任務(wù)和環(huán)境選擇折中波形，建立面向多任務(wù)的發(fā)射波形庫。

(2) 結(jié)合認(rèn)知雷達(dá)的智能化處理。如今，復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)感知能力的要求不斷提升。多功能雷達(dá)系統(tǒng)需要通過與環(huán)境的交互學(xué)習(xí)，獲取環(huán)境的信息，并結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)和推理，自適應(yīng)調(diào)整接收機(jī)和發(fā)射機(jī)參數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)處理，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知、決策、執(zhí)行、評(píng)估和優(yōu)化[85,86]。為適應(yīng)未知電磁環(huán)境的多樣性與時(shí)變性，未來多功能一體化系統(tǒng)也朝著智能化、數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)發(fā)展，并以較小規(guī)模的計(jì)算達(dá)到系統(tǒng)總體性能最優(yōu)。

(3) 多功能一體化FDA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?；贔DA多功能一體化系統(tǒng)不僅依賴于理論創(chuàng)新，還需研制FDA多功能一體化系統(tǒng)，在不同場(chǎng)景下對(duì)其同時(shí)多功能性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)一步，研究單片集成方法也是數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢(shì)，通過在聚集多功能的基礎(chǔ)上縮小雷達(dá)體積并降低成本，可以不斷擴(kuò)大雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域。