频控阵雷达技术及其应用研究进展

发表时间：2020-08-05T02:54:26.321Z 来源：《现代电信科技》2020年第5期 作者： 侯玥 马艳君

[导读] 随着经济和科技水平的快速发展，频控阵雷达作为近年来新提出的一种新雷达技术，由于其阵列方向图距离依赖性的特点使其具有广泛的应用前景。

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摘要：随着经济和科技水平的快速发展，频控阵雷达作为近年来新提出的一种新雷达技术，由于其阵列方向图距离依赖性的特点使其具有广泛的应用前景。频控阵雷达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距离指向的问题，满足雷达对于距离变化的适应性需求。频控阵雷达所发射的相参信号需要附加很小的频偏控制。相参是指脉冲之间的初始相位具有确定性，是实现脉冲压缩、提取多普勒信息的基础，在很多无线测试应用中，往往需要产生多路相位相参的射频信号。基于此，产生多路小频偏的相参信号在频控阵雷达设计中有着至关重要的作用。针对频控阵雷达原理特性需求，多路相参信号源在频控阵雷达设计中成为不可缺少的一环。传统的信号源通常体积庞大，并且实现多路信号相参复杂度较高。而在已经提出的小型化多通道信号源设计中，对于多通道间信号的相参精度还有待提高。

关键词：频控阵；频控阵雷达；雷达对抗 引言

与传统的相控阵只形成方位角依赖性的发射波束不同，频控阵通过在阵元间采用一个小频差来实现波束的自动扫描功能。频控阵能够形成具有距离依赖性和时变性的发射波束，克服了传统相控阵阵列因子不包含距离和时间变量的缺点，因而带来很多独特的应用优势。 1频控阵雷达基本原理及其特点

频控阵雷达与相控阵雷达在发射信号特性中有着相同的特点，即它们都发射阵列的相参信号，但是频控阵雷达与相控阵雷达最大的区别在于相控阵雷达发射的相参信号是频率相同的信号，而频控阵发射的是频率不同的信号，并且其信号特点是频控阵阵列发射出的信号具有相同的载频，但是每个阵元发射出的信号都附加了很小的频偏（频率偏移量远远小于其载频信号）。第一项是传统相控阵阵元间的相位偏移量；第二项表示相位偏移量随着距离R1和频偏的变化而变化，即频控阵波束方向图具有距离依赖性，这就是频控阵所具备的最为重要的特征，也是频控阵雷达相较于其它雷达所具有的最为鲜明的特点以及优势；第三项表示不同阵元发射相同载波以及不同微小频偏信号所形成的相位偏移量。

2频控阵雷达技术的最新研究进展 2.1频控阵雷达目标探测方面

为了彻底解决频控阵雷达目标探测应用中由距离-方位角耦合性带来的目标参数估计模糊问题，有必要综合利用频控阵的距离依赖性和MIMO阵列的自由度，构建新体制的FDA-MIMO技术。需要说明的是，虽然基于频率波形复用的MIMO和FDA-MIMO具有相似性，但它们在物理本质上是不同的。前者的频偏主要用来分离不同发射天线的信号，因而需要其频偏足够大；而后者的频偏很小，远小于其发射信号的带宽。虽然前者在空间上也可以形成距离相关性波束，但其大频偏会形成大量栅瓣，导致能量发散和增加目标参数估计难度。基于FDA-MIMO的雷达目标距离和方位角联合估计方法，并进而提出一种基于自适应FDA-MIMO雷达的目标3维参数估计方法。由于CRLB（Cramer-RaoLowerBound）是一种常见的目标参数估计性能评估手段，基于CRLB最小化的FDA-MIMO优化设计方法。在此基础上，FDA-MIMO雷达在目标距离-方位角联合估计中的CRLB、MSE（MeanofSquareError）和分辨力特性，其结果表明FDA-MIMO雷达能够综合利用频控阵雷达和MIMO雷达的优势。 2.2频控阵信号的相参

1）基带同步。由于采用了多片AD9361射频芯片，各片芯片的基带锁相环所产生的基带采样时钟之间每次上电之后不同步，进而使得各片芯片所采样的基带信号无法满足相参。本设计采用AD9361的MCS机制同步基带信号。AD9361包含同步基带采样时钟和数据时钟所需的外部控制输入和内部电路，允许系统设计并行使用多个器件，并具有与单个器件相同的性能。通过给每片芯片输入同一个逻辑脉冲信号，将多个芯片的基带采样时钟和数据时钟分别对齐，实现基带信号同步。该机制可以实现很高的相位同步精度，可使得基带信号完全同步。2）射频本振同步。在本设计中，为了保证射频本振信号同步，各收发器的射频本振信号是通过同一外部输入得到。在通过外部输入信号得到本振信号时，AD9361射频捷变收发器将会不再使用射频锁相环产生本振信号，外部信号在输入收发器后会经过其内部的分频器作二分频操作，使输入信号频率变为原先的一半后作为射频本振信号。在外部输入信号二分频的过程中会产生180度的相位模糊，基于此，为了实现发射信号的相参，需要对各收发器的发射信号相位进行检测和校正。 2.3射频隐身精准通信

无线通信安全面临的主要威胁来自于电磁波的广播特性。传统的天线阵中将主瓣调向期望方向，而旁瓣发射的信号幅度则远低于主瓣，来保证安全传输。但是，当非期望接收机和期望接收机在同一方位角度上，也就是说非期望接收机和期望接收机仅仅是距离发射机的距离不一样时，作为发射阵列相控阵波束成形就不再能保证安全传输。为了进一步提高无线通信的安全性，将频控阵的点波束图应用于无线通信传输，可以实现电磁波在收发之间的点－点的传输，即使非期望接收机和期望接收机在相同角度区域内，由于距离发射机的远近不同也不能检测到发射频控阵信号，从而有利于信息的保护。基于频控阵的距离－角度点聚焦技术不仅实现了目标角度上的安全通信，而且实现了目标距离上的安全通信，尤其是在窃听接收机和期望接收机同方向的情况下，具有距离角度维上的低截获率。因此在安全性上，基于频控阵的距离－角度点聚焦图比基于相控阵角度方向图更具优势。 2.4频控阵发射方向图综合设计方面

为了更好地解决频控阵波束的距离-方位角耦合问题，“点”波束方向图综合已成为研究热点一种基于多载波的频控阵“点”状发射波束方向图综合方法。该方法采用了最简单的均匀加权，没有考虑频控阵阵列因子时变因素的影响，只是验证了频控阵可以在距离-方位角空间中形成点状波束方向图。值得说明的是，频控阵波束的耦合性和时变性并不一定是频控阵的缺点，只是不同应用场合可能需要利用其不同的阵列特性。为此，进一步提出考虑时变因素影响的频控阵点波束方向图综合方法。在此基础上，提出一种基于遗传算法的频控阵点状波束方向图优化设计方法。

3频控阵雷达技术的应用前景展望

1）具有强抗干扰抑制应用能力：传统相控阵雷达往往利用空域自由度，对副瓣干扰具有较好的抑制效果。但是，当雷达面临强干扰或主瓣干扰时，传统基于空域滤波的副瓣干扰抑制方法性能将严重下降，甚至失效，此时现有雷达装备很难对目标进行有效探测。频控阵不同阵元发射载频具有偏差的相同信号，其方向图具有距离-角度2维自由度，具有强抗干扰抑制应用潜力。2）多径干扰自适应抑制能力：频控阵波束的阵列因子包含有角度、距离和时间3个变量，充分挖掘和利用这3种变量关系，尤其是其时间特性，有可能提出基于时域处理的多径干扰抑制方法，但具体如何实现还需进一步论证。 结语

频控阵技术及其应用前景。主要探讨了基于频控阵列实现的射频隐身技术，在安全通信、探测、电子对抗领域的应用模式。通过这些探讨，可以看出频控阵列技术会在诸多应用领域带来巨大的性能提升以及作战模式的改变，值得进一步的深入研究。

参考文献：

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[2]王珽，赵拥军，胡涛.机载MIMO雷达空时自适应处理技术研究进展[J].雷达学报，2015，4（2）：136–148.DOI：10.12000/JR14091.