極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)研究綜述

王雪松, 王占領(lǐng), 龐 晨, 李永禎

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室, 湖南長沙 410073)

0 引言

極化作為電磁波的基本物理參量，描述了電磁波的矢量特征。極化雷達(dá)可以測量目標(biāo)形狀、結(jié)構(gòu)等豐富物理屬性信息。利用目標(biāo)極化信息可以有效改善和提高雷達(dá)目標(biāo)探測、分類和識別以及抗干擾等性能，而目標(biāo)極化信息的精確獲取是極化信息利用的前提和基礎(chǔ)[1]。隨著極化雷達(dá)的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)了從“標(biāo)量感知時代”到“矢量感知時代”的跨越發(fā)展，目標(biāo)極化信息獲取經(jīng)歷了由不完整極化信息向全極化信息獲取的發(fā)展歷程[2]。極化雷達(dá)具有其他雷達(dá)無法替代的突出優(yōu)勢，已成為導(dǎo)彈防御、空間監(jiān)視、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域的“尖兵利器”。隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)逐步發(fā)展成熟，將極化與相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)相結(jié)合，研究具有極化測量能力的極化相控陣?yán)走_(dá)(Polarimetric Phased Array Radar，PPAR)是極化雷達(dá)發(fā)展的重要方向之一[3-4]。

1 極化相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展

極化相控陣?yán)走_(dá)已成功用于防空反導(dǎo)、空間監(jiān)視和精確制導(dǎo)等尖端領(lǐng)域，是世界軍事雷達(dá)技術(shù)競爭的戰(zhàn)略制高點。上世紀(jì)80年代末，美國斥巨資研制了以GBR反導(dǎo)雷達(dá)[5](見圖1(a))為代表的多部極化相控陣?yán)走_(dá)，其基本性能和技術(shù)手段屬于美國的國家機(jī)密，鮮有公開報道。

(a) GBR反導(dǎo)雷達(dá)

(b) LRDR遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)

(c) MPAR示意圖

(d) LRDR示意圖圖1 典型的極化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

近年來，美國等軍事強國一直在開展極化相控陣?yán)走_(dá)核心關(guān)鍵技術(shù)的研究，也從未停止極化相控陣?yán)走_(dá)的建造升級步伐。比較有代表性的有美國的多功能相控陣?yán)走_(dá)(Multi-function Phased Array Radar，MPAR)計劃和遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)(Long Range Discrimination Radar，LRDR)，如圖1所示。MPAR是一部具有全極化測量能力的相控陣?yán)走_(dá)(圖1(c))，于2006年在美國運輸部聯(lián)邦航空局(FAA)、商業(yè)部國家海洋與大氣局(NOAA)和國防部海軍研究局三家單位聯(lián)合資助下啟動研制[6]。MPAR具備多功能能力，能夠同時執(zhí)行飛機(jī)跟蹤、風(fēng)廓線和天氣監(jiān)視、國土防御等任務(wù)。計劃于2025年利用約365部多功能雷達(dá)替換350部飛機(jī)跟蹤雷達(dá)和200部氣象雷達(dá)。除此之外，MPAR的核心技術(shù)已在軍事應(yīng)用中得到驗證。2020年，美國陸基中段彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的LRDR遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)(見圖1(b)、(d))在阿拉斯加Clear空軍基地即將投入使用。LRDR是一部雙極化相控陣體制的遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)，利用了極化技術(shù)獲取目標(biāo)形狀方面的信息，據(jù)稱可以實現(xiàn)真假彈頭識別，為陸基中段導(dǎo)彈防御提供關(guān)鍵技術(shù)支撐[7]。美國導(dǎo)彈防御局局長喬恩·希爾(Jon Hill)透露，LRDR將于2021年首次參加導(dǎo)彈防御系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗?；谘兄瞥杀镜目紤]，LRDR選用了S波段，而非更有利于目標(biāo)識別的X波段。盡管如此，得益于極化分集能力的LRDR仍具有真假彈頭識別能力，這標(biāo)志著美國極化相控陣?yán)走_(dá)的極化測量與利用能力已經(jīng)相當(dāng)成熟。

近年來，我國在極化相控陣?yán)走_(dá)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)研制等方面取得了長足進(jìn)步，已有多部極化相控陣?yán)走_(dá)相繼問世。例如，航天科工23所研制的某大型相控陣?yán)走_(dá)、中國電科14所研制的多型相控陣?yán)走_(dá)和航天科工集團(tuán)二院、三院研制的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭等已具備全極化測量能力。盡管現(xiàn)有極化相控陣?yán)走_(dá)具備目標(biāo)極化信息測量的基本物理條件，但就雷達(dá)目標(biāo)極化信息利用而言，極化信息測量精度與實際應(yīng)用需求之間仍存在突出矛盾。作為極化濾波和極化特征提取與識別的前提，極化信息測量的精度長期困擾著極化相控陣?yán)走_(dá)的效能發(fā)揮，直接決定著極化信息能否“用得上、用得好”，是“卡脖子”關(guān)鍵問題。

從技術(shù)體制出發(fā)，深入剖析具體原因。相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)體制具有寬角掃描的特有優(yōu)勢，然而，波束掃描通常會帶來增益下降、波束展寬和方向圖對稱性下降等問題。而對極化相控陣?yán)走_(dá)而言，波束掃描還會使電場極化正交性下降，從而引起交叉極化耦合，進(jìn)而導(dǎo)致極化測量誤差。另外，為追求更高的目標(biāo)分辨率，目前的防空反導(dǎo)、空間監(jiān)視和精確制導(dǎo)等領(lǐng)域通常采用寬帶雷達(dá)。鑒于極化的頻率敏感性，實現(xiàn)對極化的精確控制則更為困難。上述問題嚴(yán)重限制了極化相控陣?yán)走_(dá)的有效波束掃描范圍，因此，“寬帶”、“寬角掃描”、“極化”和“相控陣”的結(jié)合給極化精密測量帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近年來，極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)迎來了快速發(fā)展期，有力推動了極化相控陣?yán)走_(dá)在氣象觀測、防空反導(dǎo)、精確制導(dǎo)、空中管制等領(lǐng)域的廣泛研究和應(yīng)用[8-9]。當(dāng)前，以美國、日本、中國等為主的世界大國均在極化相控陣?yán)走_(dá)理論和系統(tǒng)研制上投入大量的力量和資源。下面對世界范圍內(nèi)的極化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1.1 氣象觀測領(lǐng)域

2006年，美國啟動了全極化多功能相控陣?yán)走_(dá)(MPAR)研制計劃[6]，服務(wù)于飛機(jī)跟蹤、風(fēng)廓線和天氣監(jiān)視、空中交通管制、國土防御等任務(wù)。在MPAR計劃的支持以及應(yīng)用需求的牽引下，美國多所科研機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門開展了一系列研究，在相控陣?yán)走_(dá)的雙極化能力研究和系統(tǒng)研制方面取得了豐碩的成果。其中，有麻省理工學(xué)院林肯實驗室(Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory，MIT LL)牽頭的多平面陣方案，以先進(jìn)技術(shù)演示樣機(jī)(Advanced Technology Demonstrator，ATD)為代表；以及美國俄克拉荷馬大學(xué)先進(jìn)雷達(dá)研究中心(The University of Oklahoma Advanced Radar Research Center，OU ARRC)牽頭的圓柱形相控陣方案，也稱CPPAR(Cylindrical Polarimetric Phased Array Radar)。MPAR計劃不僅應(yīng)用于氣象觀測領(lǐng)域，還將應(yīng)用于空中監(jiān)視領(lǐng)域。

早在2007年，MIT LL就在FAA、NOAA和美國空軍的資助下開發(fā)了8×8共64個發(fā)射/接收單元的雙極化面陣(dual pol panel)[10]。經(jīng)過幾代的設(shè)計和改進(jìn)，降低了成本并提高了性能和可制造性。如今，該面陣已發(fā)展到第5代，其中，第3代后較為成熟。第3代面陣的分解圖如圖2(a)所示，圖2 (b)中的演示系統(tǒng)由兩個面陣組成，用于演示驗證重疊子陣波束形成技術(shù)。第4代面陣組成的十面陣演示機(jī)(Ten-Panel Demonstrator，TPD)如圖3所示，主要目的是研究和驗證收集雙極化氣象數(shù)據(jù)的能力。2017年，由76個第5代面陣組成的先進(jìn)技術(shù)演示樣機(jī)(ATD)(如圖4所示)安裝在NOAA的國家強風(fēng)暴實驗室(National Severe Storms Laboratory，NSSL)，以演示驗證MPAR的初步運行能力和探測性能，為下一步逐步替代現(xiàn)有多型雷達(dá)網(wǎng)作準(zhǔn)備[11-12]。值得一提的是，MIT LL的面陣中每個陣元采用了平衡饋電多層雙極化微帶天線，以實現(xiàn)低交叉極化性能。同時，每個8×8面陣采用了一種獨特的極化可重構(gòu)發(fā)射/接收(Transmit/Receive，T/R)組件，并在ATD中采用了單芯片的重疊子陣波束形成網(wǎng)絡(luò)。

(a) 第3代面陣分解圖

(b) 由兩個第3代面陣組成的陣列圖2 MIT LL第3代雙極化面陣

(a) TPD示意圖

(b) TPD車載雷達(dá)系統(tǒng)圖3 MIT LL第4代面陣構(gòu)成的TPD

圖4 MIT LL第5代面陣構(gòu)成的ATD

與此同時，OU ARRC研制了一種圓柱形極化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，即CPPAR系統(tǒng)[13]。CPPAR的共形天線設(shè)計方式不僅可以簡化對每個波束的校準(zhǔn)過程，使其具有匹配的主極化方向圖，而且掃描時陣元分布的對稱性會降低交叉極化水平。該系統(tǒng)的柱面共形天線具有96列一維頻率掃描線陣，每一列包括19個雙極化多層貼片陣元天線，如圖5所示。在俯仰方向采用頻率掃描方式，掃描范圍為0°～20°，分別對應(yīng)著2.7～3.1 GHz的頻率范圍。ATD和CPPAR兩套系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，其參數(shù)和性能對比如表1所示。

圖5 OU ARRC的CPPAR系統(tǒng)

表1 ATD和CPPAR性能參數(shù)對比

事實上，俄克拉荷馬大學(xué)已經(jīng)在極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)方面有著十多年的積累，目前也是全美唯一一所研制全數(shù)字極化相控陣?yán)走_(dá)的大學(xué)。OU ARRC在近幾年開發(fā)了移動式S波段的“陣元級”全數(shù)字化極化相控陣?yán)走_(dá)原型樣機(jī)，代號為Horus[14]，如圖6(b)所示。Horus的相控陣天線共有1 024個陣元，分為16個8×8的面陣，有著“陣元級”數(shù)字波束形成架構(gòu)(見圖6(a))。該系統(tǒng)可實現(xiàn)極化控制，可以發(fā)射單水平(Horizontal，H)極化、單垂直(Vertical，V)極化、斜45°極化、左旋圓極化(Left-Hand Circular，LHC)、右旋圓極化(Right-Hand Circular，RHC)或任意極化狀態(tài)。同時，還具有靈活的波形，能夠同時執(zhí)行多種任務(wù)?；谂cHorus同樣的靈活陣列結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，OU ARRC還開發(fā)了C波段極化大氣成像雷達(dá)(Polarimetric Atmospheric Imaging Radar，PAIR)(見圖6(c))，也為極化相控陣體制[15]。掃描方式為方位向機(jī)掃，俯仰向電掃。

圖6 OU ARRC的全數(shù)字極化相控陣系統(tǒng)

值得一提的是，ATD和CPPAR的研發(fā)得益于多所科研機(jī)構(gòu)多年的技術(shù)積累，更在于機(jī)構(gòu)間的密切交流合作。在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)上，除了MIT LL和OU ARRC，還有馬薩諸塞大學(xué)、普渡大學(xué)、科羅拉多州立大學(xué)以及美國國家大氣研究中心等科研機(jī)構(gòu)。下面對其他科研機(jī)構(gòu)的工作分別展開介紹。

馬薩諸塞大學(xué)(University of Massachusetts)微波遙感實驗室開發(fā)了一部X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)[16]，也稱PTWR(Phase-Tilt Weather Radar)，如圖7所示。PTWR為一維電掃有源相控陣?yán)走_(dá)，在方位向上電掃，波束掃描范圍為±45°，在俯仰向上機(jī)掃。相控陣天線為具有72列微帶貼片天線的平面結(jié)構(gòu)，其中，中間的64列分別由專用的發(fā)射/接收模塊饋電，其余列不工作，這樣設(shè)計的目的是為了降低陣列邊緣的衍射和非均勻互耦的影響[17]。每列子陣由32個串聯(lián)饋電的雙極化口徑耦合微帶天線組成。與此同時，馬薩諸塞大學(xué)對雷神(Raytheon)公司開發(fā)的低功率雷達(dá)(Low Power Radar，LPR)進(jìn)行對比測試和極化校準(zhǔn)，以期達(dá)到或接近當(dāng)前雙極化反射面雷達(dá)(如WSR-88DP)的極化測量精度[18]，LPR如圖8所示。

圖7 馬薩諸塞大學(xué)研制的PTWR原型系統(tǒng)

圖8 雷神公司的LPR原型系統(tǒng)

LPR是X波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)，包括20個瓦片結(jié)構(gòu)，每個瓦片含128個微帶貼片天線陣元，共計2 560個雙極化陣元[19]。上述的PTWR和LPR的極化測量體制為“分時發(fā)射、分時接收”(Alternate Transmit/Alternate Receive，ATAR)模式。

俄克拉荷馬大學(xué)和普渡大學(xué)(Purdue University)聯(lián)合設(shè)計和研制了一種高度集成的雙極化數(shù)字陣列雷達(dá)(Digitial Array Radar，DAR)原型系統(tǒng)[20]，如圖9所示。該系統(tǒng)受到美國陸軍項目支持，陣列包含4×4個雙極化天線陣元，每個雙極化天線的兩個極化端口分別連接獨立的數(shù)字化T/R組件。

圖9 DAR 原型系統(tǒng)

美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合科羅拉多州立大學(xué)(Colorado State University，CSU)共同研制了一種機(jī)載雙極化相控陣氣象雷達(dá)[21]，也稱APAR(Airborne Phased Array Radar)。APAR有56個面陣，每個面陣有64(8×8)個輻射單元。該雷達(dá)作為美國下一代機(jī)載氣象雷達(dá)，包含4個C波段的雙極化二維電掃有源相控陣天線，如圖10所示。該雷達(dá)計劃安裝在NCAR的C-130飛機(jī)后部機(jī)身兩側(cè)、機(jī)身頂部和尾部，并有三種工作模式：監(jiān)視、多普勒和雙極化反射率測量。

圖10 NCAR和CSU研制的APAR原型系統(tǒng)

2012年，日本東芝(Toshiba)公司、大阪大學(xué)(Osaka University)和日本國家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)聯(lián)合研制了X波段相控陣氣象雷達(dá)(Phased-Array Weather Radar，PAWR)[22]，該雷達(dá)為單極化體制，如圖11(a)所示。在此基礎(chǔ)上，2014年上述機(jī)構(gòu)聯(lián)合日本氣象廳開始開發(fā)雙極化相控陣?yán)走_(dá)(圖11(b))，陣元為雙極化口徑縫隙耦合貼片天線。2018年，研制完成了雙極化相控陣(多普勒)氣象雷達(dá)(Multi-Parameter Phased-Array Weather Radar，MP-PAWR)[23]，如圖11(c)所示。MP-PAWR具有先進(jìn)的數(shù)字波束形成技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)同時多波束。MP-PAWR的極化測量體制為“同時發(fā)射，同時接收”(Simultaneous Transmission and Simultaneous Reception，STSR)模式。該雷達(dá)能夠獲取高空時分辨率雙極化信息，將是日本下一代氣象雷達(dá)，計劃服務(wù)于2021年東京奧運會。

圖11 日本的MPPAWR原型系統(tǒng)

近年來，我國在極化相控陣氣象雷達(dá)研制方面也取得了重要進(jìn)展，雙極化相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)開始應(yīng)用于我國的氣象監(jiān)測，它可以有效地提高雷達(dá)掃描的時間分辨率。利用相控陣?yán)走_(dá)，可以在幾十秒內(nèi)得到天氣系統(tǒng)的三維高精度信息。2010年，中國氣象科學(xué)研究院與中國電科14所聯(lián)合研制了我國首部S波段相控陣氣象雷達(dá)[24]，如圖12(a)所示。該雷達(dá)采用了單極化工作模式，且為一維電掃體制，方位向機(jī)掃，俯仰向電掃。2016年，中國電科14所成功中標(biāo)相控陣氣象雷達(dá)，圖12(b)為其C波段一維有源數(shù)字相控陣氣象雷達(dá)，2019年9月投入運行并服務(wù)于北京大興機(jī)場。2019年，中國航天科工二院23所研發(fā)的我國首部C波段相控陣氣象雷達(dá)落成，如圖12(c)所示，主要用于降水觀測，可實現(xiàn)對龍卷風(fēng)、冰雹、雷暴等災(zāi)害性天氣實時監(jiān)測。該型氣象雷達(dá)采用全數(shù)字陣列和同時多波束接收技術(shù)，對天氣的演變過程進(jìn)行精細(xì)化探測。隨著微波技術(shù)、微電子技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，極化相控陣天線逐漸成為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)極化分集的主要途徑，實現(xiàn)了由單極化相控陣?yán)走_(dá)向雙極化相控陣?yán)走_(dá)的快速演進(jìn)。中國電科14所旗下國?？萍脊煞萦邢薰?國睿科技)的X波段雙極化一維相控陣?yán)走_(dá)(見圖13(a))，具有超低副瓣天線、高集成度收發(fā)數(shù)字化等技術(shù)。湖南宜通華盛科技有限公司(宜通華盛)的X波段雙極化一維相控陣?yán)走_(dá)(見圖13 (b))，方位向機(jī)掃，俯仰向電掃，為雙極化測量體制雷達(dá)。廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司(納睿達(dá))也有多款X波段雙極化一維相控陣氣象雷達(dá)，如圖13(c)所示，其陣元采用微帶貼片天線，可實現(xiàn)高交叉極化隔離度。

圖12 我國的單極化相控陣氣象雷達(dá)系統(tǒng)

圖13 我國的X波段雙極化相控陣氣象雷達(dá)系統(tǒng)

1.2 射電天文領(lǐng)域

在射電天文學(xué)領(lǐng)域，極化相控陣同樣受到重視和發(fā)展。2008年，首部雙極化相控陣饋源(Phased Array Feed，PAF)樣機(jī)部署在澳大利亞的帕克斯天文臺(Parkes Observatory)[25]，如圖14(a)所示。2011年，荷蘭射電天文研究所和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)聯(lián)合設(shè)計并研制了基于雙極化PAF的射電天文望遠(yuǎn)鏡[26]。圖14(b)為荷蘭射電天文研究所安裝在荷蘭北部Westerbork小鎮(zhèn)的射電天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。PAF可以同時提供緊密重疊波束，大大提高天文望遠(yuǎn)鏡視場。同時，PAF還具有極化分集能力，包括正交波束和本征交叉極化比。2017年，在德國普朗克射電天文學(xué)研究所的100 m口徑埃弗斯堡(Effelsberg)望遠(yuǎn)鏡上安裝了PAF系統(tǒng)(圖14(c))，用于脈沖星和快速無線電脈沖群搜索以及寬視場成像。

圖14 基于PAF的射電天文望遠(yuǎn)鏡

1.3 微波遙感領(lǐng)域

盡管極化相控陣?yán)走_(dá)在氣象領(lǐng)域發(fā)展迅速并已逐漸成熟，然而，極化相控陣?yán)走_(dá)的最早應(yīng)用卻是在微波遙感領(lǐng)域。1994 年，美國宇航局(NASA)、德國航天局(DARA)和意大利航天局(ASI)合作開發(fā)的SIR-C/X-SAR在航天飛機(jī)上發(fā)射成功(見圖15(a))。SIR-C/X-SAR是首個能夠同時獲得多頻段雷達(dá)圖像的星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)[27]。SIR-C也是首個能夠同時進(jìn)行4個極化分量測量(VV、VH、HV和HH)的星載SAR。SIR-C的天線由L波段和C波段的兩個有源相控陣天線組成，每個陣列的陣元為雙極化微帶天線，每個極化端口由單獨的饋電網(wǎng)絡(luò)饋電。在當(dāng)時，人們不僅意識到了寬帶在描述目標(biāo)特性上的潛力，也認(rèn)識到極化在表征目標(biāo)散射機(jī)理上的先天理論優(yōu)勢。由于受限于波束掃描角度，極化相控陣?yán)走_(dá)在微波遙感領(lǐng)域相對緩慢。

21世紀(jì)初以來，隨著雷達(dá)極化測量技術(shù)發(fā)展進(jìn)入繁榮期，極化信息理論在微波遙感領(lǐng)域也得到了極大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)與SAR/InSAR的結(jié)合成為更具前景的研究和應(yīng)用方向。各國研制了多個星載極化SAR系統(tǒng)：2007年德國宇航中心發(fā)射了TerraSAR-X星載極化SAR[28](見圖15(b))、2007年加拿大發(fā)射了RADARSAT-2星載極化SAR[29](見圖15(c))，可用于危害監(jiān)測、土壤濕度估算、積雪和水含量估算、森林傳感、城市規(guī)劃、洋流和波浪動力學(xué)傳感以及地球物理應(yīng)力變化評估等。

圖15 典型的星載極化SAR系統(tǒng)

近年來，我國極化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和工藝水平提升很快，成功研制了多套相控陣體制極化SAR系統(tǒng)。具有代表性的有：2009年中國電科38所研制的機(jī)載極化SAR——POLINSAR[30]、2016年發(fā)射的首顆全極化星載極化SAR——高分三號衛(wèi)星[31]等。高分三號衛(wèi)星搭載的C波段多極化SAR具有條帶、聚束、掃描等12種成像模式，空間分辨率可達(dá)1 m，是目前國際上較為先進(jìn)的星載SAR之一[32]。另外，中科院電子所也研制了極化相控陣體制的機(jī)載極化SAR系統(tǒng)[1]。

1.4 防空反導(dǎo)領(lǐng)域

根據(jù)美國導(dǎo)彈防御局(MDA)的合同要求，自2015年起，洛克希德·馬丁(Lockheed Martin，以下簡稱洛馬)公司開始開發(fā)、測試和建造遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)LRDR，主要用于精確跟蹤和識別，原計劃于2020年在阿拉斯加Clear空軍基地服役，如圖16所示。LRDR是一部S波段雙極化相控陣體制的遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)?；诔杀镜目紤]，LRDR并未選擇更具目標(biāo)識別能力優(yōu)勢的X波段，而是選用S波段。LRDR采用了雙極化測量體制，能夠獲取目標(biāo)形狀方面的信息，據(jù)稱可以實現(xiàn)真假彈頭識別，為陸基中段導(dǎo)彈防御提供關(guān)鍵技術(shù)支撐[7]。另外，LRDR系統(tǒng)具有兩個天線陣面，每個陣面具備120°的方位覆蓋范圍，因此雷達(dá)具有約240°的方位角視場。圖16(c)所示為洛馬公司在其位于新澤西州摩爾斯敦(Moorestown)廠區(qū)建立的一個縮小版LRDR原型系統(tǒng)，能夠測試LRDR系統(tǒng)90%的指標(biāo)需求。除了具有雙極化測量能力，該雷達(dá)系統(tǒng)還在T/R組件中使用先進(jìn)的氮化鎵(GaN)技術(shù)，以更低成本實現(xiàn)了更高功率和效率。

圖16 遠(yuǎn)程鑒別雷達(dá)(LRDR)系統(tǒng)

1.5 精確制導(dǎo)領(lǐng)域

國外在相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭方面的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，目前主要為單極化體制。例如，日本三菱于2001年啟動的AAM-4改進(jìn)型AAM-4B空空導(dǎo)彈，已于2012年列裝。該導(dǎo)彈的雷達(dá)導(dǎo)引頭為J/APG-2型有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，Ka波段，這也是空空導(dǎo)彈首次采用有源相控陣末制導(dǎo)導(dǎo)引頭。俄羅斯于2013年首次對外披露了R-77的升級型K-77M空空導(dǎo)彈，該導(dǎo)彈采用64單元有源相控陣?yán)走_(dá)，如圖17所示。同年，美國雷神公司就開始研發(fā)被動/主動導(dǎo)引頭，并準(zhǔn)備將其集成到“戰(zhàn)斧”Block IV巡航導(dǎo)彈上。2014年，洛馬公司推出一款新式空空導(dǎo)彈，該導(dǎo)彈采用了先進(jìn)的多波段多模有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，融合了寬頻帶被動高精度射頻接收器和雙波段(C 波段和Ka波段)有源相控陣主動導(dǎo)引頭[33]。2015年，美軍開始秘密研制新型遠(yuǎn)程交戰(zhàn)武器(LREW)，采用有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，計劃搭載到F-22和F-35戰(zhàn)機(jī)上。2017年，日本與英國合作開發(fā)搭載于F-35戰(zhàn)機(jī)的聯(lián)合新型空空導(dǎo)彈(JNAAM)的初步研制工作，同樣采用了有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭。俄羅斯和印度于2019年聯(lián)合研制完成下一代“布拉莫斯”(BrahMos-NG)“輕量化”巡航導(dǎo)彈，擁有陸基、機(jī)載、艦載和潛艇發(fā)射型號。其中，相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。可見，美、俄、日、英、印、意等國的相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)正在快速發(fā)展。無論是對現(xiàn)有型號升級改裝或者新研制，基本上采用了有源相控陣體制。從用途上看，有反輻射、空空、反導(dǎo)、巡航、反艦、彈道等導(dǎo)彈種類；從相控陣天線類型上看，有平面陣和共形陣。

圖17 國外相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭

由于涉密等原因，目前公開的關(guān)于極化相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的文獻(xiàn)報道較少。不過，在極化雷達(dá)導(dǎo)引頭方面，相關(guān)的系統(tǒng)并不少見。1995年，美國研制的“長弓海爾法”(Long-bow Hellfire)AGM-114L空地導(dǎo)彈(見圖18(a))，采用了8 mm波長雙極化雷達(dá)導(dǎo)引頭，能夠?qū)崿F(xiàn)輪式車、履帶車、地面防空單元等目標(biāo)的分類。同年，由英國MBDA公司研制的“硫磺石”(Brimstone)空地導(dǎo)彈配備3 mm波長雷達(dá)導(dǎo)引頭。借助于高距離分辨和雙極化測量技術(shù)，可以對裝甲車、地面防空單元和武裝運兵車進(jìn)行分類[34](見圖18(b))。另外，美國休斯(Hughes)公司研制的AIM-4“獵鷹”X波段半主動雷達(dá)尋的導(dǎo)引頭也為雙極化體制，水平極化天線為微帶饋電縫隙波導(dǎo)陣列，垂直極化天線為微帶偶極子陣列(見圖18(c))。

圖18 國外雙極化雷達(dá)導(dǎo)引頭

近年來，我國相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展迅速，且逐步占據(jù)了雷達(dá)導(dǎo)引頭的主導(dǎo)地位。隨著極化雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和工藝水平的不斷提升，中國航天科工二院25所、三院、八院802所和航天科技九院704所等均研制了具備極化測量能力的多種類型極化相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭，中國電科38所研制了主/被動復(fù)合制導(dǎo)雙極化相控陣導(dǎo)引頭。當(dāng)前，我國在相關(guān)技術(shù)上已經(jīng)接近和達(dá)到實用要求。部分高校也在極化相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭實驗平臺方面進(jìn)行了積極探索。哈爾濱工業(yè)大學(xué)喬曉林教授團(tuán)隊研制了一種反艦導(dǎo)彈極化雷達(dá)導(dǎo)引頭，對箔條和舷外有源誘餌等干擾樣式具有良好的抗干擾性能。南京理工大學(xué)設(shè)計了一種8.75 GHz頻段的四源端饋雙極化方形微帶相控陣天線，天線帶寬為150 MHz，天線增益為12.4 dB，天線端口隔離度在-25 dB以下，通過外圍幅度控制(放大器)和相位控制電路(移相器)可組成有源變極化發(fā)射系統(tǒng)[35]。電子科技大學(xué)徐軍教授開展了毫米波相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭研制，完成了相控陣陣面、波束控制以及T/R組件等多項關(guān)鍵技術(shù)，研制出對海彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭原理樣機(jī)，并完成了海面環(huán)境性能試驗驗證，如圖19(a)所示。國防科技大學(xué)柴舜連教授研制了S波段全極化微帶共形相控陣實驗樣機(jī)系統(tǒng)(圖19(b))，并開展了全極化數(shù)字波束形成實驗。該團(tuán)隊研制的全極化共形相控陣天線可實現(xiàn)多個發(fā)射通道的精確幅相控制與通道校準(zhǔn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)信號幅度的大范圍動態(tài)調(diào)整[36]。

(a) 電子科技大學(xué)毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭

(b) 國防科技大學(xué)全極化共形相控陣天線圖19 相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭實驗平臺

此外，我國還有多個在研的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)具備全極化測量能力，如在遠(yuǎn)程預(yù)警領(lǐng)域，航天科工二院23所在研的某大型相控陣?yán)走_(dá)；在反導(dǎo)和(臨近)空間目標(biāo)監(jiān)視領(lǐng)域，中國電科14所在研的某型相控陣?yán)走_(dá)?？傮w而言，我國在極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)方面取得了長足進(jìn)步，其硬件平臺的性能指標(biāo)已趨于國際先進(jìn)水平。

綜上所述，隨著微波器件與工藝水平、數(shù)字信號處理技術(shù)的進(jìn)步，極化相控陣?yán)走_(dá)迎來了發(fā)展高潮?？v觀國內(nèi)外極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，具有以下特點：

① 研究的重點集中在，低成本高可靠T/R組件研制、極化測量對雷達(dá)系統(tǒng)性能提升作用,以及極化帶來的多通道信號處理問題。

② 涉及的關(guān)鍵技術(shù)有，極化測量誤差校正、極化信息的精確獲取以及極化分類與識別應(yīng)用。

③ 未來的發(fā)展方向，由氣象探測、天文觀測、微波遙感等民用領(lǐng)域與防空反導(dǎo)、精確制導(dǎo)、遠(yuǎn)程預(yù)警、空間目標(biāo)監(jiān)視等軍事領(lǐng)域并行發(fā)展，相互促進(jìn)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢。

隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和系統(tǒng)建設(shè)更加成熟，極化相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)重點在于因引入極化而帶來的一系列問題。可以預(yù)見，極化相控陣?yán)走_(dá)將成為相控陣?yán)走_(dá)甚或是雷達(dá)的重要發(fā)展方向之一，并推動相關(guān)技術(shù)在各個領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

2 相控陣?yán)走_(dá)的極化測量關(guān)鍵技術(shù)

隨著極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)在氣象觀測、防空反導(dǎo)和精確制導(dǎo)等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益深化，極化信息測量精度與極化相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用需求之間的矛盾愈加凸顯，促使雷達(dá)極化測量向精密測量時代邁進(jìn)。極化測量精度已經(jīng)成為制約極化相控陣?yán)走_(dá)效能發(fā)揮的核心關(guān)鍵，困擾著極化相控陣?yán)走_(dá)的推廣應(yīng)用，亟待發(fā)展能夠提升極化信息精確獲取能力的關(guān)鍵技術(shù)和手段[37-39]。

2.1 極化測量誤差校正技術(shù)

對于極化相控陣?yán)走_(dá)而言，具有兩個正交極化通道的天線陣元可以構(gòu)成極化相控陣天線，用于發(fā)射與接收空間中兩個正交的電磁波，即極化相控陣天線具有兩個獨立的極化分集波束。為產(chǎn)生具有正交的電場極化，雙極化天線陣元的兩個極化端口一般采用相同的結(jié)構(gòu)和饋電方式。然而，在偏離天線平面法向時，雙極化天線陣元的電場極化通常不再正交[40]，如圖20所示。圖20描述了正交無限小電偶極子天線的輻射場，紅色箭頭表示沿X軸放置的電偶極子的輻射電場，藍(lán)色箭頭表示沿Y軸放置的電偶極子的輻射電場。在天線平面的法線上，兩個電偶極子的輻射電場幅度相同且方向完全正交；在偏離平面法線后，在水平和垂直兩個主平面上，兩個輻射電場幅度不同但方向不完全正交；在其他主平面，特別是斜對角平面上，兩個輻射電場不僅幅度不同而且方向正交性惡化十分嚴(yán)重。這種非正交性會給接收通道帶來交叉極化耦合，從而導(dǎo)致極化測量結(jié)果存在嚴(yán)重的系統(tǒng)性誤差，這對極化精密測量而言是不可忽視的[37]。測得的目標(biāo)極化散射矩陣不能客觀反映目標(biāo)的實際散射特性，從而給相控陣?yán)走_(dá)極化精密測量帶來了新挑戰(zhàn)。

圖20 正交無限小電偶極子輻射場

同時，在寬帶情況下，電磁波各個頻率分量所對應(yīng)的極化狀態(tài)有所不同。對此，國防科技大學(xué)的王雪松教授團(tuán)隊對寬帶極化信息處理展開深入研究[41]，在其博士論文中詳細(xì)論述了電磁波極化隨頻率的演化、分布特性。對于極化相控陣?yán)走_(dá)而言，極化狀態(tài)與頻率的耦合關(guān)系則表現(xiàn)為輻射電場極化非正交性隨頻率而變化。從系統(tǒng)層面上，寬帶雷達(dá)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性改變了信號波形，從而導(dǎo)致不同頻點下極化狀態(tài)的起伏特性。綜上所述，極化非正交性和寬帶條件下的極化狀態(tài)起伏特性，已成為制約寬帶相控陣極化測量精度的關(guān)鍵因素。要實現(xiàn)目標(biāo)極化散射特性的精密測量，需要在理論模型和補償技術(shù)上尋求降低測量誤差的新途徑、新手段，這也正是極化測量誤差校正面臨的新挑戰(zhàn)。

有關(guān)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)內(nèi)部非理想性和外部環(huán)境給極化測量帶來的誤差已經(jīng)有較多研究，并提出了一系列校準(zhǔn)/校正方法。在極化測量中，“校準(zhǔn)”更加側(cè)重于對雷達(dá)系統(tǒng)非理想性的修正，如對H和V通道的幅相失衡進(jìn)行修正；“校正”則更加側(cè)重于對極化信息測量結(jié)果的偏差進(jìn)行修正，如對測量得到的極化散射矩陣的修正[4]。我們這里重點梳理因波束掃描而帶來的極化測量誤差。與反射面天線不同，相控陣天線在偏離法向掃描時引起的極化波束形狀失配和交叉極化耦合會產(chǎn)生極化偏差[37,42]，這是相控陣?yán)走_(dá)的顯著特點[10]。雖然這些偏差在偏離角度不大時很小，但在進(jìn)行差分反射率(ZDR)或主極化相關(guān)系數(shù)(ρHV)等極化變量的測量時，波束掃描則會產(chǎn)生顯著的測量偏差[43]。下面從減少誤差來源和測量誤差校正兩個方面闡述。

(1) 減少誤差源方面

NOAA的Stailey等人在關(guān)于MPAR的綜述中指出[10]，當(dāng)波束指向不偏離天線的水平或者垂直主平面時，天然具有較高的交叉極化隔離度，并在理論上能夠滿足極化精密測量需求?？梢姡痪S電掃可以降低誤差源，這一觀點在兩類系統(tǒng)中得以驗證。① 一維電掃的平面相控陣。例如，馬薩諸塞大學(xué)研制的一維電掃的PTWR系統(tǒng)[16,44]。在方位向上采用電掃方式，掃描范圍為±45°，在俯仰向上采用機(jī)掃方式。另外，該天線陣(共72列子陣)在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上也能夠降低誤差源。陣列中間的64列由專用T/R模塊饋電，兩側(cè)的其余8列用作端接虛擬單元，以盡量減小陣列邊緣衍射效應(yīng)。PTWR系統(tǒng)的這種掃描方式和天線結(jié)構(gòu)減少了所需的T/R模塊的數(shù)量，從而顯著地降低了總體系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，更重要的是從源頭上減小波束掃描引起的誤差。國內(nèi)的雙極化相控陣氣象雷達(dá)基本上采用了一維電掃方式，如圖13所示的系統(tǒng)。因此，結(jié)合電掃和機(jī)掃兩種方式，使相控陣天線僅在天線主平面進(jìn)行掃描，交叉極化隔離度更容易保證。但是，一維掃描方式的缺點在于沒有充分利用陣列二維電掃的優(yōu)勢，機(jī)掃方式的利用在一定程度上提高了掃描時長。② 一維電掃的圓柱形相控陣。例如，俄克拉荷馬大學(xué)的CPPAR系統(tǒng)[45](見圖5)。在方位向上通過陣列工作扇區(qū)的轉(zhuǎn)換進(jìn)行波束掃描，也可以同時形成多個波束，每個波束由圓柱形表面的陣列扇區(qū)產(chǎn)生，其波束方向總是過圓柱的圓心線，即波束垂直于陣列扇區(qū)的切面。加之扇區(qū)內(nèi)天線結(jié)構(gòu)的對稱性，因此，極化波束的正交性可以保證。在俯仰向上采用頻率掃描方式，利用2.7～3.1 GHz的頻率實現(xiàn)0°～ 20°的掃描范圍。在理論上，CPPAR的天線結(jié)構(gòu)和俯仰頻率掃描方式將極化正交性與波束掃描完全解耦合，使得所有方向上的極化正交性都保持不變，從而減少誤差源。然而，CPPAR系統(tǒng)的代價包括更高的復(fù)雜度和更高的成本，及其對陣列自適應(yīng)掃描能力的影響[10]。

(2) 測量誤差校正方面

對于現(xiàn)有的極化相控陣?yán)走_(dá)實驗平臺或者原型系統(tǒng)，更多的還是采用二維(方位和俯仰)電掃方式進(jìn)行波束掃描。如MIT LL的先進(jìn)技術(shù)演示樣機(jī)ATD、雷神公司的低功率雷達(dá)LPR系統(tǒng)，以及日本大阪大學(xué)的MP-PAWR。針對波束掃描導(dǎo)致的極化測量誤差，俄克拉荷馬大學(xué)的Zhang等人提出了基于投影矩陣(Projection Matrix)的誤差校正方法，并基于無限小交叉電偶極子天線在理論上驗證了方法的可行性[37]，該方法通過對測量的散射矩陣進(jìn)行乘積操作可以消除誤差。文獻(xiàn)[39]將文獻(xiàn)[37]中的交叉電偶極子天線陣元擴(kuò)展到其他天線類型，如理想的口徑天線和貼片天線陣元，并給出了ATSR和STSR模式下的校正矩陣。Staiman將文獻(xiàn)[37]中的交叉電偶極子天線陣元擴(kuò)展到陣列天線，分析了信號幅度、發(fā)射和接收信號中的相位不平衡、陣元交叉極化特性和天線陣列傾斜對差分反射率ZDR測量精度的影響[50]。Fulton將文獻(xiàn)[37]中的誤差校正方法應(yīng)用到數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，用S波段8陣元雙極化數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR)試驗平臺(見圖9(b))演示了校準(zhǔn)和補償技術(shù)，并建立了系統(tǒng)模型和校準(zhǔn)流程，接著分析了不同的校準(zhǔn)誤差對整體性能的制約。本質(zhì)上講，投影矩陣由某個波束掃描角度下的輻射方向圖構(gòu)成，再取投影矩陣的逆矩陣推導(dǎo)出誤差校正矩陣。然而，所采用的輻射方向圖通常根據(jù)陣列方向圖乘積定理得到[10，51]，即通過陣元方向圖乘以陣因子。嚴(yán)格來講，由此得到的校正矩陣并不一定能滿足要求，這是因為由各種非理想因素帶來的陣元方向圖各異性會引入新的誤差。針對天線方向圖測量誤差問題，國防科技大學(xué)龐晨博士定義了分別針對發(fā)射方向圖和接收方向圖的兩個校正矩陣，提出了軸向校正法，將文獻(xiàn)[37]中的校正方法由“陣元級”擴(kuò)展到“陣列級”[52]。該方法可以校正由極化相控陣天線波束中心指向上輻射電場極化非正交性所引起的極化測量誤差，并分析了ATSR和STSR兩種極化測量模式下的極化誤差校正性能。在此基礎(chǔ)上，針對寬波束和分布式目標(biāo)條件下，整個波束內(nèi)輻射場極化非正交性對極化測量產(chǎn)生的影響，龐晨又接著提出了全方向圖校正法[53]。同時，針對寬帶寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)極化測量誤差校正難題，國防科技大學(xué)王雪松教授團(tuán)隊提出了迭代頻帶劃分方法，在降低誤差校正復(fù)雜度的同時顯著提高了極化測量精度。

然而，上述的極化測量誤差校正方法僅是從理論或者仿真層面上驗證了可行性，其中，天線是理想或者仿真的天線陣元，校正矩陣由理論或仿真方向圖組成。在實際的極化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，特別是小規(guī)模陣列，不可避免地會受到陣元間互耦[54]、邊緣衍射效應(yīng)[55]和陣元縫隙間隔[56]等影響，這些因素將導(dǎo)致輻射方向圖的畸變，從而改變校正矩陣。針對小規(guī)模陣列中的互耦效應(yīng)，馬薩諸塞大學(xué)的Orzel等人開發(fā)了現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)，并在其研制的PTWR系統(tǒng)上進(jìn)行了測試。幸運的是，對于較大陣列，波束中心處的極化基本不受互耦效應(yīng)、邊緣衍射效應(yīng)和陣元縫隙間隔的影響。因此，需要基于實際情況和測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)校正過程。對方向圖進(jìn)行測量分為近場測量和遠(yuǎn)場測量，兩種方式各有優(yōu)缺點，且各自的影響因素各不相同[57]。MIT LL的Kowalski等人在暗室內(nèi)對ATD進(jìn)行了近場測量和校準(zhǔn)[11-12]。近場測量通常用于初始校準(zhǔn)，原則上也可以提供極化校正[58]。為了避免近場測量中陣列的多軸旋轉(zhuǎn)問題，OU ARRC正在探索利用安裝在無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)上的探頭對雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)場測量，分析了無人機(jī)位置、外部誤差導(dǎo)致的天線測量誤差，提出無人機(jī)遠(yuǎn)場測量是未來實現(xiàn)天線特性描述和天線極化測量誤差校正的一種可行手段[59]。

2.2 天線方向圖重構(gòu)技術(shù)

由2.1節(jié)中所述，電磁波極化的非正交性在不同波束指向上各不相同，即圖20所示的極化非正交性具有空變性，究其原因在于，極化相控陣天線的工作原理是利用各極化陣元的空域極化特性。進(jìn)一步地，從正交無限小電偶極子的空域極化特性來描述角度偏離天線法線帶來的交叉極化耦合，仿真結(jié)果如圖21所示，其中，已經(jīng)對主極化方向圖進(jìn)行歸一化，并基于主極化歸一化了交叉極化方向圖?？梢?，水平和垂直電偶極子的主極化隨著偏離角度的增大而降低，水平電偶極子的交叉極化隨著偏離角度的增大而增加。交叉偶極子天線的主極化分量和交叉極化分量均具有空域非均勻性的特點[3,37]。對此，相關(guān)測量實驗已經(jīng)證實，當(dāng)交叉極化與系統(tǒng)隔離度相當(dāng)時，極化測量結(jié)果將不可接受[60]。

(a) 水平偶極子

(b) 垂直偶極子圖21 正交無限小電偶極子極化方向圖

上文2.1節(jié)所述的極化測量誤差可通過特定的校正方法降低[37]。其中，誤差校正方法的前提條件是獲取天線的完整方向圖特性，以構(gòu)造校正矩陣實現(xiàn)誤差校正。對于極化相控陣?yán)走_(dá)，需要逐個波束進(jìn)行極化校準(zhǔn)[44]。然而，極化相控陣天線波束的快速電掃帶來了數(shù)量巨大的波位數(shù)。理論上講，只要極化相控陣天線在某個波束指向下工作，則需要對當(dāng)前波位下的天線方向圖進(jìn)行測量，再利用文獻(xiàn)[37]中的投影矩陣法進(jìn)行測量誤差校正。因此，極化相控陣天線方向圖的測量是一個十分耗時且復(fù)雜的問題，給極化精密測量帶來了新挑戰(zhàn)。

對于氣象觀測或空間監(jiān)視應(yīng)用背景下的大規(guī)模相控陣天線，在暗室內(nèi)通常難以滿足天線輻射遠(yuǎn)場條件，而在外場進(jìn)行測試將不可避免地引入雜波、多徑效應(yīng)等更為復(fù)雜的測量誤差。另外，天線的波束掃描范圍更寬，一般包括成百上千個波位，逐個波位進(jìn)行天線方向圖測量是一個十分耗時耗力的工程問題。例如，對于MIT LL研制的極化相控陣?yán)走_(dá)(如ATD系統(tǒng)，如圖4所示)，波位數(shù)約為5 400個[61]。對于精確制導(dǎo)應(yīng)用背景下的小規(guī)模相控陣天線，其波束掃描范圍較窄，波位數(shù)相對更少，極化測量的精度有賴于天線方向圖測量的精度。由此可見，如何快速、準(zhǔn)確地獲取所有可能波位下的天線方向圖是極化相控陣?yán)走_(dá)測量誤差校正面臨的新難題。

對于二維電掃極化相控陣?yán)走_(dá)極化測量誤差的校正更加復(fù)雜，但考慮到實際天線方向圖的非理想性，因此研究二維電掃下的校正問題更具代表性。2.1節(jié)已提到，誤差校正的重點和難點在于獲得校正矩陣。完備的校正矩陣將通過在所有掃描角度上測量相控陣天線的極化方向圖特性來確定[50]。為了快速、準(zhǔn)確地獲取極化相控陣天線各個波位下的方向圖特性，可采用天線方向圖重構(gòu)技術(shù)。通過梳理現(xiàn)有文獻(xiàn)，常見的方法可分為兩類：

(1) 從主平面二維到完整二維

天線的制造商通常僅提供兩個平面的天線輻射方向圖，如水平方向圖和垂直方向圖，即二維(Two-Dimensional，2D)方向圖。鑒于對三維(Three-Dimensional，3D)輻射方向圖的需求，文獻(xiàn)[62]提出通過對最接近的4個已知采樣點進(jìn)行加權(quán)，計算插值增益，具體取決于每個采樣點的角度間隔。該方法在定向的二元偶極子陣列中顯示出中等精度，但沒有考察方向性較好高的基站天線的情況。這種插值方法的主要缺點在于不能精確地重構(gòu)全向方向圖。以半波長偶極子為例，內(nèi)插方向圖和理論方向圖之間的最大偏差為12 dB。鑒于此，文獻(xiàn)[63]提出了基于模型的參數(shù)估計算法，文獻(xiàn)[64]對此作了進(jìn)一步擴(kuò)展，用于在空域和頻域內(nèi)插值輻射方向圖。Araujo Lopes等人則給出了生成3D方向圖的經(jīng)驗公式，但未采用統(tǒng)計方法評估其性能[64]。文獻(xiàn)[65]利用了典型的數(shù)學(xué)插值方法(如三次樣條曲線)，通過有限的一組2D方向圖的測量數(shù)據(jù)來近似重構(gòu)3D方向圖。該方法僅對比了不同插值樣本數(shù)對應(yīng)的重構(gòu)方向圖來評價算法性能，而并未與天線理論方向圖進(jìn)行對比。

針對以上算法的局限性，Vasiliadis等人提出了基于兩個2D方向圖外推出3D輻射方向圖的混合算法[66]。該算法不僅可以用于全向天線，而且可以用于定向天線。在用于全向方向圖重建時，近似誤差為零。對于定向天線，重構(gòu)的絕對誤差仍然低于上述的其他重構(gòu)方法。Schmitz等人提出了級數(shù)分解法[67]，用截斷級數(shù)逼近有多種方法(多項式、傅里葉等)，使用球諧函數(shù)可獲得最佳效果。如文獻(xiàn)中所用的天線需要100多個球諧系數(shù)，但所獲得的結(jié)果可能并非理想，這主要取決于截斷。對此，Petrita等人提出了新的插值算法[68]，利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)作為加權(quán)函數(shù)。該算法既不需要雙線性插值方法[62]的象限檢測，也不需要加權(quán)求和方法[66]的輔助函數(shù)，同時能夠保持兩種方法的優(yōu)勢，重構(gòu)誤差低且全向天線誤差為零。為進(jìn)一步提高定向天線的重構(gòu)精度，文獻(xiàn)[69]基于加權(quán)求和法提出了新的插值方法。和以往提出的方法相比，該方法降低了均方根誤差，重構(gòu)的3D方向圖有更好的近似性。但其缺點在于，在靠近天線法向的區(qū)域內(nèi)誤差更大，這將不利于在高定向天線上的應(yīng)用。

(2) 從稀疏三維到完整三維

梳理現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)，從稀疏3D方向圖重構(gòu)出完整3D方向圖主要圍繞以下三個問題開展研究[70]：一是采樣樣本數(shù)，定義為空間維數(shù)；二是計算復(fù)雜度；三是重構(gòu)精度。下面進(jìn)行簡要介紹。文獻(xiàn)[71]通過優(yōu)化采樣角度間的間隔，以便在重構(gòu)精度和測量時間復(fù)雜度之間尋求折中。類似地，F(xiàn)lint等人基于球面分割算法來降低球面采樣個數(shù)，該方法比等角度間隔進(jìn)行采樣具有更低的誤差，且對天線與測量系統(tǒng)坐標(biāo)系間的對準(zhǔn)要求更低[72]。然而，獨立的方向圖插值方法并不能消除天線安裝結(jié)構(gòu)的多徑反射的影響。為了解決該問題，Robinson考慮到天線設(shè)計問題并提出了更為實用的可適用于多種天線類型的算法，使用少量的測量值來估計天線的自由空間輻射方向圖[73]。該算法通過求解約束逆源問題來預(yù)測輻射方向圖，能夠準(zhǔn)確預(yù)測來自天線安裝基座的多徑分量。傳統(tǒng)方法依賴于球面上曲面積分的近似計算，為了進(jìn)一步降低精確評估所需的采樣數(shù)，文獻(xiàn)[74]考察了不同的等緯度采樣方案，如等角度采樣[75]、高斯-勒讓德(Gauss-Legendre)采樣[76]和最佳維數(shù)采樣[70]等來獲取天線球面輻射方向圖的測量值，以便重構(gòu)、分析和評估天線的性能參數(shù)。

綜上所述，以上兩類方法的核心在于在方向圖測量時降低波束內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣點數(shù)，上述的重構(gòu)方法可以降低單個方向圖的測量時間，但對各個不同波束而言，均需要將該測量過程重復(fù)一遍。由此可見，這兩類方法并沒有降低所需要的波束數(shù)量。對于極化相控陣?yán)走_(dá)來講，需要逐個波束進(jìn)行校準(zhǔn)[44]，意味著需要獲取各個掃描角度下的天線方向圖特性。為了降低既定掃描范圍內(nèi)的波位測量個數(shù)，需要探索其他可行的方向圖重構(gòu)技術(shù)方案，即從稀疏波位到完整波位。為此，作者提出了相控陣?yán)走_(dá)波位優(yōu)選下的天線方向圖重構(gòu)方法[77]。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖測量方法相比，該方法通過分析波位分布特點并優(yōu)化波位排布，用部分波位即可達(dá)到對整個掃描空域的有效覆蓋效果，不再需要逐個波位進(jìn)行天線方向圖測量。在保證天線方向圖精度的情況下，該方法可以將所需波位數(shù)量降低35%，有效降低了所需測量天線方向圖的時間和成本。

2.3 極化方向圖綜合技術(shù)

天線方向圖綜合技術(shù)是指通過對各個陣元的加權(quán)合成一定形狀和指向的天線方向圖，接收有用信號的同時抑制不期望的干擾信號。針對不同的應(yīng)用場景，發(fā)展出了特定形狀波束、同時多波束等技術(shù)[78]。作為一種空域濾波技術(shù)，在方向圖綜合研究中通常直接將各個陣元的輻射特性進(jìn)行線性疊加，其中隱含了兩條假設(shè)：一是各個陣元為點源形式的全向天線，二是各個陣元的天線方向圖相同。然而，在實際應(yīng)用中，陣元布局方式和陣列結(jié)構(gòu)特性不可避免地引入陣列互耦和邊緣效應(yīng)等非理想因素，從而導(dǎo)致的問題主要有：一是陣列中的陣元與孤立陣元的輻射特性有所不同，二是陣列中的各個陣元之間的輻射特性各異。對于極化相控陣而言，除了通過天線方向圖綜合技術(shù)實現(xiàn)空域濾波，還期望通過對極化的控制技術(shù)實現(xiàn)極化域濾波。相應(yīng)地，極化方向圖綜合面臨的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在兩個方面：

一方面，在實際工程應(yīng)用中，極化相控陣?yán)走_(dá)與一般意義上的相控陣?yán)走_(dá)(單極化)在發(fā)射和接收方面并無實質(zhì)區(qū)別，僅是采用了更多通道和多極化處理器。因此，陣列互耦和邊緣效應(yīng)引起的上述兩方面問題在極化相控陣?yán)走_(dá)中同樣存在[3]。每個陣元天線的空域極化特性各異，若采用理論模型進(jìn)行方向圖綜合，將帶來波束指向偏差、陣列方向圖畸變等問題，不利于實現(xiàn)對極化相控陣天線空域極化特性的精確控制，從而給極化方向圖綜合帶來了挑戰(zhàn)。

另一方面，在極化方向圖綜合算法上，極化相控陣天線與一般相控陣天線類似，利用優(yōu)化算法優(yōu)化各個陣元的激勵幅度和相位，盡可能地降低合成波束的交叉極化水平，并提高交叉極化隔離度。作為極化相控陣?yán)走_(dá)精確獲取極化信息的前提和基礎(chǔ)，可從“硬”和“軟”兩個層面著手提高交叉極化隔離度。當(dāng)前，“硬”的層面體現(xiàn)在天線設(shè)計方面，經(jīng)過良好設(shè)計后雙極化天線在軸向上的交叉極化水平最低可達(dá)到-40 dB量級[79]，考慮到實際的工程誤差等因素，僅通過天線設(shè)計手段難以滿足更高交叉極化隔離度要求?！败洝钡膶用鎰t借助智能優(yōu)化算法進(jìn)行極化方向圖優(yōu)化，但算法的復(fù)雜程度越來越高，運算實時性不能保證。針對極化相控陣?yán)走_(dá)的極化精密測量應(yīng)用背景，以及在提高交叉極化隔離度的同時滿足實時性的迫切需求，亟需在極化方向圖綜合技術(shù)上有所突破。

極化方向圖綜合與傳統(tǒng)的方向圖綜合既有聯(lián)系又有區(qū)別。聯(lián)系在于，二者均通過對各個陣元進(jìn)行加權(quán)求和，以實現(xiàn)在不同方向上形成不同增益。區(qū)別在于，前者是矢量形式的方向圖綜合，同時實現(xiàn)空域濾波和極化域濾波，特別是交叉極化水平的抑制；后者是標(biāo)量形式的方向圖綜合，僅實現(xiàn)了空域濾波。對于極化相控陣?yán)走_(dá)，極化方向圖綜合技術(shù)是實現(xiàn)極化控制，進(jìn)而達(dá)到極化精密測量的關(guān)鍵技術(shù)之一。下面分窄帶和寬帶兩個方面進(jìn)行闡述。

(1) 窄帶情況

在主波束(main beam)的極化狀態(tài)控制上，Vaskelainen[80]首先采用迭代最小二乘法基于共形陣優(yōu)化合成了圓極化主波束?；诖耍墨I(xiàn)[81]提出在進(jìn)行波束形成優(yōu)化之前，通過對雙極化天線端口進(jìn)行加權(quán)，實現(xiàn)具有期望極化的主波束。文獻(xiàn)[82]研究了利用電磁矢量天線陣列(EMVA)實現(xiàn)具有全極化控制能力的方向圖優(yōu)化綜合。Fuchs等人將陣元權(quán)系數(shù)求解看作是一個凸優(yōu)化問題，提出了可用于任意陣列的功率方向圖與極化的聯(lián)合綜合方法[83]。在主極化和交叉極化的聯(lián)合極化控制上，對主極化方向圖綜合的同時實現(xiàn)對交叉極化的抑制。文獻(xiàn)[84]研究了同時實現(xiàn)窄帶共形陣波束賦形以及交叉極化抑制的綜合方法，該方法將非凸的方向圖函數(shù)線性化為凸子問題，并利用二階錐規(guī)劃(Second Order Cone Programming，SOCP)進(jìn)行優(yōu)化求解。該方法可以解決任意幾何形狀陣列、任意極化特性和互耦效應(yīng)的一般非凸方向圖綜合問題。國防科技大學(xué)的李棉全博士提出了基于凸優(yōu)化的方向圖綜合與極化聯(lián)合控制方法，能夠在保證功率方向圖主瓣和旁瓣特性的同時，將交叉極化控制在較低水平[85]。在此基礎(chǔ)上，國防科技大學(xué)的孫彬博士提出了一種基于半正定松弛法[86]的全極化共形陣方向圖綜合與極化控制方法，能夠靈活地控制波束掃描角度和波束內(nèi)極化狀態(tài)[87]。電子科技大學(xué)的劉顏回教授團(tuán)隊提出了一種基于凸優(yōu)化的高效數(shù)值綜合方法，在旁瓣約束、零深約束和交叉極化水平約束等多約束條件下實現(xiàn)主極化方向圖優(yōu)化，并在平面陣列、柱面共形陣和錐形陣上進(jìn)行驗證[88]。接著，文獻(xiàn)[89]和[90]也提出了一種半定松弛方法用于線極化方向圖賦形，從而降低了交叉極化和旁瓣電平。由于相控陣?yán)走_(dá)的波束作用方式是進(jìn)行空域電掃描，固定的極化狀態(tài)難以在整個掃描空域內(nèi)滿足交叉極化隔離度需求。針對寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)波束掃描時帶來的交叉極化隔離度嚴(yán)重惡化及其隨波位各異性問題，作者提出了極化狀態(tài)配置方法[91-92]。與傳統(tǒng)的固定極化狀態(tài)相比，在要求更為嚴(yán)苛的STSR極化測量體制下，交叉極化隔離度可提高2～3個數(shù)量級，將能夠滿足極化精密測量的有效波束掃描范圍從近0°提高到約±60°；同時，交叉極化隔離度在不同波位下較為穩(wěn)定，不會隨著波束掃描而出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。由此可見，無論是主波束極化狀態(tài)的控制，還是主極化和交叉極化的聯(lián)合控制，均體現(xiàn)出極化方向圖綜合與傳統(tǒng)的方向圖綜合的本質(zhì)區(qū)別和關(guān)聯(lián)。

(2) 寬帶情況

上述方法是基于窄帶信號提出的，如何擴(kuò)展到寬帶情況還需要聯(lián)合考慮寬帶陣列方向圖綜合問題。目前，關(guān)于寬帶陣列方向圖綜合方法已有較多研究。2005年，美國海軍研究實驗室的Coleman等人提出基于二階錐規(guī)劃(SOCP)方法優(yōu)化復(fù)數(shù)FIR濾波器系數(shù)，實現(xiàn)了寬帶平面陣列方向圖綜合[93]。在此基礎(chǔ)上，2007年空軍研究實驗室資助的項目基于貝塞爾函數(shù)提出了頻率重聚焦技術(shù)[94]。而文獻(xiàn)[95]通過波形設(shè)計而不僅僅是通過優(yōu)化權(quán)值，來實現(xiàn)寬帶多通道雷達(dá)系統(tǒng)的恒定波束方向圖綜合，相對帶寬可達(dá)50%。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計一個用于寬帶陣列方向圖綜合的多通道波形集，不僅可以實現(xiàn)頻率不變的方向圖，而且可以降低方向圖的旁瓣電平[96]。為了利用盡可能少的陣元實現(xiàn)較為復(fù)雜的寬帶方向圖綜合，在多個二階錐約束下提出了一種稀疏寬帶頻率不變方向圖綜合方法[97]。然而，以上提到的寬帶陣列方向圖綜合方法對交叉極化考慮較少、關(guān)注較少。文獻(xiàn)[98]提出了一種空-時-極化域聯(lián)合濾波方法實現(xiàn)了共形陣方向圖綜合的頻不變特性，利用交錯投影法降低了交叉極化水平。同時，凸優(yōu)化方法在寬帶極化方向圖綜合中發(fā)揮了重要作用，特別是在有效降低交叉極化水平和旁瓣電平方面[99]。以上兩個優(yōu)化方法[98-99]需要對每個波束指向下每個陣元的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行計算，計算量大且難以滿足實時性要求。目前常見的寬帶極化方向圖綜合通常基于線極化這類固定的極化狀態(tài)的實現(xiàn)，極化控制效果將更加依賴于優(yōu)化算法的計算性能，且優(yōu)化結(jié)果取決于目標(biāo)函數(shù)的收斂性。為解決該問題，本文研究了基于極化狀態(tài)配置技術(shù)的寬帶極化方向圖綜合問題。

3 未來展望

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，極化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)和核心技術(shù)已經(jīng)取得長足進(jìn)步。然而，就極化相控陣?yán)走_(dá)的性能發(fā)揮而言，還有多項關(guān)鍵技術(shù)值得研究和創(chuàng)新發(fā)展。具體而言，主要有以下幾個方面。

3.1 低成本極化相控陣技術(shù)

一般而言，極化相控陣?yán)走_(dá)與單極化相控陣?yán)走_(dá)在原理上并無實質(zhì)差異，而是成倍地增加了極化通道，內(nèi)部的射頻饋電網(wǎng)絡(luò)和后端信號處理更為復(fù)雜，工程實現(xiàn)和成本上都更為困難和昂貴，這將不利于極化相控陣?yán)走_(dá)的廣泛應(yīng)用。為了降低成本，常用的方式有采用劃分子陣、稀疏布陣、超材料天線以及提高制造工藝等。

考慮到極化相控陣具有更多的極化通道，進(jìn)一步降低成本更具實際意義。如何在保證極化測量性能的同時，將極化相控陣的成本降低至與單極化相控陣成本相當(dāng)，甚或是低于單極化相控陣，是未來極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，也是極化相控陣?yán)走_(dá)推廣應(yīng)用的重要前提。

3.2 氮化鎵半導(dǎo)體技術(shù)

氮化鎵(GaN)是一種在功率放大器中逐漸取代砷化鎵(GaAs)的半導(dǎo)體材料，體積更小但可提供更高功率，GaN的使用正在使電子設(shè)備變得更加輕型和小型化。

美國雷神公司和洛馬公司在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。在相同封裝的情況下，雷神公司的GaN功放芯片可提供5倍于GaAs功放芯片的功率。洛馬公司在LRDR極化相控陣?yán)走_(dá)中已采用先進(jìn)的大功率、高效GaN天線技術(shù)。另外，在AN/TPS-80地/空多任務(wù)雷達(dá)(G/ATOR)、“太空籬笆”(Space Fence)，TPY-X陸基遠(yuǎn)程多任務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)、SPY-7等單極化相控陣?yán)走_(dá)中也逐步使用GaN技術(shù)。

3.3 極化信息挖掘新技術(shù)

不同的測量體制對應(yīng)著不同的應(yīng)用背景，不同應(yīng)用中有著特定的極化信息獲取需求。為了更好地利用極化信息，近年來國內(nèi)外學(xué)者提出了多種校準(zhǔn)/校正方法來提高目標(biāo)極化散射特性的測量精度。然而，有關(guān)極化相控陣多通道極化信息的挖掘和利用，尚未形成系統(tǒng)性的研究。

為了更加深入地研究極化信息獲取能力的得益，需要進(jìn)一步挖掘極化相控陣?yán)走_(dá)在目標(biāo)特征提取、輪廓識別、抗典型干擾等應(yīng)用場景下的潛力，對比分析單極化、雙極化和全極化測量體制下對應(yīng)的極化信息處理算法需求，在雷達(dá)極化方式選擇、極化波形設(shè)計、極化測量體制和極化信號處理算法等方面繼續(xù)瞄準(zhǔn)需求、創(chuàng)新發(fā)展。

除此之外，極化相控陣?yán)走_(dá)在架構(gòu)上也在不斷創(chuàng)新。全數(shù)字化可使相控陣?yán)走_(dá)更具靈活性和可靠性；可擴(kuò)展化體系架構(gòu)，使未來任務(wù)的升級成為可能；模塊化則可以加速相控陣?yán)走_(dá)的部署和運維。

4 結(jié)束語

極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已在氣象觀測、微波遙感、防空反導(dǎo)和精確制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。在氣象觀測領(lǐng)域，極化相控陣體制可以實現(xiàn)快速、自適應(yīng)的體掃，能夠提高惡劣天氣預(yù)報性能；在微波遙感領(lǐng)域，極化技術(shù)在表征地物散射機(jī)理上具有理論優(yōu)勢；在防空反導(dǎo)領(lǐng)域，挖掘極化測量能力將有效提升真假彈頭識別能力，進(jìn)一步強化導(dǎo)彈防御能力；在精確制導(dǎo)領(lǐng)域，充分利用極化信息有利于精確打擊高價值目標(biāo)，遂行作戰(zhàn)任務(wù)。面對目標(biāo)和環(huán)境特性的精確獲取、目標(biāo)分類和識別、抗干擾等各種應(yīng)用需求，具有極化精密測量能力的相控陣?yán)走_(dá)體制已經(jīng)成為相控陣?yán)走_(dá)重要發(fā)展趨勢。

近年來，我國陸續(xù)研制成功多部具有極化測量能力的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，極化雷達(dá)系統(tǒng)硬件建設(shè)水平整體上已接近甚至達(dá)到國際先進(jìn)水平。相比之下，雷達(dá)極化信息開發(fā)利用的“軟能力”發(fā)展則相對不足，包括目標(biāo)極化信息測量精度、目標(biāo)極化特征提取、極化目標(biāo)分類識別等在內(nèi)的諸多基礎(chǔ)科學(xué)問題成為制約應(yīng)用的瓶頸。隨著各種新的應(yīng)用需求的強勁增長，以及雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵器件和工藝水平的提升，極化相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)將進(jìn)入發(fā)展的快車道，從而推動極化相控陣?yán)走_(dá)在上述各應(yīng)用領(lǐng)域的極大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。