頻率捷變雷達(dá)波形對抗技術(shù)現(xiàn)狀與展望

全英匯, 方 文, 沙明輝, 陳俠達(dá), 阮 鋒, 李興華,孟 飛, 吳耀君, 邢孟道

(1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710071; 2.北京無線電測量研究所, 北京 100854;3.西安電子工程研究所, 陜西 西安 710100; 4.北京電子工程總體研究所, 北京 100039;5.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071)

0 引 言

隨著電子攻防對抗技術(shù)的快速發(fā)展,電子戰(zhàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的新戰(zhàn)場。電子干擾往往被技術(shù)發(fā)達(dá)國家用作必備的進(jìn)攻或防御手段,能形成對被干擾方的嚴(yán)重威脅,極大地削弱了被干擾方的探測打擊能力。特別是基于數(shù)字射頻存儲技術(shù)的干擾機(jī)能快速截獲雷達(dá)發(fā)射信號,根據(jù)提取的載頻、重頻、波達(dá)方向等雷達(dá)技術(shù)參數(shù),產(chǎn)生靈活多變的干擾信號,對雷達(dá)實(shí)施精準(zhǔn)干擾,嚴(yán)重制約了雷達(dá)的戰(zhàn)場生存能力。經(jīng)過多年技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)裝備的抗干擾能力有了很大的提升。對于旁瓣干擾的抑制,專家學(xué)者已經(jīng)提出許多行之有效的干擾對抗方法,如自適應(yīng)廣義旁瓣相消、超低旁瓣設(shè)計(jì)及方向圖綜合技術(shù)等。但對于主瓣干擾的抑制,目前雷達(dá)的對抗效果并不理想[1]。因此,開展雷達(dá)抗主瓣壓制/欺騙干擾新技術(shù)研究,以提高雷達(dá)的低截獲能力和生存能力具有重要意義。

頻域作為重要的信號特征域,是雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的重要出發(fā)點(diǎn),也是干擾對抗的一個重要落腳點(diǎn)。通過頻域復(fù)雜調(diào)制可以有效提升雷達(dá)探測性能和抗干擾能力[2]。現(xiàn)代雷達(dá)信號的波形設(shè)計(jì)、雷達(dá)回波的信號處理、電子設(shè)備的電磁兼容以及頻譜分配、雷達(dá)分辨能力的提升、雷達(dá)干擾信號的調(diào)制等均無一例外的和信號的頻域息息相關(guān),因而頻率捷變是現(xiàn)有雷達(dá)設(shè)計(jì)理論體系下行之有效的抗干擾技術(shù)手段之一。因頻率在寬頻帶內(nèi)快速跳變,頻率捷變雷達(dá)降低了被偵察機(jī)識別的概率,并可以對抗壓制式和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。雖然寬帶阻塞式干擾能有效干擾頻率捷變雷達(dá),但是干擾功率譜密度卻大大降低。因此,頻率捷變雷達(dá)具有良好的主動波形對抗優(yōu)勢。

自20世紀(jì)60年代以來,美國、日本、俄羅斯、歐洲等國家相繼開展了頻率捷變技術(shù)方面的研究。最初的頻率捷變雷達(dá)采用非相參雷達(dá)體制,這一時期對捷變頻雷達(dá)測距[3]、海雜波特性[4]、目標(biāo)探測性能[5]、角閃爍特性[6]等基礎(chǔ)特征展開了相應(yīng)研究。1995年, Wehner通過引入匹配濾波理論,提出了一種擴(kuò)展的Stretch方法,解決了傳統(tǒng)快速傅里葉變換的多普勒處理方法與頻率捷變雷達(dá)回波不兼容的問題,實(shí)現(xiàn)了頻率捷變雷達(dá)的相參積累[7],全相參捷變頻雷達(dá)開始出現(xiàn)在人們的視線中。文獻(xiàn)[8]結(jié)合了頻率捷變方法和稀疏重建技術(shù),在壓縮感知框架下對多個頻率進(jìn)行匹配濾波,生成高分辨率距離多普勒圖。

近幾年,全相參捷變頻雷達(dá)成為研究熱點(diǎn)之一,得到了廣泛應(yīng)用。目前,國外主流的數(shù)字陣列雷達(dá)(如新型的AN/MPQ-63防空預(yù)警雷達(dá)、AN/SPY-1D反導(dǎo)雷達(dá)以及AN/APG-77/79機(jī)載雷達(dá)等)均采用了波形和頻率隨機(jī)捷變體制,發(fā)射波形通過軟件形成,可多達(dá)上萬個,捷變頻采用脈間大帶寬跳變方式,速率極快,難以被干擾機(jī)追蹤,具有良好的低截獲和抗干擾能力。

與國外的研究相比,國內(nèi)相關(guān)頻率捷變雷達(dá)技術(shù)研究起步較晚,但發(fā)展迅速、勢頭強(qiáng)勁。清華大學(xué)的劉一民發(fā)表了一系列文章討論了幾種頻率捷變雷達(dá)目標(biāo)的速度和距離估計(jì)方法,并研究了載波頻率的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,提出了自適應(yīng)頻率捷變機(jī)制,以進(jìn)一步提高頻率捷變雷達(dá)的高分辨成像能力與抗干擾能力[9-11]。黃天耀利用觀測場景的稀疏性,采用壓縮感知算法重建場景,還提出了自適應(yīng)匹配追蹤算法來解決壓縮感知算法中的模型失配問題[12]。張晨路等人探討了頻率捷變雷達(dá)接收機(jī)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),并針對該體制在雜波抑制上的難題,提出一種基于最優(yōu)輸出信雜比的雜波濾波器的設(shè)計(jì)方法,對回波信號進(jìn)行雜波抑制以實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)處理[13]。同時他們還研制了相參捷變頻雷達(dá)原理樣機(jī),工作在X波段(9～10 GHz),共64個跳頻頻點(diǎn),每個頻點(diǎn)間隔16 MHz,總合成帶寬為1 GHz。西安電子科技大學(xué)的全英匯教授研究了高頻雷達(dá)隨機(jī)跳頻信號的距離-多普勒二維高分辨處理。結(jié)合頻率監(jiān)測系統(tǒng),構(gòu)建距離-速度二維冗余時頻字典矩陣,利用稀疏信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)二維高分辨成像[14]。在彈載雷達(dá)末制導(dǎo)應(yīng)用中,陳超和胡仕友等人將雷達(dá)的頻率捷變技術(shù)與相參技術(shù)相結(jié)合,分析了在頻率捷變條件下,運(yùn)動目標(biāo)回波相位的變化規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上提出了利用相位補(bǔ)償原理來進(jìn)行有效相參積累的方法[15]。然而,由于受到研究數(shù)據(jù)及算法穩(wěn)健性等影響,頻率捷變雷達(dá)信號處理技術(shù)發(fā)展相對緩慢,特別是在復(fù)雜雜波背景、強(qiáng)密集干擾環(huán)境下對低雷達(dá)散射截面積(radar cross section,RCS)目標(biāo)的識別與探測信號處理方面,需要進(jìn)一步深入地研究和探討。

1 頻率捷變雷達(dá)的基本概念和特點(diǎn)

頻率捷變雷達(dá)指各發(fā)射脈沖載頻頻率在寬帶范圍內(nèi),按某種規(guī)律快速變化的一種脈沖體制雷達(dá)。頻率捷變雷達(dá)按照頻率捷變方式可分為脈內(nèi)捷變頻、脈間捷變頻和脈組間捷變頻3種方式,本文主要研究脈間頻率捷變雷達(dá)。得益于相參頻率綜合技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代頻率捷變雷達(dá)一般采用全相參脈沖體制,其頻率綜合器能夠確保雷達(dá)載頻在寬頻帶范圍內(nèi)快速跳變,同時實(shí)現(xiàn)各個脈沖的相位相參,以確保后續(xù)的目標(biāo)能夠得到有效的相參合成。其捷變頻信號模型可以表示為

(1)

fm=fc+a(m)Δf,m=1,2,…,M

(2)

式中:M為脈沖積累數(shù);a(m)為隨機(jī)整數(shù),被稱為第m個脈沖的頻率調(diào)制碼字,取值范圍0≤a(m)≤N-1;N為總的跳頻數(shù),且滿足N>M;Δf表示相鄰載頻之間的頻率間隔,為了提高不同脈沖信號之間的正交性,使得

Δf=k/Tp

(3)

式中:k為正整數(shù)。頻率捷變雷達(dá)一般采用線性調(diào)頻(linear frequency modulated,LFM),復(fù)包絡(luò):

(4)

頻率捷變雷達(dá)體制主要有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)。

(1)抗干擾能力強(qiáng)?，F(xiàn)今的頻率捷變雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)大帶寬跳頻,完全隨機(jī)捷變,這樣雷達(dá)就掌握了信號頻譜上的主動權(quán)。首先,頻率捷變技術(shù)增加了干擾機(jī)的偵察干擾成本,使得偵察機(jī)難以準(zhǔn)確截獲、分辨、識別雷達(dá)輻射源,同時載頻大范圍跳變可以有效降低干擾功率密度;其次,載頻快速捷變使得干擾機(jī)接收到雷達(dá)發(fā)射信號脈沖之后才能進(jìn)行測頻及調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)干擾。這樣,雷達(dá)可以有效避免跨脈沖重復(fù)周期干擾和部分前拖干擾,甚至能由此計(jì)算出干擾機(jī)的真實(shí)距離[16]。

(2)提高雷達(dá)的探測成像性能。在雷達(dá)系統(tǒng)探測低空目標(biāo)時,多徑效應(yīng)導(dǎo)致接收的回波信號是由在強(qiáng)雜波背景下目標(biāo)直接反射路徑與在波束寬度范圍內(nèi)的反射路徑的信號疊加組成的,使角誤差明顯增大,降低了目標(biāo)跟蹤精度。如果相鄰發(fā)射脈沖的載頻頻率變化很大,可以有效地去除相鄰回波脈沖間的相關(guān)性,減緩多徑效應(yīng)帶來的負(fù)面影響[17]。在逆合成孔徑雷達(dá)中,捷變頻技術(shù)能防止成像結(jié)果發(fā)生堆疊[12, 18]。

(3)提高跟蹤精度。角閃爍效應(yīng)會嚴(yán)重影響目標(biāo)跟蹤性能,在雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)中必須有效抑制角閃爍。脈間頻率捷變能夠有效去除相鄰回波脈沖間的相關(guān)性,人為地改變目標(biāo)不同部位回波的相對相位關(guān)系,以達(dá)到抑制角閃爍現(xiàn)象的效果,因而可以大大減小角閃爍所引起的角度跟蹤誤差。而這種誤差是單脈沖雷達(dá)對近距離和中距離目標(biāo)跟蹤誤差的主要來源[19]。采用頻率捷變技術(shù)后,對于飛機(jī)目標(biāo)回波,在2～4 Hz以上的閃動誤差顯著地減小[20];對于船艦一類的大型目標(biāo),可以將跟蹤誤差減小為原來的1/2～1/4。

(4)距離高分辨和多普勒高分辨。對于經(jīng)過頻率序列優(yōu)化的頻率捷變雷達(dá)信號,其具有圖釘狀的模糊函數(shù),這就意味著頻率捷變雷達(dá)可以同時為速度和距離測量提供高分辨的能力,不存在距離多普勒耦合現(xiàn)象,這是傳統(tǒng)的LFM雷達(dá)和頻率步進(jìn)(stepped frequency, SF)雷達(dá)所不具備的。因此,頻率捷變雷達(dá)可以采用一種信號體制實(shí)現(xiàn)多普勒測速、高分辨成像等多種功能。

(5)抑制海浪雜波。海浪雜波特性會受到海況、雷達(dá)的載頻、極化等因素的影響。頻率捷變體制可以降低相同距離分辨單元內(nèi)海浪雜波的時間相關(guān)性。去相關(guān)后的海浪雜波與海面目標(biāo)在統(tǒng)計(jì)特性上有一定的差異,也會增加相參積累時等效獨(dú)立采樣脈沖數(shù)。可見,頻率捷變技術(shù)有助于改善雷達(dá)系統(tǒng)的信雜比,提高雷達(dá)系統(tǒng)海雜波背景下的目標(biāo)檢測能力。

頻率捷變雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用上主要存在兩個缺點(diǎn)。

(1)目標(biāo)RCS快速起伏。雷達(dá)截面積對頻率和觀測視角是十分敏感的,頻率的變化也會引起有效反射面積的極大變化。由于復(fù)雜目標(biāo)是由許多大小形狀有極大差別的小射體所組成的,而雷達(dá)天線所接收到的回波是這些散射體反射回波的矢量和[21]。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的頻率變化時,由傳播途徑差而引起的相位差也隨之不同,因而各散射體所反射電波的矢量和也就隨著變化。當(dāng)雷達(dá)工作于頻率捷變體制下時,由于每個脈沖的載頻都是不同的,因而每個回波的幅度將會有很大的變化,會對雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測帶來不小的影響。

(2)相參合成困難。不同于傳統(tǒng)的固定載頻脈沖多普勒(pulse Doppler,PD)雷達(dá),由于捷變頻雷達(dá)所采用的脈間載頻跳變的原因,雷達(dá)回波信號在慢時間域等間隔采樣,導(dǎo)致脈間相位的非線性跳變,因而適用于固定參數(shù)PD雷達(dá)的快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)手段無法完成信號的相參積累,采用二維匹配濾波方法則會導(dǎo)致旁瓣抬高。同時,圖釘狀的模糊函數(shù)也使捷變頻雷達(dá)信號成為“多普勒敏感”信號,回波中的多普勒頻偏以及系統(tǒng)相位噪聲都會導(dǎo)致匹配濾波器產(chǎn)生多普勒失配現(xiàn)象,將導(dǎo)致濾波器性能迅速下降[22]。

2 頻率捷變雷達(dá)信號處理研究現(xiàn)狀

假設(shè)觀測場景中存在一個動目標(biāo),在t=0時刻目標(biāo)的徑向距離和速度分別為r0和v0,則經(jīng)過下混頻得到的基帶信號可以表示為

(5)

圖1 3種頻率捷變雷達(dá)信號頻率跳變方式示意圖

1968年,Ruttenburg將頻率步進(jìn)引入雷達(dá)系統(tǒng),提出了頻率步進(jìn)雷達(dá)的概念。頻率步進(jìn)雷達(dá)發(fā)射脈間頻率均勻步進(jìn)的脈沖信號,相比于固定載頻PD雷達(dá),該體制能夠以較小的硬件代價換取合成帶寬,從而提高雷達(dá)的距離分辨率,同時也提高了雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。頻率步進(jìn)雷達(dá)發(fā)射的信號脈間載頻頻率均勻步進(jìn),可以通過簡單的逆FFT(inverse FFT,IFFT)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)相參積累。同時針對目標(biāo)的徑向運(yùn)動會造成距離像的移動、波形發(fā)散的問題,文獻(xiàn)[23-24]討論了頻率步進(jìn)雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)的信號處理方法。步進(jìn)頻率雷達(dá)雖然可以通過高可靠性的硬件實(shí)現(xiàn)來獲得優(yōu)異的雷達(dá)探測結(jié)果,但是其順序步進(jìn)的雷達(dá)脈沖發(fā)射序列極易被電子戰(zhàn)設(shè)備偵獲并施加干擾,因此隨機(jī)步進(jìn)頻率RSF雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。該雷達(dá)體制將順序步進(jìn)頻的連續(xù)頻點(diǎn)打亂發(fā)送,以提高雷達(dá)的抗干擾能力,同時可以降低系統(tǒng)瞬時帶寬和數(shù)據(jù)采樣率。文獻(xiàn)[25]研究了隨機(jī)頻率步進(jìn)信號的相關(guān)輸出及模糊函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性。文獻(xiàn)[7]介紹了隨機(jī)頻率步進(jìn)信號的相參處理方法,將接收回波按照頻率重組之后通過stretch拓展算法合成高分辨像。文獻(xiàn)[26]針對RSF波形,提出了一種同時提取多目標(biāo)距離和多普勒信息的方法。為了驗(yàn)證隨機(jī)步進(jìn)頻率信號合成距離高分辨,設(shè)置隨機(jī)頻率步進(jìn)信號及目標(biāo)參數(shù)如表1所示,圖2為RSF信號相參處理結(jié)果,可見通過脈沖間的相參合成處理獲得了高距離分辨率,但是脈沖間頻率隨機(jī)跳變也導(dǎo)致了旁瓣的抬高。針對RSF信號的隨機(jī)性會抬高合成高分辨距離像的底噪,容易造成微弱目標(biāo)漏檢這個問題,專家學(xué)者相繼提出采用Costas碼、雙曲線頻率序列、偽隨機(jī)碼[27]等隨機(jī)編碼序列,通過跳頻編碼的設(shè)計(jì)抑制匹配濾波后的旁瓣,以提升頻率捷變雷達(dá)的相參積累性能。文獻(xiàn)[28]則通過設(shè)計(jì)失配濾波器實(shí)現(xiàn)距離旁瓣的抑制。

圖2 RSF信號相參處理結(jié)果

表1 RSF信號及目標(biāo)參數(shù)

無論是順序步進(jìn)頻率還是隨機(jī)步進(jìn)頻率,都存在一個問題:一旦某一個頻段被干擾覆蓋,接收的回波中總是存在干擾信號,則雷達(dá)的處理性能將大大降低。因此,有學(xué)者提出在隨機(jī)步進(jìn)頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行頻率抽取,只發(fā)射部分頻率的脈沖信號,這樣就能及時避開干擾能量強(qiáng)的頻段,進(jìn)一步提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾性能。相對于傳統(tǒng)固定參數(shù)PD雷達(dá)以及步進(jìn)頻雷達(dá),這種脈間隨機(jī)頻率捷變雷達(dá)(frequency agility radar,FAR)的慢時間相位呈現(xiàn)出更強(qiáng)的非連續(xù)特征,其模糊函數(shù)呈現(xiàn)為圖釘形狀,可以實(shí)現(xiàn)時間-多普勒解耦合。但是FAR信號的隨機(jī)性使得其模糊函數(shù)中出現(xiàn)強(qiáng)度隨機(jī)起伏的旁瓣平臺,這意味著,不同參數(shù)的目標(biāo)之間可能會相互影響,從而影響目標(biāo)場景的重建性能,傳統(tǒng)基于匹配濾波思想的相參處理方法將不再適用于FAR。

為了減輕頻率捷變雷達(dá)信號的隨機(jī)起伏旁瓣平臺帶來的影響,實(shí)現(xiàn)FAR信號的相參處理,現(xiàn)有常用方法主要包括:① 先對目標(biāo)初始距離進(jìn)行參數(shù)估計(jì),并對回波信號進(jìn)行距離相位補(bǔ)償,然后進(jìn)行目標(biāo)多普勒估計(jì)。文獻(xiàn)[15]針對反艦導(dǎo)彈高速運(yùn)動平臺,將頻率捷變與重頻抖動結(jié)合,通過參差脈沖重復(fù)間隔法來消除回波中的二次相位項(xiàng),通過基于最大積累幅度準(zhǔn)則的補(bǔ)償法來估計(jì)目標(biāo)距離信息,最后通過FFT實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多普勒像的獲取。類似地,文獻(xiàn)[29]使用最小波形熵準(zhǔn)則作為代價函數(shù)進(jìn)行相參積累。然而,就目前的硬件水平來看,大跳頻帶寬或者長時間相參積累會使得算法的計(jì)算量提高,增加工程化應(yīng)用難度[15]。② 先對目標(biāo)速度進(jìn)行參數(shù)估計(jì),并對回波信號進(jìn)行速度相位補(bǔ)償,然后進(jìn)行目標(biāo)距離像合成。文獻(xiàn)[30]采用這種方法,提出了一種新的基于非均勻FFT(nonuniform FFT,NUFFT)的多普勒處理方法進(jìn)行消除速度項(xiàng)相位的影響,針對頻譜不連續(xù)波形存在高距離旁瓣或光柵旁瓣的問題,提出了一種新的合成高分辨距離方法,同時采用凸優(yōu)化方法以抑制參數(shù)失配下的高旁瓣問題。文獻(xiàn)[31]針對高速目標(biāo)檢測問題,提出了一種相干積分方法。該方法先采用keystone變換進(jìn)行距離偏移校正,利用radon變換對多普勒頻率模糊度進(jìn)行補(bǔ)償,并通過chirp-z變換對回波進(jìn)行相干積分,最后通過逆傅里葉變換進(jìn)行相參積累。與方法一類似,該類方法的難點(diǎn)同樣在于目標(biāo)速度參數(shù)估計(jì)的計(jì)算量較大,難以實(shí)際工程應(yīng)用。③ 同時實(shí)現(xiàn)速度-距離二維參數(shù)估計(jì)。文獻(xiàn)[32]中針對高速運(yùn)動目標(biāo)的長時間相參積累問題,提出FA-CRT方法得到目標(biāo)距離-速度二維像,并針對寬帶模型進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。以上方法雖然可以完成相參積累難題,但是卻存在分辨力不足、參數(shù)估計(jì)精度不高、頻率跳變序列約束等短板。

2006年壓縮感知(compressed sensing,CS)理論被提出,在稀疏約束的條件下,構(gòu)造與目標(biāo)參數(shù)信息相關(guān)的字典矩陣,可以對目標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)[33-34]。對于典型的稀疏目標(biāo)場景、比如對空目標(biāo)探測、海面大型艦艇探測等場景非常適用于CS參數(shù)重構(gòu)框架。在稀疏場景下,稀疏重構(gòu)方法同時適用于步進(jìn)頻率雷達(dá)、RSF雷達(dá)和脈間隨機(jī)頻率捷變雷達(dá),可以有效降低整個合成高分辨像的旁瓣,是目前雷達(dá)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。文獻(xiàn)[35]討論了將CS方法應(yīng)用FAR進(jìn)行相參合成的一些關(guān)鍵問題,并給出了FAR使用壓縮感知方法進(jìn)行稀疏重構(gòu)的充分條件。文獻(xiàn)[36]系統(tǒng)闡述了頻率捷變波形在距離分辨率和頻譜利用率方面的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[37]提出基于自適應(yīng)CS的RSF雷達(dá)距離-速度聯(lián)合估計(jì)算法,相比傳統(tǒng)的相參合成算法,在距離像分析中具有較高的分辨率。文獻(xiàn)[38]提出了一種基于CS的稀疏優(yōu)化方法,用于隨機(jī)頻率跳頻和PRI抖動脈沖的高分辨率距離-多普勒像重構(gòu)。文獻(xiàn)[39]提出了一種基于加權(quán)粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)的CS方法實(shí)現(xiàn)FAR距離速度聯(lián)合估計(jì)方法。該算法基于泰勒展開法自適應(yīng)地實(shí)時更新字典矩陣,解決了CS中存在的網(wǎng)格失配問題,并在CS迭代求解時結(jié)合了加權(quán)PSO動態(tài)優(yōu)化方法,克服了傳統(tǒng)CS容易陷入局部極小值的問題,提高了算法的收斂速度。文獻(xiàn)[40]討論了貝葉斯框架下,捷變頻雷達(dá)信號的CS稀疏信號重構(gòu)方法。

為驗(yàn)證基于稀疏重構(gòu)的捷變頻雷達(dá)相參積累方法的有效性,課題組開展了脈間FAR觀測空中大疆精靈3無人機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用的頻率捷變雷達(dá)參數(shù)如表2所示。圖3為脈間觀測空中無人機(jī)所錄實(shí)測數(shù)據(jù)的相參積累結(jié)果。圖3(a)和圖3(b)分別為脈沖壓縮結(jié)果與稀疏成像結(jié)果。圖3(c)和圖3(d)為分別采用基于CS的稀疏成像方法與直接進(jìn)行速度-距離二維參數(shù)估計(jì)的成像方法得到的目標(biāo)所在粗分辨單元的高分辨成像結(jié)果與直接進(jìn)行速度-距離二維參數(shù)估計(jì)的成像方法相比,基于CS的稀疏成像方法大幅降低了旁瓣功率,大大提高了雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測性能。

圖3 FAR實(shí)測數(shù)據(jù)相參積累結(jié)果

表2 無人機(jī)實(shí)驗(yàn)中FAR參數(shù)

然而,在強(qiáng)雜波或強(qiáng)干擾的情況下,直接基于CS的稀疏重構(gòu)方法重構(gòu)精度和成功率將大大降低。為此,文獻(xiàn)[41]提出了一種欺騙式干擾抑制算法,該方法通過Hough變換和峰值提取實(shí)現(xiàn)干擾的識別與抑制,采用CS實(shí)現(xiàn)高分辨率距離-多普勒像重構(gòu),提高了強(qiáng)干擾下FAR的目標(biāo)檢測能力,文獻(xiàn)[42]則提出利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和大津算法實(shí)現(xiàn)捷變頻體制下的干擾抑制。

為驗(yàn)證FAR抗干擾性能,課題組與國內(nèi)研究所聯(lián)合開展了不同的雷達(dá)外場對抗實(shí)驗(yàn)。在外場對抗實(shí)驗(yàn)1中,某研究所通過某雷達(dá)改造,完成了捷變波形的產(chǎn)生、接收與處理,實(shí)現(xiàn)了捷變波形的工程化應(yīng)用。圖4為在雙干擾機(jī)下跟飛對抗試驗(yàn)中,采用常規(guī)脈沖串波形與捷變波形下雷達(dá)處理結(jié)果。試驗(yàn)中,在兩個干擾機(jī)均釋放窄帶瞄頻間斷噪聲干擾,干噪比約50 dB。從圖4中可以看出,常規(guī)脈沖串波形由于受干擾嚴(yán)重,經(jīng)過干擾抑制和相參積累后,無法檢測到目標(biāo);使用捷變波形后,由于干擾占空比下降,采用干擾抑制與相參積累技術(shù)后,可以檢測到目標(biāo),有效提升了系統(tǒng)的干擾對抗能力。

圖4 波形處理結(jié)果

在雷達(dá)外場對抗實(shí)驗(yàn)2中,干擾機(jī)位于海面目標(biāo)船舶上,干擾遠(yuǎn)處雷達(dá);雷達(dá)分別工作在PD體制和捷變頻體制,探測目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中所用FAR參數(shù)如表3所示。

表3 外場對抗實(shí)驗(yàn)2中FAR參數(shù)

圖5為雷達(dá)外場對抗實(shí)驗(yàn)2數(shù)據(jù)處理結(jié)果,圖5(a)和圖5(b)分別為PD雷達(dá)脈沖壓縮結(jié)果與MTD結(jié)果。PD雷達(dá)被嚴(yán)重干擾,無法正確檢測目標(biāo)。圖5(c)和圖5(d)為FAR脈沖壓縮結(jié)果與其俯視圖。與PD雷達(dá)脈壓結(jié)果相比,FAR回波信號中,干擾數(shù)量明顯減少,干擾信號強(qiáng)度也明顯降低。圖5(e)為未抑制干擾得到的二維高分辨稀疏重構(gòu)結(jié)果,可以看到干擾信號破壞了回波的部分相位信息,導(dǎo)致重構(gòu)結(jié)果中旁瓣抬高,不利于檢測目標(biāo)。圖5(f)為采用抗干擾算法得到的稀疏重構(gòu)結(jié)果,可以看到采用一定的抗干擾算法能進(jìn)一步提高頻率捷變雷達(dá)的電子對抗能力。從捷變頻雷達(dá)外場對抗實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2的處理結(jié)果可知,FAR通過脈間載頻捷變增加了干擾機(jī)偵收截獲雷達(dá)波形的難度,進(jìn)而有效降低回波信號中干擾的數(shù)量及功率密度,提升了雷達(dá)抗干擾能力。此外頻率捷變也使得雷達(dá)在電子對抗中由傳統(tǒng)的被動抗干擾轉(zhuǎn)為主動的波形對抗,可見FAR不僅具有良好的抗干擾能力,同時也具有獨(dú)特的主動波形對抗優(yōu)勢。

圖5 捷變頻信號實(shí)測數(shù)據(jù)抗干擾成像結(jié)果

針對FAR,基于多普勒的雜波處理方法將失效,因此雜波抑制也是一個難題。文獻(xiàn)[13]針對相參FAR中的雜波抑制問題,提出了一種基于最大化輸出信雜比的雜波濾波器的原理和實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[22]利用雜波頻譜的先驗(yàn)知識,提出一種基于CS和雜波白化加權(quán)的稀疏重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)雜波抑制和目標(biāo)速度檢測。文獻(xiàn)[43]給出了FAR的海浪雜波和目標(biāo)回波頻域特性,并開展了FAR抗海雜波性能驗(yàn)證試驗(yàn)。但是目前關(guān)于捷變頻體制下的強(qiáng)干擾、強(qiáng)雜波抑制研究仍十分有限,相關(guān)的理論和算法仍處于論證和探索階段。

3 FAR接收機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

不同于傳統(tǒng)固定參數(shù)PD雷達(dá),FAR要求雷達(dá)在脈沖間隔內(nèi)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行頻率跳變,同時要保證發(fā)射信號和解調(diào)信號保持嚴(yán)格的相位同步關(guān)系,這對雷達(dá)系統(tǒng)的硬件提出了更為苛刻的要求。最初FAR采用旋轉(zhuǎn)調(diào)諧磁控管振蕩器以及機(jī)械式的調(diào)諧方式,由于存在隨機(jī)初相、頻率穩(wěn)定度低、捷變帶寬小等缺點(diǎn),FAR長期停留在非相參體制。國外學(xué)者從20世紀(jì)60年代逐漸展開了全相參體制雷達(dá)的研究,經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,隨著集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展以及高穩(wěn)定度高集成度芯片技術(shù)的發(fā)展,脈間FAR的頻率合成技術(shù)以及脈間波形捷變功能都已經(jīng)相當(dāng)成熟,在頻率穩(wěn)定度、跳頻速度、最大跳頻帶寬等參數(shù)上都取得了長足的進(jìn)步,并在各個雷達(dá)頻段都有相應(yīng)頻率捷變源技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[44]。通用的頻率捷變源技術(shù)主要分為基于鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)合成和直接數(shù)字頻率合成以及混合頻率合成技術(shù)等?；阪i相環(huán)合成技術(shù)的捷變頻頻率源相當(dāng)于一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng),主要包括鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和可變分頻器[45]。其通過對基準(zhǔn)頻率的倍頻、分頻等產(chǎn)生所需要的載頻頻點(diǎn),進(jìn)而載頻信號選擇器進(jìn)行載頻跳變,此種頻率生成方式具有較寬的頻帶,頻譜純度較好,結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)在于輸出信號相位噪聲較差?；谥苯訑?shù)字頻率合成技術(shù)(direct digital synthesis,DDS)的捷變頻頻率源通過DDS波形發(fā)生器調(diào)制不同頻率的中頻信號,將中頻信號與相同載頻混頻并傳送到天線發(fā)射來實(shí)現(xiàn)頻率捷變,這種波形發(fā)生器可以通過集成電路與DA轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn),或者采用專用的DDS芯片來實(shí)現(xiàn)[46],該種頻率捷變方案具有靈活性高、分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是雜散抑制差,輸出頻率低。當(dāng)雷達(dá)工作在高脈沖重復(fù)頻率條件下時存在距離模糊問題,需要有兩套同源的本振同時工作以解決上述問題,此時如采用基于鎖相環(huán)合成法容易產(chǎn)生相位模糊問題,而DDS的輸出頻率范圍不足。因此實(shí)際中往往采用PLL技術(shù)與DDS技術(shù)相結(jié)合的混合頻率合成技術(shù)以滿足高脈沖重復(fù)頻率頻率捷變信號的生成[47]。

關(guān)于頻率捷變新體制雷達(dá)的工程應(yīng)用,國內(nèi)多個研究所對FAR的頻綜、波控及信號處理進(jìn)行了升級改造,并進(jìn)行了外場試驗(yàn)驗(yàn)證。后續(xù)各科研院所將會對FAR進(jìn)行更深入的研究和全面的工程化應(yīng)用。

圖6 高脈沖重復(fù)頻率頻率捷變頻綜

4 FAR的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下,難以在一個特征維度完全濾除干擾,往往需要在多個特征維度對干擾和目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。將頻率捷變技術(shù)與其他參數(shù)捷變技術(shù)相結(jié)合,充分挖掘現(xiàn)有雷達(dá)平臺多特征維度的目標(biāo)參數(shù)測量潛力,發(fā)展靈活多變的多參數(shù)捷變是未來雷達(dá)研究的趨勢。文獻(xiàn)[48]提出將頻率捷變和極化捷變相結(jié)合,建立了相應(yīng)的全極化模型,探討了極化捷變體制和頻率捷變體制之間的兼容性問題。文獻(xiàn)[49]提出一種同時綜合極化、頻率捷變和多載波相位編碼(multicarrier phase code, MCPC)的雷達(dá)探測技術(shù),并就波形的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能做了具體的分析。文獻(xiàn)[50]討論了載頻重頻聯(lián)合捷變波形模糊函數(shù)的期望和方差,同時給出了隨機(jī)參數(shù)與波形分辨能力、副瓣抑制能力之間的數(shù)值關(guān)系。文獻(xiàn)[51]在文獻(xiàn)[22]的基礎(chǔ)上提出一種以載頻、重頻、極化和波形編碼4種參數(shù)聯(lián)合捷變的新體制雷達(dá),構(gòu)建了雷達(dá)信號模型,給出了模糊函數(shù)的推導(dǎo),并提出了基于多參數(shù)聯(lián)合捷變雷達(dá)的信號處理與目標(biāo)檢測方法。

同時實(shí)現(xiàn)雷達(dá)智能化也是未來雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。智能化雷達(dá)相對于傳統(tǒng)FAR而言,其通過將雷達(dá)環(huán)境感知技術(shù)、波形調(diào)制技術(shù)、頻率捷變技術(shù)等有機(jī)融合,通過接收機(jī)的信號處理到發(fā)射機(jī)閉環(huán)反饋的形式實(shí)現(xiàn)高智能化、高靈活性、可配置的創(chuàng)新型雷達(dá)體制?；趯走_(dá)環(huán)境探測信息的充分利用,智能化雷達(dá)可以在后續(xù)脈沖發(fā)射經(jīng)過實(shí)時優(yōu)化的捷變波形,在雷達(dá)成像、目標(biāo)檢測、新體制雷達(dá)研究[52]等方向獲得了廣泛關(guān)注。智能化雷達(dá)的波形變化通常是通過構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)求解來獲取,根據(jù)不同的觀測任務(wù)會構(gòu)造不同的代價函數(shù),大量研究工作聚焦于代價函數(shù)的構(gòu)造和優(yōu)化求解來獲取自適應(yīng)捷變波形。文獻(xiàn)[53]中構(gòu)造關(guān)于交互信息和信噪比的代價函數(shù),通過最大化信噪比和交互信息進(jìn)行波形合成;文獻(xiàn)[54]構(gòu)造關(guān)于干擾信號能量的代價函數(shù)來進(jìn)行相位編碼波形設(shè)計(jì)。波形捷變方式更具針對性,在干擾環(huán)境下具備更優(yōu)異的抗干擾效能。文獻(xiàn)[55]基于相位共軛梯度算法實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)相位編碼信號的研究。文獻(xiàn)[56]中通過代價函數(shù)優(yōu)化求解的方法來進(jìn)行雷達(dá)波形的脈間初相捷變波形設(shè)計(jì),并通過構(gòu)造多普勒頻域凹陷對速度欺騙干擾目標(biāo)進(jìn)行抑制,從而提高了目標(biāo)檢測的信干比。文獻(xiàn)[57]針對多干擾信號的目標(biāo)探測場景,迭代求解關(guān)于干擾信號能量的目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)了基于感知信息的脈間初相捷變雷達(dá)信號處理算法研究。文獻(xiàn)[58]從電磁頻譜兼容性能和模糊函數(shù)角度出發(fā)進(jìn)行認(rèn)知雷達(dá)波形設(shè)計(jì),提出了波形設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的求解算法,同時通過構(gòu)建的試驗(yàn)臺驗(yàn)證并評估了優(yōu)化后雷達(dá)信號的電磁頻譜兼容性能。

此外,在新體制脈間頻率捷變雷達(dá)方面,文獻(xiàn)[59]中研制出基于光學(xué)解調(diào)來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制頻率捷變的方案,實(shí)驗(yàn)表明該種頻率源在10～40 GHz的頻率區(qū)間內(nèi)有著很高的穩(wěn)定度。文獻(xiàn)[60]中提出了一種多輸入多輸出體制的頻率捷變成像雷達(dá),利用信號重組技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高分辨率成像。

5 結(jié)束語

本文對頻率捷變雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述,介紹了頻率捷變雷達(dá)的基本概念和特點(diǎn),綜合國內(nèi)外最新研究成果,著重闡述了FAR的信號處理方法研究,并介紹了FAR接收機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和頻率捷變雷達(dá)的發(fā)展趨勢。頻率捷變技術(shù)雷達(dá)具有優(yōu)異的低截獲和抗干擾性能,同時還提升了雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤探測能力和抗海浪雜波的性能,已廣泛應(yīng)用于防空反導(dǎo)、戰(zhàn)場監(jiān)視預(yù)警、目標(biāo)探測、SAR高分辨成像等軍用和民用領(lǐng)域。近幾十年伴隨著信息處理算法和集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,FAR的理論研究和應(yīng)用取得了長足進(jìn)步,但仍然存在一些亟待解決的問題。

(1)自適應(yīng)頻率捷變。目前FAR多采用固定的載頻跳變序列。為進(jìn)一步提升雷達(dá)在強(qiáng)電子對抗環(huán)境下的抗干擾能力,雷達(dá)載頻、重頻、編碼等波形參數(shù)可以自適應(yīng)捷變。在空間態(tài)勢感知技術(shù)的支持下,自適應(yīng)頻率捷變技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測雷達(dá)周圍復(fù)雜電磁環(huán)境,結(jié)合獲取的干擾信息和目標(biāo)信息等觀測場景信息,對發(fā)射信號參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化,提高雷達(dá)的低截獲性能和抗干擾性能。

(2)復(fù)雜目標(biāo)電磁散射機(jī)理的表征。雷達(dá)截面對頻率和視角是十分敏感的,現(xiàn)有的電磁散射機(jī)理建模與表征方法雖然能夠適用于典型目標(biāo)甚至復(fù)雜目標(biāo),但多未考慮大帶寬頻率捷變的情況。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的頻率變化時,目標(biāo)多散射點(diǎn)合成的相位差也隨之不同,因而各散射體所反射電波的矢量和也就隨著變化,當(dāng)雷達(dá)工作于頻率捷變體制下時,由于每個脈沖的載頻都是不同的,因而其每個回波的幅度將會有很大的變化,現(xiàn)有的RCS模型不能完全適用于FAR目標(biāo),難以為后續(xù)信號處理提供完整的理論支撐。

(3)高性能信號處理能力。雷達(dá)觀測場景感知、雷達(dá)參數(shù)動態(tài)捷變技術(shù)及捷變相參處理技術(shù)具有計(jì)算密大、實(shí)時性高、靈活多任務(wù)等特性,對傳統(tǒng)的信號處理平臺的運(yùn)算能力、處理速度、數(shù)據(jù)吞吐量和工作環(huán)境等方面提出嚴(yán)苛的挑戰(zhàn),因此需要高性能計(jì)算平臺作為支撐,這對嵌入式的彈載、無人平臺信號處理帶來挑戰(zhàn)。

盡管如此,隨著國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對頻率捷變雷達(dá)重視程度、科研成本投入以及軟/硬件水平的不斷提高,FAR信號處理技術(shù)必將得到更強(qiáng)力的推動和更廣泛的應(yīng)用,擁有廣闊的發(fā)展前景。