頻率分集陣列及其研究進展*

陳浩，韓宏川，李榮鋒，張雪

(1.空軍預警學院,湖北 武漢 430019;2.空軍軍械通用裝備軍事代表局,北京 100073)

0 引言

控制距離依賴的能量分布在雷達許多具體應用方面已經(jīng)成為越來越重要的要求，由于相控陣的波束指向與距離無關，要想將陣列波束同時指向不同角度的多個不同距離單元就需要多個陣列天線或者多波束天線[1]，成本高，代價大。為此，Antonik等人[2]提出了頻率分集陣列(frequency diverse array,FDA)的概念。對比于相控陣，F(xiàn)DA是在陣元間引入了一個小的頻率增量，這個陣元頻率的差異導致波束可以在空間實現(xiàn)周期性掃描[3]，并且其波束方向圖是距離、角度、時間、甚至是頻率增量的函數(shù)[4]，為FDA引入了距離維的可控自由度，可將波束指向不同的距離單元，對抑制距離模糊雜波和距離依賴性干擾具有很好的作用。這很快引起了陣列天線和雷達信號處理領域的濃厚興趣，由此展開了很多關于FDA的研究。

本文對近年來關于FDA的研究進展進行了總結(jié)概括。首先給出了FDA模型原理、波束形成以及3種接收處理機制；接著系統(tǒng)梳理了FDA在目標位置估計、合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)成像領域應用、與多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷達結(jié)合以及距離模糊雜波抑制等4個方面的主要研究進展；之后分析了FDA面臨的2個方面的關鍵問題以及應用前景；最后，得出了結(jié)論。

1 FDA波束形成

假設FDA是采用N個陣元的等距線陣，d為陣元間距，假設傳輸?shù)男盘柺沁h場窄帶單色連續(xù)信號，其與陣列法線方向夾角為θ，選定第1個陣元為參考陣元，遠場散射點到第1個陣元的距離為R，其陣列模型如圖1所示。

圖1 圖1 FDA模型Fig.1 FDA patterns

第m個陣元通道的發(fā)射頻率為

fm=f0+(m-1)Δf,m=1,2,…,N,

(1)

式中：f0和Δf分別表示第1個陣元載波頻率和相鄰2個陣元之間的頻率間隔。則第m個通道傳輸?shù)男盘栃问綖?/p>

sm(t)=wmwe(fm)exp(-j2πfmt),

(2)

式中：wm和we(fm)分別表示振幅加權量和波束控制量。到達遠場點(r,θ)的信號表達式為

(3)

式中：c0表示光速。考慮為遠場窄帶信號，則rm≈r-(m-1)dsinθ，rm表示目標到第m個陣元的斜距。從式(3)可以看出，到達目標的FDA波束與目標到陣列的距離和角度有關。

第m個陣元與第1個陣元的相位差為

(4)

由式(4)可見，F(xiàn)DA發(fā)射信號的相位差不僅與空間角度有關，同時與傳播距離有關，所以，F(xiàn)DA的發(fā)射方向圖具有距離-角度二維耦合性。式(4)中的第3項是陣元數(shù)的二次函數(shù)，當頻率間隔遠小于載頻，即NΔf?f0時，相比較前2項帶來的相位差可忽略不計。為了避免柵瓣效應，一般取d=c0/2f0?？紤]發(fā)射端不加窗處理，發(fā)射權矢量為全1矢量，并且wmwe(fm)對方向圖取極值無影響，則頻率分集陣列的發(fā)射方向圖可近似表示為

P(t;θ,r)≈

(5)

式中：λ0=c0/f0。特別地，當Δf=0時，式(5)與普通相控陣無異。設置參數(shù)N=20，f0=3 GHz，Δf=10 kHz，d=λ0/2，傳統(tǒng)相控陣與FDA的發(fā)射方向圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射方向圖比較Fig.2 Comparison of launch patterns

由FDA發(fā)射方向圖表達式可知，滿足式(6)取極值[5]。

(6)

則有

(7)

即時間上具有周期性，周期為1/Δf。

同理可得

(8)

(9)

故其發(fā)射方向圖在距離和方向上也有周期性，周期分別為c0/Δf和λ0/d。

在對FDA方向圖的研究過程中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DA天線方向圖主波束的指向隨著頻率增量的不同，波束指向也不一樣，對此相關文獻對其進行了深入的研究。對于脈沖體制FDA雷達，當載頻一定時，給定一個具體距離，選擇不同的頻率增量，其波束指向也將指向不同的角度，電磁仿真實驗也驗證了其穩(wěn)態(tài)波束掃描特性[6]。如圖3所示：給定FDA雷達3種不同的頻率間隔，主波束就指向3個不同的方位角，所以只要給定合適的頻率間隔范圍，就可以不要移相器實現(xiàn)FDA的空間波束掃描。針對FDA形成的與頻率增量相關的波束，距離相關波束的概念在文獻[7]中得到推廣，提出了頻偏相關波束，并指出其波束在距離二維平面上隨時間呈螺旋變化。文獻[8]又進一步研究了這個波束螺旋變化，并指出頻率增量越大，螺旋線環(huán)帶寬度越窄，并且當各陣元之間的頻率不再滿足線性變化時，遠場方向圖特性將不再滿足嚴格的橢圓螺旋線分布模型。

圖3 FDA波束掃描Fig.3 FDA beam scanning

由于FDA雷達陣元發(fā)射頻率不同導致其接收處理方式也不止一種。第1種是每個接收通道都只接收與該通道發(fā)射頻率一致的信號；第2種是每個接收通道都接收所有發(fā)射頻率的信號，然后直接按照普通陣列進行信號處理；第3種是在第2種接收方式的基礎上，將接收的信號按照接收通道的順序進行重排，再按照普通陣列進行信號處理[5]。Jones等人[9]研究了一維FDA雷達在常規(guī)和自適應2種波束形成方式下的3種接收處理方案，并進行了仿真分析；西安電子科技大學的許京偉指出FDA接收方向圖與發(fā)射方向圖一樣，都具有周期性，只是FDA接收方向圖周期是發(fā)射的一半[10]。隨后Jones[11]和Eker[12]等人分別將一維線陣擴展到二維面陣、載頻推廣成線性調(diào)頻信號，對其接收處理方式進行了研究。關于FDA接收處理方式的研究日益深入，但關于在FDA雷達中具體需運用哪一種接收處理方式還需要作更為深入廣泛的探討。

2 主要研究進展

通過計算關于估計目標方位、距離和速度(多普勒頻移)的克拉美羅下限(Cramer-Rao low bound,CRLB)表明，F(xiàn)DA都優(yōu)于相控陣[13]，通過輸出信干比、信雜比的比較表明FDA比相控陣具有更好的抗干擾能力，并且FDA可以抑制相同角度不同距離的干擾[14]。由此引起了很多關于FDA的理論研究，除了上述關于FDA波束形成及接收處理方式的研究外，其他研究大致可分為目標位置估計、與MIMO雷達相結(jié)合運用、在SAR成像中應用以及距離模糊雜波抑制等4個方面，具體的研究進展及內(nèi)容如圖4所示。

圖4 FDA主要研究進展圖Fig.4 Illustration of FDA main research progress

2.1 目標位置估計

在過去幾十年里，聯(lián)合距離和角度二維信息估計目標位置得到了深入的發(fā)展[15-16]，但FDA提供了一種距離-角度二維依賴的新的波束方向圖，波束能量分布不僅與角度有關，而且與距離耦合，這提供了一種新的估計目標位置的方法。然而由于標準的FDA波束形成的波峰在距離和角度上是耦合的，使得目標的距離和角度信息不能從FDA形成波束的峰值中單獨估計出來[17]，因此，引起了很多關于怎樣利用FDA估計目標位置的研究。

傳統(tǒng)FDA由于采用的是線性頻率增量，使得接收的信號回波具有距離-角度耦合特性，因此，可采用非線性形式的頻率增量去解耦。Khan等人對此就提出了采用對數(shù)、平方或立方形式的非線性頻率增量直接去解耦天線方向圖[18-19]，雖然方法簡單直接，但是其距離維度上波束形成性能差，估計目標距離精確度不高。為提高精確度，以WANG Wen-qin為代表的另外2種估計目標位置的方法被提了出來：基于子陣列的目標位置估計和二維成像的目標位置估計。文獻[20]指出可將FDA陣列分成2個子陣列，然后采用不同的頻率增量但相同的波形，這樣可將信號輸出峰值對應的角度和距離作為目標估計的位置；文獻[21]是將FDA與MIMO結(jié)合起來，再將陣列分成為多個子陣列，然后再用基于波束空間的子空間算法來估計目標距離和角度[22]，但上述基于子陣列估計目標位置的方法計算量很大，且在低信噪比情況下估計性能差，并不適合實際中的應用。隨后，WANG Wen-qin指出可對目標直接二維成像估計位置，但均勻線性FDA在進行目標二維成像時，也存在估計精度不高的問題[23]，所以他又進一步研究了非均勻線陣對目標位置的估計性能，在距離-角度二維上投影成像[24]，雖然提高了精確度，但對于陣元誤差很是敏感。另外，針對上述3類估計目標位置存在的問題，文獻[25]提出了一種利用簡單的雙脈沖線性FDA雷達對目標的距離和角度定位的方法，這種方法可以解釋為先在角度維對目標進行探測然后在距離維對目標進行定位，降低了計算量，提高了距離維精確度；文獻[26]針對FDA雷達空間角度和距離分辨率受限于陣列尺寸和頻率增量的問題，提出了一種新型的基于互質(zhì)頻率增量的頻率分集互質(zhì)陣列估計多目標位置的方法，很大程度上提高了分辨率，但上述2種方法實現(xiàn)較為困難，很難應用到實際中去。

2.2 FDA-MIMO雷達

MIMO雷達在信號檢測、參數(shù)估計、空間分辨率等方面具有諸多優(yōu)點[27]，而FDA波束具有距離依賴性，聯(lián)合FDA與MIMO雷達成為研究FDA的一個發(fā)展趨勢。由此，展開了關于FDA-MIMO雷達的相關研究。

考慮到MIMO雷達可以提供更多的自由度和角度變化特性，而FDA可以提供距離變化特性，在2009年，Sammartino就試圖將FDA和MIMO雷達結(jié)合起來[28]，指出了FDA-MIMO雷達的可能性。由此，WANG Wen-qin等人展開了FDA-MIMO雷達的波束形成的一系列研究[29-30]，特別是文獻[30]，深入研究了FDA-MIMO雷達距離依賴性的波束形成，并指出其波束可精確指向同一方向的不同距離，對后來Sammartino和Baker等人將頻率分集技術應用到MIMO雷達[31]中起到了很大的作用。不僅如此，文獻[30]考慮到傳統(tǒng)相控陣MIMO(Phased-MIMO)雷達高增益和多自由度的優(yōu)勢，將FDA與Phased-MIMO雷達結(jié)合，研究了其發(fā)射波束形成；而文獻[32]又指出FDA與MIMO聯(lián)合可以壓低副瓣,解決分布式MIMO雷達由于陣元間距過大帶來的柵瓣問題。FDA-MIMO雷達的波束雖然可以指向特定的距離和角度，但為了將FDA-MIMO雷達應用到實際中去，需要深入展開關于FDA-MIMO雷達抗不同類型干擾性能的研究?？紤]到FDA方向圖提供的距離依賴性，文獻[33]提出了一種基于FDA-MIMO雷達抑制空間相同角度不同距離干擾的方法，雖然仿真效果不錯，但沒有考慮目標在實際中的運動情況；針對機載雷達遇到的雜波和干擾難同時抑制而導致運動目標的檢測效果不佳的實際問題，許京偉提出了一種基于FDA-MIMO雷達的利用角度、距離和多普勒三維信息同時自適應抑制干擾和雜波的方法[10]，雖然運動目標檢測效果得到很大的提升，但該方法計算量太大，且沒有考慮主瓣干擾情況。為此，文獻[34]根據(jù)主瓣欺騙干擾導向矢量中的真實距離信息與延遲后的距離門信息不匹配以及與目標距離信息不同的特性，指出FDA-MIMO雷達可自適應抗主瓣欺騙式干擾，并用克拉美羅下界計算評估，取得了不錯的效果，這對一直困擾雷達界的抗主瓣干擾方法措施提供了一個新的思路。

2.3 在SAR成像中的應用

孔徑雷達在成像過程中，其分辨率主要由雷達天線尺寸決定，尺寸越大分辨率越高。然而由于在實際雷達特別是機載雷達中，由于空間限制，使得雷達的天線尺寸不可能做得太大，所以分辨率有限。而合成孔徑雷達(SAR)通過合成孔徑技術克服了這個問題，其工作模式主要有2種：條帶SAR和聚束SAR。條帶SAR方位分辨率小于或等于天線尺寸分辨率的一半，雖然聚束SAR比條帶SAR方位向分辨率高，但分辨率仍然有限。不僅如此，聚束SAR要想進一步提高分辨率，需要持續(xù)精確地對同一個目標區(qū)域進行照射，進一步增加合成孔徑時間，而這需要一副波束指向更加靈活可控的天線。FDA相比于相控陣，由于其波束可指向不同的距離單元，使目標區(qū)域照射更加精確，能量也更加集中，理論上分辨率也更高，目標檢測性能更好。

在FDA概念提出之后，就展開了利用FDA提高SAR分辨率的研究。Farooq等人[35]深入分析了FDA在SAR成像中的應用價值，表明相比較傳統(tǒng)成像技術而言，F(xiàn)DA減少了33%的積累時間，在橫向距離分辨率上提升了4.5 dB；張福丹將FDA應用到聚束SAR中，指出了FDA可形成虛擬輻射源的特點，從而增加了合成孔徑時間，提高了方位向的分辨率[8]。由于FDA波束具有距離依賴性，聯(lián)合SAR成像可對目標進行精確定位檢測。西安電子科技大學的王金偉針對在欺騙式干擾的環(huán)境下，SAR成像對運動目標檢測和標定性能嚴重下降的問題，提出了一種基于FDA-SAR的運動目標檢測的方法[36]，該方法充分利用FDA距離相關波束和欺騙干擾導向矢量中的距離信息與目標距離信息不匹配的特性，在空間角頻率和距離二維域上對目標進行匹配處理，欺騙式干擾抑制效果可達30 dB，同時，該算法很大程度上提高了SAR成像的質(zhì)量，具有較高的應用價值；文獻[37]又進一步研究了FDA-SAR雷達，解決了距離模糊雜波抑制、多普勒模糊和距離模糊下的帶寬與距離高分辨率的矛盾問題，并且可對動目標的相關信息進行無模糊的恢復，檢測目標也更加精確；在線性FDA-SAR成像過程中，經(jīng)典的后向投影算法會產(chǎn)生圖像散焦和幾何畸變的問題，文獻[38]指出可通過全局相位補償和自適應聚焦的改進后向投影算法，實現(xiàn)對目標的精確成像定位。

2.4 抑制距離模糊雜波

機載雷達不同于地面常規(guī)雷達，脈沖重復頻率較高，使得接收的回波存在距離模糊的問題，這很多大程度上影響了機載雷達雜波的抑制性能。傳統(tǒng)的雜波補償方法一般針對的是正側(cè)視陣列，而在非正側(cè)視陣列體制下，抑制距離模糊雜波性能惡化嚴重[39-40]，這成為機載STAP雷達應用研究中的難題。FDA方向圖恰好具有距離依賴性，這使得其在非正側(cè)視陣列體制下也具有抑制距離模糊雜波的可能性。

首先開展的是關于FDA抑制距離模糊雜波可能性的研究。Antonik在文獻[41-42]中調(diào)查了FDA的具有距離依賴性的波束以及其對距離模糊雜波抑制的作用，并通過搭建硬件設施做了相關測試；Baizert等人在文獻[43-44]中指出，在機載雷達中使用FDA可抑制距離模糊的雜波，提高了地面慢動目標的檢測性能，與恒定頻率的相控陣相比，輸出信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)提高了40 dB。驗證了FDA抑制距離模糊雜波可行性后，就展開了更加深入的具體實現(xiàn)方法的研究。2013年，胡柏林等人深入研究了前視陣FDA雷達的空時雜波特性[45]，理論分析和仿真均表明：對于FDA雷達，相位距離的走動特性可在空域上分離開距離模糊雜波譜，抑制距離模糊雜波效果明顯；2015年，王偉偉針對預警機存在的距離模糊問題，提出基于FDA自適應抑制距離模糊雜波的方法[46]，該方法利用FDA距離維的自由度，將雜波在空間頻率域區(qū)分開，再進行雜波抑制和目標檢測，仿真效果不錯；西電的許京偉也是利用FDA距離維自由度，但其采用的是俯仰維頻率分集技術，在俯仰頻率域上可將不同距離的模糊區(qū)域雜波提取出來并分離，然后再通過俯仰空間頻率的補償和空時自適應濾波抑制雜波，最后對動目標進行檢測處理，解決了目標的距離模糊問題[10]。

3 面臨的關鍵問題

綜合目前的研究，F(xiàn)DA有2個關鍵問題需要解決：一是距離-角度波束解耦問題。目前解耦后的波束在距離維上副瓣很高，導致距離估計性能較差；二是最優(yōu)頻率間隔選取問題?，F(xiàn)有的最優(yōu)頻率間隔選取方法沒有考慮到信號先驗信息存在的偏差、后續(xù)信號檢測處理以及波束周期性帶來的多峰值問題，使得其在實際環(huán)境中并不適用。所以需要在考慮實際復雜環(huán)境的情況下，如何自適應選擇適當?shù)念l率增量，使得FDA雷達獲得最佳探測性能以及在保證較高目標增益和較低副瓣的前提下，解FDA距離-角度耦合實現(xiàn)對目標位置的估計與探測是FDA應用到實際雷達中的關鍵所在，下面對此加以分析。

3.1 距離-角度方向圖解耦

傳統(tǒng)FDA在水平陣元上引入了載頻差，形成的距離-角度耦合的多峰值波束很不利于FDA雷達提升運動目標的檢測性能。由此，在對FDA方向圖解耦方法上展開了一系列研究。為解決水平頻率分集陣列波束在方位和距離上耦合的問題，文獻[47]指出可在俯仰維上采用頻率分集陣列技術；文獻[48-49]分別提出可構造指數(shù)形式或?qū)ΨQ的對數(shù)形式的頻率增量；WANG Wen-qin等人研究了一種基于子陣FDA波束形成的方法[50]；Sammartino和Baker從理論上指出重新排列FDA輻射元件可實現(xiàn)角度-距離天線方向圖的解耦[51]；Khan等人提出了采用對數(shù)、平方和立方形式的非線性頻率增量去解距離-角度耦合的天線方向圖[17,19]；而文獻[52]則提出一種利用遺傳算法優(yōu)化頻率增量的方法，合成單點和多點狀透射的距離-角度解耦方向圖。

上述的解耦方法對于選取的頻率增量要求很高，給定載頻，要想形成較好的解耦方向圖，頻率增量可選取的范圍非常有限，并且解耦之后的波束副瓣抬高了很多，很大程度上降低了抑制干擾的能力，限制了FDA的應用?？紤]到上述所提方法普遍存在的不足之處，以第1種接收處理方式為例，采用仿真實驗結(jié)果較好的指數(shù)形式的頻率增量進行方向圖解耦，如圖5～9所示，參數(shù)設置如下：陣元數(shù)N=20，載頻f0=3 GHz，頻率增量Δf=3 kHz，陣元間距d=λ0/2，快拍數(shù)為2 000，目標位置：角度θ=30°，距離r=50 km，信噪比為5 dB，其余標出位置為干擾，干噪比為60 dB，切比雪夫加權為30 dB。

圖5 FDA自適應接收方向圖Fig.5 FDA adaptive reception pattern

圖6 FDA自適應解耦方向圖Fig.6 FDA adaptive decoupling pattern

圖7 目標角度處波束方向圖Fig.7 Pattern at the desired signal angle

圖8 目標角度處解耦波束方向圖Fig.8 Decoupled pattern at the desired signal angle

圖9 目標角度處加權解耦波束方向圖Fig.9 Weighted decoupled pattern at the desired signal angle

對比圖4,5可以發(fā)現(xiàn)，指數(shù)形式的頻率增量方向圖與常規(guī)自適應方向圖相比，雖然實現(xiàn)了解耦，但效果并不好，尤其是距離維上的主瓣較寬，精確度不高；對比圖6，7可以發(fā)現(xiàn)，解耦后的方向圖副瓣抬高了約10 dB，第1副瓣與主波束也只相差約7 dB，既不利于對副瓣干擾的抑制，也不利于目標的檢測提??；從圖8可以看出采用切比雪夫加權壓低副瓣的效果也不明顯，反而使得主波束增益下降約4 dB，主瓣展得更寬，距離維精確度更低。

對FDA距離-角度耦合波束解耦的主要目的是為了對目標位置進行估計，而這需要在目標位置處形成較大的增益，副瓣電平要足夠低且精確度要高，但現(xiàn)有的FDA波束解耦方法或多或少存在著副瓣抬高和精確度較低的問題，使得對目標的估計性能很差，限制了FDA的應用發(fā)展。如何采取有效的方法，在對FDA距離-角度相關波束解耦的同時，提高目標位置處增益，壓低副瓣電平，增強抑制干擾的性能，提高目標位置估計精確度，是FDA具體應用到實際雷達中的一個難題，需要更多的研究去解決這個問題。

3.2 最優(yōu)頻率間隔選取

FDA與相控陣最大的不同就是陣元之間存在發(fā)射頻率間隔，通常在現(xiàn)有的FDA技術中假設的頻率增量是線性增加的。然而，這可能不是FDA應用的最佳解決方案。為了消除時間周期變化，Khan等人指出可依據(jù)時間變化，自適應選擇頻率間隔[53]；文獻[54]提出了以輸出SINR最大為準則的FDA最優(yōu)頻率間隔選取的方法；此外，文獻[55]通過使CRLB最小化，指出可采用頻率不同的子陣列，然后再求取最佳頻率增量的方法；Basit提出一種基于FDA的認知頻率增量計算方法去自適應控制波束指向目標所在位置[56]；另外，Gao等人在文獻[57-58]中分析了FDA雷達和FDA-MIMO雷達頻率增量誤差在波束形成和估計目標位置的影響，這使得選擇FDA最優(yōu)頻率增量要求更加嚴格，也更加具有挑戰(zhàn)性。

考慮現(xiàn)有自適應選取最優(yōu)頻率間隔的方法，以第3種接收處理方式為例，采用斜投影情況下的最大輸出信干噪比準則自適應選取最優(yōu)頻率間隔的方法，如圖10～12所示，設置參數(shù)如下：陣元數(shù)N=8，載頻f0=10 GHz，陣元間距d=λ0/2，快拍數(shù)為2 000，目標位置：角度θ=30°，距離r=50 km。信噪比為5 dB，其余標出位置為干擾，干噪比為60 dB，頻率增量可選取范圍為fp=0∶0.2 kHz∶20 kHz，自適應選取最優(yōu)頻率間隔為16.4 kHz，仿真圖12時，其他參數(shù)設置不變，改變輸入SNR=0∶1 dB∶10 dB。

圖10 最優(yōu)頻率間隔自適應方向圖Fig.10 Optimal frequency interval adaptive pattern

圖11 目標角度處最優(yōu)頻率間隔自適應方向圖Fig.11 Optimal frequency interval adaptive pattern at the desired signal angle

圖12 輸出SINR隨輸入SNR變化圖Fig.12 Output SINR varies with input SNR

仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然自適應選取了最優(yōu)頻率間隔，使得輸出信干噪比最大，但其波束方向圖并沒有克服傳統(tǒng)FDA方向圖帶來的多峰值和柵瓣問題，并且如果干擾落在峰值上，勢必會造成虛警，極大地影響了目標的探測與識別；不僅如此，在運用斜投影算法進行自適應選取最優(yōu)頻率間隔前，需要知道期望信號和所有干擾的方位及位置等先驗信息，若缺少一個，則選取出來的最優(yōu)頻率間隔在該環(huán)境下就不是最優(yōu)的。這些都限制了現(xiàn)有的自適應選取最優(yōu)頻率間隔方法在實際雷達中的應用。

頻率間隔的選取直接決定著FDA陣列的性能，目前的研究都是對簡單環(huán)境下選擇頻率間隔的理論研究。在克服傳統(tǒng)FDA帶來的柵瓣問題的前提下，不需先驗信息，怎樣在復雜環(huán)境以及存在誤差條件下自適應選取最優(yōu)頻率間隔是目前研究的重點和難點。不僅如此，在實際雷達中，即使可以隨著復雜環(huán)境自適應選取最優(yōu)頻率間隔，但該頻率間隔并不是固定值。如何保證在發(fā)射不同脈沖時采用的是不同的最優(yōu)頻率間隔的情況下，快速有效地處理接收信號，實現(xiàn)對目標的跟蹤檢測與識別又是另一個難題。這都是將FDA陣列應用到實際雷達中的關鍵問題所在，需要更深入地研究并克服這些困難。

4 應用前景

FDA最顯著的特征就是其波束具有距離依賴性，可以將發(fā)射波束指向特定的角度和距離上，這種特點使得FDA比傳統(tǒng)相控陣體制更具優(yōu)勢，也必將推動新體制雷達的發(fā)展。

(1) 認知FDA雷達。認知雷達的本質(zhì)是一種不斷根據(jù)環(huán)境變化自適應調(diào)整來適應環(huán)境以達到性能最優(yōu)的雷達系統(tǒng)[59]。FDA雷達也與其他雷達一樣自然而然地往認知雷達方向不斷發(fā)展。由于FDA波束方向圖與頻率增量有關，F(xiàn)DA認知雷達可根據(jù)環(huán)境，閉環(huán)方式迭代地調(diào)整頻率增量來控制傳輸能量在空間的分布，使得信號輸出SINR最大。這主要依靠接收機到發(fā)射機的反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)，而這種反饋系統(tǒng)是認知雷達的關鍵特征，也是研究難點所在；上述關于FDA頻率增量的選擇方式并不一定是最優(yōu)的，需要與其他的選擇方式如最小噪聲方差、最大似然比等加以對比研究；認知FDA雷達的其他參數(shù)設置也應根據(jù)復雜環(huán)境自適應選取最優(yōu)值，如面對壓制干擾時可自動跳頻來躲避干擾等，這些都是未來關于FDA認知雷達研究的重點內(nèi)容之一。

(2) 低截獲概率(low probability of intercept,LPI)FDA雷達?，F(xiàn)有的LPI雷達研究都是以相控陣為研究對象，要求發(fā)射波束窄、旁瓣低，但其波束指向與距離無關，在主波束的方位上仍容易被偵測。而FDA波束與距離和角度均有關，使得其視在掃描角度與物理掃描角度并不相等，信號被截獲的概率大大降低，可應用于LPI雷達。類似于文獻[60]提出相位編碼的相控陣LPI雷達波束形成方法，可對FDA的頻率增量進行編碼，使得發(fā)射信號的功率盡可能在整個空間內(nèi)成均勻分布，形成低增益波束，然后在接收端進行相位解碼，并進行接收波束形成處理，將在整個掃描周期內(nèi)保持相干的目標信號合成等效的高增益波形圖。FDA的參數(shù)配置和復合加權對低截獲概率FDA雷達的發(fā)射波束抗截獲性能、接收合成波束和抗干擾性能有著直接影響，需要進一步深入研究。

5 結(jié)束語

本文介紹了FDA的基本原理、波束形成和其接收處理機制；歸納了FDA在目標位置估計、與MIMO雷達相結(jié)合運用、在SAR成像中應用以及距離模糊雜波抑制等4個方面的主要研究進展；并分析了FDA雷達面臨的距離-角度方向圖解耦和最優(yōu)頻率間隔選取等2個方面亟需解決的關鍵技術問題。現(xiàn)有研究表明，F(xiàn)DA陣列具有優(yōu)于傳統(tǒng)相控陣的潛在優(yōu)勢，相信對其進行更持續(xù)深入的研究必將推動新體制雷達的發(fā)展。