有源相控阵雷达的发展前景

频率分集阵列（FDA）由Antonik等在2006年IEEE雷达国际会议上首次提出，其独特的阵列特性为传统电扫描体制性能局限的突破提供了新的思路，一经提出就得到了国内外雷达学者的广泛关注。

本文系统梳理了FDA雷达的发展历程及当前重点技术的现状，为后续FDA领域内从当前阵列特性理论研究为主向结合实装测试研究的转变奠定了基础。

频率分集阵列（frequency diverse array，FDA）通过在阵元间引入固定频差，在无需移相器的情况下可形成距离-角度相关的时变波束指向。

FDA雷达通过在阵元间引入频差的方式实现了更高自由度的波束控制。

基本FDA的阵列结构

FDA雷达研究现状分析

FDA概念提出之后的一段时间内，研究基本集中在FDA结构、波束方向图基本特性分析以及FDA发射接收机结构设计等。

随着对FDA结构及方向图特性分析的逐渐深入，陆续有文献指出频率分集阵列发射波束会出现距离和方位角响应的耦合，无法利用其无模糊地实现目标距离和方位的二维联合估计问题。

因而在较长的一段时间内，如何实现FDA方向图距离-角度耦合的消除、波束能量的空间精确控制成为研究热点。

改进频率分集阵列“S形”波束图性能的问题，主要有2种思路：一种着眼于频控函数设计，另一种主要着眼于阵列结构设计。

FDA发射方向

在非线性频控函数设计方面，Khan等实现了干扰抑制、输出信干噪比改善以及雷达探测性能的增强；Gao等消除了方向图中的距离-角度耦合；Wang等设计的非线性多载频调制系统可在减小主瓣波束宽度的同时有效地抑制旁瓣峰值；Basit等及Liao等分别实现了波束图在远场目标点处的单极值；Shao等设计了一种自适应频偏选择方案；项喆等在干扰背景下计算出最优频偏增量；Xiong等解算出最优频偏增量取值；Wang等消除了波束图中固有的距离-角度耦合；Wang等将发射能量集中在期望的目标位置。

阵列结构设计通过将均匀线性FDA划分为多个使用相同或不同频控函数的子阵实现波束图的叠加，实现在增强目标点增益的同时消除其他极值点。

Wang等将FDA划分为采用不同频控函数且左右相邻的等阵元数子阵；Xu等提出具有不同频偏增量的多个非重叠子阵列FDA结构，并且这些具有非零频移的子阵列成对存在；Sammartino等提出了一种双基地FDA雷达结构，获得了波束图的距离-角度解耦；Wang等提出2种不同脉冲的FDA雷达结构，可直接从波束成形输出峰值中估算目标的方位角和视距距离；Wang等通过提出的非线性FDA发射阵列和均匀相控阵接收阵列组成的雷达系统实现了目标定位。

上述2种思路单独得到的距离-角度解耦的FDA波束图中峰值仍然是周期性的，多重模糊估计结果不可避免地会严重限制雷达目标定位的性能。

Xu等通过多输入多输出（MIMO）体制和FDA的结合实现了目标的无模糊定位；Turhaner等提出了一种可有效降低计算量的单脉冲方法；Wang等组成的定位系统在发射、接收波束图中都实现了距离-角度解耦，同时可实现低计算量、高精度的目标距离和角度信息的联合估计；Khan等将频控函数设计和阵列结构设计结合起来，消除了FDA波束图固有的周期性，在目标可能存在的空间中形成单极值；Wang等有效地实现波束的精确控制，且适用于二维面阵FDA。

电子反对抗（electronic counter-counter measure，ECCM）的主要目的是抑制干扰信号并保证我方有效地使用电磁信息。

FDA雷达可以通过改变载波频率和频率增量以离散方式扫描空间中的每个点，提供了极大的ECCM应用潜力。

针对主瓣欺骗干扰降低目标的估计精度和跟踪精度，带来巨大资源消耗和严峻威胁的问题。

Lan等提出了基于FDA-MIMO发射非正交波形的主瓣距离欺骗干扰抑制方法；Xu等利用FDA-MIMO结构发射-接收空间角频率的相对关系进行主瓣欺骗干扰鉴别；Li等在FDA-MIMO结构的基础上提出的双脉冲探测体制可以保证较高的假目标抑制率；Xu等建立了以FDA为发射阵列的MIMO雷达空时自适应处理结构，可将目标与杂波和干扰进行区分，抑制虚假目标。

针对抑制与目标位置接近的支援式干扰，Wang等通过稳健波束形成优化算法修正低快拍下的协方差矩阵，实现了对阵列方向图主瓣的有效纠偏和保形。

针对目标导向矢量失配时欺骗干扰抑制性能降低的问题，Li等提出的基于FDA-MIMO雷达协方差矩阵重构的鲁棒性欺骗干扰抑制方法，显著提高了欺骗干扰抑制性能；Xu等建立了以FDA为发射阵列的空时自适应处理（FDA-STAP）雷达新框架，可有效抑制距离模糊的杂波；Wu等提出了基于FDA抑制高超音速飞行器前视雷达杂波的方法。

基于FDA干扰机的辐射信号经目标雷达接收后，可以在敌方雷达对干扰机定位过程中实现干扰，保护干扰机的安全，有效遂行掩护任务。

在电子对抗（ECM）中，干扰机需要生成精确的干扰信号，以便误导敌方雷达。基于FDA形成虚拟辐射源从而实现对敌方探测雷达的探测干扰，是实现射频隐身的重要方法。

胡祺勇等分析了FDA对振幅法测向实现干扰的可能性；葛佳昂等仿真验证了FDA各阵元间存在的相位差对处于远场的干涉仪具有角度欺骗效果；王博等分析了FDA对测向交叉定位系统和相邻天线比幅单脉冲测向系统定位的精度影响；Ge等建立了固定时刻的频偏增量调节优化模型，实现基于FDA雷达相位中心的认知有源抗干扰方法。

FDA各阵元间存在的频差使其在雷达干扰领域具有独特的特性和优势。

Zhu等在2018年首次提到关于FDA干扰的研究；明靖鸥提出了基于频控阵可对脉冲多普勒雷达产生距离-速度维多假目标的干扰方法；电子科技大学科研团队研制的FDA干扰设备，信号源的实施方案及其实现系统框图填补了国内关于FDA实施干扰试验的空白；Huang等提出了利用FDA雷达对星载合成孔径雷达进行散射波欺骗干扰的方法；Wang等利用FDA天线对高分辨率侧视合成孔径雷达成像进行多场景欺骗干扰；Huang等仿真验证了FDA对双基地SAR具有良好的欺骗干扰效果；Zong等提出了一种基于FDA的微动干扰方法。

FDA雷达的目标参数估计研究，Khan等提出了FDAMIMO雷达结构以改善雷达的距离-角度定位性能；Sen提出了峰均功率比约束的帕累托最优波形设计方法。

FDA与其他体制结合的研究，较早开始并得到较为广泛研究的是FDA与MIMO体制的结合，Wang将FDA结构与MIMO雷达相结合，得到了距离相关的波束指向；Xu等提出的垂直频率分集阵列，在垂直方向上引入步进频率以规避STAP雷达中的距离模糊问题。

面阵、环阵等阵元布阵形式的FDA结构研究，Yao等设计出可有效实现远场无线能量传输的二维FDA面阵（WPT-FDA）结构；Saeed等对均匀对称环形FDA的结构特性展开分析，得到了更优的峰值旁瓣比。

FDA在其他具体应用中的研究包括，Cetintepe等提出了FDA多径特性分析的理论框架；Baizert等分析了FDA在前视雷达地面运动目标指示中的应用；Farooq等研究了FDA在合成孔径雷达成像中的应用；Wang提出了用于高分辨率成像的空时编码MIMO正交频分复用SAR结构方案；Hu等设计出基于随机FDA的人工噪声定向调制（RFDA-DM-AN）方案；Wang提出的认知FDA雷达通过根据环境自适应地改变频率增量的闭环控制算法，获得了更好的阵列性能；Saeed等提出了自适应的方向图调零技术；Huang等提出了将频率分集阵列和正交频分复用波形用于集成导航、探测和通信的方法。

亟待解决的关键技术难点

现有关于FDA波束图距离-角度解耦的研究中，大多没有考虑FDA波束图的时变特性以及电磁波在空间传播过程中的时延问题，得到的是未考虑信号发射接收实际过程的静态波束图。

对基本的一维均匀线性FDA雷达，在脉冲周期内，其波束空间扫描的过程中只在极短的时间内照射目标，使得目标点反射回雷达接收机的能量不足，雷达的目标探测性能较差。

目前的研究热点聚焦在脉冲周期内波束指向的非时变控制方面。

目前国内外在静态波束图的假设上分析FDA波束空间控制的文献虽已解决了由于FDA波束图距离、角度周期性而造成的SINR损失，但仍然没有解决因FDA波束图时变特性而导致的SINR损失问题。

由于FDA波束图的周期性，国内外学者致力于寻找一种能将发射能量集中在期望位置并持续一段时间的时不变点状波束图，而这一技术是FDA雷达在后续实现预警探测、目标识别等一系列工程实际应用之前，需要彻底解决的问题。

在未来实现FDA非时变点状波束指向控制的基础上，如何利用FDA雷达实现干扰对抗和雷达干扰施放或将成为推动FDA实用化发展的重要研究领域。

王博等、Wang等推导了FDA的模糊函数，验证了线性调频、相干脉冲串以及相位编码信号这几种典型的雷达信号对全波段相干处理FDA雷达结构的适应性，没有基于此进一步深入开展FDA发射波形设计以实现干扰抑制、测向定位欺骗等的研究。

现有关于FDA在电子战领域的研究文献中，缺乏系统基于FDA结构分析、发射波形设计和频控函数设计的综合考虑。

国内外关于FDA从最开始的阵列基本特性研究到后来关于FDA在目标定位、安全通信等领域的具体化应用，都是在理论层面所作的分析研究。

要真正实现FDA雷达在现实装备中对相控阵雷达的全面替代，如何实现FDA雷达的工程设计是一切问题的前提。

总体而言，目前FDA雷达尚处于概念系统设计阶段，亟待开展FDA雷达原理样机研制与关键技术试验验证方面的深入研究。

结论

FDA雷达在基于解耦的非时变波束控制、电子战技术以及雷达实用化研究方面亟待解决的关键技术难点包括：获取仅聚焦于某些特定空间位置且持续一定时间的非时变解耦波束图，基于FDA结构分析、发射波形设计和频控函数设计综合考虑FDA在电子对抗、电子反对抗领域应用等方面。

后续关于FDA雷达的研究中应当更重视实物仿真平台的搭建与实验，从而推动FDA雷达研究从概念系统设计领域向实际装备中的应用发展转变。

本文作者：王博，陈楚舒，郭亚军，刘乃箔，许泽华

作者简介：王博，***95972部队、空军工程大学防空反导学院，博士，研究方向为频率分集阵列雷达干扰抑制方法

论文全文发表于《科技导报》2021年第9期，原标题《频率分集阵列雷达研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。