频率捷变雷达波形对抗技术现状与展望

全英汇, 方 文, 沙明辉, 陈侠达, 阮 锋, 李兴华,孟 飞, 吴耀君, 邢孟道

(1.西安电子科技大学电子工程学院, 陕西 西安 710071; 2.北京无线电测量研究所, 北京 100854;3.西安电子工程研究所, 陕西 西安 710100; 4.北京电子工程总体研究所, 北京 100039;5.西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室, 陕西 西安 710071)

0 引 言

随着电子攻防对抗技术的快速发展,电子战已经成为现代战争中的新战场。电子干扰往往被技术发达国家用作必备的进攻或防御手段,能形成对被干扰方的严重威胁,极大地削弱了被干扰方的探测打击能力。特别是基于数字射频存储技术的干扰机能快速截获雷达发射信号,根据提取的载频、重频、波达方向等雷达技术参数,产生灵活多变的干扰信号,对雷达实施精准干扰,严重制约了雷达的战场生存能力。经过多年技术的发展,雷达装备的抗干扰能力有了很大的提升。对于旁瓣干扰的抑制,专家学者已经提出许多行之有效的干扰对抗方法,如自适应广义旁瓣相消、超低旁瓣设计及方向图综合技术等。但对于主瓣干扰的抑制,目前雷达的对抗效果并不理想[1]。因此,开展雷达抗主瓣压制/欺骗干扰新技术研究,以提高雷达的低截获能力和生存能力具有重要意义。

频域作为重要的信号特征域,是雷达波形设计的重要出发点,也是干扰对抗的一个重要落脚点。通过频域复杂调制可以有效提升雷达探测性能和抗干扰能力[2]。现代雷达信号的波形设计、雷达回波的信号处理、电子设备的电磁兼容以及频谱分配、雷达分辨能力的提升、雷达干扰信号的调制等均无一例外的和信号的频域息息相关,因而频率捷变是现有雷达设计理论体系下行之有效的抗干扰技术手段之一。因频率在宽频带内快速跳变,频率捷变雷达降低了被侦察机识别的概率,并可以对抗压制式和转发式干扰。虽然宽带阻塞式干扰能有效干扰频率捷变雷达,但是干扰功率谱密度却大大降低。因此,频率捷变雷达具有良好的主动波形对抗优势。

自20世纪60年代以来,美国、日本、俄罗斯、欧洲等国家相继开展了频率捷变技术方面的研究。最初的频率捷变雷达采用非相参雷达体制,这一时期对捷变频雷达测距[3]、海杂波特性[4]、目标探测性能[5]、角闪烁特性[6]等基础特征展开了相应研究。1995年, Wehner通过引入匹配滤波理论,提出了一种扩展的Stretch方法,解决了传统快速傅里叶变换的多普勒处理方法与频率捷变雷达回波不兼容的问题,实现了频率捷变雷达的相参积累[7],全相参捷变频雷达开始出现在人们的视线中。文献[8]结合了频率捷变方法和稀疏重建技术,在压缩感知框架下对多个频率进行匹配滤波,生成高分辨率距离多普勒图。

近几年,全相参捷变频雷达成为研究热点之一,得到了广泛应用。目前,国外主流的数字阵列雷达(如新型的AN/MPQ-63防空预警雷达、AN/SPY-1D反导雷达以及AN/APG-77/79机载雷达等)均采用了波形和频率随机捷变体制,发射波形通过软件形成,可多达上万个,捷变频采用脉间大带宽跳变方式,速率极快,难以被干扰机追踪,具有良好的低截获和抗干扰能力。

与国外的研究相比,国内相关频率捷变雷达技术研究起步较晚,但发展迅速、势头强劲。清华大学的刘一民发表了一系列文章讨论了几种频率捷变雷达目标的速度和距离估计方法,并研究了载波频率的设计准则,提出了自适应频率捷变机制,以进一步提高频率捷变雷达的高分辨成像能力与抗干扰能力[9-11]。黄天耀利用观测场景的稀疏性,采用压缩感知算法重建场景,还提出了自适应匹配追踪算法来解决压缩感知算法中的模型失配问题[12]。张晨路等人探讨了频率捷变雷达接收机的系统实现,并针对该体制在杂波抑制上的难题,提出一种基于最优输出信杂比的杂波滤波器的设计方法,对回波信号进行杂波抑制以实现动目标处理[13]。同时他们还研制了相参捷变频雷达原理样机,工作在X波段(9～10 GHz),共64个跳频频点,每个频点间隔16 MHz,总合成带宽为1 GHz。西安电子科技大学的全英汇教授研究了高频雷达随机跳频信号的距离-多普勒二维高分辨处理。结合频率监测系统,构建距离-速度二维冗余时频字典矩阵,利用稀疏信号处理技术实现目标二维高分辨成像[14]。在弹载雷达末制导应用中,陈超和胡仕友等人将雷达的频率捷变技术与相参技术相结合,分析了在频率捷变条件下,运动目标回波相位的变化规律,并在此基础上提出了利用相位补偿原理来进行有效相参积累的方法[15]。然而,由于受到研究数据及算法稳健性等影响,频率捷变雷达信号处理技术发展相对缓慢,特别是在复杂杂波背景、强密集干扰环境下对低雷达散射截面积(radar cross section,RCS)目标的识别与探测信号处理方面,需要进一步深入地研究和探讨。

1 频率捷变雷达的基本概念和特点

频率捷变雷达指各发射脉冲载频频率在宽带范围内,按某种规律快速变化的一种脉冲体制雷达。频率捷变雷达按照频率捷变方式可分为脉内捷变频、脉间捷变频和脉组间捷变频3种方式,本文主要研究脉间频率捷变雷达。得益于相参频率综合技术的发展,现代频率捷变雷达一般采用全相参脉冲体制,其频率综合器能够确保雷达载频在宽频带范围内快速跳变,同时实现各个脉冲的相位相参,以确保后续的目标能够得到有效的相参合成。其捷变频信号模型可以表示为

(1)

fm=fc+a(m)Δf,m=1,2,…,M

(2)

式中:M为脉冲积累数;a(m)为随机整数,被称为第m个脉冲的频率调制码字,取值范围0≤a(m)≤N-1;N为总的跳频数,且满足N>M;Δf表示相邻载频之间的频率间隔,为了提高不同脉冲信号之间的正交性,使得

Δf=k/Tp

(3)

式中:k为正整数。频率捷变雷达一般采用线性调频(linear frequency modulated,LFM),复包络:

(4)

频率捷变雷达体制主要有以下几个方面的优点。

(1)抗干扰能力强。现今的频率捷变雷达可以实现大带宽跳频,完全随机捷变,这样雷达就掌握了信号频谱上的主动权。首先,频率捷变技术增加了干扰机的侦察干扰成本,使得侦察机难以准确截获、分辨、识别雷达辐射源,同时载频大范围跳变可以有效降低干扰功率密度;其次,载频快速捷变使得干扰机接收到雷达发射信号脉冲之后才能进行测频及调制转发干扰。这样,雷达可以有效避免跨脉冲重复周期干扰和部分前拖干扰,甚至能由此计算出干扰机的真实距离[16]。

(2)提高雷达的探测成像性能。在雷达系统探测低空目标时,多径效应导致接收的回波信号是由在强杂波背景下目标直接反射路径与在波束宽度范围内的反射路径的信号叠加组成的,使角误差明显增大,降低了目标跟踪精度。如果相邻发射脉冲的载频频率变化很大,可以有效地去除相邻回波脉冲间的相关性,减缓多径效应带来的负面影响[17]。在逆合成孔径雷达中,捷变频技术能防止成像结果发生堆叠[12, 18]。

(3)提高跟踪精度。角闪烁效应会严重影响目标跟踪性能,在雷达跟踪系统中必须有效抑制角闪烁。脉间频率捷变能够有效去除相邻回波脉冲间的相关性,人为地改变目标不同部位回波的相对相位关系,以达到抑制角闪烁现象的效果,因而可以大大减小角闪烁所引起的角度跟踪误差。而这种误差是单脉冲雷达对近距离和中距离目标跟踪误差的主要来源[19]。采用频率捷变技术后,对于飞机目标回波,在2～4 Hz以上的闪动误差显著地减小[20];对于船舰一类的大型目标,可以将跟踪误差减小为原来的1/2～1/4。

(4)距离高分辨和多普勒高分辨。对于经过频率序列优化的频率捷变雷达信号,其具有图钉状的模糊函数,这就意味着频率捷变雷达可以同时为速度和距离测量提供高分辨的能力,不存在距离多普勒耦合现象,这是传统的LFM雷达和频率步进(stepped frequency, SF)雷达所不具备的。因此,频率捷变雷达可以采用一种信号体制实现多普勒测速、高分辨成像等多种功能。

(5)抑制海浪杂波。海浪杂波特性会受到海况、雷达的载频、极化等因素的影响。频率捷变体制可以降低相同距离分辨单元内海浪杂波的时间相关性。去相关后的海浪杂波与海面目标在统计特性上有一定的差异,也会增加相参积累时等效独立采样脉冲数。可见,频率捷变技术有助于改善雷达系统的信杂比,提高雷达系统海杂波背景下的目标检测能力。

频率捷变雷达在实际应用上主要存在两个缺点。

(1)目标RCS快速起伏。雷达截面积对频率和观测视角是十分敏感的,频率的变化也会引起有效反射面积的极大变化。由于复杂目标是由许多大小形状有极大差别的小射体所组成的,而雷达天线所接收到的回波是这些散射体反射回波的矢量和[21]。当雷达发射的频率变化时,由传播途径差而引起的相位差也随之不同,因而各散射体所反射电波的矢量和也就随着变化。当雷达工作于频率捷变体制下时,由于每个脉冲的载频都是不同的,因而每个回波的幅度将会有很大的变化,会对雷达系统的目标检测带来不小的影响。

(2)相参合成困难。不同于传统的固定载频脉冲多普勒(pulse Doppler,PD)雷达,由于捷变频雷达所采用的脉间载频跳变的原因,雷达回波信号在慢时间域等间隔采样,导致脉间相位的非线性跳变,因而适用于固定参数PD雷达的快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)手段无法完成信号的相参积累,采用二维匹配滤波方法则会导致旁瓣抬高。同时,图钉状的模糊函数也使捷变频雷达信号成为“多普勒敏感”信号,回波中的多普勒频偏以及系统相位噪声都会导致匹配滤波器产生多普勒失配现象,将导致滤波器性能迅速下降[22]。

2 频率捷变雷达信号处理研究现状

假设观测场景中存在一个动目标,在t=0时刻目标的径向距离和速度分别为r0和v0,则经过下混频得到的基带信号可以表示为

(5)

图1 3种频率捷变雷达信号频率跳变方式示意图

1968年,Ruttenburg将频率步进引入雷达系统,提出了频率步进雷达的概念。频率步进雷达发射脉间频率均匀步进的脉冲信号,相比于固定载频PD雷达,该体制能够以较小的硬件代价换取合成带宽,从而提高雷达的距离分辨率,同时也提高了雷达系统的抗干扰能力。频率步进雷达发射的信号脉间载频频率均匀步进,可以通过简单的逆FFT(inverse FFT,IFFT)运算实现相参积累。同时针对目标的径向运动会造成距离像的移动、波形发散的问题,文献[23-24]讨论了频率步进雷达运动目标的信号处理方法。步进频率雷达虽然可以通过高可靠性的硬件实现来获得优异的雷达探测结果,但是其顺序步进的雷达脉冲发射序列极易被电子战设备侦获并施加干扰,因此随机步进频率RSF雷达应运而生。该雷达体制将顺序步进频的连续频点打乱发送,以提高雷达的抗干扰能力,同时可以降低系统瞬时带宽和数据采样率。文献[25]研究了随机频率步进信号的相关输出及模糊函数的统计特性。文献[7]介绍了随机频率步进信号的相参处理方法,将接收回波按照频率重组之后通过stretch拓展算法合成高分辨像。文献[26]针对RSF波形,提出了一种同时提取多目标距离和多普勒信息的方法。为了验证随机步进频率信号合成距离高分辨,设置随机频率步进信号及目标参数如表1所示,图2为RSF信号相参处理结果,可见通过脉冲间的相参合成处理获得了高距离分辨率,但是脉冲间频率随机跳变也导致了旁瓣的抬高。针对RSF信号的随机性会抬高合成高分辨距离像的底噪,容易造成微弱目标漏检这个问题,专家学者相继提出采用Costas码、双曲线频率序列、伪随机码[27]等随机编码序列,通过跳频编码的设计抑制匹配滤波后的旁瓣,以提升频率捷变雷达的相参积累性能。文献[28]则通过设计失配滤波器实现距离旁瓣的抑制。

图2 RSF信号相参处理结果

表1 RSF信号及目标参数

无论是顺序步进频率还是随机步进频率,都存在一个问题:一旦某一个频段被干扰覆盖,接收的回波中总是存在干扰信号,则雷达的处理性能将大大降低。因此,有学者提出在随机步进频率的基础上进行频率抽取,只发射部分频率的脉冲信号,这样就能及时避开干扰能量强的频段,进一步提高雷达系统的抗干扰性能。相对于传统固定参数PD雷达以及步进频雷达,这种脉间随机频率捷变雷达(frequency agility radar,FAR)的慢时间相位呈现出更强的非连续特征,其模糊函数呈现为图钉形状,可以实现时间-多普勒解耦合。但是FAR信号的随机性使得其模糊函数中出现强度随机起伏的旁瓣平台,这意味着,不同参数的目标之间可能会相互影响,从而影响目标场景的重建性能,传统基于匹配滤波思想的相参处理方法将不再适用于FAR。

为了减轻频率捷变雷达信号的随机起伏旁瓣平台带来的影响,实现FAR信号的相参处理,现有常用方法主要包括:① 先对目标初始距离进行参数估计,并对回波信号进行距离相位补偿,然后进行目标多普勒估计。文献[15]针对反舰导弹高速运动平台,将频率捷变与重频抖动结合,通过参差脉冲重复间隔法来消除回波中的二次相位项,通过基于最大积累幅度准则的补偿法来估计目标距离信息,最后通过FFT实现目标多普勒像的获取。类似地,文献[29]使用最小波形熵准则作为代价函数进行相参积累。然而,就目前的硬件水平来看,大跳频带宽或者长时间相参积累会使得算法的计算量提高,增加工程化应用难度[15]。② 先对目标速度进行参数估计,并对回波信号进行速度相位补偿,然后进行目标距离像合成。文献[30]采用这种方法,提出了一种新的基于非均匀FFT(nonuniform FFT,NUFFT)的多普勒处理方法进行消除速度项相位的影响,针对频谱不连续波形存在高距离旁瓣或光栅旁瓣的问题,提出了一种新的合成高分辨距离方法,同时采用凸优化方法以抑制参数失配下的高旁瓣问题。文献[31]针对高速目标检测问题,提出了一种相干积分方法。该方法先采用keystone变换进行距离偏移校正,利用radon变换对多普勒频率模糊度进行补偿,并通过chirp-z变换对回波进行相干积分,最后通过逆傅里叶变换进行相参积累。与方法一类似,该类方法的难点同样在于目标速度参数估计的计算量较大,难以实际工程应用。③ 同时实现速度-距离二维参数估计。文献[32]中针对高速运动目标的长时间相参积累问题,提出FA-CRT方法得到目标距离-速度二维像,并针对宽带模型进行了相应的改进。以上方法虽然可以完成相参积累难题,但是却存在分辨力不足、参数估计精度不高、频率跳变序列约束等短板。

2006年压缩感知(compressed sensing,CS)理论被提出,在稀疏约束的条件下,构造与目标参数信息相关的字典矩阵,可以对目标的参数进行估计[33-34]。对于典型的稀疏目标场景、比如对空目标探测、海面大型舰艇探测等场景非常适用于CS参数重构框架。在稀疏场景下,稀疏重构方法同时适用于步进频率雷达、RSF雷达和脉间随机频率捷变雷达,可以有效降低整个合成高分辨像的旁瓣,是目前雷达领域的热点研究课题。文献[35]讨论了将CS方法应用FAR进行相参合成的一些关键问题,并给出了FAR使用压缩感知方法进行稀疏重构的充分条件。文献[36]系统阐述了频率捷变波形在距离分辨率和频谱利用率方面的优势。文献[37]提出基于自适应CS的RSF雷达距离-速度联合估计算法,相比传统的相参合成算法,在距离像分析中具有较高的分辨率。文献[38]提出了一种基于CS的稀疏优化方法,用于随机频率跳频和PRI抖动脉冲的高分辨率距离-多普勒像重构。文献[39]提出了一种基于加权粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)的CS方法实现FAR距离速度联合估计方法。该算法基于泰勒展开法自适应地实时更新字典矩阵,解决了CS中存在的网格失配问题,并在CS迭代求解时结合了加权PSO动态优化方法,克服了传统CS容易陷入局部极小值的问题,提高了算法的收敛速度。文献[40]讨论了贝叶斯框架下,捷变频雷达信号的CS稀疏信号重构方法。

为验证基于稀疏重构的捷变频雷达相参积累方法的有效性,课题组开展了脉间FAR观测空中大疆精灵3无人机实验。实验中使用的频率捷变雷达参数如表2所示。图3为脉间观测空中无人机所录实测数据的相参积累结果。图3(a)和图3(b)分别为脉冲压缩结果与稀疏成像结果。图3(c)和图3(d)为分别采用基于CS的稀疏成像方法与直接进行速度-距离二维参数估计的成像方法得到的目标所在粗分辨单元的高分辨成像结果与直接进行速度-距离二维参数估计的成像方法相比,基于CS的稀疏成像方法大幅降低了旁瓣功率,大大提高了雷达系统的目标检测性能。

图3 FAR实测数据相参积累结果

表2 无人机实验中FAR参数

然而,在强杂波或强干扰的情况下,直接基于CS的稀疏重构方法重构精度和成功率将大大降低。为此,文献[41]提出了一种欺骗式干扰抑制算法,该方法通过Hough变换和峰值提取实现干扰的识别与抑制,采用CS实现高分辨率距离-多普勒像重构,提高了强干扰下FAR的目标检测能力,文献[42]则提出利用数学形态学和大津算法实现捷变频体制下的干扰抑制。

为验证FAR抗干扰性能,课题组与国内研究所联合开展了不同的雷达外场对抗实验。在外场对抗实验1中,某研究所通过某雷达改造,完成了捷变波形的产生、接收与处理,实现了捷变波形的工程化应用。图4为在双干扰机下跟飞对抗试验中,采用常规脉冲串波形与捷变波形下雷达处理结果。试验中,在两个干扰机均释放窄带瞄频间断噪声干扰,干噪比约50 dB。从图4中可以看出,常规脉冲串波形由于受干扰严重,经过干扰抑制和相参积累后,无法检测到目标;使用捷变波形后,由于干扰占空比下降,采用干扰抑制与相参积累技术后,可以检测到目标,有效提升了系统的干扰对抗能力。

图4 波形处理结果

在雷达外场对抗实验2中,干扰机位于海面目标船舶上,干扰远处雷达;雷达分别工作在PD体制和捷变频体制,探测目标。实验中所用FAR参数如表3所示。

表3 外场对抗实验2中FAR参数

图5为雷达外场对抗实验2数据处理结果,图5(a)和图5(b)分别为PD雷达脉冲压缩结果与MTD结果。PD雷达被严重干扰,无法正确检测目标。图5(c)和图5(d)为FAR脉冲压缩结果与其俯视图。与PD雷达脉压结果相比,FAR回波信号中,干扰数量明显减少,干扰信号强度也明显降低。图5(e)为未抑制干扰得到的二维高分辨稀疏重构结果,可以看到干扰信号破坏了回波的部分相位信息,导致重构结果中旁瓣抬高,不利于检测目标。图5(f)为采用抗干扰算法得到的稀疏重构结果,可以看到采用一定的抗干扰算法能进一步提高频率捷变雷达的电子对抗能力。从捷变频雷达外场对抗实验1、实验2的处理结果可知,FAR通过脉间载频捷变增加了干扰机侦收截获雷达波形的难度,进而有效降低回波信号中干扰的数量及功率密度,提升了雷达抗干扰能力。此外频率捷变也使得雷达在电子对抗中由传统的被动抗干扰转为主动的波形对抗,可见FAR不仅具有良好的抗干扰能力,同时也具有独特的主动波形对抗优势。

图5 捷变频信号实测数据抗干扰成像结果

针对FAR,基于多普勒的杂波处理方法将失效,因此杂波抑制也是一个难题。文献[13]针对相参FAR中的杂波抑制问题,提出了一种基于最大化输出信杂比的杂波滤波器的原理和实现。文献[22]利用杂波频谱的先验知识,提出一种基于CS和杂波白化加权的稀疏重构方法实现杂波抑制和目标速度检测。文献[43]给出了FAR的海浪杂波和目标回波频域特性,并开展了FAR抗海杂波性能验证试验。但是目前关于捷变频体制下的强干扰、强杂波抑制研究仍十分有限,相关的理论和算法仍处于论证和探索阶段。

3 FAR接收机系统实现

不同于传统固定参数PD雷达,FAR要求雷达在脉冲间隔内快速、准确地进行频率跳变,同时要保证发射信号和解调信号保持严格的相位同步关系,这对雷达系统的硬件提出了更为苛刻的要求。最初FAR采用旋转调谐磁控管振荡器以及机械式的调谐方式,由于存在随机初相、频率稳定度低、捷变带宽小等缺点,FAR长期停留在非相参体制。国外学者从20世纪60年代逐渐展开了全相参体制雷达的研究,经过数十年的发展,随着集成电路技术的迅猛发展以及高稳定度高集成度芯片技术的发展,脉间FAR的频率合成技术以及脉间波形捷变功能都已经相当成熟,在频率稳定度、跳频速度、最大跳频带宽等参数上都取得了长足的进步,并在各个雷达频段都有相应频率捷变源技术的实现[44]。通用的频率捷变源技术主要分为基于锁相环(phase locked loop,PLL)合成和直接数字频率合成以及混合频率合成技术等。基于锁相环合成技术的捷变频频率源相当于一个闭环的相位控制系统,主要包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和可变分频器[45]。其通过对基准频率的倍频、分频等产生所需要的载频频点,进而载频信号选择器进行载频跳变,此种频率生成方式具有较宽的频带,频谱纯度较好,结构简单等优点,缺点在于输出信号相位噪声较差。基于直接数字频率合成技术(direct digital synthesis,DDS)的捷变频频率源通过DDS波形发生器调制不同频率的中频信号,将中频信号与相同载频混频并传送到天线发射来实现频率捷变,这种波形发生器可以通过集成电路与DA转换器来实现,或者采用专用的DDS芯片来实现[46],该种频率捷变方案具有灵活性高、分辨率高、相位噪声低等优点,缺点是杂散抑制差,输出频率低。当雷达工作在高脉冲重复频率条件下时存在距离模糊问题,需要有两套同源的本振同时工作以解决上述问题,此时如采用基于锁相环合成法容易产生相位模糊问题,而DDS的输出频率范围不足。因此实际中往往采用PLL技术与DDS技术相结合的混合频率合成技术以满足高脉冲重复频率频率捷变信号的生成[47]。

关于频率捷变新体制雷达的工程应用,国内多个研究所对FAR的频综、波控及信号处理进行了升级改造,并进行了外场试验验证。后续各科研院所将会对FAR进行更深入的研究和全面的工程化应用。

图6 高脉冲重复频率频率捷变频综

4 FAR的发展趋势

现代战场复杂电磁环境下,难以在一个特征维度完全滤除干扰,往往需要在多个特征维度对干扰和目标进行区分。将频率捷变技术与其他参数捷变技术相结合,充分挖掘现有雷达平台多特征维度的目标参数测量潜力,发展灵活多变的多参数捷变是未来雷达研究的趋势。文献[48]提出将频率捷变和极化捷变相结合,建立了相应的全极化模型,探讨了极化捷变体制和频率捷变体制之间的兼容性问题。文献[49]提出一种同时综合极化、频率捷变和多载波相位编码(multicarrier phase code, MCPC)的雷达探测技术,并就波形的设计和系统性能做了具体的分析。文献[50]讨论了载频重频联合捷变波形模糊函数的期望和方差,同时给出了随机参数与波形分辨能力、副瓣抑制能力之间的数值关系。文献[51]在文献[22]的基础上提出一种以载频、重频、极化和波形编码4种参数联合捷变的新体制雷达,构建了雷达信号模型,给出了模糊函数的推导,并提出了基于多参数联合捷变雷达的信号处理与目标检测方法。

同时实现雷达智能化也是未来雷达技术发展的重要趋势。智能化雷达相对于传统FAR而言,其通过将雷达环境感知技术、波形调制技术、频率捷变技术等有机融合,通过接收机的信号处理到发射机闭环反馈的形式实现高智能化、高灵活性、可配置的创新型雷达体制。基于对雷达环境探测信息的充分利用,智能化雷达可以在后续脉冲发射经过实时优化的捷变波形,在雷达成像、目标检测、新体制雷达研究[52]等方向获得了广泛关注。智能化雷达的波形变化通常是通过构造的目标函数求解来获取,根据不同的观测任务会构造不同的代价函数,大量研究工作聚焦于代价函数的构造和优化求解来获取自适应捷变波形。文献[53]中构造关于交互信息和信噪比的代价函数,通过最大化信噪比和交互信息进行波形合成;文献[54]构造关于干扰信号能量的代价函数来进行相位编码波形设计。波形捷变方式更具针对性,在干扰环境下具备更优异的抗干扰效能。文献[55]基于相位共轭梯度算法实现了自适应相位编码信号的研究。文献[56]中通过代价函数优化求解的方法来进行雷达波形的脉间初相捷变波形设计,并通过构造多普勒频域凹陷对速度欺骗干扰目标进行抑制,从而提高了目标检测的信干比。文献[57]针对多干扰信号的目标探测场景,迭代求解关于干扰信号能量的目标函数,实现了基于感知信息的脉间初相捷变雷达信号处理算法研究。文献[58]从电磁频谱兼容性能和模糊函数角度出发进行认知雷达波形设计,提出了波形设计的数学模型及相应的求解算法,同时通过构建的试验台验证并评估了优化后雷达信号的电磁频谱兼容性能。

此外,在新体制脉间频率捷变雷达方面,文献[59]中研制出基于光学解调来实现相位调制频率捷变的方案,实验表明该种频率源在10～40 GHz的频率区间内有着很高的稳定度。文献[60]中提出了一种多输入多输出体制的频率捷变成像雷达,利用信号重组技术实现了高分辨率成像。

5 结束语

本文对频率捷变雷达技术进行了详细的描述,介绍了频率捷变雷达的基本概念和特点,综合国内外最新研究成果,着重阐述了FAR的信号处理方法研究,并介绍了FAR接收机系统实现和频率捷变雷达的发展趋势。频率捷变技术雷达具有优异的低截获和抗干扰性能,同时还提升了雷达的目标跟踪探测能力和抗海浪杂波的性能,已广泛应用于防空反导、战场监视预警、目标探测、SAR高分辨成像等军用和民用领域。近几十年伴随着信息处理算法和集成电路技术的迅猛发展,FAR的理论研究和应用取得了长足进步,但仍然存在一些亟待解决的问题。

(1)自适应频率捷变。目前FAR多采用固定的载频跳变序列。为进一步提升雷达在强电子对抗环境下的抗干扰能力,雷达载频、重频、编码等波形参数可以自适应捷变。在空间态势感知技术的支持下,自适应频率捷变技术能够实时监测雷达周围复杂电磁环境,结合获取的干扰信息和目标信息等观测场景信息,对发射信号参数进行自适应优化,提高雷达的低截获性能和抗干扰性能。

(2)复杂目标电磁散射机理的表征。雷达截面对频率和视角是十分敏感的,现有的电磁散射机理建模与表征方法虽然能够适用于典型目标甚至复杂目标,但多未考虑大带宽频率捷变的情况。当雷达发射的频率变化时,目标多散射点合成的相位差也随之不同,因而各散射体所反射电波的矢量和也就随着变化,当雷达工作于频率捷变体制下时,由于每个脉冲的载频都是不同的,因而其每个回波的幅度将会有很大的变化,现有的RCS模型不能完全适用于FAR目标,难以为后续信号处理提供完整的理论支撑。

(3)高性能信号处理能力。雷达观测场景感知、雷达参数动态捷变技术及捷变相参处理技术具有计算密大、实时性高、灵活多任务等特性,对传统的信号处理平台的运算能力、处理速度、数据吞吐量和工作环境等方面提出严苛的挑战,因此需要高性能计算平台作为支撑,这对嵌入式的弹载、无人平台信号处理带来挑战。

尽管如此,随着国内外学者和研究机构对频率捷变雷达重视程度、科研成本投入以及软/硬件水平的不断提高,FAR信号处理技术必将得到更强力的推动和更广泛的应用,拥有广阔的发展前景。