背景介绍
频率分集阵(Frequency Diverse Array, FDA)是在相控阵基础上的一次体制革新，其通过在发射天线阵元间进行频率步进，得到的发射方向图是角度、距离、时间的多维函数，显著提升了波束控制能力与信号处理维度。进一步结合多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技术，在分离发射波形后可获取距离维自由度，近年来，学者们将FDA-MIMO雷达应用于距离角度联合参数估计、目标检测、距离模糊杂波抑制、主瓣欺骗式干扰抑制、无模糊高分宽幅成像等方面。
图1 FDA发射示意图
然而，现有FDA雷达通常是针对某一特性需求进行系数参数设计，需要在不同功能间进行切换与参数调整，各个任务互不兼容。实际上，在复杂多变的电磁环境中，功能互不兼容的单一设备或多设备的简单叠加已不再满足要求，因此，多功能一体化雷达技术已成为雷达应用发展的重要方向，探索可兼容多任务的FDA雷达信号处理方法迫在眉睫。
团队工作
近年来，西安电子科技大学廖桂生教授团队在国家自然科学基金委员会创新研究群体项目、重点项目等支持下，提出了频率分集阵距离维自由度的概念，围绕波形分集阵新体制雷达距离维信息的表征与利用这一科学问题，对FDA多功能一体化波形设计与信号处理方法开展了深入研究，重点研究其在检测与估计一体化、解模糊与抗干扰一体化、成像与动目标检测一体化的信号处理新方法。并基于以上理论研究，研制了FDA系统原理样机，包括天线与射频组件、信号处理机、数据存储器、雷达系统显控等，并开展了转发式主瓣欺骗干扰抑制的外场实验验证工作。
图2 频率分集阵雷达原理样机
该工作拟发表在《雷达学报》2022年第5期“《雷达学报》创刊10周年纪念专刊1”论文“基于频率分集阵列的多功能一体化波形设计与信号处理方法”（ 兰岚，廖桂生，许京伟，朱圣棋，曾操，张玉洪）。
论文介绍
该文首先概括了FDA信号模型与波形设计方法，针对发射相同波形的相干FDA、发射正交波形的FDA-MIMO雷达发射波形分别进行了描述。并针对相干FDA发射空域覆盖性、FDA-MIMO基于最小化目标区域的能量的低截获波形设计进行了研究。进一步，给出了基于角度-时间二维匹配滤波的两种相干FDA接收处理方法，并设计了两种FDA-MIMO雷达接收匹配滤波结构，从而可分别得到模糊距离与增量距离信息。
图3 相干FDA发射方向图空域覆盖性分析
针对参数估计与目标检测一体化，该文在最大似然(Maximum Likelihood，ML)准则下给出了基于单脉冲的FDA-MIMO估计检测一体化模型，构建了二元假设检验问题并设计了GLRT与AMF检测器。在此基础上，提出了基于坐标下降(Coordinate Descent, CD)和线性化阵列流形(Linearized Array Manifold, LAM)的近似优化方法。该方法能够在确认目标存在的同时输出目标位置信息。
图4 FDA-MIMO雷达检测与估计一体化结果
针对解模糊与抗干扰一体化，该文首先揭示了FDA-MIMO雷达根据不同脉间等效主瓣指向差异来区分不同距离模糊回波信号的原理。接下来研究了主瓣欺骗式干扰与目标在收发二维空域的区分方法，总结了基于稳健波束形成以及方向图置零的干扰抑制方法，并给出了基于原理样机的抗干扰实测结果。另外，研究了FDA-MIMO-空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)雷达利用距离-角度-Doppler三维联合处理的杂波和干扰同步抑制方法。
图5 FDA-MIMO解距离模糊示意图
图6 基于FDA-MIMO STAP雷达的目标、干扰、杂波三维分布示意图
图7 FDA-MIMO抗干扰实测结果
针对成像与动目标检测一体化，该文为解决两功能面临的信号带宽与波束扫描兼容性问题，首先设计了基于频分正交线性调频信号的发射波形，进一步，将不同通道对应的窄带信号进行分离与频谱重叠对齐来实现动目标检测；将不同通道的窄带信号进行频谱拼接合成频域宽带信号，并根据不同距离模糊区所对应的发射频率维的差异来实现高分宽幅无模糊成像。
图8 发射信号空-频域特征
图9 子带FDA无模糊成像结果
最后对该文进行了总结，并对FDA雷达多功能一体化技术面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。
作者简介
兰 岚，博士，副教授，主要研究方向为新体制雷达抗干扰、波形分集阵列雷达信号处理、目标检测与参数估计。
廖桂生，博士，教授，主要研究方向为雷达系统技术与阵列处理、雷达稀疏成像处理等。
许京伟，博士，副教授，主要研究方向为雷达系统建模、阵列信号处理、波形分集雷达(频率分集阵列和空时编码阵列)等。
朱圣棋，博士，教授，主要研究方向为雷达运动目标检测、频率分集阵列、波形分集阵列雷达信号处理。
曾 操，博士，教授，主要研究方向为新体制阵列信号处理、雷达运动目标检测。
张玉洪，博士，教授，主要研究方向为阵列信号处理、微波遥感与成像、信号建模与仿真、波形分集技术等。
转自：“蔻享学术”微信公众号
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