System Design and Signal Processing for Frequency Diverse Array Radar

Frequency diverse array(FDA)radar has been studied for more than 15 years and has attracted a lot of attention due to its potential advantages over the well-known phased array radar.The representative feature of FDA is range-angle-time-dependent transmit beampattern and its underlying properties are continuously revealed in the research.The formulation and exploitation of the transmit diversity with a frequency increment is the fundamental principle,which brings extra degrees-of-freedom(DOFs)in the transmit dimension.As the FDA radar carries additional information in range,it provides more flexibility in signal processing and also brings in new technical issues.This article overviews the state-of-the-art in FDA radar area and its applications,mainly based on the progress in our group.There are two main catalogs in FDA radar area,namely coherent FDA and FDA-MIMO(multiple-input multiple-output)radars.Potential applications including target parameter estimation,ambiguous clutter suppression,and deceptive jammer suppression are discussed.

An Active Anti-Jamming Approach for Frequency Diverse Array Radar with Adaptive Weights

Due to the rapid development of electronic countermeasures(ECMs),the corresponding means of electronic counter countermeasures(ECCMs)are urgently needed.In this paper,an act-ive anti-jamming method based on frequency diverse array radar is proposed.By deriving the closed form of the phase center in a uniform line array FDA,we establish a model of the FDA signal based on adaptive weights and derive the effect of active anti-jamming in this regime.The pro-posed active anti-jamming method makes it difficult for jammers to detect or locate our radar.Fur-thermore,the effectiveness of the two frequency increment schemes in terms of anti-jamming is ana-lyzed by comparing the deviation of phase center.Finally,the simulation results verify the effective-ness and superiority of the proposed method.

Clutter suppression for hypersonic vehicle-borne radar with frequency diverse array

The seriously range-ambiguous clutter is one of the main problems in clutter suppression for hypersonic vehicle-borne forward-looking radar. An approach based on the frequency diverse array (FDA) technique is proposed to mitigate the range ambiguous clutter. The frequency increment is designed to distinguish the clutter at ambiguous ranges and suppress the clutter by using a subspace projection algorithm. On the platform with high altitude or limited array antennas, the proposed method performs better for its independence of the elevation degrees-of-freedom (DOF). Finally, simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

基于DQN和功率分配的FDA-MIMO雷达抗扫频干扰

频率分集阵列(Frequency Diversity Array,FDA)雷达由于其阵列元件的频率增量产生了许多新的特性,包括其可以通过发射功率分配进行灵活的发射波形频谱控制。在以扫频干扰为电磁干扰环境的假设下,首先,通过引入强化学习的框架,建立了频率分集阵列-多输入多输出(Frequency Diversity Array-Multiple Input Multiple Output,FDA-MIMO)雷达与电磁干扰环境交互模型,使得FDA-MIMO雷达能够在与电磁环境交互过程中,感知干扰抑制干扰。其次,本文提出了一种基于深度Q网络(Deep Q-Network,DQN)和FDA-MIMO雷达发射功率分配的扫频干扰抑制方法,使得雷达系统能够在充分利用频谱资源的情况下最大化SINR。最后,仿真结果证实,在强化学习框架下,FDA-MIMO雷达能够通过对发射功率分配进行优化,完成干扰抑制,提升雷达性能。

基于密度锥削阵sin-FDA的波束方向图研究

频率分集阵列(Frequency Diverse Array, FDA)是作为一种全新的电扫描雷达体制,其方向图所具有的时间-距离-角度三维相关特性在电子对抗和安全通信等领域有广阔的应用前景。一维均匀线性FDA阵列(Uniform Linear Array Frequency Diverse Array, ULFDA)的发射方向图存在角度-距离耦合问题,针对这一问题,在对称子阵密度锥削阵结构的基础上,通过正弦频控函数取代原有的均匀线性函数,得到了FDA的点状波束指向控制方法。此外,针对FDA方向图的时变问题,得到了基于子阵结构的密度锥削阵sin-FDA主波束在角度维指向固定、距离维变化时的结论。

基于UCA-FDA雷达距离补偿的DOA估计方法

主瓣欺骗式干扰给雷达在电子对抗中的应用带来了挑战。为了解决电子对抗中主瓣距离欺骗干扰的到达方向(direction of arrival,DOA)估计问题,基于均匀圆阵的频率分集阵列(uniform circular array-frequency diverse array,UCA-FDA)雷达,提出了一种利用距离补偿的DOA估计方法。所提方法通过对雷达接收信号进行距离补偿,消除距离维度上的影响,并将角度联合导向矢量和处理后的协方差矩阵代入多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法,从而获得目标的方位角和俯仰角。此外,所提方法还增加了分辨来自同一方向的多个目标的功能,具有角度估计精度高、抗干扰性能好、适用低快拍情景的优点。仿真实验也证明了所提方法的有效性。

基于卷积波束空间传播算子的FDA-MIMO雷达角度、距离估计算法

针对FDA-MIMO雷达接收数据维数高和工程实现复杂的问题,提出一种FDA-MIMO雷达卷积波束空间目标角度、距离估计算法。首先基于发射波形间的正交性,将对应各发射波形的回波信号通过一组满足奈奎斯特性质的滤波器组,然后对各滤波器的稳态卷积输出进行抽取处理以降低数据维数;对抽取数据应用传播算子法,再基于卷积滤波器的通带特性和FDA阵列角度、距离间的耦合关系,实现目标角度和距离参数的无模糊估计。仿真实验验证了该参数估计算法的有效性。

基于MVDR波束形成的FDA平台外干扰抑制

针对频控阵(frequency diverse array,FDA)在对与目标位置相近的平台外干扰进行抑制时,传统FDA与非线性频偏结合不能实现距离-角度去耦合、对数递增FDA主瓣展宽较大和汉明窗加权FDA距离维旁瓣过高的问题,在充分研究汉明窗加权的线性FDA(Hamming linear FDA,HL-FDA)方案的基础上,对4种频偏方案的性能进行了分析,提出采用FDA多输入多输出结构代替传统的一维均匀线性FDA结构,通过结合最小方差无失真响应(minimum variance distortion free respinse,MVDR)准则,将HL-FDA应用到MVDR自适应波束形成层面,对平台外干扰进行抑制。仿真验证了HL-FDA在结合MVDR自适应波束形成算法后能有效地对抗距离-角度二维平台外干扰。

基于深度学习的FDA-MIMO雷达协方差矩阵缺失数据恢复方法

频控阵-多输入多输出(FDA-MIMO)雷达通过波束形成技术实现抗干扰的研究已经十分丰富。然而,在实际工作中,受元器件老化和存储设备容量等硬件因素的影响,计算得到的信号协方差矩阵可能会出现数据缺失的情况。为了克服协方差矩阵数据缺失对波束形成算法性能的影响,该文提出了一种基于深度学习的FDA-MIMO雷达协方差矩阵数据恢复方法,并建立了协方差矩阵恢复-自适应波束形成的两阶段处理框架;提出了一种双通道生成对抗网络(GAN)来解决矩阵数据恢复问题,该网络主要由鉴别器(D)和生成器(G)两部分组成:生成器主要功能是输出完整的矩阵数据,鉴别器则是判别数据为真实数据还是填补数据。整个网络通过鉴别器和生成器之间相互对抗使生成器生成样本接近于真实数据的分布,从而实现对协方差矩阵缺失数据的恢复。此外,考虑到协方差矩阵数据为复数,分别构造两个独立的GAN网络以满足矩阵数据实部和虚部的训练。最后,数值实验结果表明,协方差矩阵真实数据与恢复后的数据平均均方根误差仅为0.01量级,验证了所提方法能够有效恢复协方差矩阵的缺失数据。

FDA干扰技术进展及前景综述

不同于相控阵的发射波束只有角度依赖性,频控阵通过在阵元间附加一个频偏,使其发射波束具有距离-角度二维依赖性,可以同时解决波束发射时的角度指向和距离指向问题,这使得频控阵雷达在电子干扰领域具有独特的应用优势。基于此,介绍了频控阵雷达的模型和干扰原理,全面梳理了频控阵雷达干扰领域的研究进展,对频控阵雷达干扰的主要技术进行了系统性总结,分析了频控阵雷达在干扰领域的主要应用前景。结果表明,频控阵通过在距离维上增加一个自由度,使其具有良好的电子干扰效果。

基于多输入多输出阵列的3D-FDA-SAR成像方法

针对频率分集阵列三维合成孔径雷达(3D-FDA-SAR)成像方法阵元数目多、阵元利用率低的问题,提出一种基于多输入多输出阵列的3D-FDA-SAR成像方法。将3D-FDA-SAR切航迹向的频率分集阵列改为多输入多输出频率分集阵列,多输入多输出频率分集阵列随运动平台运动,在沿航迹向形成综合孔径,结合切航迹向的实阵列,合成虚拟二维频率分集阵列平面,获得对目标的下视三维成像能力。首先建立多输入多输出3D-FDA-SAR成像模型与信号模型,利用多输入多输出技术,在发射端发送波形正交信号单频窄带信号,在接收端通过全频接收方式,接收所有发射阵元经目标反射后的回波信号,经正交匹配滤波器进行信号分离,获得不同收发通道的回波数据,再利用后向投影算法对回波数据进行成像处理,最终获得目标的三维成像结果。仿真结果表明,基于多输入多输出阵列的3D-FDA-SAR成像方法使用少量阵元,提高了阵元利用率,获得了对下视目标的三维成像能力。

天线阵列近场FDA技术研究

频率分集阵(FDA)是近年来提出的一种阵列信号处理新技术,它能够形成具有距离-角度相关性特征的辐射合成波束,克服传统相控阵天线不能有效控制波束的距离-角度指向的难题,此外还有很多独特的应用优势,成为未来先进雷达发展的重要技术方向之一。本文在传统频率分集阵列研究的基础上,提出了适应天线阵列近场条件的FDA新数学算法,针对阵列近场条件,首先利用经典近场的菲涅尔近似以及新近提出基于差分迭代近似两种方法推导,得到近场FDA波束的不同表达新算法结构,其次针对新提出算法的数学关系式中距离、角度等关键参数特征分析,针对其中距离-角度耦合关系等深入讨论,再次开展数值计算和算法仿真对比,实验结果表明:新提出的算法解决了FDA近场条件使用的模型条件限制,算法较好地解释了近场时距离-角度参数非线性耦合或独立关系,可以较好地支撑未来天线阵列近场,FDA各种应用的深入分析与研究需要。

基于FDA雷达的近场波束形成及改进

针对频率分集阵列(FDA)雷达近场波束成形问题进行研究,通过分析频率分集阵列雷达近场方向图及距离损耗补偿因子,建立单基地收发阵列模型,推导距离损耗的补偿权值,提出了2种非线性频偏以改进能量聚焦的性能。此外为了使波束方向图形成的效果更好,提出了2种非线性的频偏,使之更接近于一个点状波束图,以提高能量聚焦精度。仿真结果表明,所提方法能提高距离聚焦分辨率,使聚焦能量达到更好的分辨率,并减少能量浪费。

共形FDA-MIMO波束图综合

共形频控多输入多输出(Frequency diverse array multiple input and multiple output,FDA-MIMO)系统的波束图由俯仰角、方位角、距离三维信息控制,能够进一步提高系统的自由度。随着人们对高分辨目标探测性能以及高空气动力学性能的需求增加,研究共形FDA-MIMO阵列波束图综合方法很有意义。本文详细推导了共形FDAMIMO系统的信号建模和波束图分析的数学过程,并提出一种基于参数迭代的发射接收联合权向量优化算法以得到高分辨率的波束图。该算法首先建立一个二阶锥规划(Second-order cone programming,SOCP)模型,并利用交替方向乘子法(Alternating direction method of multipliers,ADMM)实现参数分离,原问题分为两个子问题。最后分别对各个子问题进行优化。数值仿真表明所提算法相比于传统算法性能更有优势,同时其收敛性得到验证。此外,为进一步分析系统特性,本文讨论了不同系统参数,如发射阵列阵元数、接收阵列阵元数、频控阵频偏大小以及不同频偏方式对本文所提算法下的波束图影响。

基于频率分集阵列小埋体检测三维形貌成像方法

频率分集阵列(Frequency Diverse Array,简称FDA)在埋体管线的探测识别与成像中具有很大优势,利用其灵活的波束控制和信号处理性能,能够摆脱传统阵列发射信号限制,灵活接收和处理复杂信号。通过发出窄带信号进而获得宽带信号探测参数,大大降低操作成本,实现高效率、高精度、高性价比三维立体成像。现如今埋体管线探测成为城市发展中不可避免的痛点,小埋藏体检测成像更是难点问题。文章提出一种基于多进多出技术(Multiple-Input Multiple-Output,简称MIMO)的频率分集阵列三维合成孔径雷达(3D-FDA-MAR)成像方法,并将MIMO阵列引入频率分集阵列实现三维成像,建立了MIMO-FDA三维形貌成像模型。该多进多出频率分集阵列在三维空间中能够随平台运动而运动,在沿航向处得到综合孔径,根据切航向阵列能够获得仿真频率分集阵列平面,从而得到目标物成像的三维立体效果,实现精准定位,全空间透视探测,智能3D成像,小埋藏体的精准检测诊断。

基于FDA-MIMO的距离欺骗干扰鉴别方法

提出了一种基于频率分集阵列多输入多输出(FDA-MIMO)的距离欺骗干扰鉴别方法。FDA-MIMO中,目标回波在阵元间产生的相位差及空间角频率与距离、角度呈线性关系,而假目标不满足该关系。本文对目标回波和多类假目标在FDA-MIMO接收端的相位差、空间角频率进行了理论推导,详细分析了上下变频、匹配滤波、信号混合、移频等因素的影响,给出了假目标鉴别的具体流程。理论分析及仿真结果表明,该方法能准确提取混合信号的相位差及空间角频率信息,有效对抗多种类型的转发式欺骗干扰。

FDA-SAR高分辨宽测绘带成像距离解模糊方法

由于多普勒模糊和距离模糊的制约,星载合成孔径雷达(SAR)成像方位高分辨率和宽测绘带成像之间存在严重的矛盾.针对这一问题,该文提出了基于频率分集阵列(FDA)SAR系统的高分辨宽测绘带成像距离解模糊方法.该方法基于FDA的距离维可控自由度,利用FDA发射导向矢量的距离和角度二维依赖性,在空间频率域实现距离模糊回波的分离并对不同距离模糊区域分别进行成像处理,解决了星载SAR成像测绘带宽对方位高分辨率的制约问题.仿真实验验证了所提方法的正确性和有效性.

子阵结构FDA阵列模糊函数建模与研究

基于模糊函数的优化是频率分集阵列FDA雷达波形设计的重要手段,针对现有文献中缺乏对子阵结构频率分集阵列模糊函数研究的问题展开分析。首先建立了窄带条件下发射简单脉冲的FDA阵列数据模型,对比了FDA阵列与相控阵的方向图特性;在此基础上,基于信号经匹配滤波器输出的时域卷积出发推导出FDA阵列在三种接收信号处理机制下的复型模糊函数;然后,对采用不同频控函数的交叉子阵FDA阵列的发射方向图特性、模糊函数特性分别展开分析,并用仿真验证了采用正弦频控函数的FDA阵列具有较好的干扰抑制性能的结论,从而为后续基于子阵FDA阵列的模糊函数设计雷达波形以实现干扰抑制的一系列研究奠定了重要基础。

FDA对比幅法单脉冲测向的角度欺骗

基于相控阵的干扰机在对目标雷达施放干扰的过程中,其辐射信号会被敌方的无源探测雷达所捕获。基于频率分集阵列(FDA)干扰机结构,提出一种针对敌方相邻天线比幅单脉冲测向系统的角度欺骗方法。首先,在建立FDA模型的基础上计算出FDA雷达的半功率波束宽度。然后,将半功率波束宽度代入相邻天线比幅单脉冲测向系统,通过仿真,系统分析了FDA干扰机对比幅法无源测向系统的角度欺骗效果及误差影响。仿真结果表明,远场条件下,FDA干扰机对测向系统具有良好的角度欺骗效果。

对数频偏FDA方向图解耦优化

针对对数频偏频率分集阵列(frequency diverse array,FDA)中存在的频率偏移量取值固定、主瓣扫描精度较低的问题,并行地提出两种对数频偏频率分集阵列方向图解耦的优化方法。首先,将均匀线性阵列替换为采用正弦频偏增量的交叉子阵结构,在此基础上将频偏增量选择问题转化为二维空间的最优化问题,通过改进的粒子群算法解算最优频偏增量实现方向图解耦优化。此外,将通信中的格雷码编码方式应用于FDA阵列的频偏编码中,提出基于发射端格雷码频偏编码方式的发射方向图解耦方法。最后,仿真验证了两种优化方法的有效性。