基于頻控陣實現(xiàn)的射頻隱身技術(shù)應(yīng)用探討

吳煒霞，李曉東，鄧 招

(中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

2006年，美國空軍研究實驗室的Antonik和Wicks等人首次提出Frequency Diverse Array(FDA)新概念技術(shù)，并申請了美國專利[1-3]，國內(nèi)學(xué)術(shù)界根據(jù)其工作原理翻譯為頻控陣。頻控陣和相控陣一樣發(fā)射相參信號，只是陣元間附加很小的頻偏(頻偏遠遠小于其載頻)控制后輻射出去，導(dǎo)致其空間傳播波束不但與方位角有關(guān)也與距離有關(guān)，彌補了相控陣陣列因子與距離變量無關(guān)的缺點。因此，頻控陣除了具有相控陣的所有功能特性外，在目標(biāo)探測、干擾抑制、電子對抗和安全通信等領(lǐng)域也具有廣泛而全新的應(yīng)用潛力。

2014年，美國空軍研究實驗室研制出一款頻控陣?yán)走_原型機，驗證了頻控陣?yán)走_的發(fā)射波束傳播特性。2015年，土耳其也研制出頻控陣?yán)走_原理樣機。2017年，國際信號處理領(lǐng)域頂級期刊《IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing》組織出版了頻控陣技術(shù)方面的專刊[4]。2017年和2018年的IEEE雷達學(xué)術(shù)年會均安排有頻控陣?yán)走_專題討論分會。本文主要討論基于頻控陣的射頻隱身技術(shù)及其應(yīng)用潛力，以期進一步推動頻控陣技術(shù)的發(fā)展。

1 頻控陣的基本原理

均勻直線頻控陣的基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 均勻直線頻控陣基本結(jié)構(gòu)

由于頻控陣是一種相對較新的陣列技術(shù)，首先對頻控陣的信號模型作簡要的推導(dǎo)分析[5-10]。與相控陣不同，常規(guī)頻控陣在相鄰陣元上對發(fā)射信號附加一個遠小于其載頻的頻率偏移Δf。假設(shè)載頻為f0，則第m個陣元輻射信號的頻率為：

fm=f0+mΔf,m=0,1,…,M-1

(1)

式中，M為陣元數(shù)。假設(shè)相鄰陣元之間的距離為d，陣列物理指向，則頻控陣的輻射波束方向圖在目標(biāo)處的電場場強為：

(2)

式中，am表示輻射電場的激勵幅度，φm表示信號對天線陣元的激勵相位，rm≈r-mdsinθ和ωm=ω0+mΔω=2πf0+2πmΔf分別表示第m個陣元的距離和角頻率，km=k0+mΔf表示第m個陣元的傳播常數(shù)，其中k0為對應(yīng)f0的傳播常數(shù)。值得一提的是，fe(θ,φ|ωm)是當(dāng)角頻率為ωm時的陣元輻射方向圖函數(shù)。由于頻控陣陣元的輻射方向圖函數(shù)是頻率的函數(shù)，而且頻控陣是一個多載波頻率的陣列，其陣元的輻射方向圖有可能是不同的。由于頻控陣不同陣元間的頻率偏移很小(Δf?f0)，故在頻控陣帶寬內(nèi)的陣元輻射方向圖是近似相等的，即fe(θ,φ|ωm)≈fe(θ,φ|ω0)=fe(θ,φ)。

(3)

在遠場條件處r?(M-1)dsinθ，距離因子對不同陣元的在目標(biāo)P處的電場幅度衰落的影響可以認為是相同的，即1/rm≈1/r。在相位上采用相控陣當(dāng)中的距離因子計算方法即rm≈r-mdsinθ。考慮所有的近似處理，這時有：

(4)

由于r?(M-1)dsinθ和f0?Δf，式(4)中最后一項m2Δfdsinθ/c≈0。因此m2Δfdsinθ/c可以被忽略，則有：

(5)

式中，γ=2π(f0dsinθ/c+Δf(t-r/c))。通常將激勵幅度和激勵相位歸結(jié)到一起，并將其定義為加權(quán)矢量，即wm=amejφm。

則有:

fe(θ,φ)/rej2πf0(t-r/c)wHa(t,R,θ)

(6)

式中,w=[w1,w2,…,wM-1]為加權(quán)矢量，a(t,R,θ)=[1,ejγ,…,ej(M-1)γ]為頻控陣的導(dǎo)向矢量。定義頻控陣的陣列因子為：

AF(t,R,θ)=wHa(t,R,θ)

(7)

對于均勻線性陣，假設(shè)所有陣元的幅度激勵都是相同的，而且進行歸一化，即w1=w2=…=wM-1=1，則有:

AF(t,R,θ)=ejγ(M-1)/2sin(Mγ/2)/sin(γ/2)

(8)

其絕對值為:

|AF|=|sin(Mγ/2)/sin(γ/2)|

(9)

式(8)有3個變量，分別為角度θ、距離r和時間t，而相控陣的陣列方向圖只會存在一個角度變量。對式(8)進行建模仿真，頻控陣的輻射方向圖不僅具有距離和角度的依賴性，而且具有“S”形的距離和角度耦合性，如圖2所示。

圖2 頻控陣發(fā)射“S”形波束圖

這種“S”形波束采用距離-角度解耦技術(shù)后，可以形成空間位置點的波束聚焦，如圖3所示。

圖3 頻控陣的發(fā)射點波束圖

2 頻控陣技術(shù)的應(yīng)用前景展望

頻控陣不但具有相控陣的所有功能優(yōu)勢，而且其發(fā)射波束的距離依賴性、距離-方位角耦合性和空變特性，有望給現(xiàn)有的有源雷達探測技術(shù)、無源被動偵測技術(shù)、安全通信和電子對抗與干擾技術(shù)帶來顛覆性的影響。頻控陣的主要應(yīng)用特點體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)具有射頻隱身和低截獲能力：頻控陣發(fā)射波束圖具有可控的“彎曲”特性，容易使得其被偵察測向定位失準(zhǔn)，大大降低其被探測和攻擊的概率，從而實現(xiàn)一定程度的射頻隱身效果。在此基礎(chǔ)之上，利用頻控陣的距離-角度解耦技術(shù)，形成空間波束點聚集，這種點波束和傳統(tǒng)的定向波束不同，不存在波束角度最大方向，因此探測設(shè)備無法通過檢測來波方向獲得發(fā)射設(shè)備的位置角度信息，這一特性將進一步提高頻控陣設(shè)備的射頻隱身效果。而且，還可以通過對頻控陣各陣元的頻偏進行特殊編碼，使陣列瞬時輻射功率在距離-方位角空間盡可能均勻分布，并通過特定的相位調(diào)制來降低發(fā)射信號被截獲解調(diào)的概率，最后在接收端通過波束的相位解碼和接收波束形成恢復(fù)出高增益的發(fā)射陣列方向圖，由此提高頻控陣電子裝備的射頻隱身能力。

2)射頻隱身精準(zhǔn)通信：無線通信安全面臨的主要威脅來自于電磁波的廣播特性。傳統(tǒng)的天線陣中將主瓣調(diào)向期望方向，而旁瓣發(fā)射的信號幅度則遠低于主瓣，來保證安全傳輸。但是，當(dāng)非期望接收機和期望接收機在同一方位角度上，也就是說非期望接收機和期望接收機僅僅是距離發(fā)射機的距離不一樣時，作為發(fā)射陣列相控陣波束成形就不再能保證安全傳輸。為了進一步提高無線通信的安全性，將頻控陣的點波束圖應(yīng)用于無線通信傳輸，可以實現(xiàn)電磁波在收發(fā)之間的點-點的傳輸，即使非期望接收機和期望接收機在相同角度區(qū)域內(nèi)，由于距離發(fā)射機的遠近不同也不能檢測到發(fā)射頻控陣信號，從而有利于信息的保護?；陬l控陣的距離-角度點聚焦技術(shù)不僅實現(xiàn)了目標(biāo)角度上的安全通信，而且實現(xiàn)了目標(biāo)距離上的安全通信，尤其是在竊聽接收機和期望接收機同方向的情況下，具有距離角度維上的低截獲率。因此在安全性上，基于頻控陣的距離-角度點聚焦圖比基于相控陣角度方向圖更具優(yōu)勢。

3)目標(biāo)多維參數(shù)聯(lián)合估計與定位：在相同陣元數(shù)目的情況下，當(dāng)干擾與目標(biāo)的角度比較靠近時，頻控陣對干擾的抑制度比相控陣更高，甚至可以抑制具有與目標(biāo)有相同角度方向的干擾，這在相控陣上是很難實現(xiàn)的。而且，頻控陣應(yīng)用于探測目標(biāo)參數(shù)估計時，能夠估計出一些在相控陣?yán)走_中無法估計的目標(biāo)，如方位角相同而距離不同的目標(biāo)。

4)具有強抗干擾抑制應(yīng)用能力：傳統(tǒng)相控陣往往利用空域自由度，對副瓣干擾具有較好的抑制效果。但是，當(dāng)陣列面臨強干擾或主瓣干擾時，傳統(tǒng)基于空域濾波的副瓣干擾抑制方法性能將嚴(yán)重下降，甚至失效，此時現(xiàn)有陣列裝備很難正常工作。頻控陣不同陣元發(fā)射載頻具有偏差的相同信號，其方向圖具有距離-角度二維自由度，具有強抗干擾抑制應(yīng)用潛力。

5)大范圍群體目標(biāo)欺騙干擾功能：由于傳統(tǒng)的噪聲壓制干擾技術(shù)對一些新體制探測設(shè)備的干擾效果非常有限，可以利用頻控陣陣列因子的距離依賴性、空變性和時變性特點，提出基于頻控陣的新型干擾樣式，有望產(chǎn)生比常規(guī)干擾技術(shù)更多的假目標(biāo)，有效破壞探測設(shè)備對目標(biāo)的檢測和跟蹤能力。同時，頻控陣干擾機也能夠?qū)μ綔y設(shè)備進行距離欺騙和速度欺騙，產(chǎn)生大量假目標(biāo)來對探測設(shè)備進行有效干擾。利用頻控陣波束的自動掃描功能、陣元頻偏優(yōu)化設(shè)計和距離-方位角耦合特性，頻控陣干擾機能夠?qū)撤教綔y設(shè)備形成大范圍群體目標(biāo)欺騙干擾效果。

3 結(jié)束語

本文討論了頻控陣技術(shù)及其應(yīng)用前景。主要探討了基于頻控陣列實現(xiàn)的射頻隱身技術(shù)，在安全通信、探測、電子對抗領(lǐng)域的應(yīng)用模式。通過這些探討，可以看出頻控陣列技術(shù)會在諸多應(yīng)用領(lǐng)域帶來巨大的性能提升以及作戰(zhàn)模式的改變，值得進一步的深入研究。