前言
西安电子科技大学朱圣棋教授团队研究了波形分集阵列新体制雷达基础理论，深入分析波形分集阵列雷达发射参数调制引起的方向图变化新特性，突破了波形分集阵列新体制雷达检测、成像及抗干扰的多项关键技术，可满足无模糊参数估计、复杂电磁环境下抗干扰、高分辨率宽测绘带成像等要求，在广域目标监视和微弱目标探测等实际应用中具有良好的发展前景。
图1 西安电子科技大学朱圣棋教授科研团队
背景介绍
为满足广域目标监视、高速目标检测、高精度参数估计、高分辨率宽测绘带和目标识别等要求，雷达数据获取方式逐步由单波段、单极化、单角度等发展到多频率、多极化、多角度和多时相等获取方式，逐步形成了雷达的多维信号处理体系。波形分集阵列雷达对发射多维信号进行调制，可获得系统发射维自由度，改变了信息获取方式。
机械扫描雷达到相控阵雷达直至多输入多输出（MIMO）雷达的革新，增加了系统可控自由度，扩展了阵列雷达系统对目标和环境的信息获取能力。尤其是近年来以频率分集阵（FDA）为代表的波形分集阵雷达倍受关注。FDA通过发射阵元之间的频率差异，形成了距离-角度-时间依赖的发射方向图，具备了角度和距离维的双重自由度，带来了革命性的变化。在频率分集阵的基础上，团队又提出了波形分集阵列的概念。波形分集阵列雷达利用阵元、波形、脉冲、极化等资源，通过发射波形的多维优化设计和灵活的信号处理方式，增强了雷达对信息的提取能力。波形分集阵列雷达在系统设计与信号处理层面上提供了更好的灵活性，是对当前阵列体制的革新，具有重要的理论和应用价值。
图2 波形分集新体制雷达特点
团队工作
西安电子科技大学朱圣棋教授团队提出发射多维信号进行调制的波形分集阵列雷达，集发射调控和接收处理于一体，突破了传统雷达在目标探测维度上的限制，提高了雷达目标探测的资源利用率。具体而言，在复杂电磁环境抗干扰方面，揭示FDA雷达同时利用角度和距离信息分离目标与干扰的原理，提出FDA雷达联合多维域信号处理方法，突破雷达主瓣干扰抑制的难题。在参数无模糊估计方面，提出了一种基于发射维空间自由度的波束域超分辨角度估计方法，通过设计角度-时间二维匹配滤波器，在接收端等效形成发射多波束，从而扩展系统的自由度，提高距离角度分辨性能。在高分辨成像方面，利用波形分集阵列雷达阵元脉冲间发射灵活的优势，提出相位编码分离距离模糊回波的方法，可推广应用于星载高分宽幅SAR成像。
图3 课题组波形分集阵相关工作
该工作已发表在《雷达学报》2021年第6期出版的论文“波形分集阵列新体制雷达研究进展与展望”（朱圣棋，余昆，许京伟，兰岚，李西敏）。
论文介绍
该文首先介绍基于频分、时分和码分的波形分集阵列的基本概念，如图4所示。通过多样式的发射分集，实现发射波束灵活可控，可以最大程度的提高雷达资源的利用率，达到提升雷达系统性能、扩展雷达系统能力的目的。在此基础上，介绍了波形分集阵列的典型应用。
图4 波形分集方式
该文介绍了通过设计角度-时间两维匹配滤波器，在接收端等效形成多发射波束，获得发射端自由度，实现距离维匹配滤波和发射波束形成，如图5所示。相干FDA和TDA具有灵活的空间覆盖能力，通过合理的设计系统参数和信号接收处理方法，可大大提高雷达空间覆盖能力和效率，具有重要的应用价值。
图5 角度-时间两维匹配滤波
频率分集引入新的距离维信息和距离维可控自由度，可形成距离-角度二维发射天线方向图，在距离角度两维空间调零，选择性抑制特定距离的回波，从而抑制延迟转发的欺骗式干扰信号，如图6所示。
图6 频率分集阵列抗主瓣欺骗式
在FDA雷达中，利用距离角度耦合特性，将近程杂波平移到两端，如图7所示，从而避免近程模糊杂波对目标检测的影响。本质上，FDA距离模糊杂波抑制方法，利用频率分集阵列发射导向矢量的距离角度依赖性，在空间频率域可以有效地分离距离模糊杂波，从而显著提升了距离模糊杂波环境下目标探测性能。
图7 PA和FDA距离模糊杂波功率谱分布
采用空间-脉冲相位编码技术解决高分辨宽测绘带成像距离解模糊，根据所设计的编码方案，沿着慢时间对每个发射通道所发射的脉冲进行相位编码，发射阵元和脉冲间采用编码方式如图8所示。此外，还可采用一种更灵活的编码方法，通过对编码相位矩阵的优化设计，可获取更好的模糊杂波分离效果。
图8 相位编码分离解距离模糊方案
为了对波形分集阵列雷达的相关技术进行演示与验证，团队自主开展了波形分集阵雷达原理样机研制，搭建了波形分集阵列雷达试验场，开展了雷达外场/内部校正、抗主瓣干扰试验、抗多样式干扰试验，如图9所示。实测数据处理结果如图10所示，表明该部雷达实现了杂波抑制、动目标检测和抗主瓣欺骗式干扰等功能。
图9 外场试验场景
图10 实测数据结果
发射分集技术改变了传统雷达获取信息的方式，是雷达技术创新的重要途径。波形分集阵有别于相控阵雷达和MIMO雷达，通过合理的发射频率、时间、脉冲参数调控，依靠发射波束形成技术，获得了额外的系统可控自由度，采用发射-接收联合多维信号处理方法，在抗主瓣欺骗式干扰、距离模糊杂波抑制和高分宽幅成像等方面，提升了雷达系统性能。未来随着波形分集阵列方向图调控、发射波形分多维域联合信号处理、多维参数联合捷变、相控阵-波形分集阵双模融合检测等分项技术的日趋成熟，将广泛应用于地海空天平台雷达的更新换代，提升雷达的多维探测能力。
作者简介
朱圣棋，男，博士，西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室教授。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。
余昆，男，西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室在读博士研究生。主要研究方向为合成孔径雷达成像、波形分集阵列雷达抗干扰技术等。
许京伟，男，博士，西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室副教授。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(频率分集阵和空时编码阵)等。