10 kHz量级低频电磁波信号具有较强的地物穿透能力，可用于地质勘探。传统天线的辐射单元尺寸需达到1/4波长，否则不能有效辐射电磁波。频率为10 kHz电磁波信号的波长为30 km，其天线辐射单元尺寸在7～8 km，天线尺寸在10 km量级，这使其应用受到限制，研究基于适当尺寸高频雷达天线的低频电磁波信号产生方法具有重要意义。低频电磁波信号产生一直是个难题。在航空电磁探测中的瞬变电磁法，由于需要对飞机平台进行比较大的改装，其应用受到一定的限制。近年来国外提出了一种采用机械旋转永磁体的方式实现小型低频发射天线方法，可突破天线物理尺寸限制，但目前尚未见到实例。在阵列结构下，基于近光速远离运动多普勒效应，原理上可大幅降低信号频率并使信号脉冲宽度展宽。当运动雷达为信号源，接收装置位于目标区时，以雷达为原点建立运动坐标系K'，K'系与K系的时间关系可符合钟慢效应，如图1所示。雷达在K系中以速度v沿x轴正方向远离接收装置运动，记电磁波速度等于光速c，根据多普勒效应，接收信号频率为发射信号频率的。当雷达远离目标运动的速度接近电磁波速度c时，接收信号频率将会明显降低。
图1 运动雷达和接收装置示意图
用阵列结构可等效高速运动雷达发射信号过程。当以时间间隔分解雷达运动过程时，设置辐射单元间隔为，阵列近端至远端的辐射单元以时间间隔依次发射信号，并根据多普勒效应设置各辐射单元信号的相位。阵列在目标区的合成信号等效为离散化的低频信号。该方法将辐射单元信号特定相位的设置与延时相结合，辐射单元信号包络也在同步变化，合成信号的脉宽相对于各辐射单元信号会同时展宽。为获得甚低频信号，合成信号需要有足够大的脉宽，直接增大辐射单元信号脉宽将导致合成信号中载波频率分量的增大。在阵列结构下，设置辐射单元发射周期脉冲串信号，利用阵列产生的脉宽展宽量填补周期脉冲串信号的休止期，使得目标区合成信号在其时宽内连续，由此增大合成信号脉宽。将多行阵列交错排布实现空间加密，减少辐射单元的空间间隔，可降低系统对时间分辨率的要求；在步进方式下更精确模拟高速运动多普勒信号，抑制合成信号中的谐波分量。图2给出了9行阵列构成交错阵列，辐射单元空间间隔为载波波长的1/18，由100 MHz辐射单元信号合成10 kHz甚低频信号的情况，同时给出了合成信号、阵列发射信号与随机相位合成信号的频谱。仿真结果表明了阵列结构下甚低频信号产生的可行性。
图2 合成信号、阵列发射信号和随机相位辐射单元信号所合成信号的频谱对比图
中科院空天信息创新研究院李道京研究员团队在基于高频天线的低频信号产生方法方面进行了有益的探索，相关研究工作已发表在《雷达学报》2020年第5期“交错阵列甚低频信号产生方法研究”（崔岸婧，李道京，周凯，王宇，洪峻）。了解详细内容请点击最下面阅读原文或扫描下方原文二维码。↓↓↓