CN104833961B - 一种用于主动隐身的时间反演电磁对消方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于时间反演电磁波聚焦传输的主动式电磁对消方法，属于电磁隐身以及电子对抗领域。本发明方法首先利用Clean算法提取信道冲击响应，然后根据离散的冲击响应值，在对应时间轴上进行翻转，再利用翻转后的冲击响应，对脉冲进行调制，得到时间反演电磁脉冲回传信号，最后利用对消信号产生天线将回传信号发射出去，通过时间反演聚焦传输，将电磁能量聚焦在敌方雷达接收天线处，用以对消从目标返回到敌方雷达接收天线的回波信号。本方法实现对消系统与目标的分离，可以进行一对多的电子支援，且利用等效信道冲击响应在时间轴上的特性，可以简单快速的构造出对消信号，无需进行繁琐计算。

Description

一种用于主动隐身的时间反演电磁对消方法

技术领域

本发明属于电磁隐身以及电子对抗领域，具体涉及一种基于时间反演电磁波传输的电磁对消方法。

背景技术

电磁隐身是当今世界各国发展中的一个重要研究课题，其核心是实现己方目标不被敌方雷达探知。当前，电磁隐身主要以电磁能量吸收、角反射、散射、透射等物理机制，来降低目标的可探测信息，主要技术包括：吸波材料隐身和外形隐身以及最新研究的等离子体隐身。

吸波材料是能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能，或者其他形式的能量而耗散掉的一类材料，如铁氧体吸波材料，由于其强烈的铁磁共振吸收和磁导率的频散效应，所以能够能过自然共振吸收电磁波。具体参考文献“张健，张文彦，奚正平.隐身吸波材料的研究进展[J].稀有金属材料与工程，2008,37(4)”。外形隐身就是通过改变传统目标的外形，使雷达探测波的回波方向偏离的一种技术。

等离子体隐身技术是利用等离子体回避探测的一种技术，等离子体能够吸收吸收雷达电磁波，当外界电磁波频率与目标等离子体频率不同时，通过波与带电粒子的相互作用，把波的能量转移到等离子体的带电粒子上。比如文献“Yuan Z C，Shi J M，Wang JC.Experimental Studies of Microwave Reflection and Attenuation by PlasmasProduced by Burning Chemicals in Atmosphere.Plasma Science andTechnology.2007”中分析了大气中等离子体对电磁波反射和衰减的影响。上述传统的隐身技术属于一种被动的，虽然发展迅速、应用范围不断扩大，但也存在许多弊端。如吸波材料和涂层等研制复杂、不便维护、对长波雷达效果不佳；采用隐身外形设计加工制造难度大，影响飞行器气动性能。

针对这些缺陷，发展而来的就是主动隐身技术。主动隐身技术是一种采用有源干扰或者无源干扰方法来规避敌方雷达探测设备探测的一种技术，包括低截获概率雷达、雷达干扰技术以及电磁对消技术等。其中电磁对消技术针对雷达依靠电磁波回波来探测目标的特性，通过发射一个与回波信号幅度相等、相位相反的信号去对消回波，使得目标在雷达上消失，具体参考文献“王野.主动反雷达隐身技术.现代兵器.2006.5”。

不过传统的电磁对消技术发射的电磁波方向必须与反射波方向一致，计算机还要知道目标的反射特性,同时发射时间还要与入射波配合，因此整个系统十分复杂。特别是有源目标如天线、雷达等，本身需要对外发射电磁波，如果采用传统的电磁波传输方式进行对消，将会影响本身的探测信号。

时间反演(Time reversal,TR)是一种新型的自适应空间电磁波传播技术，它能够实现空-时同步聚焦。文献“Wang B，Wu Y，Han F，et al.Green wireless communicationsatime-reversal paradigm[J].IEEE Journal onSelected Areas in Communications，2011，29(8):1698-1710”中指出基于TR技术的传输发射功率消耗比没有TR技术支持的低20％。文献“葛广顶，王秉中，黄海燕，郑罡.时间反演电磁波超分辨率特性[J]，物理学报，2009年12期”和文献“周洪澄，王秉中.时间反演电磁波在金属丝阵列媒质中的超分辨率聚焦.物理学报.2013vol.62,No.11”中指出了TR电磁波超分辨率特性。用TR技术替代传统的电磁波传播技术进行电磁对消，利用空-时聚焦特性将对消电磁波精确的传输到需要的位置。特别针对天线、雷达等需要向外发射电磁波的有源目标，容易被敌方雷达截获探测信号而暴露自身位置，而由于传统电磁波传输的对消技术发射的电磁波需要与回波信号方向相同，将会影响本身探测信号，而采用TR技术可以突破这种限制，通过实现对消设备和隐身目标的分离，使得有源目标能够在发射信号时隐身。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时间反演电磁波聚焦传输的主动式电磁对消方法，该方法借助时间反演电磁波回传的空-时聚焦特性，在特定的时刻和位置产生一个与探测回波信号幅度相当、相位相反的对消信号，进而在敌方接收机处实现与探测回波信号对消。

雷达探测目标的原理是通过天线将电磁能量辐射至空间中，电磁波集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿各个方向产生反射，其中一部分电磁能量反射会雷达方向，被雷达天线获取。雷达经过信号处理机，提取出包含在回波中的信息，获得目标的距离、方向、速度等。如果使敌方雷达获得错误的回波或者接收不到回波，敌方就不能获得目标的准确信息，从而实现目标的隐身。

本发明采用如下技术方案：

一种基于时间反演电磁波聚焦传输的主动式电磁对消方法，该方法在需要信号对消的目标区域之外放置一个全向性天线，首先利用Clean算法提取探测方雷达探测信号与所述全向性天性之间的信道冲击响应h(t)，然后把离散的冲击响应值在对应时间轴上进行时间上的反转得响应h(-t)，再利用反转后的冲击响应对需要信号对消的目标区域在探测方信号下产生的回波信号x(t)进行调制，得到时间反演电磁脉冲回传信号其中β为信号补偿系数，最后利用所述全向性天线将时间反演电磁脉冲回传信号发射出去，通过时间反演聚焦传输，将电磁能量聚焦在探测方雷达的接收天线处，用以对消从目标区域返回到敌方雷达接收天线的回波信号x(t)。

与传统主动对消技术不同的地方是：本发明方法实现对消系统与目标的分离，可以进行一对多的电子支援，而且利用等效信道冲击响应在时间轴上的特性，可以很简单快速的构造出对消信号，不需要进行繁琐的计算。特别是在复杂环境中，信号如果采用普通传输方式会因为多径而严重受到干扰，导致对消波形不能在对消处精确还原，但是运用时间反演传输技术可以进行多径抑制，将对消波形在对消处精确还原，而且反过来利用了多径能量，同时也降低了发射天线的功耗。

本发明的有益效果是：

(1)对消信号的传输利用了时间反演技术的空时聚焦特性，将电磁能量准确传输到目标位置，降低发射机功率，不同于传统的射频对消技术，而是实现了对消设备和隐身目标的分离，可以对多目标进行远程电子支援，实现多通道的对消，降低成本；

(2)本发明利用时间反演等效信道冲击响应的性质，快速简便构造对消信号，不需要繁琐的计算过程；

(3)本发明在隐身领域有着很大的应用前景，与传统主动对消技术对消从目标刚反射出的回波信号不同，本发明直接对消敌方雷达天线接收处的回波信号；通过这项技术可以实现针对有源目标体，包括发射信号时的天线、雷达的隐身，特别是潜入对方阵地时进行电子欺骗，使得敌方不知道在被探测，同时利用时间反演技术的超分辨率特性，可以在电子对抗领域中，当我方接收机被敌方进行干扰压制的时候，通过分析干扰信号波形，建立对消信号，进行精确对消，而不引入干扰。

附图说明

图1为本发明所述的时间反演电磁对消方法的基本原理框图；

图2为本发明所述的时间反演电磁对消方法的整体流程图；

图3为本发明实施例中所采用的cst仿真模型；

图4为本发明实施例中天线2与1之间的信号；

图5为本发明实施例中天线2与3之间的信号；

图6为本发明实施例中clean算法所需的模版信号；

图7为本发明实施例中天线2与1之间的信道冲击响应；

图8为本发明实施例中天线2与3之间信号中被针对消除的一段幅值最大的信号；

图9为本发明实施例中天线2与1之间的时间反演等效信道冲击响应；

图10为本发明实施例中单独一段信号被对消后得到的信号；

图11为本发明实施例中将幅值最大的一段信号进行对消后接收机得到的整个信号。

具体实施方式

本具体实施方式具体采用如下技术方案：

一种基于时间反演电磁波传输的射频对消方法，包括以下步骤：

步骤一：在需要对消的目标区域A之外放置一个全向性天线，即“对消信号发射天线”；

步骤二：进行无线信道测量，获得无线信道的冲击响应；假设探测方雷达处布置了一个“探测信号发射天线”，利用“探测信号发射天线”发射出一个探测信号p(t)，则对消信号发射天线接收到信号s(t)，基于探测信号p(t)以及接收信号s(t)，采用clean算法可以提取信道冲击响应h(t)：

其中，L为总的多径数目，a_i和τ_i分别代表第i条多径分量的幅度和时间延迟，δ(t)为单位冲击响应函数，t代表时间；

步骤三：将信道冲击响应h(t)在时间上反转得到h(-t)，并计算自相关函数 其中代表卷积，因为h_eq(t)为函数的自相关，所以其在时域上某时刻会有一个非常突出的值，故函数h_eq(t)可近似看为一个Delta函数；

步骤四：计算信道补偿系数；因为经过等效信道后对消信号波形相似，但是由于信道衰减而导致幅度不同，为了实现信号对消就必须进行幅度补偿；根据已经得到了的冲击响应h_eq(t)，则利用h_eq(t)的最大值对h_eq(t)进行归一化，即得信号补偿系数β：

β＝1/max(h_eq(t))

为了对消目标区域A在探测方雷达探测信号下产生的回波信号x(t)，则需要在探测方雷达的接收天线处接收到一个对消信号：

其中，x(t)为目标区域A在探测方雷达探测信号下产生的回波信号，则需要构造的对消信号是-x(t)，而所以最后到达接收雷达的信号可以近似认为是-x(t)；

步骤五：在对消信号发射天线发射信号即可使得探测方雷达处接收不到回波信号x(t)。

本发明的理论基础是时间反演技术的空时聚焦原理。研究表明，时间反演等效信道具有类似delta函数的响应，本发明正是基于此性质，根据需要对消的信号，在对消信号产生天线输入端构建一个激励信号，这样就可以对消掉接收雷达处的回波信号。

下面结合附图和实施例子，详细描述本发明的技术方案。

实施例

本实施例原理图如图1所示，本实施例假设已经通过信道探测得到信道冲击响应，并在一个金属腔体内实现对接收天线某一段信号的对消，其流程如图2所示。

本发明实施例的激励信号采用脉冲信号，具体为1.5-3.5GHz的调制高斯脉冲x(t)。

按照上述要求，利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio 2012进行电磁建模与仿真，根据所设计的参数，首先建立一个金属腔体，具体参数为1000mm x 1000mm x80mm，然后在里面放置3根偶极子天线，中心频率为2.45Ghz，用以模拟在复杂多径环境下的信号传播过程，如图3所示，其中天线1为对消信号发射天线，天线2为探测方天线，天线3所在区域为需要信号对消的目标区域，本实施例具体包括以下步骤：

步骤一：带宽为1.5-3.5GHz的高斯脉冲作为原始激励信号，馈入到天线2中，让其辐射电磁波信号；

步骤二：利用天线1和天线3接收到的电磁波信号，在MATLAB中通过Clean算法得到天线2和天线1之间的等效信道冲击响应H₁(t)；

天线2和1之间的信号S₁₂如图4；天线2和3之间的信号S₃₂如图5；模板信号如图6；天线2和1之间的等效信道冲击响应H₁(t)如图7；提取信号S₃₂中幅度最强的一段S′₃₂如图8；

步骤三：获得时间反演后的冲击响应其中代表卷积；

步骤四：利用H_eq₁(t)的最大值并将其归一化得到H_eq₁'(t)如图9，可以看到这个等效信道很接近一个Delta函数，根据这个函数性质，可以很方便的构建电磁对消信号，而不用考虑信道的复杂性，从而避免进行反卷积计算；

步骤五：现在假设对天线2和3之间的某一段信号S′₃₂进行电磁对消，在matlab中进行模拟仿真，首先计算对消信号S(t)：

其中代表卷积，然后计算信号的延迟τ，将S(t)和原有信号S₃₂进行自相关，根据自相关后的值可以得到延迟τ，将对消信号附加上相应的延迟后得到S(t-τ)，然后与S₃₂进行相减，得到对消后的信号S'，如图10所示，可以看到原有信号S′₃₂的最大幅值有了明显的衰减。回波信号被对消后，将淹没在背景噪声信号中，降低了隐身目标被雷达发现的概率。虽然由于空间多径的存在，对消信号时间轴两侧会产生一些拖尾信号，但是这些拖尾信号幅度很小，不会对结果造成太大影响，特别是由于与原有信号是非相关信号，在其他位置产生叠加相消后，改变原有信号自身由于多径影响而造成的拖尾如图11。其中图11中虚线框代表对消部分。从实验结果明显可以看出回波信号的幅度最强的部分被对消了，同时整个回波信号的信息被明显改变，这就造成了敌方雷达探测我方目标的难度。此结果充分验证了本发明的可靠性和有效性，同时也证实了利用时间反演技术实现电磁对消的可行性。

Claims (3)

1.一种用于主动隐身的时间反演电磁对消方法，该方法首先在需要信号对消的目标区域之外放置一个全向性天线即对消信号发射天线，利用Clean算法提取探测方雷达探测信号与所述全向性天线之间的信道冲击响应h(t)，然后把离散的冲击响应值在对应时间轴上进行时间上的反转得响应h(-t)，再利用反转后的冲击响应对需要信号对消的目标区域在探测方信号下产生的回波信号x(t)进行调制，得到时间反演电磁脉冲回传信号其中β为信号补偿系数，最后利用所述全向性天线将时间反演电磁脉冲回传信号发射出去，通过时间反演聚焦传输，将电磁能量聚焦在探测方雷达的接收天线处，用以对消从目标区域返回到探测方雷达接收天线的回波信号x(t)。

2.根据权利要求1所述的用于主动隐身的时间反演电磁对消方法，其特征在于，所述信道冲击响应h(t)具体由以下方法获得：

探测方的信号发射天线发射出一个探测信号p(t)，则所述对消信号发射天线接收到信号s(t)，基于探测信号p(t)以及接收信号s(t)，采用clean算法即可提取信道冲击响应h(t)：

其中，L为总的多径数目，a_i和τ_i分别代表第i条多径分量的幅度和时间延迟，δ(t)为单位冲击响应函数，t代表时间。

3.根据权利要求1所述的用于主动隐身的时间反演电磁对消方法，其特征在于，所述信号补偿系数β具体由以下方法获得：

计算自相关函数其中代表卷积；

则利用h_eq(t)的最大值对h_eq(t)进行归一化，即得信号补偿系数：

β＝1/max(h_eq(t))。