CN105629208B - 一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器 - Google Patents

一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，包括四象限相位调制表面、旋臂、转台、电机、相位调制表面数字控制器和电机数字控制器。调制表面由一块底板和四个侧板组成，底板和侧板均由调制表面构成，四个侧板均垂直固定在底板上，四个侧板与底板共形成四个类三面角反射器结构。调制表面固定在旋臂上，旋臂与转台固定连接，转台与电机电连接，电机与电机数字控制器电连接，底板和四个侧板与数字控制器电连。旋臂远离转台一端用于承载调制表面；连接在转台上的旋臂受到转台控制，受转台驱动而发生转动；转台的旋转受电机驱动，旋转速度受到电机数字控制器的控制，调制表面数字控制器用于控制四象限相位调制表面的反射特性。

Description

一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器
【技术领域】
本发明属于合成孔径雷达图像调制领域。具体涉及到利用相位调制表面改进传统合成孔径雷达一维图像调制器，更进一步来说是设计一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维雷达图像调制器。
【背景技术】
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有对地面目标进行全天时、全天候二维高分辨成像的能力，是战略侦察和战场监视系统的重要组成部分。目前各国已经部署的SAR包括：“捕食者”无人机上的Lynx系统、“全球鹰”无人机上的HISAR、法国“鹰眼”无人机平台上的I-Master、德国的TerraSAR、加拿大“Radarsat 2”上的星载SAR系统等等。为有效应对SAR的不断发展和应用，限制其对军事或民用目标的探测能力，相应的SAR图像调制器应运而生，这种调制器能够在SAR图像上产生虚假图像，从而掩盖和保护真实目标不被SAR发现。现有的SAR图像调制器主要分为有源图像调制器和无源图像调制器两大类。
有源调制器需要在精确测得SAR信号参数的基础上，按照需要生成虚假图像的特性产生相应的SAR调制信号，设备量复杂且对发射功率有一定要求，成本较高。无源调制本身不发射任何能量，通过将箔条、角反射器和等离子体等散射体布置于特定地域，可以破坏SAR接收信号特性，使SAR无法对被保护目标正确成像。相对于有源调制，无源调制具有易实施、低成本等优势。
国防科技大学王雪松教授于2010年提出的利用微多普勒现象制造SAR无源干扰器(专利号：ZL 2010 2 0119783.2)属于一种十分有效的SAR无源一维图像调制器。这种无源调制器借助微多普勒现象造成SAR图像在方位向扩展，可以在SAR图像的方位向形成虚假图像，从而遮挡需要保护的地面目标。然而，这种图像调制器的主要不足在于：单个图像调制器只能产生沿方位向分布的虚假图像，虚假图像被限制在图像调制器所在的距离单元内，相当于只能产生一维图像调制，保护面积有限。为扩大此类图像调制器的虚假图像面积，西安电子科技大学的孙广才(一种新的无源压制性SAR干扰方法，电子与信息学报[J]，2009，31(3)，610-613)提出采用沿距离向布置的、多个一维图像调制器器组成的阵列以扩大虚假图像面积，实现二维虚假图像调制。但是，当SAR分辨率较高或所需虚假图像较大时，调制器阵列中需要的单个一维调制器数量较大，在实际中难于快速布置，调制效果难以得到保证。综上，传统SAR一维图像调制器的应用范围受到了一定的限制。
相位调制表面(phase switched screen,PSS)最早由英国Sheffield大学的BarryChambers教授和Alan Tennant教授共同提出。该表面可对入射到其上方的雷达信号进行频谱调制，使反射信号的频谱落于雷达接收机通带之外，最终降低被保护目标的雷达散射截面积。经过十多年的研究，相位调制表面技术已趋于成熟，并广泛应用于雷达目标隐身领域。考虑到相位调至表面能够对电磁波进行频率调制，因此可以利用这一特性设计改进传统的SAR一维图像调制器，使得调制器器产生的虚假图像不仅沿方位向扩展还可以沿距离向扩展，我们称之为二维图像调制器。虚假图像的有效面积得到有效增加，进一步增强了无源调制器对SAR的对抗能力。目前，在国内外尚未发现利用PSS制造SAR图像调制器的任何文献或报道。
【发明内容】
本发明针对现有SAR一维图像调制器的不足，提供一种基于相位调制表面的SAR二维图像调制器。单个这种图像调制器可以在SAR图像的距离向和方位向同时生成虚假图像，掩盖被保护目标的SAR图像或破坏其特征。同传统SAR一维调制器相比，新型调制器可以利用单个调制器产生既具有方位向分布又同时具有距离向的二维虚假目标，成本较低，易于控制和实现，在实际使用中布放简单。
本发明的技术方案是：一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，包括四象限相位调制表面、旋臂、转台、电机、相位调制表面数字控制器和电机数字控制器。
其中，四象限相位调制表面由一块底板和四个侧板组成，底板和侧板均由相位调制表面构成，四个侧板均垂直固定在底板上，四个侧板与底板共形成四个类三面角反射器结构。上述四象限相位调制表面固定在旋臂上，旋臂与转台固定连接，转台与电机电连接，电机与电机数字控制器电连接，底板和四个侧板与相位调制表面数字控制器电连接。
旋臂远离转台一端用于承载四象限相位调制表面；连接在转台上的旋臂受到转台控制，受转台驱动而发生转动；转台的旋转受电机驱动，旋转速度受到电机数字控制器的控制，相位调制表面数字控制器用于控制四象限相位调制表面的反射特性。
当四象限相位调制表面处于不工作状态时，根据微多普勒理论，旋转的四象限相位调制表面会在SAR方位向形成一维虚假目标。当四象限相位调制表面处于工作状态时，由相位调制表面构成的底板和侧板通电受到相位调制表面数字控制器输入信号控制，会对SAR信号进行调制，进而将沿SAR图像方位向分布的一维虚假图像扩展到既沿距离方向又沿方位向分布的二维虚假图像。
本发明可达到的效果和优点是：与传统SAR一维图像调制器相比，采用相位调制表面的新型SAR二维图像调制器不仅可以在SAR图像上产生方位向虚假图像，还可以同时在距离向上形成虚假图像，距离向虚假图像分布可达上千米，能够掩护重要地面目标，降低地面目标被SAR发现和识别的概率，提高地面目标生存能力。该新型调制器具有样式灵活、适用范围宽、研制/维护成本低、不需大规模布置等优点。
【附图说明】
图1是基于相位调制表面的SAR二维图像调制器两臂实施例组成示意图。
图2是四象限相位调制表面的立体结构图。
图3是无调制条件下SAR图像。
图4是传统一维图像调制器对SAR的调制效果图。
图5是本发明提出的二维图像调制器对SAR的调制效果图。
图中标号所述如下：
1.四象限相位调制表面；2.旋臂；3.转台；4.电机；
5.四象限相位调制表面底板；6.四象限相位调制表面侧板一；
7.四象限相位调制表面侧板二；8.四象限相位调制表面侧板三；
9.四象限相位调制表面侧板四。
【具体实施方式】
下面以两旋臂为例，结合附图对本发明进一步说明。
在本发明实施过程中，首先要完成二维图像调制器的设计制作。在图1所示二维图像调制器的组成示意图中，四象限相位调制表面1与旋臂2固定在一起。旋臂2一端插入转台3内,并与其固定在一起。转台3由电机4驱动，可水平旋转。
图1所述的实例中，旋臂的数目为两个，实际中可以为三个、四个、五个等。各旋臂绕旋转轴均匀间隔分布，相邻旋臂的夹角φ为：
其中，π为圆周率，N为旋臂数目。
图2是四象限相位调制表面的结构图。本实例中选择的四象限相位调制表面底板5为正方形，四象限相位调制表面侧板一6、四象限相位调制表面侧板二7、四象限相位调制表面侧板三8、四象限相位调制表面侧板四9均为等腰直角三角形。四象限相位调制表面侧板一、四象限相位调制表面侧板二、四象限相位调制表面侧板三、四象限相位调制表面侧板四的直角边长等于底板的对角线长的一半，四象限相位调制表面侧板一、四象限相位调制表面侧板二、四象限相位调制表面侧板三、四象限相位调制表面侧板四沿底板对角线垂直固定在底板上。
在实际使用时，应预先将制作完成的二维图像调制器布置在需要产生调制图像的地面上。电机接通电源开始工作，两个旋臂带动四象限相位调制表面1随旋臂在电机驱动下水平旋转。与此同时，四象限相位调制表面1也接通电源开始工作。上述使用步骤中涉及到一些工作参数选择的问题，下面给予说明(假设各参数均采用国际标准计量单位)：
1.旋转频率
旋臂的旋转频率可以依据需要达到的调制效果来选择。若需要在SAR方位向形成的虚假图像的间距为ΔR，则旋转频率为fm，可计算如下：
其中，Va为SAR平台的运动速度，λ为SAR的工作波长，R0为SAR成像的中心斜距离。
2.旋臂长度
旋臂的臂长r可以依据虚假图像在SAR图像方位向需要覆盖的长度以及旋臂的旋转频率设定。若需要假目标覆盖总长度为L，旋转频率为fm，则旋臂长r为：
一般，L≤2Ls，Ls为合成孔径长度。
3.四象限相位调制表面大小
四象限相位调制表面大小决定了对SAR图像调制的强弱程度。对不同波段的SAR，四象限相位调制表面的大小要求不同。通常需要对抗的雷达波段越低，则四象限相位调制表面的尺寸需要越大。如对L波段SAR，四象限相位调制表面侧板直角边长通常须大于0.5米，对毫米波SAR，四象限相位调制表面的侧板直角边长通常须大于0.1米。
4.四象限相位调制表面数字控制器编码格式及切换频率
四象限相位调制表面数字控制器采用伪随机编码序列，编码序列的切换频率设定为小于SAR带宽，一般带宽的百分之一至五分之一之间，例如：SAR带宽为500MHz时，设定切换频率为5MHz。
下面结合实验结果，对本发明的基本原理和特性做进一步解释说明。SAR工作在条带模式，速度为117.5m/s，发射信号载频9.6GHz，带宽70.3MHz，脉宽20us，脉冲重复周期为1ms，图3是无调制条件下SAR图像。我们将传统的一维图像调制器布置在距离向8500m、方位向0m的位置处，其工作后对SAR图像造成的影响如图4所示，可以看出，在距离单元8500m处产生沿方位向分布的一维虚假图像，这与传统方法中的理论分析一致，但虚假图像在沿距离向几乎无扩展，能够遮蔽的地面目标面积有限。
图5是采用本专利提出的基于四象限相位调制表面的SAR二维图像调制器后的SAR图像。二维图像调制器同样布置在距离向8500m、方位向0m的位置处。设定二维图像调制器的旋转频率为0.88Hz，旋臂长度为1m，四象限相位调制表面大小为0.3m，相位调制表面切换频率为0.7MHz。从图5中可以看出，虚假图像沿距离向产生了扩展，虚假图像的有效面积得以有效扩大，被虚假图像覆盖的地面目标无法从SAR图像上辨识。因此，本专利提出的新型调制器可以实现虚假图像的距离向扩展，其有效性得到了证明。

Claims (8)

1.一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：包括四象限相位调制表面、旋臂、转台、电机、相位调制表面数字控制器和电机数字控制器；
所述四象限相位调制表面由一块底板和四个侧板组成，底板和侧板均由相位调制表面构成，四个侧板均垂直固定在底板上，四个侧板与底板共形成四个类三面角反射器结构；
所述四象限相位调制表面固定在旋臂上，旋臂与转台固定连接，转台与电机电连接，电机与电机数字控制器电连接，底板和四个侧板与相位调制表面数字控制器电连接；
所述旋臂远离转台一端用于承载四象限相位调制表面；连接在转台上的旋臂受到转台控制，受转台驱动而发生转动；转台的旋转受电机驱动，旋转速度受到电机数字控制器的控制，相位调制表面数字控制器用于控制四象限相位调制表面的反射特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：旋臂绕旋转轴均匀间隔分布，相邻旋臂的夹角φ为：
其中，π为圆周率，N为旋臂数目。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：四象限相位调制表面底板为正方形，四个侧板为等腰直角三角形。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：四个侧板的直角边长等于底板的对角线长的一半。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：若需要在合成孔径雷达SAR方位向形成的虚假图像的间距为ΔR，则旋转频率为fm，计算如下：
其中，Va为SAR平台的运动速度，λ为SAR的工作波长，R0为SAR成像的中心斜距离。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：若需要假目标覆盖总长度为L，旋转频率为fm，则旋臂长r为：
L≤2Ls，Ls为合成孔径长度。
7.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：四象限相位调制表面侧板直角边长大于0.5米，对毫米波合成孔径雷达SAR，四象限相位调制表面的侧板直角边长大于0.1米。
8.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的合成孔径雷达二维图像调制器，其特征在于：当四象限相位调制表面处于不工作状态时，旋转的四象限相位调制表面会在合成孔径雷达SAR方位向形成一维虚假目标；当四象限相位调制表面处于工作状态时，由相位调制表面构成的底板和侧板通电受到相位调制表面数字控制器输入信号控制，会对合成孔径雷达SAR信号进行调制，进而将沿合成孔径雷达SAR图像方位向分布的一维虚假图像扩展到既沿距离方向又沿方位向分布的二维虚假图像。
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