CN106226746B - 基于相位调制表面的误引干扰方法 - Google Patents

基于相位调制表面的误引干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位调制表面的误引干扰方法，通过改变相位调制表面(PSS)的工作状态实现对雷达角度跟踪系统的诱骗，具体为：用相位调制表面替代干扰机；设置相位调制表面的调制频率和调制波形，调整频率选择表面的工作状态；按照误引干扰中干扰机的开机顺序和时间间隔T，对应的控制相位调制表面的工作状态，最终达到引偏测角系统的目的。本发明用无源的干扰方式实现有源干扰能够达到的干扰效果，无需干扰装置主动发射电磁波，大大降低了干扰系统被检测和打击的概率，相位调制表面制作简单、周期短、成本低，易于普及使用，灵活性高，应用范围宽，可推广至其他的干扰方式，如用相位调制表面实现交叉眼干扰等。

Description

基于相位调制表面的误引干扰方法
技术领域
本发明属于雷达干扰领域。具体涉及到雷达无源欺骗干扰技术，更进一步来说是针对单脉冲角度测量跟踪系统，提出一种基于相位调制表面的无源误引干扰方法。
背景技术
导弹末制导雷达一般采用先进的单脉冲角度跟踪系统，这种测角方式仅需一个回波脉冲就可测定目标角位置的全部信息，具有较强的抗角度欺骗干扰能力，同时具备跟踪目标快，测角精度高等优势，一般的压制干扰和欺骗干扰很难奏效，如何更好实现对单脉冲雷达的有效干扰一直是雷达对抗领域的热点和难点。
现有研究表明，可以通过两(多)点源的干扰对单脉冲雷达实施有效的角度欺骗干扰，破坏其角跟踪功能。这种方法通过在雷达的角度分辨单元内设置两个或两个以上的干扰源，实现对单脉冲雷达的相干或非相干角度欺骗。典型的两(多)点源干扰方式有拖曳式雷达诱饵、交叉眼干扰以及误引干扰等。一般而言，既可以用有源干扰机也可用无源干扰设备对单脉冲雷达实施两(多)点角度欺骗干扰。
有源两(多)点源干扰使用电磁干扰设备，发射强烈的干扰信号，扰乱或破坏对方雷达的正常工作，达到削弱和降低其作战效能的目的。先进的有源干扰方式是近几年来雷达对抗的研究热点之一，通过时域、相位或运动调制，有源干扰能对雷达系统形成较好的压制或欺骗性干扰效果。另一个角度看，由于有源干扰需要干扰机主动发射电磁信号，致使干扰源易被敌方探测雷达发现并遭受打击。此外，有源干扰方式也存在着结构复杂、反应时间延迟，干扰信号形成难度大等固有缺点，限制了有源干扰的应用范围。
相比之下，采用无源材料实现对抗和干扰有着结构简单、反应速度快，无需主动辐射电磁波等显著优点，一直是战场防护的有效途径。箔条、金属角反射器以及吸波材料等都是雷达无源干扰的重要手段，这些无源无源干扰技术对提高目标战场生存能力具有十分重要的意义。然而，传统的雷达无源干扰手段一旦成型，其谐振频率、工作带宽等电磁特性均无法改变，很难灵活适应外部电磁环境的变化和干扰效果的动态控制。上世纪90年代，英国Sheffield大学Berry Chambers和Alan Tennant教授提出一种性能灵活可控的新型雷达吸波材料：相位调制表面(Phase-Switched Screen，简称PSS)，并证明利用PSS对反射回波施加二进制相位调制的方式，可实现了良好的目标隐身效果。考虑到PSS对于雷达回波信号的调制作用，PSS也可作为一种干扰设备实现对雷达的电子干扰。在工作原理上PSS的有源阻抗层需要加电工作，是一种有源器件。但从雷达系统的角度，它不会主动向外辐射干扰电磁波，因此PSS可视为一种无源器件，通过对其参数的优化和设计，甚至能够实现速度、角度和距离上的联合欺骗干扰效果。文章(Letao Xu,Dejun Feng,Xuesong Wang.Improvedsynthetic aperture radar micro-Doppler jamming method based on phase-switchedscreen[J],IET Radar,Sonar&Navigation,2016,10(3)：525–534)提出了一种基于相位调制表面的合成孔径雷达微多普勒干扰方法，该方法利用PSS的优点，对微多普勒干扰进行改进，理论分析和仿真实验均表明，通过控制调制信号的频率和波形可以展宽距离向的干扰条带。文章(Letao Xu,Dejun Feng,et al.High-resolution range profile deceptionmethod based on phase-switched screen[J],DOI10.1109/LAWP.2016.2521778,IEEE,Antennas and Wireless Propagation Letters)提出一种基于相位调制表面的HRRP欺骗方法，这种方法利用PSS对雷达反射信号施加相位调制，在真实目标周围产生具有逼真HRRP特性的多假目标，同时由于多假目标的遮盖效应，加大了雷达探测真实目标的难度。简言之，基于相位调制表面所实现的电子干扰方法能够达到良好的欺骗干扰效果，具有广阔的应用前景。
本发明立足于相位调制表面可动态控制特性及其在电子干扰领域的可行性，针对导弹末制导雷达单脉冲角度测量跟踪系统，提出基于相位调制表面的误引干扰方法，该方法利用无源的干扰方式实现角度闪烁欺骗干扰效果，在动态的控制干扰效果的同时也能够降低干扰系统被打击的概率。
目前针对单脉冲角度跟踪测量系统，应用最为有效的干扰方法是闪烁干扰和交叉眼干扰，从本质上讲误引干扰属于多点源的闪烁干扰，能够有效对主动雷达导引头进行角度欺骗干扰。目前误引干扰大多利用干扰机组主动发射电磁波信号诱偏雷达角度跟踪系统，干扰效果明显。然而由于需要干扰机主动发射电磁信号使得整个干扰系统被发现和打击的概率也明显提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种基于相位调制表面的误引干扰方法，利用相位调制表面对信号的调制特性和动态可控性，用无源的方式实现角度误引干扰效果，大大降低干扰系统被打击的概率。
本发明的技术方案是：
一种基于相位调制表面的误引干扰方法，是通过改变相位调制表面(PSS)的工作状态实现对雷达角度跟踪系统的诱骗，具体包括以下步骤：
步骤一，用相位调制表面替代干扰机：将多个相位调制表面分布在预定的误引方向上，其中任意相邻的两块相位调制表面相对雷达的张角均小于雷达的角度分辨；
步骤二：设置相位调制表面的调制频率和调制波形，使得第一块相位调制表面相对雷达接收机处于干扰工作状态，其他相位调制表面则处于隐身工作状态；此时，第一块相位调制表面与真实目标一起构成两点源，对雷达接收机实施两点源角度欺骗，通过调整干扰源的反射回波能量，诱使雷达跟踪Jp1；
步骤三：在第一块相位调制表面工作时间T后，调整第二块相位调制表面到干扰工作状态，其他PSS状态不变，诱使雷达跟踪Jp1和Jp2的质心；
步骤四：待雷达稳定跟踪Jp1和Jp2的质心后，调整Jp1工作在隐身状态，其他PSS状态不变，诱使雷达跟踪Jp2；
步骤五：此后调整Jp3工作在干扰状态，诱使雷达跟踪Jp2和Jp3质心…，如此继续，直到最后一块PSS工作在干扰状态后完成整个干扰过程，诱使雷达偏离真实目标一定角度。
进一步地，设置相位调制表面的调制频率和调制波形，当调制信号频率相对较低时，反射回波能量大部分落于雷达接收机带宽之内，使得相位调制表面相对雷达接收机处于干扰工作状态；当调制信号频率相对较高时，反射回波能量落在接收机带宽之外，此时PSS对雷达来讲处于“不可见”状态，相位调制表面相对雷达接收机处于隐身工作状态。
进一步地，在所述误引干扰的同时，也可以根据需要对角度跟踪系统实施同步或异步闪烁干扰。
本发明的适用对象是采用单脉冲角度跟踪系统的雷达。
本发明的工作原理如下：
1、误引干扰原理：误引干扰主要用于保护目标免受末制导雷达和反辐射导弹的攻击，由干扰机组相互配合实现干扰目标，干扰机各自分布在预定的误引方向上，其中任意相邻的两块PSS相对雷达的张角均小于雷达的角度分辨力。实施干扰过程如下：首先由J1开机干扰，诱使雷达跟踪J1；然后J2开机，诱使雷达跟踪J1和J2的质心，再使J1关机，诱使雷达跟踪J2，以后J3开机，……，如此继续直到Jn关机，诱使雷达跟踪到预定的误引方向。
2、相位调制表面原理：假设图1是一个由有源屏和导体背板组成的无限大平面结构。有源开关屏是一种可以在全阻和全通两种状态下实时转换的电磁波屏。入射电磁波为单位幅度、频率为ω的正弦波，当有源屏在全阻状态时，入射电磁波遇到有源屏就被完全反射，可表示为cos(ωt)，有源屏在全通状态时，入射波遇到有源屏后的导体表面后发生反射，反射波可表示为cos(ωt+2βd)，其中β＝2π/λ，λ为自由空间波长。如果该有源屏在某一调制函数的控制下状态(全阻和全通两种状态)不间断的发生转换，那么发射信号将表现为受到相位调制的形式。现有研究表明有源屏的调制频率和信号形式是影响相位调制表面工作状态的主要因素，本发明正是立足于此，通过改变相位调制表面的工作状态实现对雷达角度跟踪系统的诱骗。
本发明的核心思想是利用相位调制表面固有的动态可控性，即当调制信号频率相对较低时，反射回波能量大部分落于雷达接收机带宽之内，实现干扰效果；当调制信号频率相对较高时，反射回波能量落在接收机带宽之外，此时PSS对雷达来讲处于“不可见”状态，实现隐身效果。因此可用PSS替代传统误引干扰方法中的干扰机，对反射信号施加相位调制，通过控制调制信号的频率和波形控制反射回波对雷达接收机的“可见性”，进一步实现角度的逐级引偏。相对于雷达接收机，干扰系统中的每一块相位调制表面都可以产生“时隐时现”的闪烁干扰效果。
本发明的有益效果体现在以下几个方面：
第一，巧妙利用相位调制表面对反射信号施加二进制相位调制的方式，实现PSS工作状态的连续转换，用无源的干扰方式实现有源干扰能够达到的干扰效果；
第二，本发明无需干扰装置主动发射电磁波，大大降低了干扰系统被检测和打击的概率；
第三，相对于有源干扰系统，相位调制表面制作简单、周期短、成本低，易于普及使用，兼具其他无源干扰方式的优点。
第四，本发明灵活性高，应用范围宽，可推广至其他的干扰方式，如用相位调制表面实现交叉眼干扰等。
附图说明
图1是单层相位调制表面结构示意图；
图2是包含具体参数的基于相位调制表面的误引干扰示意图；
图3是PSS干扰状态下发射信号和回波信号频谱对比图；
图4是PSS隐身状态下发射信号和回波信号频谱对比图；
图5是目标与PSS构成两点源情况下的测角误差曲线图；
图6是两块PSS构成两点源情况下的测角误差曲线图；
具体实施方式
本发明适用对象是采用单脉冲角度跟踪系统的雷达。下面结合附图，以X波段雷达系统为例，对本发明所提出的方法做进一步解释。假设发射信号是中心频率为fc＝10GHz(λ＝3.0cm)的线性调频脉冲信号；带宽BW＝30MHz；脉宽Tp＝20us；天线3dB波束宽1.4°；目标距接收机垂直距离R＝500m，俯仰角α＝30°。图2给出包含具体参数的基于相位调制表面的误引干扰示意图(仅考虑俯仰向，方位向同理)，本发明具体涉及以下几个步骤：
步骤一：根据所要干扰的雷达系统参数和PSS的工作原理，设置PSS尺寸为S×S＝20λ×20λ＝60cm×60cm，其中S为PSS的边长；同时设置PSS的导体背板和有源开关屏之间的距离将多个相位调制表面分布在预定的误引方向上，其中任意相邻的两个干扰相对雷达的张角均小于雷达的角度分辨力，根据系统参数可知相邻两块相位调制表面相距为保证良好的干扰效果，设计时取d1＝d2＝20m，其中d1为第一个干扰源到目标的距离，d2为相邻干扰源之间的距离；
步骤二：设置相位调制表面的调制频率和调制波形，调整频率选择表面的工作状态。当调制信号频率较高、占空比为0.5时，反射回波信号能量大部分落于接收机带宽之外，相对于雷达接收机PSS表现为隐身特性；当调制信号频率较低、占空比小于0.5时，反射回波信号能量大部分落于接收机带宽之内，由于频谱搬移效果，导致PSS表现为干扰特性。具体参数如下：
(1)工作在干扰状态：相位调制表面有源屏调制信号频率fm＝10MHz，调制信号脉宽占空比经相位调制表面反射回波信号频谱如图3所示。
(2)工作在隐身状态：相位调制表面有源屏调制信号频率fm＝50MHz，调制信号脉宽占空比经相位调制表面反射回波信号频谱如图4所示。
步骤三：按照误引干扰中干扰机的开机顺序和时间间隔T(1～6S)，对应的控制相位调制表面的工作状态，最终达到引偏测角系统的目的。
下表以6块相位调制表面为例给出误引干扰实施过程，1表示PSS工作在干扰状态，0表示PSS工作在隐身状态。
表1相位调制表面实施误引干扰过程
以上步骤给出了本发明的具体实施方式，下面给出以上参数设置方式下的测角误差曲线。
图5是第一块相位调制表面工作在干扰状态，与真实目标一起构成两点源的测角误差曲线，其中干扰源信号和目标信号强度比为2，干扰信号和目标分别位于单脉冲测角系统等信号轴的0.1°和-0.1°位置处；
图6相邻两块相位调制表面工作在干扰状态，构成两点源欺骗干扰的测角误差曲线，其中两个干扰源信号强度比为2：2：8，两块干扰源分别位于单脉冲测角系统等信号轴的0.1°和-0.1°位置处。
从图5能够看出当PSS与真实目标构成两点源时，能够实现对测角系统的诱骗，随着两者之间的相位差偏离，测角误差逐渐增大，即偏离真实目标的角度逐渐增大；此外对比相同情况下单脉冲测角经典先偏差曲线可以发现，由于PSS的固有特性，导致测角误差与典型的两点源对测角所引起误差的变化趋势完全不同，有着天然对抗干扰识别的效果；
从图6能够看出当相邻两块PSS同时工作在干扰状态，能够通过调调整两者的幅度控制诱骗角度，使雷达跟踪两者的质心；同时将图6与同情况下单脉冲测角经典先偏差曲线对比可以发现两块PSS的干扰效果和普通两点源所引起的角度偏差效果相同，这是由于在单脉冲测角原理与发射以及回波信号的形式无关，可以逼真的模拟两点源，证明用PSS作为欺骗干扰器件的可行性。
综上分析，可以得出以下结论：利用相位调制表面代替干扰机能够实现误引干扰的效果，又能降低干扰系统被打击的概率。此外，由于每一块相位调制表面的工作状态都可以独立控制，利用这一点，在误引干扰的同时也可以根据需要对角度跟踪系统实施同步或异步闪烁干扰，具有研究意义。另，根据实际待干扰的雷达系统参数，可以调整本发明的具体参数，而不必拘泥于这一个小的参数范围。

Claims (4)

1.基于相位调制表面的误引干扰方法，其特征在于，通过改变相位调制表面的工作状态实现对雷达角度跟踪系统的诱骗，具体包括以下步骤：
步骤一，用相位调制表面替代干扰机：将多个相位调制表面分布在预定的误引方向上，其中任意相邻的两块相位调制表面相对雷达的张角均小于雷达的角度分辨；
步骤二：设置相位调制表面的调制频率和调制波形，使得第一块相位调制表面相对雷达接收机处于干扰工作状态，其他相位调制表面则处于隐身工作状态；此时，第一块相位调制表面与真实目标一起构成两点源，对雷达接收机实施两点源角度欺骗，通过调整干扰源的反射回波能量，诱使雷达跟踪Jp1；
步骤三：在第一块相位调制表面工作时间T后，调整第二块相位调制表面到干扰工作状态，其他PSS状态不变，诱使雷达跟踪Jp1和Jp2的质心；
步骤四：待雷达稳定跟踪Jp1和Jp2的质心后，调整Jp1工作在隐身状态，其他PSS状态不变，诱使雷达跟踪Jp2；
步骤五：此后调整Jp3工作在干扰状态，诱使雷达跟踪Jp2和Jp3质心，待雷达稳定跟踪Jp2和Jp3的质心后，调整Jp2工作在隐身状态，其他PSS状态不变，诱使雷达跟踪Jp3，如此继续，直到最后一块PSS工作在干扰状态后完成整个干扰过程，诱使雷达偏离真实目标一定角度。
2.如权利要求1所述的基于相位调制表面的误引干扰方法，其特征在于，设置相位调制表面的调制频率和调制波形，当调制信号频率相对较低时，反射回波能量大部分落于雷达接收机带宽之内，使得相位调制表面相对雷达接收机处于干扰工作状态；当调制信号频率相对较高时，反射回波能量落在接收机带宽之外，此时PSS对雷达来讲处于“不可见”状态，相位调制表面相对雷达接收机处于隐身工作状态。
3.如权利要求1所述的基于相位调制表面的误引干扰方法，其特征在于，在所述误引干扰的同时，也可以根据需要对角度跟踪系统实施同步或异步闪烁干扰。
4.如权利要求1所述的基于相位调制表面的误引干扰方法，其特征在于，其适用对象是采用单脉冲角度跟踪系统的雷达。
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