CN107807349B - 一种虚假二维群目标无源生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种虚假二维群目标无源生成方法：一：雷达侦察与发射信号参数获取；二：电控PSS安装与设计；三：PSS间歇调制信号的确立；四：虚假二维群目标生成。本发明有益效果：创新性地提出了利用电控PSS无源器件实现了虚假二维群目标的生成方法。实现了对虚假二维群目标距离向和方位向的灵活控制、控制距离向群目标的间距以及数量、控制方位向群目标的间距和数量、实现了对虚假二维群目标距离向和方位向的能量控制、解决了假目标随着阶数的增大出现能量迅速衰减和真实目标位置能量消隐等问题。目标电磁特性调制过程实时完成且更加精确，其回波属于具有强散射系数的真实目标，雷达方很难通过常规的信号处理技术进行消除。

Description

一种虚假二维群目标无源生成方法

【技术领域】

本发明一种虚假二维群目标无源生成方法，属于成像雷达二维图像调制领域。具体涉及到对成像雷达的电控二维无源干扰，更进一步来说是一种基于相位调制表面的成像雷达二维虚假群目标无源生成方法。

【背景技术】

成像雷达具有对战场高价值目标进行全天时、全天候的二维高分辨成像能力，是侦察打击一体化平台探测目标并引导武器系统摧毁目标的重要组成部分。伴随着当今电子信息技术的迅猛发展，成像雷达系统效能和侦察性能还在不断提升，为躲避敌方察打一体实现目标的精确遮蔽，发展战场高价值目标的“电子软猬甲”具有重大理论价值和实用前景。

群目标是指雷达天线波束宽度内在时域、频域和空域上难以分辨的一类多目标的集合。因此，虚假群目标生成技术是雷达电子战领域保护战场高价值目标的有效手段，已经成为近年来的研究热点。传统的虚假群目标二维生成技术大多采用有源的方式生成，具有以下两点不足：一方面，虚假目标逼真度不足，为使产生的假目标特征贴近真实目标，要求真实目标的实时散射特性精确可知，这在实际应用中难以实现；另一方面，对干扰机转发信号的相干性有很高的要求，需要复杂干扰设备来实现。而若虚假群目标采用无源的方式生成，又存在着灵活性不足、干扰效果有限等诸多局限性。

作为一种特殊的无源干扰手段，隐身技术通过减小目标的电磁散射对抗雷达对目标的探测和打击，实现自我防护。相位调制表面(phase switched screen,PSS)作为一种新型的雷达吸波材料，广泛应用雷达目标隐身领域，不同于传统吸波材料，相位调制表面并不真正吸收电磁波能量，而是通过对入射电磁波施加相位调制的方式实现频谱搬移的效果，使其反射信号的频谱落于整个接收机带宽之外。另一方面，相位调制表面也可以作为一种无源干扰器件，对入射到其表面的电磁波施加相位、极化、频域、微动等调制实现不同的干扰效果。

国防科学技术大学相关人员于2015年开展PSS在电子干扰方面的研究，其中包括徐乐涛、冯德军等人首先研究了相位调制表面回波对雷达匹配滤波特性的影响，在此基础上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。同年又提出一种基于相位调制表面的HRRP欺骗方法，该方法利用PSS对雷达反射信号施加相位调制可以在真实目标周围产生具有逼真HRRP特性的多假目标。现有研究表明，基于相位调制表面所实现的电子干扰方法能够实现一维高分辨距离像欺骗和二维微动压制，但在二维多假目标干扰方面，缺乏深入和系统的研究。

本发明立足于此，提出了一种基于相位调制表面的虚假二维群目标无源生成方法。该方法通过对相位调制表面占空比进行随慢时间的周期调制生成虚假二维群目标，通过改变调制波形的占空比大小控制干扰的能量分布，其成果丰富了PSS在电子对抗方面的相关应用。

【发明内容】

本发明的目的在于对现有虚假群目标生成技术存在的不足，提出了一种新的基于相位调制表面虚假二维群目标无源生成方法，既解决了传统有源生成方法虚假目标逼真度不足和干扰设备复杂等问题，又弥补了无源生成方法灵活性、干扰效果等不足，同时该方法实现成本较低，易于控制和实现。

本发明一种虚假二维群目标无源生成方法，是一种电控无源调制方法，可以对成像雷达实时响应，且不主动向外界辐射电磁能量，大大降低了被暴露的风险，其设计思想是：将电控PSS安装在被保护目标表面，依据雷达发射信号参数选取合适的开关控制周期、占空比随慢时间变换周期和占空比的大小，通过开关间歇性的通断控制，使保护目标回波信号经雷达处理后产生具有逼真特征的虚假二维群目标，且灵活控制了距离向和方位向的干扰能量分布。

为实现上述虚假二维群目标干扰过程，具体工作流程是如图1所示，首先由侦察系统获取雷达的相关参数，并将其反馈到控制系统，根据相关参数安装和设计电控PSS，并根据需要的干扰效果，调制波形产生器产生相应的调制波形，并作用于PSS。为实现上述虚假二维群目标干扰过程，本发明一种虚假二维群目标无源生成方法，采用如下步骤实现：

步骤一：雷达侦察与发射信号参数获取

在实际应用中，电控相位调制表面(PSS)需要根据环境变化的信息进行判断、处理和反应，以实现特定的干扰效果，这离不开情报侦察系统和电子侦察系统的共同协助。因此需要利用情报侦察和电子侦察系统，获得雷达发射信号和目标的基本参数：包括载频f₀、脉宽T_p、调制频率K_r、信号带宽B、目标距离R₀、目标长度L_r、目标宽度L_a、目标速度v和合成孔径时间T_L，通过计算得到方位向多普勒带宽B_m＝2f₀v²T_L/cR₀，方位向调频率为K_a＝B_m/T_L,c为光速。

步骤二：电控PSS的安装与设计

电控PSS由主动屏、介质层和金属导体背板组成，通常安装在被保护目标表面，其基本原理如图1所示，其中主动屏与导体背板的间距为雷达信号波长的四分之一。主动屏为电控人工周期结构材料构成：通电时，主动屏表现为对入射电磁波的全透射，电磁波穿过介质材料在金属地板进行全反射；不通电时，主动屏对入射电磁波全反射，相比于通电时少了二分之一个波长，因此PSS结构等效于对入射雷达信号乘以一个幅度在+1和-1之间切换的双极性矩形脉冲信号。介质层通常为介电常数为1的材料，同时起到支撑连接主动屏和金属导体背板的作用。金属导体背板紧贴被保护目标，和介质层和主动屏共同实现对雷达入射信号的调制。

步骤三：PSS间歇调制信号的确立

PSS将步骤一获取的雷达发射信号的参数(信号载频、脉宽、带宽等)反馈给调制波形产生器，调制波形产生器产生出相应的调制波形，并作用于入射信号，以此实现相应的干扰效果。

步骤四：虚假二维群目标生成

雷达发射信号经过电控PSS调制后反射并被雷达接收到，接收到的信号经成像雷达进一步处理后，在真实目标位置周围处出现对称分布的逼真虚假二维群目标，即实现了本文所提发明方法的有效性。

本发明的有益效果在于：

第一，创新性地提出了利用电控PSS无源器件实现了虚假二维群目标的生成方法，拓展了电控PSS在电子干扰方面的应用。

第二，通过电控无源的方法实现了对虚假二维群目标距离向和方位向的灵活控制，通过改变PSS调制频率控制距离向群目标的间距以及数量，通过改变占空比随慢时间变换周期控制方位向群目标的间距和数量，通过改变占空比的大小实现了对虚假二维群目标距离向和方位向的能量控制，其能量利用率较高，并且解决了假目标随着阶数的增大出现能量迅速衰减和真实目标位置能量消隐等问题。

第三，通过电控无源生成的虚假二维群目标解决了传统有源生成方法虚假群目标逼真度的不足，目标电磁特性调制过程实时完成且更加精确，其回波属于具有强散射系数的真实目标，雷达方很难通过常规的信号处理技术进行消除。

【附图说明】

图1虚假二维群目标生成流程图。

图2电控PSS安装设计示意图。

图3(a)、(b)电控PSS调制波形示意图。其中，图3(a)为PSS周期调制示意图，图3(b)为方位向周期调制示意图。

图4无干扰条件下真实目标场景图。

图5虚假二维群目标效果图(f_s＝20MHz,f_m＝19Hz,β＝0.75)。

图6虚假二维群目标效果图(f_s＝20MHz,f_m＝19Hz,β＝0.6)。

图7虚假二维群目标效果图(f_s＝20MHz,f_m＝19Hz,β＝0.9)。

图8虚假二维群目标效果图(f_s＝30MHz,f_m＝19Hz,β＝0.75)。

图9虚假二维群目标效果图(f_s＝20MHz,f_m＝13.3Hz,β＝0.75)。

【具体实施方式】

为了更好地理解本发明的方法，下面结合附图对本方法的具体实施步骤和效果作进一步的解释。

步骤一：雷达侦察与发射信号参数获取

在实际应用中，电控相位调制表面需要根据环境变化的信息进行判断、处理和反应，以实现特定的干扰效果，这离不开情报侦察系统和电子侦察系统的共同协助。利用情报侦察和电子侦察系统，获得LFM雷达发射信号和目标的基本参数，包括载频f₀、脉宽T_p、调制频率K_r、信号带宽B、目标距离R₀、目标长度L_r、目标宽度L_a、目标速度v和合成孔径时间T_L，通过计算得到方位向多普勒带宽B_m＝2f₀v²T_L/cR₀，方位向调频率为K_a＝B_m/T_L,c为光速。

步骤二：电控PSS的安装与设计

本发明应用的PSS属于“轻薄型”表面材料，有利于安装在目标表面，同时对于目标性能不会产生较大的影响。实际应用中，可将PSS材料覆盖整个被保护目标的表面，或者覆盖被保护目标的一些强散射区域。

本发明的电控PSS由主动屏、介质层和金属导体背板组成，通常安装在被保护目标表面，其基本原理如图1所示，其中主动屏与导体背板的间距为雷达信号波长的四分之一。主动屏为电控人工周期结构材料构成：通电时，主动屏表现为对入射电磁波的全透射，电磁波穿过介质材料在金属地板进行全反射；不通电时，主动屏对入射电磁波全反射，相比于通电时少了二分之一个波长，因此PSS结构等效于对入射雷达信号乘以一个幅度在+1和-1之间切换的双极性矩形脉冲信号。介质层通常为介电常数为1的材料，同时起到支撑连接主动屏和金属导体背板的作用。金属导体背板紧贴被保护目标，和介质层和主动屏共同实现对雷达入射信号的调制。

步骤三：PSS间歇调制信号的确立

为了实现二维干扰效果，调制波形在原有双极性矩形脉冲信号基础上对占空比进行调制，使其随慢时间周期变化。在图3(a)中，横坐标代表快时间，纵坐标代表调制波形幅度，幅度在+A和-A之间间歇切换，切换周期为T,调制频率f_s＝1/T,每个周期中幅度为A的时长为τ，τ/T为PSS调制占空比。在图3(b)中，横坐标代表慢时间，纵坐标代表PSS调制占空比，占空比在β和1-β之间间歇切换，切换周期为T_m，每个周期中占空比为β的时长为τ_m，τ_m/T_m＝0.5。经PSS二维间歇调制形成的虚假二维群目标，相当于将无方位向间歇调制状态下的PSS干扰产生的距离向虚假群目标沿方位向进行了重新分布。

根据步骤一获得的LFM雷达发射信号和目标的基本参数，则PSS间歇波形的参数设定如下：

(1)调制波形的频率f_s

通过控制PSS调制频率f_s，从而控制距离向假目标的位置，由于虚假群目标在距离向以真实目标为中心呈对称分布，假定目标两侧距离目标从近到远的假目标序号分别为±1,±2,...±n...±N,距离向相邻假目标的间距

当f_s＞B时，回波信号的频谱完全位于雷达接收机之外；当f_s＜B时，回波信号的频谱位于接收机带宽之内。为了实现干扰的效果，使f_s＜B。为了保证距离向各虚假目标不发生混叠，相邻虚假目标的间距ΔR_r＞L_r/2，从而得到f_s＞L_rK_r/c，综上，B＜f_s＜L_rK_r/c。

当nf_s大于等于信号带宽B时，则无干扰输出，由此可以确定距离向虚假群目标个数最大值为N_rmax＝2×floor(B/f_s)。

(2)占空比随慢时间周期变换的频率f_m

通过分析可知，在方位向形成以真实目标中心对称的虚假群目标，假定目标两侧距离目标从近到远的假目标序号分别为±1,±2,...±m...±N,方位向相邻假目标间距

当f_m＞B_m时，回波信号的频谱完全位于雷达接收机之外；当f_m＜B_m时，回波信号的频谱位于接收机带宽之内。为了实现干扰的效果，使f_m＜B_m。为了保证方位向各虚假目标不发生混叠，相邻虚假目标的间距ΔR_a＞L_a/2，从而得到f_m＞L_aK_r/c，

综上，B_m＜f_m＜L_aK_r/c。

当mf_m大于等于多普勒带宽B_m时，则无干扰输出，由此可以确定距离向虚假群目标个数最大值为N_amax＝2×floor(B_m/f_m)。

(3)调制波形的占空比大小β

PSS占空比随慢时间周期变化的大小将影响沿距离向和方位向分布的虚假群目标幅度的大小，而虚假群目标幅度的大小等效于虚假群目标能量的大小。距离向第n阶虚假目标的幅度系数可以表示为

方位向第m阶虚假目标的幅度系数可以表示为

在实际过程中，被保护目标往往有非常多个散射点组成，散射情况较为复杂，雷达入射信号极有可能经过多次PSS的共同调制，其幅值会相对衰减，为保证干扰效果，幅值可以在PSS安装后进行实际测量，并优化结构以减少多次散射对干扰效果的影响。

步骤四：虚假二维群目标生成

雷达发射信号经PSS调制后的反射信号被成像雷达所接收，经过成像处理后，得到目标二维图像，在真实目标位置附近沿距离向和方位向出现多个对称分布的二维逼真假目标。

本发明采用Sandia国家实验室的SAR图像进行验证。雷达发射信号采用线性调频信号，信号载频9GHz，带宽300MHz，脉冲宽度2μs，波束宽度0.033rad，平台速度180m/s，合成孔径时间为3.94s，并按照经典的R-D算法进行成像。在PSS调制中，PSS的调制频率20MHz，占空比随慢时间调制频率19Hz，占空比为0.75，PSS材料覆盖整个被保护目标的表面，位于场景中央。

图4为电控PSS不工作时真实目标的场景图，飞机目标位于场景中央。图5为PSS按照上述设定参数工作时的成像结果。改变PSS的随慢时间变化的调制占空比大小(β＝0.6)，通过比较图5和图6，可以看出虚假群目标能量向距离向移动；继续改变PSS的随慢时间变化的调制占空比大小(β＝0.9)，通过比较图5和图7，可以看出虚假群目标能量向方位向移动。

改变PSS的调制频率，图5和图8分析比较了不同PSS调制频率下生成的虚假二维群目标效果，其中图8设定PSS调制频率30MHz。改变占空比随慢时间的调制频率，图5和图9分析比较了不同占空比随慢时间的调制周期下生成的虚假二维群目标效果，其中图9设定占空比随慢时间调制频率13.3Hz。从图中不难看出虚假二维群目标沿距离向和方位向的间距、数量以及幅度与前面理论公式一致，证明了本专利所提方法的有效性。

Claims (1)

1.一种虚假二维群目标无源生成方法，该虚假二维群目标无源生成方法通过对相位调制表面占空比进行随慢时间的周期调制生成虚假二维群目标；其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一：雷达侦察与发射信号参数获取

利用情报侦察和电子侦察系统，获得雷达发射信号和目标的基本参数：包括载频f₀、脉宽T_p、调制频率K_r、信号带宽B、目标距离R₀、目标长度L_r、目标宽度L_a、目标速度v和合成孔径时间T_L，通过计算得到方位向多普勒带宽B_m＝2f₀v²T_L/cR₀，方位向调频率为K_a＝B_m/T_L,c为光速；

步骤二：电控PSS的安装与设计

电控PSS由主动屏、介质层和金属导体背板组成，安装在被保护目标表面，其中主动屏与导体背板的间距为雷达信号波长的四分之一；主动屏为电控人工周期结构材料构成：通电时，主动屏表现为对入射电磁波的全透射，电磁波穿过介质材料在金属地板进行全反射；不通电时，主动屏对入射电磁波全反射，相比于通电时少了二分之一个波长，因此PSS结构等效于对入射雷达信号乘以一个幅度在+1和-1之间切换的双极性矩形脉冲信号；介质层为介电常数为1的材料，同时起到支撑连接主动屏和金属导体背板的作用；金属导体背板紧贴被保护目标，和介质层和主动屏共同实现对雷达入射信号的调制；

步骤三：PSS间歇调制信号的确立

PSS将步骤一获取的雷达发射信号的参数反馈给调制波形产生器，调制波形产生器产生出相应的调制波形，并作用于入射信号，以此实现相应的干扰效果；

步骤四：虚假二维群目标生成

雷达发射信号经过电控PSS调制后反射并被雷达接收到，接收到的信号经成像雷达进一步处理后，在真实目标位置周围处出现对称分布的逼真虚假二维群目标。

Images