CN107817478B - 一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法，步骤一：根据待对抗的雷达的频率和带宽等参数确定相位调制表面的相关“硬”参数。步骤二：根据待对抗的雷达的频率和带宽等参数确定相位调制表面的相关“软”参数。步骤三：设计异步角闪烁信号的相关参数。本发明优点：结构简单，采用两块相位调制表面即可实现，易于加工制作和批量生产，可扩展性好；反应速度快，没有有源信号产生器的信号延迟，具备干扰实时性；不易暴露，由于采用的是无源器件，本身并不辐射信号，不易被对方侦察；控制方便，通过相位调制表面的控制，可有效调控回波信号的频谱特性，便于综合控制；无需严格控制闪烁信号产生的时间关系，系统结构简单。

Description

一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法

技术领域

本发明属于雷达干扰领域，具体涉及到雷达的无源角度欺骗干扰技术。进一步来说，是针对单脉冲雷达角度测量跟踪系统，提出一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法，用以引偏雷达对目标的角度测量系统，保护重要军事目标。

背景技术

单脉冲技术是在天线轴线的上、下、左、右设置四个偏置的馈源喇叭，同时对一个脉冲提取俯仰和方位角度信息，这种测角方式不仅天然具备抗单点源角度欺骗干扰能力，而且对点目标(无角闪烁现象)的测角精度高达0.02密位。随着精确制导武器的快速发展，单脉冲探测技术被广泛应用，单脉冲雷达也在航空和导弹防御系统中发挥着重要的作用。

单脉冲雷达在角度测量跟踪系统中的应用，给地面重要军事目标的战时生存能力和非战时的自身防护能力带来严重威胁。考虑到单脉冲测角方式的先天抗单点源干扰优势，通常采用在雷达波束的角度分辨率内放置两个或两个以上干扰源，并通过干扰源相互配合的方式对单脉冲角度测量跟踪系统实施角度欺骗干扰，最终达到提高单脉冲系统测角误差的效果。

闪烁干扰就是一种有效对抗单脉冲雷达角跟踪系统的干扰方式，其思想来源于复杂目标固有角闪烁现象，由于复杂目标合成回波的相位波前存在畸变，导致在接收天线口径面上的倾斜与摆动，进而导致测得的目标角度来回摆动，属于目标后向散射波相互干涉产生的一种物理现象。文章(Rogers S R.Effect of glint errors on steady statetracking accuracies of maneuvering targets[C].IEEE International RadarConference.New York:Institute of Electrical and Electronics Engineers,1990:439–443。闪烁误差对机动目标稳态跟踪精度的影响分析)对闪烁干扰原理进行了详细论述。文章(侯民胜,朱莹,樊晓明.单脉冲雷达的闪烁干扰技术研究[J].现代电子技术,2009,15,1-3)介绍闪烁干扰的机理和分类，并通过仿真分析给出了闪烁干扰的有效条件。文章(高光磊,李木易,周怀平.闪烁干扰对导弹的干扰效果分析[J].战术导弹技术,2010,(3):74-77)分析给出实验条件下双机闪烁干扰的干扰效果，并通过与恒功率非相干干扰方式对比，证明闪烁干扰具备更加显著的优势。

闪烁干扰按干扰源信号的相位关系可分为相参干扰和非相参干扰；根据干扰时序，闪烁干扰又可分为同步闪烁干扰和异步闪烁干扰。同步闪烁干扰要求两机发射的干扰信号在时域上保持同步，均以50％占空比发射矩形脉冲调制的干扰信号，对闪烁干扰系统的时间精度要求高；异步闪烁干扰对时间同步没有要求，只需要两个干扰源分别按照各自的控制逻辑交替通断发射干扰信号即可。相比于同步闪烁干扰，异步闪烁干扰对系统的时间精度要求低，且干扰效果明显，是一种性价比高的角度欺骗干扰方法。

当前，通常采用两部干扰机实现对单脉冲角度跟踪系统的闪烁干扰，这种有源的闪烁干扰方式由于可以主动控制辐射信号的功率，因此可以获得良好的干扰效果，然而也正是因为需要主动辐射信号，不仅增加了干扰装置的结构复杂度、时延、成本，同时使得干扰装置被敌雷达系统探测和打击的风险大大提高。

相比之下，若能采用无源转发器实现对单脉冲跟踪系统的干扰，不仅可以加快响应速度，降低成本，简化结构，也无需主动辐射干扰信号，提供对抗系统的战场生存概率。所谓无源转发，就是采用角反射器等器件，实现信号的反馈。它和有源转发的本质区别在于本身是否发射信号。传统上的无源装置缺点是不够灵活可控，一旦生产加工完毕，难以按照不同的试验场景和生成要求进行改变和调整，这为其应用带来了很大的局限性，因此目前没有相关的装置可以实现无源闪烁干扰。

新材料的出现，为无源闪烁干扰方法和技术提供了可能性。在这种背景下，针对角闪烁信号生成的要求和无源反射器的特点，同时考虑异步闪烁干扰的灵活性，本发明利用一种新型电磁结构—相位调制表面(Phase Switching Screen,PSS)，提出了基于相位调制表面的异步闪烁干扰角度欺骗干扰方法。相位调制表，属于雷达吸波材料范畴，它通过对反射回波相位的控制实现目标的隐身，这种工作机理具备实时控制其反射回波的特点。本发明创造性地应用两个相位调制表面，通过精确的参数设计和控制，使得雷达回波产生异步角闪烁现象，所产生的干扰信号可应用于对单脉冲雷达的角度欺骗干扰这一实际需求。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法。与传统的有源方法不同，本发明提供了一种利用无源电磁结构(相位调制表面)产生灵活可控的异步闪烁干扰信号的方法，为雷达无源对抗等需求提供了一种新的途径。为进一步明确本发明的工作原理，下面简单介绍异步闪烁干扰信号的机理和相位调制表面的原理。

(1)异步闪烁干扰

作为闪烁干扰的一种形式，异步闪烁干扰可对单脉冲雷达实施有效的角度欺骗干扰，这种干扰方式需要两个干扰源，即干扰源J1和干扰源J2。在干扰过程中J1和J2分别按照各自的控制逻辑交替通断干扰源，由于J1和J2属于异步方式，故将形式以下四种工作状态：

(1)J1和J2同时工作，诱使雷达跟踪能量质心；

(2)J1和J2同时关闭，雷达跟踪信号消失，转而重新捕获目标；

(3)J1工作，J2关闭，诱使雷达跟踪J1；

(3)J1关闭，J2工作，诱使雷达跟踪J2；

显然，如果J1和J2两个干扰源均已50％的通断比进行工作，则上述四种状态是等概率的，雷达跟踪状态将直接受到上述状态的影响，无法准确跟踪目标。

(2)相位调制表面

相位调制表面(Phase Switching Screen,PSS)最初作为一种雷达吸波材料应用于隐身领域，其根本原理是通过改变PSS的特性，对雷达入射信号产生特殊的调制，使得反射回波的能量落于雷达接收机带宽之外，故而实现目标隐身。考虑到PSS对入射信号的复杂调制效应与有源转发中的调制方法有一定相似之处，国防科技大学冯德军团队创新性的将PSS应用在干扰领域，通过改变PSS的参数，产生具备欺骗效果的回波信号。

典型的PSS由性能可调节的“开关”屏和金属衬底组成，如图1所示。“开关”屏在某一调制函数的控制下可以在“全通”和“全阻”两种状态下不间断的相互转换，因此雷达回波信号将表现为受到相位调制的形式。当前研究成果表明“开关”屏的频率及其信号形式是影响相位调制表面工作状态的关键因素。

当调制信号频率高于雷达信号带宽时，反射回波将落于雷达接收机之外，此时雷达无法检测到回波信号，相位调制表面对敌不可见；当调制信号频率低于雷达信号带宽时，反射回波落于雷达接收机之内，匹配滤波输出多峰值，相位调制表面可对敌实施干扰。

2、技术方案：本发明一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法，其设计思想是：采用两块相位调制表面板，根据待干扰雷达的频段和带宽等参数，确定相位调制表面的调制频率以及占空比等相关参数，并通过控制两块相位调制表面板的工作状态，产生异步闪烁信号，进而实现单脉冲测角系统实施角度欺骗干扰。下面详细介绍本发明的技术方案。

本发明一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法，实现流程如图2所示，下面具体介绍该设计方法的技术方案。

步骤一：根据待对抗的雷达的频率和带宽等参数确定相位调制表面的相关“硬”参数。

所谓“硬”参数本处指代相位调制表面的尺寸参数，主要指代相位调制表面的厚度、长、宽参数。相位调制表面的长、宽决定了相位调制表面的尺寸，应确保PSS相对于入射波属于电大尺寸目标，即PSS的长和宽均大于10倍的入射波波长。相位调制表面的厚度，即“开关”屏和金属衬底之间的距离决定了PSS的谐振频率，是其能否有效对抗雷达的关键参数，厚度通常选取λ/4(其中λ为入射信号波长，若入射信号为线性调频信号，则λ选取为中心频率所对应的波长)。

除以上参数外，为确保两块产生闪烁信号的相位调制表面处于同一雷达波束内，还应根据雷达的波束宽度确定两块相位调制表面的布放距离，两块相位调制表面的布放距离应满足ΔR≤[R/sin(α-θ_3dB/2)-R/sin(α+θ_3dB/2)]，以便实现最优的闪烁干扰效果。其中R为雷达距地面高度，ΔR为两块相位调制表面的布放距离，θ_3dB为雷达波束宽度，α为雷达对地面目标俯仰角度。

步骤二：根据待对抗的雷达的频率和带宽等参数确定相位调制表面的相关“软”参数。

所谓“软”参数本处指代相位调制表面调制信号(也可称为“开关”信号)的参数，其中主要包括调制信号频率及其占空比，调制信号“软”参数决定了回波信号的形式，由PSS原理可知：当入射波信号的参数确定时，调制信号的频率越高，回波信号相对入射信号所产生的频偏越大，反之亦然；且回波信号峰值点的位置、幅度以及相位均受到PSS“开关”信号频率的调制；此外，“开关”信号的占空比也会影响回波信号的峰值点分布。

不同的雷达其工作带宽和频段有较大差别，因此需要根据雷达参数来设计两块相位调制表面的调制参数。其中，调制信号频率应小于雷达信号工作带宽，与雷达工作频率量级相当，最优取值范围为2～3倍的雷达中心频率。此外为保证回波信号能量，调制信号占空比取值应为0.5。

步骤三：设计异步角闪烁信号的相关参数。

通常，异步闪烁干扰不要求两个干扰源即第一干扰源和第二干扰源产生的干扰信号在时域上保持同步，参考同步闪烁干扰的相关参数，可以设置两个闪烁干扰源的占空比为50％或其他值。对于两个干扰源的工作状态(即同时工作、同时关闭、其中一个工作而另一个关闭)可以根据期望的干扰效果进行选择和设定。如若期望雷达跟踪两个干扰源的质心可以使两个干扰源同时工作；若想让雷达无法捕获到信号，即同时关闭两个干扰源；亦或其中一个干扰源工作，即可诱使雷达跟踪其中某一个设定的干扰源。即包括以下四种工作状态：

(1)第一干扰源和第二干扰源同时工作，诱使雷达跟踪能量质心；

(2)第一干扰源和第二干扰源同时关闭，雷达跟踪信号消失，转而重新捕获目标；

(3)第一干扰源工作，第二干扰源关闭，诱使雷达跟踪第一干扰源；

(3)第一干扰源关闭，第二干扰源工作，诱使雷达跟踪第二干扰源；

两个干扰源均已50％的通断比进行工作，则上述四种状态是等概率的，雷达跟踪状态将直接受到上述状态的影响，无法准确跟踪目标。

通过以上设置，即可使两块相位调制表面实现异步闪烁欺骗干扰信号的生成。

3、优点及功效：本发明一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法，其优点主要有如下几处：

(1)结构简单，采用两块相位调制表面即可实现，易于加工制作和批量生产，其可扩展性好；

(2)反应速度快，没有有源信号产生器的信号延迟，具备干扰实时性；

(3)不易暴露，由于采用的是无源器件，本身并不辐射信号，不易被对方侦察；

(4)控制方便，通过相位调制表面的控制，可以有效调控回波信号的频谱特性，便于综合控制。

(5)无需严格控制闪烁信号产生的时间关系，系统结构简单。

附图说明

图1所示为单层相位调制表面结构示意图；

图2所示为本发明的基于相位调制表面的异步角闪烁信号产生方法流程图；

图3所示为本发明实施例中雷达与目标、干扰装置的相对位置关系示意图；

图4所示为本发明实施例中两个异步闪烁干扰源工作时序图；

图5所示为本发明实施例中常规异步闪烁干扰时角度测量值；

图6所示为本发明实施例中异步闪烁干扰下角度测量值(两块PSS调制信号频率相同，且保持不变)；

图7所示为本发明实施例中是两个异步闪烁干扰源工作时序图(无同时隐身状态)；

图8所示为本发明实施例中异步闪烁干扰下角度测量值(两块PSS调制信号频率变化，且无同时隐身状态)；

图9所示为本发明实施例中异步闪烁干扰下虚假目标偏离真实目标距离曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

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及装置做进一步解释。

假设待干扰雷达发射信号是中心频率为f_c＝10GHz(λ＝3.0cm)的线性调频脉冲信号；带宽BW＝10MHz；脉宽T_p＝10us，PRI为250us；天线3dB波束宽度为1.2°；雷达间隔1s钟进行一次角度测量，且每次测量积累32个脉冲；目标距接收机垂直距离R＝5000m，俯仰角α＝30°，此时地面上相距363m内的物体都处于同一个雷达波束内，假设目标正好位于天线波束正中心，并将无源闪烁干扰装置置于目标右侧50m处，雷达与目标、干扰装置的相对位置关系示意图如图3所示，图3中仅考虑俯仰方向，方位向同理。

本发明涉及以下几个具体步骤。

步骤一：依据待干扰雷达的波长(频率)参数和PSS工作原理，设置PSS长宽尺寸为S×S＝50λ×50λ＝150cm×150cm，其中S为PSS的边长；同时设置PSS的金属衬底和有源“开关”屏之间的距离其中d为PSS的厚度。

依据待干扰雷达波束角、雷达垂直高度和实际待掩护的目标，设置两块相位调制表面之间的距离。在实际操作中，根据实际掩护的目标的尺寸和确保两块相位调制表面同时位于单个雷达波束内等个因素确定两块PSS距离。此处考虑掩护小型军事车辆目标，且该目标与靠近的干扰源相距50m,设置两块相位调制表面之间的距离为10m，通过计算可知两块PSS板分别偏离波束中心位置为：

因此，可认为两块PSS板分别偏离雷达波束中心0.1426°和0.1710°。

步骤二：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、占空比为0.5(或小于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。由于本发明的目的是采用无源的方式产生异步角闪烁信号，故两块PSS板应按照自身的状态设定交替处于干扰状态和隐身状态。PSS板处于干扰和隐身状态时的具体参数如下：

(1)工作在干扰状态：相位调制表面有源“开关”屏调制信号频率f_m＝2MHz/0.5MHz，占空比为0.5。

(2)工作在隐身状态：相位调制表面有源“开关”屏调制信号频率f_m＝15MHz，占空比为0.5。

通过改变相位调制表面的调制频率即可分别改变两块相位调制表面板的工作状态。

步骤三：设置异步角闪烁信号的相关参数，即两块相位调制表面的工作状态时序。其中第一干扰源(图4中PSS1)按照“干扰-隐身-干扰-隐身”的状态循环工作，第二干扰源(图4中PSS2)按照“干扰-干扰-隐身-隐身”的状态循环工作。参考雷达测角时间为1s钟测量一次，因此设置其中一块PSS板的每一间隔1s切换一次工作状态，另外一块PSS板每间隔2s切换一次工作状态，两块相位调制表面板的工作时序图如图4所示。

以上三个步骤给出了本发明的具体实施方式，下面给出典型单脉冲雷达测角参数设置下的异步闪烁干扰测角曲线。图5给出了信噪比-20dB，干扰源与目标RCS比值为1，且回波信号未经过相位调制表面调制时，即常规异步闪烁干扰情况下，单脉冲系统角度测量值。从图中可以看出，当两块干扰源同时工作时，单脉冲方法测得的角度值在目标、第一干扰源和第二干扰源的质心处；当仅有一个干扰源工作时，角度测量值在目标与该干扰源的质心处；当两个干扰源均静默时，角度测量值完全定位与真实目标处，以上仿真测量结果与理论预期相同。

图6给出回波信号受到相位调制表面调制，PSS调制信号频率均为保持2MHz，占空比为0.5不变，信噪比为-20dB,两块相位调制表面的工作时序按照图4所示时，单脉冲角度测量曲线。从图6中可以看到，单脉冲角度测量值随着两块相位调制表面的工作状态的改变而变化，当两块PSS同时处于干扰工作状态时，测得角度值与目标所在位置和两块干扰源所处位置有关；当其中一块处于干扰状态时，角度测量值则指向目标和其中一块相位调制表面之间。当两块均处于隐身状态时，由于此时目标仍与干扰源处于同一角度分辨单元内，此时单脉冲测量系统成功测得目标位置，实际操作中应避免这种情况的发生。

图7给出了不同于图4的PSS板工作状态时序图，这种工作状态下不存在两块PSS均处于隐身状态的情况，可以降低目标也在雷达波束内时被发现的概率。同时在利用PSS进行干扰的过程改变两块PSS的调制信号频率，即两块PSS调制信号频率先设置为0.5MHz，后随着干扰的继续更改调制信号频率为2MHz，其他参数设置与图6中相同，仿真结果如图8和图9所示。由图8可以看出，此时单脉冲系统无法测得真实的目标角度位置，且改变调制信号频率即可灵活的控制单脉冲系统被引偏的角度，干扰效果十分灵活。图9显示由于单脉冲测量角度的变化，其测得虚假目标相对于真实目标的位置也随之发生变化。

此外，需要指出的是，若单脉冲角度测量系统已被引偏，此时可以控制两块PSS同时工作在隐身状态下，此时回波无法被雷达检测到，雷达无法继续跟踪假目标，将重新进入搜索状态。

综上分析，可以得出结论：本发明采用两块相位调制表面代替干扰机，通过按需要改变相位调制表面板的工作状态，即可实现对单脉冲测角雷达实施灵活可控的异步闪烁干扰，诱偏雷达角度测量系统，同时又无需主动辐射电磁波，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灵活控制，因此在利用相位调制表面对雷达实施异步闪烁干扰时可根据需要为两块PSS干扰源具体设定时序、调制参数、闪烁频率以及干扰系统的其他参数，而不必拘泥于本发明的参数范围。

Claims (1)

1.一种基于相位调制表面的异步闪烁角度欺骗干扰方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一：根据待对抗的雷达的频率和带宽参数确定相位调制表面的相关“硬”参数

所谓“硬”参数指相位调制表面的尺寸参数，包括相位调制表面的厚度、长、宽参数；相位调制表面的长、宽决定了相位调制表面的尺寸，应确保PSS相对于入射波属于电大尺寸目标，即PSS的长和宽均大于10倍的入射波波长；相位调制表面的厚度，即“开关”屏和金属衬底之间的距离，厚度选取λ/4；其中λ为入射信号波长，若入射信号为线性调频信号，则λ选取为中心频率所对应的波长；

除以上参数外，为确保两块产生闪烁信号的相位调制表面处于同一雷达波束内，还应根据雷达的波束宽度确定两块相位调制表面的布放距离，两块相位调制表面的布放距离应满足ΔR≤[R/sin(α-θ_3dB/2)-R/sin(α+_3dB/2)]，以便实现最优的闪烁干扰效果；其中R为雷达距地面高度，ΔR为两块相位调制表面的布放距离，θ_3dB为雷达波束宽度，α为雷达对地面目标俯仰角度；

步骤二：根据待对抗的雷达的频率和带宽参数确定相位调制表面的相关“软”参数

所谓“软”参数指相位调制表面调制信号，也称为“开关”信号的参数，主要包括调制信号频率及其占空比；其中，调制信号频率应小于雷达信号工作带宽，取值范围为2～3倍的雷达中心频率；此外为保证回波信号能量，调制信号占空比取值应为0.5；

步骤三：设计异步角闪烁信号的相关参数

异步闪烁干扰不要求两个干扰源即第一干扰源和第二干扰源产生的干扰信号在时域上保持同步，参考同步闪烁干扰的相关参数，设置两个闪烁干扰源的占空比为50％的数值；对于两个干扰源的工作状态，包括以下四种工作状态：

(1)第一干扰源和第二干扰源同时工作，诱使雷达跟踪能量质心；

(2)第一干扰源和第二干扰源同时关闭，雷达跟踪信号消失，转而重新捕获目标；

(3)第一干扰源工作，第二干扰源关闭，诱使雷达跟踪第一干扰源；

(3)第一干扰源关闭，第二干扰源工作，诱使雷达跟踪第二干扰源；

两个干扰源均以50％的通断比进行工作，则上述四种状态是等概率的，雷达跟踪状态将直接受到上述状态的影响，无法准确跟踪目标；

通过以上设置，即可使两块相位调制表面实现异步闪烁欺骗干扰信号的生成。