CN108828535B - 基于相位调制表面的雷达目标特征变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位调制表面的雷达目标特征变换方法，步骤一：雷达发射信号参数的获取；步骤二：相位调制表面的的设计与安装；步骤三：相位调制表面调制信号的确立；步骤四：虚假干扰图像的生成。本发明的有益效果：第一，创新性地提出了基于PSS的雷达目标特征变换方法，拓展了PSS在电子干扰方面的应用。第二，本发明与传统的无源压制干扰相比，在干扰能量方面更具优势。第三，实现了对被保护目标特征的变换，分别形成类似条带状、块状图形，通过改变距离向和方位向调制频率，实现了生成图形形状以及能量的灵活控制，解决了雷达目标特征变换方法在对抗现代雷达系统时存在着灵活性不足、干扰效果有限等诸多问题。

Description

基于相位调制表面的雷达目标特征变换方法

【技术领域】

本发明一种基于相位调制表面的雷达目标特征变换方法，属于无源干扰领域。具体涉及到对合成孔径雷达图像调制领域，更进一步来说是通过相位调制表面主动控制目标自身雷达特征，使得雷达图像上目标特征发生较大的变化，从而导致雷达系统无法正确的识别目标。

【背景技术】

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天时、全天候的高分辨成像能力，以SAR为主要传感器的“侦察打击一体化”平台，可以对时敏目标实施“发现即摧毁”的打击，打击链从数十小时缩短至数十秒。这导致地面高价值军事目标无论在平时还是战时都面临越发严峻的生存威胁，发展SAR干扰技术具有重大理论价值和实用前景。

雷达目标特征变换技术是SAR干扰领域中一种保护真实目标的有效手段，近年来已经成为国内外研究的热点。区别于传统的无源压制技术，雷达目标特征变换技术不在于在目标周围形成更强的雷达特征，使目标淹没在大面积的杂波中以避免被雷达发现，而是通过无源散射体依附在被保护目标表面，主动控制目标自身雷达特征，使得SAR图像上的目标特征发生较大的变化，从而将对SAR的特征提取和识别造成极大的困难。在战时，它可以显著提高装甲车、导弹发射车等战场高价值目标的生存能力；在平时，它可以提高高价值目标的自身防护能力。然而，雷达目标特征变换技术在对抗现代雷达系统时存在着灵活性不足、干扰效果有限等诸多局限性。

相位调制表面(phase switched screen,PSS)是由英国Sheffield大学的B.Chambers教授和A.Tennant教授共同提出的一种新型雷达吸波材料，主要用于降低被保护目标的散射截面积。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，使其反射信号的频谱落于整个接收机带宽之外或接收机带宽之内可控分布。作为一种无源“轻薄型”材料，相位调制表面具有对反射信号有源调制的能力，在雷达电子对抗领域具有极大的潜力，正越来越受到研究者的重视。

国防科学技术大学徐乐涛、冯德军等人于2015年首次开展PSS在电子干扰方面的研究，并利用PSS对雷达回波信号的周期调制特性，分别从PSS调制信号成像特性、基于PSS的高分辨距离像欺骗干扰方法、基于PSS的无源微动干扰方法展开了研究，取得了丰富的研究成果。考虑到相位调制表面也能够对雷达回波进行随机编码调制，相当于在反射信号上施加了一个连续的频移调制，使得频率信号呈现连续分布，因此可以将这一特性运用到雷达目标特征变换技术，对高价值目标的显著散射结构实现特征变换，使得SAR获取目标的图像难以反映目标本身特征，以致难以对目标进行定位和识别，进一步增强了对SAR的对抗能力。

【发明内容】

本发明针对现有雷达目标特征变换方法存在的不足，提出一种基于相位调制表面的雷达目标特征变换方法，其核心思想在于利用PSS对雷达回波进行随机编码调制，回波信号经成像处理后，使得SAR图像上的目标特征发生较大变化，以产生特定的干扰效果。为实现上述雷达目标特征变换干扰过程，本方法采用如下步骤实现：

步骤一：雷达发射信号参数的获取

利用情报侦察或者电子侦察系统，获得雷达发射信号的基本参数：包括载频 f₀、信号波长λ、脉宽T_p、调制频率K_r、信号带宽B、合成孔径时间T_L、方位向波束宽度θ_bw、方位向调制频率K_a、多普勒带宽B_a。

步骤二：相位调制表面的设计与安装

电控开关型PSS是本专利申请所提方法的基础，其主要由主动屏、介质层和导体金属背板三部分组成，导体金属背板和主动屏之间的介质层间距为四分之一个波长，通常由介电常数为1的材料填充。通过对主动屏采用开关电控的方式，使其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，使得反射信号相位相差π，这相当于对雷达入射波进行间歇调制，调制幅度在+1和-1间切换。根据发射信号波长λ，选取相位调制表面的厚度为λ/4。将设计好的PSS金属背板紧贴于被保护目标，与介质层和主动屏共同实现对雷达入射信号的调制。

步骤三：相位调制表面调制信号的确立

控制PSS主动屏处于非周期性的随机通断，主动屏的透射反射状态表现为随机的相互切换，调制信号表现为非周期脉冲串，其幅度在+1和-1之间随机切换，子脉冲宽度为τ，调制频率为f_s＝1/τ。在此基础上，调制信号在慢时间也进行随机编码调制，调制周期为τ_m，调制频率为f_m＝1/τ_m。电控开关PSS根据步骤一获取的发射信号参数以及需要实现的干扰效果决定调制信号的参数，调制信号的参数决定调制波形，并作用于雷达入射信号。

步骤四：虚假干扰图像的生成

经过电控PSS处理后的反射信号进入雷达接收机与射频信号混频得到中频信号，经基带滤波处理后的基带信号通过二维匹配滤波成像进一步处理后，生成的雷达图像目标特征发生了较大的变化(变成了条带状或者块状)，即可实现本发明所提方法的有效性。

本发明的有益效果在于：

第一，创新性地提出了基于PSS的雷达目标特征变换方法，拓展了PSS在电子干扰方面的应用。

第二，相比于基于PSS周期调制的欺骗干扰方法，考虑到目标共型问题，本文提出的基于PSS随机编码调制雷达目标特征变换干扰方法具有更好的可实现性，而与传统的无源压制干扰相比，在干扰能量方面更具优势，不会存在压制不了被保护目标的情况。

第三，通过电控的方式对目标信号进行一维、二维随机编码调制，实现了对被保护目标特征的变换，分别形成类似条带状、块状图形，通过改变距离向和方位向调制频率，实现了生成图形形状以及能量的灵活控制，解决了雷达目标特征变换方法在对抗现代雷达系统时存在着灵活性不足、干扰效果有限等诸多问题。

【附图说明】

图1为雷达目标特征变化方法流程图。

图2为PSS设计与安装示意图。

图3(a)为PSS随机编码调制的快时间域信号波形。

图3(b)为PSS随机编码调制的慢时间域信号波形。

图4为PSS随机编码调制信号频谱。

图5(a)为LFM经PSS随机编码调制频谱，其中f_s＜B。

图5(b)为LFM经PSS随机编码调制频谱，其中f_s＞B。

图6(a)为LFM经PSS随机编码调制匹配滤波输出，其中f_s＜B。

图6(b)为LFM经PSS随机编码调制匹配滤波输出，其中f_s＞B。

图7为实测数据目标特征变换仿真流程图。

图8(a)为实测数据雷达图像的真实场景。

图8(b)为实测数据雷达图像分割出的飞机目标。

图9(a)为一维距离向PSS随机编码调制雷达图像。

图9(b)为一维方位向PSS随机编码调制雷达图像。

图10(a)为二维PSS随机编码调制雷达图像，其中f_s＝20MHz,f_m＝10Hz。

图10(b)为二维PSS随机编码调制雷达图像，其中为f_s＝80MHz,f_m＝10Hz。

图10(c)为二维PSS随机编码调制雷达图像，其中f_s＝20MHz,f_m＝40Hz。

图10(d)为二维PSS随机编码调制雷达图像，其中f_s＝80MHz,f_m＝40Hz。

图10(e)为二维PSS随机编码调制雷达图像，其中f_s＝400MHz,f_m＝200Hz。

【具体实施方式】

为了更好地理解本发明的方法，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明适用对象是采用线性调频信号的合成孔径雷达。以X波段雷达系统为例，采用Sandia国家实验室的SAR图像，待干扰雷达发射信号是中心频率为9GHz 的线性调频脉冲信号，带宽300MHz，脉冲宽度2μs，方位向波束宽度为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，待保护的飞机目标位于图像场景中央。

本发明涉及以下几个具体步骤，具体流程如图1所示。

步骤一：雷达发射信号参数的获取

在实际应用过程中，需要电子侦察系统和情报侦察系统的共同协助，PSS根据搜集到的信息进行判断、处理和反应，以实现不同的干扰效果。利用电子侦察系统和情报侦察，获得雷达发射信号和目标的基本参数，载频f₀＝9GHz、脉宽 T_p＝2μs、信号带宽B＝300MHz、方位向波束宽度θ_bw＝0.033rad、平台速度v＝180m/s、合成孔径时间T_L＝3.94s，通过计算得到信号波长λ＝c/f₀＝3.33cm，调频率 Kr＝B/Tp＝1.5×10¹⁴，方位向多普勒带宽B_m＝2vθ_bw/λ＝360Hz，方位向调频率为 K_a＝B_m/T_L＝91.37，c为光速，c＝3×10⁸m/s。

步骤二：相位调制表面的设计与安装

依据待干扰雷达的波长(频率)参数设计的电控开关型PSS如图2所示，其中 PSS介质层的厚度为d＝λ/4＝0.83cm，将PSS材料覆盖整个飞机目标的表面，或者覆盖飞机目标的一些强散射区域。

步骤三：相位调制表面调制信号的确立

控制PSS主动屏处于非周期性的随机通断，其主动屏的透射反射状态表现为随机的相互切换，调制信号表现为非周期脉冲串。在图3(a)中，横坐标代表快时间变量，纵坐标表示信号幅度，+1和-1之间随机切换，子脉冲宽度为τ，调制频率为f_s＝1/τ。在此基础上，调制信号在慢时间也进行随机编码调制，如图3(b)所示，横坐标代表慢时间变量，纵坐标表示信号幅度，+1和-1之间随机切换，幅度为+1 的最小时长为τ_m，方位向调制频率为f_m＝1/τ_m。电控开关PSS根据步骤一获取的发射信号参数以及需要实现的干扰效果决定调制信号的参数，调制信号的参数决定调制波形，并作用于雷达入射信号。

调制信号的生成受到表示为一个由长度为N的随机码元序列a_n＝{+1,-1}控制，其中0≤n≤N-1，时域调制信号p(t)可以表示为

其中τ表示子脉冲宽度，rect()表示矩形脉冲。当|(t/τ)|＜0.5时，其值为1，否则为0，

表示卷积符号。

调制信号的频谱P(f)可以通过傅里叶变换得到，其表示为

其中，sinc(x)＝sin(πx)/πx，频谱主瓣宽度为B_main＝2/τ，调制信号频谱如图4所示。

假定入射信号为线性调频信号，当调制信号作用于入射信号，可以理解为调制信号在反射信号上施加了一个连续的频移调制。图5(a)表明经过PSS随机编码调制的反射信号能量被分散在整个接收机带宽之内，而图5(b)表示反射信号能量被分散在整个频谱上，留在雷达接收机带宽内的能量极少。

经过匹配滤波处理后，将形成一块条带状的干扰出现在距离向上，其各阶峰的主瓣宽度表示为

图6(a) 、图 6(b) 给出不同调制频率下匹配滤波仿真结果，由于随机码元的调制作用，其输出峰相对于周期调制输出峰较小，且没有出现离散峰值情况，其形状类似于sinc函数的包络起伏，主瓣宽度与公式(3)中理论分析一致。

在原有快时间双极性矩形信号脉冲的基础上，对慢时间也进行随机编码调制，其时域表达式为

其中，c_m为第m个编码的值，其受到长度为M的随机码元序列c_m＝{+1,-1}控制， 0≤m≤M-1。

经过匹配滤波处理后，将形成一块条带状的干扰出现在方位向上，其各阶峰的主瓣宽度表示为

步骤四：虚假干扰图像的生成

根据美国Sandia实验室的数据，首先将成像场景复图像还原为场景总回波信号，对图像中的飞机目标进行分割，并反演得到目标回波信号，将原始场景信号与飞机回波信号经过对消处理，按照步骤三对目标信号进行PSS随机编码调制，此过程相当于在飞机目标上贴满PSS材料，最后将调制后的虚假信号与对消后的原始场景进行叠加，得到了调制后的复图像，其仿真流程如图7所示。图8(a)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，分割出的飞机目标区域如图8(b)所示。

设定PSS距离向调制频率为f_s＝80MHz，对其进行一维距离向调制，从图9(a) 可以看出在距离向生成了一个类似条带状的亮线。同样，设定PSS方位向调制频率为f_m＝40Hz，对其进行一维方位向调制，从图9(b)可以看出在方位向同样生成了一个类似条带状的亮线。

对其进行二维随机编码PSS调制，设置调制频率f_s＝20MHz,f_m＝10Hz，从图 10(a)可以看出在场景中央形成了一个类似方块状的图形。改变距离向调制频率f_s，图10(b)和图10(a)分析比较了不同PSS调制频率f_s下生成的虚假图像，增大调制频率f_s，距离向生成的图像区域更大，能量衰减更加明显。改变方位向调制频率f_m，图10(c)和图10(a)分析比较了不同PSS调制频率f_m下生成的虚假图像，增大调制频率f_m，方位向生成的图像区域更大，能量衰减更加明显。当调制频率为f_s＝80MHz, f_m＝40Hz，其效果较好，目标位置与周围场景相符，如图10(d)所示。再次提高调制频率，相当于将能量分散到接收机带宽之外，等效于实现了隐身的效果，如图 10(e)所示。

从实测数据的仿真图中不难看出基于PSS随机编码调制生成的干扰图形受到 PSS调制参数f_s和f_m控制，与理论分析一致，证明了本专利所提方法的有效性。

Claims (1)

1.一种基于相位调制表面的雷达目标特征变换方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：雷达发射信号参数的获取

获得雷达发射信号和目标的基本参数，载频f₀＝9GHz、脉宽T_p＝2μs、信号带宽B＝300MHz、方位向波束宽度θ_bw＝0.033rad、平台速度v＝180m/s、合成孔径时间T_L＝3.94s，通过计算得到信号波长λ＝c/f₀＝3.33cm，调频率Kr＝B/Tp＝1.5×10¹⁴，方位向多普勒带宽B_m＝2vθ_bw/λ＝360Hz，方位向调频率为K_a＝B_m/T_L＝91.37，c为光速，c＝3×10⁸m/s；

步骤二：相位调制表面的设计与安装

电控开关型相位调制表面主要由主动屏、介质层和导体金属背板三部分组成，导体金属背板和主动屏之间的介质层间距为四分之一个波长，由介电常数为1的材料填充；通过对主动屏采用开关电控的方式，使其在某一调制函数的控制下在“全通”和“全阻”两种状态下不间断的相互转换，使得反射信号相位相差π，这相当于对雷达入射波进行间歇调制，调制幅度在+1和-1间切换；根据发射信号波长λ，选取相位调制表面的厚度为λ/4；将设计好的相位调制表面的金属背板紧贴于被保护目标，与介质层和主动屏共同实现对雷达入射信号的调制；

其中PSS介质层的厚度为d＝λ/4＝0.83cm，将PSS材料覆盖整个飞机目标的表面，或者覆盖飞机目标的一些强散射区域；

步骤三：相位调制表面调制信号的确立

控制相位调制表面主动屏处于非周期性的随机通断，主动屏的透射反射状态表现为随机的相互切换，调制信号表现为非周期脉冲串，其幅度在+1和-1之间随机切换，子脉冲宽度为τ，调制频率为f_s＝1/τ；在此基础上，调制信号在慢时间也进行随机编码调制，调制周期为τ_m，调制频率为f_m＝1/τ_m；电控开关相位调制表面根据步骤一获取的发射信号参数以及需要实现的干扰效果决定调制信号的参数，调制信号的参数决定调制波形，并作用于雷达入射信号；具体为：

调制信号的生成受到表示为一个由长度为N的随机码元序列a_n＝{+1,-1}控制，其中0≤n≤N-1，时域调制信号p(t)表示为

其中τ表示子脉冲宽度，rect()表示矩形脉冲；当|(t/τ)|＜0.5时，其值为1，否则为0，

表示卷积符号；

调制信号的频谱P(f)通过傅里叶变换得到，表示为

其中，sinc(x)＝sin(πx)/πx，频谱主瓣宽度为B_main＝2/τ；

入射信号为线性调频信号，当调制信号作用于入射信号，理解为调制信号在反射信号上施加了一个连续的频移调制；

经过匹配滤波处理后，将形成一块条带状的干扰出现在距离向上，其各阶峰的主瓣宽度表示为

由于随机码元的调制作用，其输出峰相对于周期调制输出峰小，且没有出现离散峰值情况，主瓣宽度与公式(3)中理论分析一致；

在原有快时间双极性矩形信号脉冲的基础上，对慢时间也进行随机编码调制，其时域表达式为

其中，c_m为第m个编码的值，其受到长度为M的随机码元序列c_m＝{+1,-1}控制，0≤m≤M-1；

经过匹配滤波处理后，将形成一块条带状的干扰出现在方位向上，其各阶峰的主瓣宽度表示为

步骤四：虚假干扰图像的生成

首先将成像场景复图像还原为场景总回波信号，对图像中的飞机目标进行分割，并反演得到目标回波信号，将原始场景信号与飞机回波信号经过对消处理，按照步骤三对目标信号进行PSS随机编码调制，此过程相当于在飞机目标上贴满PSS材料，最后将调制后的虚假信号与对消后的原始场景进行叠加，得到了调制后的复图像。

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