CN111398916A - 一种基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，包括：设计制备数字编码超表面，并安装于防护目标强散射中心表面；利用数字编码超表面对雷达回波信号的相位进行随机快速调制，经数字编码超表面相位随机快速调制后的雷达回波信号进入雷达接收机，实现对雷达探测的有效干扰。本发明从雷达信号处理环节出发，巧妙利用了数字编码超材料对电磁波的快速调控能力对雷达信号处理的破坏效益，为新型灵巧式雷达干扰提供了新思路。

Description

一种基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法

技术领域

本发明属于雷达干扰技术领域，具体涉及一种对雷达回波的相位进行快速调制，打乱雷达回波的相位信息进而实现干扰的方法。

背景技术

雷达是一种可自主地、全天时、全天候获取远距离目标信息传感器，是现代军事发展中必不可少的一种探测手段。随着现代雷达探测能力的不断提升，高价值军事目标的战场生存威胁日趋加剧，发展雷达干扰技术具有重大的军事意义和实用前景。

现代雷达干扰主要分为有源干扰和无源干扰两大类。有源干扰通常采用发射大功率的电磁波或基于数字射频存储转发(DRFM)模拟生成假目标来干扰雷达正常工作。由于干扰机通常与防护目标具有密切的空间关系，大功率干扰会导致干扰机成为威胁雷达的信标；而假目标欺骗干扰存在对电子侦查引导的依赖性强、干扰系统结构复杂等限制。

相比有源干扰，无源干扰不需要主动辐射干扰信号，且能对多种体制的雷达实现干扰，具有干扰空域大，极化范围大，干扰频带宽、成本较低、使用方便等特点。然而，传统的无源干扰大多是目标体外式干扰，随着雷达分辨能力提升，干扰性能急剧下降。

发明内容

为了克服现有雷达干扰技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法。本发明避免了目前有源干扰发射大功率电磁波致使干扰机成为信标及对电子侦查引导依赖性强的问题，又弥补了现有无源干扰作为目标体外干扰灵活性不足等缺陷。同时本发明成本较低，易于控制和实现。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，包括：

设计制备数字编码超表面，并安装于防护目标强散射中心表面；

利用数字编码超表面对雷达回波信号的相位进行随机快速调制，经数字编码超表面相位随机快速调制后的雷达回波信号进入雷达接收机，实现对雷达探测的有效干扰。

本发明中，数字编码超表面由人工电磁表面和数字控制模块组成，其中人工电磁表面由多个周期排布的数字可编码人工单元组成，单元周期为半波长。每个数字可编码人工单元集成1个开关二极管，由单独的直流偏置控制，在两种不同的偏置电压下可动态呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，分别记为“0”和“1”两种编码。每个数字可编码人工单元都可单独设计一组编码，通过数字控制模块提供的偏置电压快速切换。数字编码超表面为现有技术，如公开号为CN 108511916 A的专利申请中公开的一种数字式可编程时空编码超材料。

本发明设计制备数字编码超表面，方法包括：先根据防护目标强散射中心表面的曲面度选取制备数字编码超表面的基材，基材分为刚性基材和柔性基材。其中，如防护目标强散射中心表面为平面结构，则可选用刚性基材；如防护目标强散射中心表面为曲面或者不规则的复杂形状，则可选用柔性基材。其次，数字编码超表面所需尺寸以及形状与防护目标强散射中心表面大小相适应，要求能够完全包覆整个防护目标强散射中心表面，根据防护目标强散射中心表面大小确定数字编码超表面所需尺寸以及形状即可。然后根据待干扰雷达信号的波长λ确定数字编码超表面中人工单元的周期间距为λ/2，依据数字编码超表面所需尺寸以及人工单元的周期间距可知待制备的数字编码超表面中人工单元的个数，制备相应的数字编码超表面即可。

作为优选方案，本发明中，利用数字编码超表面对雷达回波信号的相位进行随机快速调制的方法是：设置干扰时长T和编码切换周期τ，根据所需干扰时长T和编码切换周期τ生成一组长度为T/τ的二进制随机码，然后将该二进制随机码作为数字编码超表面的控制编码输入，使得数字编码超表面依照二进制随机码调控雷达回波信号的相位。

进一步地，本发明中编码切换周期τ远小于雷达回波信号的脉宽，介于雷达回波信号脉宽通常为us～100us级，编码切换周期τ设定为ns级或10ns级即可。

本发明中，经基于数字编码超表面快速相位调控后的雷达回波信号进入雷达接收机，由下变频模块混频得到中频信号，利用干扰后雷达回波信号与雷达发射的中频信号做脉冲压缩得到一维距离像，多个连续脉冲脉压结果做脉冲-多普勒处理得到距离多普勒二维像，可从处理结果观察到雷达失去了较大的有效脉冲压缩增益和脉冲多普勒处理的相参积累增益，实现了雷达的有效干扰。

与现有方法相比，本发明具有的优点和有益效果包括：

第一，不同于传统雷达干扰的压制和欺骗思路，本发明从雷达信号处理环节出发，巧妙利用了数字编码超材料对电磁波的快速调控能力对雷达信号处理的破坏效益，为新型灵巧式雷达干扰提供了新思路。

第二，本发明避免了传统电子战中，雷达干扰对电子侦察的高度依赖，在大大降低干扰系统复杂性的基础上，仍可有效干扰多种体制的雷达。

第三，本发明以一种“无源”的方式，避免了有源干扰发射大功率电磁波信号致使干扰设备成为信标的问题，且由于数字编码超表面本身设计简单，易于共形的特点，弥补了体外式无源干扰无法应对高分辨体制雷达的缺陷。

附图说明

图1为一实施例基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法的流程图。

图2为数字可编码人工单元结构图。

图3为超表面模型示意图。

图4为随机相位编码示意图。

图5为一实施例实验场景示意图。

图6为一实施例中实际雷达未经干扰时输出一维距离像图。

图7为一实施例中实际雷达经超表面快速相位调制后输出一维距离像图。

图8为一实施例中雷达回波信号未经干扰一维距离像仿真结果图。

图9为一实施例中雷达回波信号经超表面快速相位调制后脉冲一维距离像结果图。

图10为一实施例中雷达回波信号未经干扰时距离-多普勒图像仿真结果图。

图11为一实施例中雷达回波信号经超表面快速相位调制后距离-多普勒图像仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例以超表面快速相位调控对抗实际雷达实验过程为例进行说明。待干扰雷达信号的基本参数：待干扰雷达为X波段，发射线性调频信号，脉宽为 6us，重频周期为200us，信号带宽为200MHz。

针对上述待干扰雷达信号，本实施例抗干扰的方法包括以下几个具体步骤，具体流程如图1所示。

步骤一：数字超表面设计与制备。

如图2和图3所示，图2为数字可编码人工单元结构图。图3为超表面模型示意图。数字编码超表面由人工电磁表面和数字控制模块组成，其中人工电磁表面由多个周期排布的数字可编码人工单元组成，单元周期为半波长。每个数字可编码人工单元集成1个开关二极管，由单独的直流偏置控制，在两种不同的偏置电压下可动态呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，分别记为“0”和“1”两种编码。每个数字可编码人工单元都可单独设计一组编码，通过数字控制模块提供的偏置电压快速切换。

制备数字编码超表面：先根据防护目标强散射中心表面的曲面度选取制备数字编码超表面的基材，基材分为刚性基材和柔性基材，其中，如防护目标强散射中心表面为平面结构，则选用刚性基材；如防护目标强散射中心表面为曲面或者不规则的复杂形状，则选用柔性基材。其次，数字编码超表面所需尺寸以及形状与防护目标强散射中心表面大小相适应，要求能够完全包覆整个防护目标强散射中心表面。

本实施例中所需适用的频段为X波段，以中心频率为10GHz设计超表面人工单元及排布，中心频率对应的雷达信号的波长λ为3cm，则人工单元的周期间距为λ/2＝1.5cm。制备尺寸为30cm*30cm的数字编码超表面，即人工单元数为20*20。基于FPGA设计对应的数字控制模块，通过I/O接口给各人工单元提供两种不同的偏置电压，分别对应编码“0”和“1”。基于FPGA的数字控制模块为现有技术，实施例可参考实用新型CN210090669U中公开的一种基于FPGA 的二极管阵列在线同步控制系统。

步骤二：数字编码超表面快速随机相位调制

理论上，在一个脉冲内相位随机调制次数为N时，脉冲压缩处理损失的增益最大可达10lgN。本实施例中设置相位编码切换周期为20ns，即在雷达一个脉冲内相位变换6us/20ns＝300次。另一方面，调制相位的二进随机制序列长度需与干扰时长相等。但在实际操作中为减少控制模块所需缓存，生成一组有限长二进制随机序列，依照此序列重复调制。编码序列的长度可以在保证控制模块的缓存空间足够的前提下尽量长。图4为随机相位编码示意图。具体来说利用 MATLAB生成一组长度为3000的二进制随机码，则超表面相位编码的重复周期为60us，将此二进制随机码存入数字控制模块中，在数字控制模块中生成频率为50MHz的时钟，每20ns出现一个时钟上升沿，在每个时钟上升沿按照存入的0/1序列从I/O接口输出相应的偏置电压给超表面各人工单元。需要说明的是，本发明中仅利用超表面对电磁波的相位调制，因此超表面可采用整面全“0”或全“1”控制，不需要设计一次调控时，超表面上各人工单元的编码序列。

步骤三：雷达回波信号处理

雷达发射信号经超表面调制后的反射回波信号进入雷达接收机，经下变频模块混频得到中频信号后，利用雷达发射的中频信号与此回波中频信号做脉冲压缩，即可得到回波信号的一维距离像。在此基础上，将连续多个信号周期的一维距离像按行排列，在慢时间域(按列)做傅里叶变换即脉冲-多普勒处理可得到距离-多普勒二维像。

实验中数字编码超表面放置于雷达正前方约10.5m处，为了便于比较干扰前后的变化，在6.5m处放置一固定目标作为参考，实验场景示意如图5所示。图6为数字编码超表面未经调制时，在实验场景中雷达得到的一维距离像结果；图7为雷达回波信号经上述步骤二中数字编码超表面相位调制后，雷达得到的一维距离像结果。由于该实验所用雷达没有进行脉冲-多普勒处理，针对本实施例进行了信号级仿真，得到如图8和图9分别所示的超表面调制前后的一维距离像仿真结果，如图10和图11分别所示的超表面调制前后的距离-多普勒二维像。

从超表面快速相位调制前后的雷达信号处理结果对比来看，基于数字编码超表面快速相位调控对雷达探测产生了有效干扰，证明了本发明所提供方法的有效性。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，包括：

设计制备数字编码超表面，并安装于防护目标强散射中心表面；

利用数字编码超表面对雷达回波信号的相位进行随机快速调制，经数字编码超表面相位随机快速调制后的雷达回波信号进入雷达接收机，实现对雷达探测的有效干扰。

2.根据权利要求1所述的基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，数字编码超表面由人工电磁表面和数字控制模块组成，其中人工电磁表面由多个周期排布的数字可编码人工单元组成，单元周期为半波长；每个数字可编码人工单元集成1个开关二极管，由单独的直流偏置控制，在两种不同的偏置电压下可动态呈现对电磁波反射相位差180度的两种不同电磁响应，分别记为“0”和“1”两种编码；每个数字可编码人工单元都可单独设计一组编码，通过数字控制模块提供的偏置电压快速切换。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，设计制备数字编码超表面的方法包括：先根据防护目标强散射中心表面的曲面度选取制备数字编码超表面的基材，基材分为刚性基材和柔性基材，其中，如防护目标强散射中心表面为平面结构，则选用刚性基材；如防护目标强散射中心表面为曲面或者不规则的复杂形状，则选用柔性基材；其次，数字编码超表面所需尺寸以及形状与防护目标强散射中心表面大小相适应，要求能够完全包覆整个防护目标强散射中心表面；然后根据待干扰雷达信号的波长λ确定数字编码超表面中人工单元的周期间距为λ/2，依据数字编码超表面所需尺寸以及人工单元的周期间距可知待制备的数字编码超表面中人工单元的个数，制备相应的数字编码超表面即可。

4.根据权利要求3所述的基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，利用数字编码超表面对雷达回波信号的相位进行随机快速调制的方法是：设置干扰时长T和编码切换周期τ，根据所需干扰时长T和编码切换周期τ生成一组长度为T/τ的二进制随机码，然后将该二进制随机码作为数字编码超表面的控制编码输入，使得数字编码超表面依照二进制随机码调控雷达回波信号的相位。

5.根据权利要求4所述的基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，编码切换周期τ远小于待干扰雷达回波信号的脉宽。

6.根据权利要求5所述的基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，雷达回波信号脉宽为us～100us级，编码切换周期τ设定为ns级或10ns级。

7.根据权利要求1所述的基于数字编码超表面快速相位调控的雷达干扰方法，其特征在于，经基于数字编码超表面快速相位调控后的雷达回波信号进入雷达接收机，由下变频模块混频得到中频信号，利用干扰后雷达回波信号与雷达发射的中频信号做脉冲压缩得到一维距离像，多个连续脉冲脉压结果做脉冲-多普勒处理得到距离多普勒二维像，可从处理结果观察到雷达失去了较大的有效脉冲压缩增益和脉冲多普勒处理的相参积累增益，实现了雷达的有效干扰。

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