一种同步角闪烁信号产生的无源方法及装置与流程

本发明属于电子对抗领域。具体涉及到一种同步角闪烁信号产生的无源方法及装置。具体可分为两个层面：其一，利用新型的电磁结构通过无源的方式产生可用于角度欺骗干扰或雷达目标特性试验的同步闪烁信号；其二，设计产生该闪烁信号的无源装置。

背景技术：

单脉冲技术是现代雷达最为常用的角跟踪方式，在地\海精密跟踪雷达、弹载\机载雷达上都有广泛的用途。相对于圆锥扫描方式，单脉冲跟踪的精度更高、抗干扰能力更强。但是，雷达在近距离跟踪时,却经常出现角度起伏却意外地增大甚至出现跟踪失锁的现象，故而引起了广泛的关注。经过深入的分析，目前雷达目标特性领域已公认这种现象是由于角闪烁引起的。

所谓角闪烁，是复杂目标固有的一种物理现象,当受到电磁波照射时,其后向散射的合成回波,一般会偏离目标几何中心,通常以线偏差来表示角闪烁,单位为m。凡是具有2个或2个以上等效散射中心的任何体目标,其尺度与雷达波长可比拟时,都会产生角闪烁线偏差。角闪烁的大小与观测雷达的距离远近无关。从物理本质上分析,角闪烁是由复杂目标合成回波的相位波前畸变,在接收天线口径面上的倾斜与摆动产生的,它是目标后向散射波相互干涉产生的一种物理现象。角闪烁线偏差表征的是与散射波传播方向正交的一个分量，一般接收天线认定波前的法线方向为目标的精确指向，当波前畸变时，就造成角闪烁误差。由于这种波前畸变效应的存在，在雷达对抗领域，人们利用同一距离上不同角度上的两个(或多个)点源发射信号，实现相干或非相干角度干扰，可以显著地增大角跟踪误差。目前，雷达领域已达成共识，角闪烁和角度欺骗信号是测向雷达和导弹寻的器的主要跟踪误差源，是提高制导精度的主要障碍。

为检验、考核雷达系统在复杂环境下的角跟踪能力，需要产生角闪烁信号或角度欺骗干扰信号。目前主要的产生方法是有源方法，通常是在目标上安装应答器，利用射频信号存贮器，存贮雷达发射的信号并进行有源采样转发。这种方式虽然可以在一定程度上模拟回波信号特征，但也具有存在时间延迟、代价较高等缺点。

相对于有源转发，无源转发器响应速度更快，且更为经济，无需采用射频存贮器、天线等装置。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。

在这种背景下，针对角闪烁信号生成的要求以及无源反射器的特点，本发明利用一种新的材料即相位调制表面(phaseswitchscreen,pss)，提出了一种无源角闪烁信号生成方法，并由此设计了相应的无源角闪烁信号产生装置。所谓相位调制表，是一种用于雷达隐身的新型材料，其基本原理是通过相位的控制实现目标的隐身。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，使得雷达回波产生角闪烁现象，所产生的信号能够满足相关的雷达试验要求，也可应用于雷达角度欺骗干扰等实际需求。

技术实现要素：

1、目的：本发明的目的是提供一种同步角闪烁信号产生的无源方法及装置。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)产生灵活可控的角闪烁信号的方法，为雷达目标特性的试验以及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，下面简单介绍同步闪烁干扰信号的机理和相位调制表面的原理。

(1)同步闪烁干扰

同步闪烁干扰是针对单脉冲雷达角度欺骗干扰的常用方法，从两路干扰信号的相位角度是否相关角度，同步闪烁干扰属于非相关干扰。假设两路干扰源分别为j1和j2，所谓同步闪烁干扰即是由j1和j2相互配合，轮流通断干扰，使j1和j2的功率比b²按照周期t变化：

其中k为干扰源通断次数，t为干扰周期，t为实际干扰时间，b²两个干扰源功率比，通过这种周期性的通断控制，造成雷达跟踪天线的指向在j1和j2之间来回摆动。除了可以采用j1和j2配合以外，也可采用目标与其附近的干扰源进行配合，产生闪烁干扰的效果。

(2)相位调制表面

相位调制表面(phaseswitchscreen,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，二者之间通过支撑螺栓连接固定，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。

2、技术方案：本发明一种同步角闪烁信号产生的无源方法及装置，其设计思想是：根据雷达的频段和带宽，采用至少两块(也可扩展到多块)相位调制表面板，通过与控制中心相连接，根据雷达侦察系统获知的雷达重复频率，控制相位调制表面板的开关频率等相关参数，从而实现使得两块板的合成回波信号相干抵消或相干增强，从而出现散射中心的动态闪烁变化。

下面从两个层面介绍本发明的技术方案：

(1)同步角闪烁信号的无源产生方法

本发明的第一个层面：一种同步角闪烁信号产生的无源方法，即基于相位调制表面的角闪烁信号产生方法，其实现流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤一：根据待对抗的雷达的频率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)。

步骤二：根据待对抗的雷达的频率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：设计同步角闪烁信号的相关参数。

通常，为实现较好角度干扰效果，同步闪烁干扰要求两干扰源发射的干扰信号在时域上保持同步，各自分别以50％的占空比发射矩形脉冲调制的干扰信号。同步闪烁干扰对抗单脉冲雷达需选择合适的闪烁频率，使得天线指向在两闪烁源之间来回切换,造成虚假的目标位置信息。同步闪烁干扰信号频率是影响单脉冲雷达角度测量和角度跟踪回路关键因素，因此选取合适的同步闪烁干扰信号频率十分重要。闪烁频率过高,会导致角跟踪回路表现出低通特性，并不能获得较高的目标视线角速度输出，导引头的角跟踪系统由于惯性原因无法及时响应。闪烁频率过低，会致使导引头角跟踪系统较长时间内处于稳定状态，始终锁定一个目标，闪烁干扰信号无法对导引头角度测量以及目标视线角速度测量产生影响。因此，闪烁频率过高或过低均达不到有效干扰单脉冲雷达导引头的目的，相关研究表明，当闪烁信号频率在1～10hz时可对雷达的测角性能产生最佳干扰效果。

(2)同步角闪烁信号的无源产生装置

本发明的第二个层面：一种同步角闪烁信号产生的无源装置，即采用相位调制表面设计产生同步闪烁信号无源装置，本装置的结构示意图如图3所示，本装置主要包括厚度可调节相位调制表面板、调制信号控制台、可旋转空心圆柱支架、可伸缩架以及可旋转支撑平台。下面具体介绍这几个组成部分的关键细节。

(a)厚度可调节相位调制表面板

本装置中共包含两块(也可扩展到多块)厚度可调节相位调制表面板，用于构成两个闪烁干扰源j1和j2，两块板子的长宽尺寸相同。为达到良好的干扰效果，pss长宽均选取为1～3m之间较为合适；板子厚度可调节，用于适应其对抗雷达频率参数的变化，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)。相位调制表面板的厚度可通过调整金属衬底和开关屏之间的支撑螺栓而改变，其变化范围(c/(4f1)～c/(4f2))由该干扰装置对抗雷达频率范围(f1～f2)确定，其中，c为光速，f1为待对抗雷达的最高频率，f2为待对抗雷达的最低频率。

(b)调制信号控制台

本装置中共包含两个调制信号控制台，用于控制相位调制表面的调制信号，该控制台具有参数选择和显示的功能，两个控制台可独立控制两块相位调制表面，根据具体情况选择调制信号的频率和占空比。

(c)可旋转空心圆柱支架

本装置中共包含两根可旋转空心圆柱支架，可旋转空心圆柱支架用于连接相位调制表面板和调制信号控制台，其中一端固定于相位调制表面的金属衬底下，另一端与调制信号控制台相连接，且连接处360度可旋转，以便随时调整相位调制表面板的方向，确保其正对敌方雷达，以增大干扰效率。

圆柱支架之所以选择空心主要出于下面的因素考虑：相位调制表面板与调制信号控制台中间需由导线连接，为增强设备的耐用性。

可旋转空心圆柱支架的材料、长度及其半径的选择应考虑一下几点因素：装置有无重量限制、相位调制表面板的重量、干扰装置的布置位置等，通常为提高整个装备的稳定性，其长度不宜过大，在10～15cm为宜。

(d)可伸缩架

本装置中共有两根可伸缩架，用于连接可旋转支撑平台和调制信号控制台。由于对单脉冲雷达实施闪烁干扰时，必须确保两个干扰源处于同一个雷达波束内，而不同雷达波束角会有差异，因此可根据具体情况选择可伸缩架的长度，伸缩架长度的选择原则为确保两个干扰源同时处于同一个雷达波束内。

(e)可旋转支撑平台

本装置中包含一套可旋转支撑平台，用于支撑整个闪烁信号产生装置。支撑平台之所以具备可旋转性，主要出于随时调节整个装置的方向性考虑，可提高对抗的时效性。

3、优点及功效：本发明一种同步角闪烁信号产生的无源方法及装置，其优点有：

(1)结构简单，采用两块相位调制表面即简单的支撑和控制系统构成，易于加工和制作和批量生产，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。

附图说明

图1是单层相位调制表面结构示意图；

图2是基于相位调制表面的角闪烁信号产生方法流程图；

图3是同步角闪烁信号无源产生装置图；其中，1、厚度可调节相位调制表面板；2、调制信号控制台；3、可旋转空心圆柱支架；4、可伸缩架；5、可旋转支撑平台

图4是雷达与目标、干扰装置的相对位置关系示意图；

图5是相位调制表面反射回波匹配滤波输出(fs＝2mhzτ/t＝0.5)；

图6是常规同步闪烁干扰下单脉冲雷达角度测量值；

图7是双点源同步闪烁时单脉冲角度测量值(两块pss板调制信号频率保持2mhz不变)；

图8是双点源同步闪烁时单脉冲角度测量值(改变pss板调制信号频率)；

图9是双点源同步闪烁时虚假目标偏离真实目标距离曲线(改变pss板调制信号频率)。

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fc＝10ghz(λ＝3.0cm)的线性调频脉冲信号；带宽：bw＝10mhz；脉宽tp＝10us，pri为tp＝250us，每积累32个脉冲后进行一次角度测量；天线3db波束宽度为1.2°；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4所示，图4中仅考虑俯仰方向，方位向同理。

本发明中一种同步角闪烁信号产生的无源装置，结构示意图如图3所示，本装置主要包括厚度可调节相位调制表面板1、调制信号控制台2、可旋转空心圆柱支架3、可伸缩架4以及可旋转支撑平台5。

本装置中共包含两块(也可扩展到多块)厚度可调节相位调制表面板，用于构成两个闪烁干扰源j1和j2，两块板子的长宽尺寸相同。pss长宽均选取为1～3m之间较为合适；板子厚度可调节，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)。相位调制表面板的厚度可通过调整金属衬底和开关屏之间的支撑螺栓而改变，其变化范围(c/(4f1)～c/(4f2))由该干扰装置对抗雷达频率范围(f1～f2)确定，其中，c为光速，f1为待对抗雷达最高频率，f2为待对抗雷达最低频率。

本装置中共包含两个调制信号控制台，用于控制相位调制表面的调制信号，该控制台具有参数选择和显示的功能，两个控制台可独立控制两块相位调制表面，根据具体情况选择调制信号的频率和占空比。

本装置中共包含两根可旋转空心圆柱支架，可旋转空心圆柱支架用于连接相位调制表面板和调制信号控制台，其中一端固定于相位调制表面的金属衬底下，另一端与调制信号控制台相连接，且连接处360度可旋转，以便随时调整相位调制表面板的方向，确保其正对敌方雷达，以增大干扰效率。

圆柱支架之所以选择空心主要出于下面的因素考虑：相位调制表面板与调制信号控制台中间需由导线连接，为增强设备的耐用性。

可旋转圆柱支架的材料、长度及其半径的选择应考虑一下几点因素：装置有无重量限制、相位调制表面板的重量、干扰装置的布置位置等，通常为提高整个装备的稳定性，其长度不宜过大，在10～15cm为宜。

本装置中共有两根可伸缩架，用于连接可旋转支撑平台和调制信号控制台。由于对单脉冲雷达实施闪烁干扰时，必须确保两个干扰源处于同一个雷达波束内，而不同雷达波束角会有差异，因此可根据具体情况选择可伸缩架的长度，伸缩架长度的选择原则为确保两个干扰源同时处于同一个雷达波束内。

本装置中包含一套可旋转支撑平台，用于支撑整个闪烁信号产生装置。支撑平台之所以具备可旋转性，主要出于随时调节整个装置的方向性考虑，可提高对抗的时效性。

本发明一种同步角闪烁信号产生的无源方法，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的金属背板和有源开关屏之间的距离其中d为pss的厚度。

步骤二：根据待对抗的雷达的频率等参数确定相位调制表面的相关“软”参数：包括设置相位调制表面的调制频率和调制波形等。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同步角闪烁信号，故两块pss板应交替处于干扰状态和隐身状态，且一个周期内各占50％的时间。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：由于调制信号频率会影响回波信号输出，相位调制表面有源开关屏调制信号频率fm＝2mhz/0.08mhz，占空比为0.5，经相位调制表面反射回波的匹配滤波输出如图5所示。

(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fm＝15mhz，占空比为0.5。通过装置中的调制信号控制台即可设定两块相位调制表面板的工作状态。

另外，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，设置干扰装置中可伸缩架的总长度最大为50m。在实际操作中，考虑实际掩护的目标而设定伸缩架的长度，假设采用本装置掩护重要的小型坦克车辆，则设置单根伸缩架长为5m，此时伸缩架总长度为10m，本实施例考虑pss的长为1.5m，本干扰装置总长度为11.5m。此外，设置可旋转空心圆柱支架的长度为10cm,直径5cm，采用硬质塑料结构，以减轻结构的整体重量。布置干扰装置在雷达角度分辨率之内。

当设置单根伸缩架长度为5m时，两块pss板中心分别偏离波束中心位置可由如下公式计算：

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

步骤四：设置同步闪烁信号频率。参考雷达积累32个脉冲时间为8ms,并假设雷达每隔1s进行一次角度信息测量，同时考虑最佳闪烁频率，设置闪烁频率为1hz，即雷达每测一次角度信息，干扰源闪烁一次。实际情况下，雷达所测得的角度与目标位置、干扰源位置以及干扰源的相关参数有关。

以上四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同步闪烁干扰测角曲线。图6给出常规同步闪烁干扰下单脉冲雷达角度测量值，此时干扰源与目标的rcs比值为1，信噪比为-20db。从图中可以看见单脉冲方法的角度测量值在第一块pss板与目标的质心(0.1426°/2)和第二块pss板与目标的质心(0.1710°/2)附近来回波动，与理论情况相符合。

图7给出了双点源同步闪烁时单脉冲角度测量值，此时设定干扰源与目标的rcs比值为3，信噪比为-20db，且两块pss板调制信号频率保持2mhz不变，调制信号占空比0.5。由图7可以看出，在雷达每测一次角度信息，干扰源闪烁一次的情况，雷达测量角度在0.14°和0.17°之间闪烁变化，所测角度偏离真实目标位置，达到了闪烁干扰的效果。

图8给干扰过程中改变两块块相位调制表面板调制信号频率情况下的单脉冲角度测量值。其中，两块块pss板在前5次干扰时调制信号频率为0.08mhz、占空比0.5，后5次干扰时调制信号频率为2mhz、占空比0.5，其他参数与图7中仿真设置相同。由图可以看出，在这样的参数设置下，雷达角度测量值先在0.13°和0.15°两个角度上来回波动，改变相位调制表面调制信号参数后雷达角度测量值在0.14°和0.17°两个角度上波动，图9给出了此条件下雷达根据角度测得的虚假目标位置偏离真实目标位置的距离曲线。结果证明，采用本发明中的无源闪烁干扰装置，不仅能够实现对角度信息的闪烁欺骗，诱骗雷达的角度测量值偏离真实目标所在位置，同时通过改变相位调制表面调制信号的频率参数可灵活调整角度欺骗干扰效果。这是因为，调制信号的频率是影响相位调制表面反射回波幅度的关键因素之一，由于调制信号频率的变化，导致回波幅度的变化，进而导致比幅单脉冲测角中角度值的变化。通过这样的设置，在实际操作过程中可以逐渐增大pss板调制信号频率，逐渐引偏雷达对真实目标的角度测量。

综上分析，可得出以下结论：利用两块pss板构成的无源角度欺骗干扰装置能够实现对单脉冲雷达的闪烁欺骗干扰效果，同时又能降低干扰系统被打击的概率。此外，由于每一块pss面板的工作状态都可以独立控制，通过调节pss的相关参数就能够实现灵活的角度欺骗干扰效果。另，根据实际待干扰的雷达系统参数，可以调整pss具体的“软”参数和“硬”参数，以及闪烁信号的频率，而不必拘泥于本发明中的参数范围。