基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法與裝置與流程
2024-01-19 04:22:15 2
本發明涉及目標偽裝防護技術領域，具體涉及一種基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法與裝置。
背景技術：
合成孔徑雷達具有全天時、全天候對地面目標成像的能力，通過目標精細的二維結構信息，實現對目標的識別。
目標隱蔽偽裝方法一般分為內外兩類。「內在式」隱蔽偽裝措施即隱身技術，通過降低目標暴露特徵，對雷達波段，主要採用外形結構設計避免鏡面反射和角反射效應，採用吸波材料減弱雷達波散射等，單靠隱身技術降低目標暴露特徵難度大、成本高，無法根本解決目標隱蔽偽裝問題。「外加式」隱蔽偽裝主要根據目標外形尺寸、暴露徵候等，外加偽裝網，遮障器材，假目標等，改變目標散射特徵，降低合成孔徑雷達發現和識別目標概率。目前，主要的「外加式」隱蔽偽裝方式均為採用無源器材，此類器材的主要缺陷是安裝撤收過程複雜，覆蓋面積有限，且一般無法用於機動目標。合成孔徑雷達通過對地面目標的雷達回波信號的距離和方位兩個維度壓縮處理成像，方位維也稱都卜勒維，對雷達信號的脈內處理，得到距離信息，對雷達信號的脈間處理，得到方位信息，也就是都卜勒信息，單獨獲得距離信息或方位信息屬於一維處理；通過一次或多次處理，綜合獲得兩個信息，屬於二維處理。目前用於SAR成像處理的主要有：Range-Doppler算法、Chirp-Scaling算法和Specan算法等，算法一般包括都包括距離壓縮、方位壓縮、距離遷移校正、DOPPLER參數估計等步驟，至於先後順序並不固定，成像處理流程視不同算法而定，通常可將成像雷達接收處理看作一個二維線性系統，假設信號在距離向和方位向滿足解耦的條件，可將該二維系統的處理分解為兩個一維處理的過程分別進行考慮。
技術實現要素：
有鑑於此，針對當前偽裝技術存在的問題，本發明提供了一種基於多相位分段調製(Multiple Phase Sectionalized Modulation，MPSM)雷達幹擾方法的有源偽裝防護方法與裝置，通過控制幹擾信號特徵，在合成孔徑雷達圖像產生數量、位置、面積、亮度可控的圖像塊覆蓋目標及周邊背景圖像，達到偽裝目的。本發明的方法是對二維做的處理，接收信號為等間隔脈衝信號，分段信號的最大長度比接收信號的一個脈衝寬度短時為短分段，是對距離維的幹擾，分段信號的最小長度比接收信號的一個脈衝重複周期長時為長分段，是對都卜勒維的幹擾。基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法包括如下步驟：
步驟1，將接收到的雷達信號按時間進行分段，得到各分段信號，分段信號的最大長度比所述雷達信號的一個脈衝寬度短，其中分段數不小於2；對各分段信號分別進行相位調製，得到相位調製後的分段信號，其中調製相位值取[0,2π]內的一個任意值，所有分段信號的調製相位值中至少有兩個不相同；將所有調製後的分段信號按時間順序整合為一個全段信號，即得到一維幹擾信號；
步驟2，將步驟1得到的一維幹擾信號作為輸入信號，將此信號按時間進行分段，得到各分段信號，分段信號的最小長度比所述雷達信號的一個脈衝重複周期長，其中分段數不小於2；對各分段信號分別進行相位調製，得到相位調製後的分段信號，其中調製相位值取[0,2π]內的一個任意值，所有分段信號的調製相位值中至少有兩個不相同；將所有調製後的分段信號按時間順序整合為一個全段信號，即得到最終的二維幹擾信號；
步驟3，將得到的二維幹擾信號，發送給敵方雷達，實現有源偽裝防護。
進一步地，所述二維幹擾信號表達式為：
sJ(t)＝s(t)·p(t)·q(t) (1)
其中s(t)為雷達信號，p(t)為步驟1中相位調製使用的調製信號函數，p(t)表達式為：
其中，下標j表示第j個調製相位值，j＝1,2,...,p，p為調製相位值的總數，第j個調製相位值φj對應的分段信號的起始和截止時刻分別為和下標i表示調製相位值對應的分段下標，i＝1,2,...,nj，nj為調製相位值為φj的分段信號總數，信號總分段數為所述步驟1中所有相位調製值下包含的分段信號數目之和；
q(t)為步驟2中相位調製使用的調製信號函數，q(t)表達式為：
其中，下標v表示第v個調製相位值，v＝1,2,...,q，q為調製相位值的總數，第v個調製相位值φv對應的分段信號的起始和截止時刻分別為和下標u表示調製相位值對應的分段下標，u＝1,2,...,nv，nv為調製相位值為φv的分段信號總數，信號總分段數為所述步驟2中所有相位調製值下包含的分段信號數目之和。
本發明中實現基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法的裝置，包括控制器和數字射頻存儲器DRFM，控制器與數字射頻存儲器DRFM串聯，控制器控制所述雷達信號的分段方式以及調製相位值；DRFM根據分段方式以及調製相位值獲得一維和二維幹擾信號。
其中基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護裝置中控制器通過對分段方式中分段長度的控制，以此控制敵方雷達接收到幹擾信號後產生幹擾圖像塊的大小。
進一步地，控制器通過對信號處理通道數的控制，以此控制敵方成像雷達接收到的幹擾信號產生幹擾圖像塊數量。
基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護裝置，還包括接收天線、低噪聲放大器LNA、下變頻器、上變頻器、功率放大器、發射天線與信號測量單元，接收天線接收雷達信號，經低噪聲放大器，分成兩個通道，一個通道經下變頻器，進入DRFM處理；另一通道信號進入信號測量單元，測量單元輸出的測量信息輸入到控制器，控制器與數字射頻存儲器DRFM串聯，處理後的二維幹擾信號經上變頻器，功率放大器，由發射天線發射。
通過對有源偽裝防護裝置的安裝位置的控制以及控制器通過對信號延時量及都卜勒調製量的控制，以此控制敵方成像雷達接收到的幹擾信號產生幹擾圖像塊的位置。
有益效果：
多相位分段調製幹擾方法應用於幹擾合成孔徑雷達，可用於產生距離和方位兩個維度上的擴散假目標，在SAR圖像上產生方形幹擾圖像塊，方形幹擾圖像塊的大小可以控制。
應用於偽裝時，在防護目標上安裝幹擾裝置，設置幹擾圖像塊的大小大於防護目標尺寸，設置幹擾圖像塊的亮度強於防護目標亮度，即可以在空間、圖像亮度上覆蓋目標圖像，從而實現偽裝防護目的。
通過信號複製，還可產生多個圖像塊，分布在防護目標周邊，產生迷惑效果。
附圖說明
圖1為三相位非等分調製原理示意圖。
圖2為幹擾遮蓋效果示意圖，其中(a)、(b)分別為無幹擾信號的二維平面與三維立體示意圖，(c)、(d)分別為幹擾信號的二維平面與三維立體示意圖。
圖3為實施例裝置圖。
圖4為合成孔徑雷達圖像，兩個車輛目標A，B均未實施偽裝。
圖5為兩個車輛A，B均獨立實施偽裝，各自控制幹擾圖像塊大小和亮度。
圖6為由車輛A實施協同偽裝的效果圖，控制產生了面積較大的幹擾圖像塊，同時遮蔽偽裝車輛A自身及車輛B。
圖7為由車輛A實施偽裝，產生多個幹擾圖像塊，控制幹擾圖像塊的位置，保證遮蔽車輛A和車輛B，同時產生多個圖像塊，達到迷惑效果。
具體實施方式
下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
本發明提供了一種基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法與裝置，基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法包括如下步驟：
步驟1，將接收到的雷達信號按時間進行分段，得到各分段信號，分段信號的最大長度比所述雷達信號的一個脈衝寬度短，其中分段數不小於2；對各分段信號分別進行相位調製，得到相位調製後的分段信號，其中調製相位值取[0,2π]內的一個任意值，所有分段信號的調製相位值中至少有兩個不相同；將所有調製後的分段信號按時間順序整合為一個全段信號，即得到一維幹擾信號；
步驟2，將步驟1得到的一維幹擾信號作為輸入信號，將此信號按時間進行分段，得到各分段信號，分段信號的最小長度比所述雷達信號的一個脈衝重複周期長，其中分段數不小於2；對各分段信號分別進行相位調製，得到相位調製後的分段信號，其中調製相位值取[0,2π]內的一個任意值，所有分段信號的調製相位值中至少有兩個不相同；將所有調製後的分段信號按時間順序整合為一個全段信號，即得到最終的二維幹擾信號；
步驟3，將得到的二維幹擾信號，發送給敵方雷達，實現有源偽裝防護。
所述二維幹擾信號表達式為：
sJ(t)＝s(t)·p(t)·q(t) (4)
將分段信號間的調製相位值跳變用階躍函數ε(t)來表示，分別以分段時間起始點和截止點為中心的兩個階躍函數的差值乘以雷達全段信號得到分段信號；對各分段信號分別進行相位調製，即將分段信號乘以調製相位值復指數，得到相位調製後的分段信號，所有分段信號按時間順序整合為一個全段信號，得到最終的幹擾信號，其中s(t)為雷達信號，p(t)為步驟1中相位調製使用的調製信號函數，p(t)表達式為：
其中，下標j表示第j個調製相位值，j＝1,2,...,p，p為調製相位值的總數，第j個調製相位值φj對應的分段信號的起始和截止時刻分別為和下標i表示調製相位值對應的分段下標，i＝1,2,...,nj，nj為調製相位值為φj的分段信號總數，信號總分段數為所述步驟1中所有相位調製值下包含的分段信號數目之和；
q(t)為步驟2中相位調製使用的調製信號函數，q(t)表達式為：
其中，下標v表示第v個調製相位值，v＝1,2,...,q，q為調製相位值的總數，第v個調製相位值φv對應的分段信號的起始和截止時刻分別為和下標u表示調製相位值對應的分段下標，u＝1,2,...,nv，nv為調製相位值為φv的分段信號總數，信號總分段數為所述步驟2中所有相位調製值下包含的分段信號數目之和。
多相位分段調製為由二維參數組合控制下的幹擾樣式，幹擾信號表達式與信號分段的長度和數量、調製相位值的大小和順序有關，調製信號得到的輸出結果相當於原信號與複合函數相乘，當接收雷達信號僅與p(t)相乘，則僅改變信號脈內特性，對雷達獲取目標距離信息進行幹擾；當接收到的雷達信號僅與q(t)相乘，則僅改變信號脈間特性，對雷達獲取目標速度信息即都卜勒信息進行幹擾，通過都卜勒信息計算方位信息；當雷達信號與p(t)和q(t)均相乘，則信號的脈內脈間特性均發生改變，對雷達獲取目標的圖像信息進行幹擾。圖1中，p＝3，n1＝n2＝n3＝2，q＝3,N1＝N2＝N3＝2。
由雷達信號處理流程可知，脈內處理為快時間，設為tr，表示以發射時刻為起點的時間，快時間用來計量電波傳播的時間；脈間處理時間為慢時間，設為tm，脈衝信號以重複周期T依次發射，即發射時刻tm＝mT(m＝0,1,2,...)，慢時間是計量發射脈衝的時刻，快時間、慢時間與全時間的關係為t＝tm+tr。將幹擾信號寫成如下形式：
sJ(t)＝s(tr,tm)·p(tr)·q(tm) (6)
將幹擾信號的二維處理過程看作兩個一維處理，即：
式中，表示距離維參考函數，其中TP為信號脈寬，μr為信號調頻斜率。表示方位維參考函數，其中TL為合成孔徑時間，μa為都卜勒頻率的變化率。
雷達接收到回波信號s(t)和幹擾信號sJ(t)並進行匹配濾波處理，目的是在輸出端得到最大的信噪比。對幹擾信號處理的過程描述如下：
步驟1，通過傅立葉變換得到信號在頻域的表達式：
式中，η表示幅度變化因子，τ表示信號分段的最小長度，td表示從雷達發射信號到接收到幹擾信號的時間延遲，ωk表示信號頻帶內的各角頻率分量，0＜ω1,ω2,...,ωK＜B，B為信號帶寬，φk表示該頻率分量上的調製相位值。
步驟2，根據匹配濾波原理，考慮在特定的TM時刻得到的信噪比SNR最大，其表達式為：
該式取最大值若且唯若式中，F(jω)表示雷達發射信號的頻域表達式，*表示信號的共軛運算。
進一步推導，幹擾信號經匹配濾波處理可得：
該式即為幹擾信號的匹配濾波輸出。
步驟3，代入典型的線性調頻(LFM)信號進行計算，信號表達式為：
式中f0為信號載頻，μr為信號調頻斜率。
在一定範圍內LFM信號頻譜可近似為一固定值，即可寫為：
式中ωL和ωH表示頻譜的上下限，且ωH-ωL＝B。
由於LFM信號具有時頻相關特性，相位調製使信號產生頻移，移頻量設為由頻移帶來的時延量為即時延量td k＝td-Δtk。代入式(11)，得：
考慮調製相位差值為Δφ1的分段信號，設其頻帶寬度為則Δf1＝B1/2π。計算該段幹擾信號脈衝壓縮結果，可得：
式中，令則上式等價於式(14)的最終計算結果為：
在複平面中，最終得到的功率為多個矢量疊加的結果，其統計模型可以描述成在坐標平面中的有序遊程，信號相互疊加和抵消並得到了最終的輸出結果。由上式可知，信號矢量的幅度與各分段信號的帶寬有關，幅角和幅度與各分段信號的調製相位均有關，分段造成信號帶寬減小，由LFM信號脈衝壓縮的特性可知，輸出信號主瓣會展寬，即產生擴展目標，該擴展目標中心在時間上與真實目標中心重合或相近時，產生遮蓋真實目標的壓制幹擾效果。
對於一維距離維的處理，其計算結果可以表示成：
sj′(tr,tm)＝sj_r(tr,tm)·q(tm) (17)
載頻信號為exp(j2πf0t)，其中t為全時間，其通過距離維參考函數作匹配後未發生變化，且對距離維處理輸出結果無影響。將該項提出，則上式進一步寫作：
s′(tr,tm)＝s′j_r(tr,tm)·exp(j2πf0tm)·q(tm) (18)
在方位維作合成孔徑處理時，將斜距進行Taylor分解，得到:
其中，Rc為天線與目標的最短斜距。考慮到都卜勒中心頻率fd和都卜勒頻率變化率fr：
代入表達式可得：
將上式帶入式(18)，距離壓縮後的信號表示式可寫作：
由項可知，信號在方位維仍為一線性調頻信號，故其與距離維處理具有相同的規律，產生同樣的幹擾效果，方位維處理與距離維處理具有同樣的規律。
二維幹擾遮蓋效果如圖2所示，圖2中(a)、(b)分別為無幹擾信號的二維平面與三維立體示意圖，(c)、(d)分別為幹擾信號的二維平面與三維立體示意圖。
基於多相位分段調製雷達幹擾的有源偽裝防護方法與裝置如圖3所示，包括接收天線、低噪聲放大器LNA、下變頻器、數字射頻存儲器DRFM、上變頻器、功率放大器、發射天線、信號測量裝置、控制器。
接收天線接收雷達信號，經低噪聲放大器，分成兩個通道，一個通道經下變頻器，進入DRFM處理；另一通道信號進入信號測量單元，獲取信號特徵信息，這些特徵信息輸入到控制器，作為偽裝效果控制的輸入量，控制器與數字射頻存儲器DRFM串聯，按分段時間對控制器的輸入指令進行操作，控制器控制雷達信號的分段方式以及調製相位值；DRFM根據分段信號以及調製相位值獲得一維和二維幹擾信號，處理後的二維幹擾信號經上變頻器，功率放大器，由發射天線發射。
控制器輸出控制DRFM實現對信號幅度、頻率、相位等的控制和調製，實現不同的偽裝效果。通過遮蓋，擾亂目標圖像實現偽裝效果，使合成孔徑雷達無法發現和識別目標。偽裝效果控制主要體現在對幹擾圖像塊的數量、位置、大小、強度的控制，其中幹擾圖像塊數量由信號處理通道數決定，幹擾圖像塊位置由有源防護偽裝裝置的安裝位置和信號延時量及都卜勒調製量控制，幹擾圖像塊大小由分段方式中分段長度控制，幹擾圖像塊強度由信號功率控制。幹擾圖像的圖像塊數量，圖像塊位置，圖像塊大小，圖像塊亮度均可控，且可以獨立控制，其中信號處理通道數、信號延時量及都卜勒調製量以及分段方式均由控制器控制。
以車輛目標偽裝為例，說明偽裝效果，如圖4所示合成孔徑雷達圖像，兩個車輛目標A，B均未實施偽裝。圖5中，兩個車輛A，B均獨立實施偽裝，各自控制幹擾圖像塊大小和亮度。圖6中，由車輛A實施協同偽裝，控制產生面積較大的幹擾圖像塊，同時遮蔽偽裝車輛A自身及車輛B。圖7中，由車輛A實施偽裝，產生多個幹擾圖像塊，控制幹擾圖像塊的位置，保證遮蔽車輛A和車輛B，同時產生多個圖像塊，達到迷惑效果。
本發明的目標有源偽裝方法，採用相位分段調製雷達幹擾技術，幹擾合成孔徑雷達成像，通過幹擾圖像覆蓋目標所在位置及周邊，達到改變目標圖像特徵偽裝掩護目標的目的，所述目標，包括地面、水面固定目標和運動目標及目標所在區域。在目標上安裝或目標附近布設有源偽裝裝置，通過接收處理合成孔徑雷達工作信號，產生幹擾信號，有源偽裝裝置可用於偽裝靜止目標和運動目標，適應多波段偽裝需求，可與其他有源/無源偽裝技術和裝置組合使用，其中控制器對DRFM的控制量包括信號幅度、頻率、相位等，但不限於這些控制量。
實施例實現偽裝的過程中有源偽裝裝置採用轉髮式結構；信號處理採用DRFM數位訊號處理或模擬信號處理方式；採用測頻方法控制，偵查設備首先對接收到的敵方信號進行測量，得到信號所處的頻段，幹擾設備採用相應頻段的接收天線，實現對信號的最佳接收。雷達信號的主要信號特徵有信號脈衝重複周期，脈衝寬度，帶寬，中心頻率，脈衝幅度。除此之外有源偽裝裝置還可採用應答式結構或其他結構；當已知敵方雷達的工作頻段即情報信息時，可根據外部輸入情報信息進行控制選擇相應的幹擾機接收天線。
綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。