基于吸波材料的无源干扰新方法研究

摘要

随着现代电子技术的迅猛发展，电子战已成为未来战争获胜的关键因素之一。由于雷达自身技术的不断提高，雷达干扰技术作为战争中破坏敌方武器装备和保护己方武器装备效能正常发挥的关键，开始面临到严峻的威胁与考验。因此，研制有效的雷达干扰技术具有十分重要的意义。相比有源干扰，许多无源干扰方法不仅具有工作频带宽、工作极化方式多样、作用空域大、干扰器材价格低廉的优点，还具有和复杂电磁环境下各种威胁信号的同时作用能力。然而受到使用条件的限制，干扰效果往往无法保证。隐身技术的出现解决了传统无源干扰方法所面临的问题。隐身技术本质是减小目标在雷达方向上的散射能量，从而使雷达难以探测目标，达到干扰的作用效果。
　　雷达吸波材料(Radar Absorber Material，RAM)是隐身技术对探测目标表面进行涂装的关键，将其用于隐身技术能够实现对目标的有效保护，这在历来多场战争中已经得到充分印证。雷达吸波材料通过对雷达波的有效吸收，达到回波强度显著降低的目的。然而传统的吸波材料受到重量、厚度以及作用带宽等问题的制约，能够实现的隐身效果十分有限。与传统吸波材料不同，电磁超材料和等离子体这两种特殊的吸波材料除了具有很强的电磁波吸收能力以外，还能够对雷达电磁波实现各种复杂的调控作用。基于谐振吸收效应，本文提出将这两种吸波材料用于实现雷达干扰的新方法。研究结果发现这两种吸波材料能够对雷达实现双重干扰效果:一方面对雷达回波产生强吸收作用达到隐身目的;一方面回波特性改变导致雷达回波产生畸变还能够获得假目标干扰效果。
　　本文的主要创新点和贡献如下:
　　1、根据电磁超材料和等离子体两种吸波材料各自的结构特点，分别采用不同的电磁计算方法进行计算。对电磁超材料结构采用有限积分法(Finite Integration Technique，FIT)，对等离子体采用等效传输线法(Equivalent Transmission Line，TML)。通过计算分别获得雷达信号经吸波材料作用后的回波特性，并建立起经这两种吸波材料作用后的雷达信号回波模型。在此基础上分析基于谐振吸收效应下两种吸波材料的干扰原理，进一步研究吸波材料对雷达回波特性产生的影响。以脉冲压缩体制雷达为研究对象，文中研究了三种典型信号，包括线性调频信号(Linear Frequency Modulation，LFM)、非线性调频信号(Non-Linear Frequency Modulation，NLFM)以及LFM/BPSK(Linear Frequency Modulation and Binary Phase Shift Keying，LFM/BPSK)复合调制信号，分别在电磁超材料和等离子体的作用下雷达信号回波的改变。研究结果表明这两种吸波材料均能够使得三种典型脉压雷达信号发生畸变，表现在信号回波幅度强衰减和波形的幅相调制两个方面。
　　2、研究了三种典型脉压雷达信号的回波畸变对匹配滤波输出结果以及雷达信号检测环节产生的影响。通过对脉冲压缩雷达信号有无吸波材料作用时的匹配滤波结果进行比对，发现不同的吸波材料参数条件下，对匹配滤波的影响呈现以下两个结果:(1)当两种吸波材料的参数选择恰当时，能够实现峰值十几dB至几十dB的强衰减;(2)某些参数条件下，能够使目标峰值产生分裂，形成伴随在真实目标数米处的假目标现象。针对第一种情况，通过雷达信号检测概率对吸波材料的干扰性能进行定量描述。而第二种情况下假目标的出现，利用检测概率仅仅只能衡量吸波材料的衰减能力，无法体现出真实目标消失假目标成对出现的情况，此时雷达无法检测到真实目标。以检测概率小于0.1为衡量干扰是否有效的标准，给出了两种吸波材料用于干扰时所应选取的合适的吸波材料参数值，研究结果对实际工程应用具有很大的指导意义。
　　3、考虑到电磁超材料易于与目标共形的优点，本文提出利用电磁超材料对逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)目标成像结果实施无源干扰的方法。以十字型超材料结构设计为例，研究X波段雷达在其作用下的成像结果的变化。首先研究了ISAR成像雷达对单个点目标的一维距离像的干扰效果，一维距离像目标位置所在处的峰值发生分裂和衰减，表明干扰有效;进一步对理想简单点目标的成像结果进行研究，发现成像原有的五个散射点变成了多个，成像结果变得十分模糊;除此以外，接近一半的能量衰减使得目标在成像结果中的亮度很低。结合实际应用需求，建立导弹目标三维模型，采用十字型超材料对其进行包覆，研究X波段雷达对导弹目标ISAR像的干扰效果。成像结果表明，十字型超材料的作用造成目标表面的散射点亮度降低，并且在距离向的尺寸展宽，亮点分布更加的复杂，分布规律被改变。因此，十字型超材料能够对导弹目标的ISAR成像结果实现有效干扰。
　　本文基于电磁超材料和等离子体的谐振吸收效应，提出了一种新的无源干扰方法。该方法能够使雷达回波特性改变导致回波发生畸变，进一步造成匹配滤波结果的峰值衰减，甚至能够产生假目标，能够实现对雷达的有效干扰。不仅如此，电磁超材料还可以用于实现对ISAR成像结果的有效干扰。本文所提的无源干扰新方法能够解决传统无源干扰方法用于高速飞行目标保护时受到诸多限制的问题，具有工程可实现价值，应用范围广，为无源干扰新方法的研究开拓了一个新的思路和研究方向。

目录

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摘要

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缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 传统无源干扰技术研究现状

1．2．2 基于电磁超材料吸波效应的无源干扰技术研究现状

1．2．3 基于等离子体吸波效应的无源干扰技术研究现状

1．3 本文主要研究内容与安排

第二章 吸波材料吸波原理与基础

2．1 引言

2．2 吸波材料吸波原理介绍

2．2．1 电磁超材料吸波机理

2．2．2 等离子体吸波机理

2．3 雷达信号在吸波材料中传输特性计算方法

2．3．1 FIT算法

2．3．2 等效传输线方法

2．4 本章小结

第三章 吸波材料对脉冲压缩雷达典型信号影响研究

3．1 引言

3．2 基于吸波材料的波形干扰新方法原理

3．2．1 十字型电磁超材料干扰原理

3．2．2 等离子体干扰原理

3．3 吸波材料覆盖平面模型的雷达回波波形计算模型

3．4 吸波材料对线性调频波的影响

3．4．1 线性调频信号

3．4．2 电磁超材料对线性调频波的影响研究

3．4．3 等离子体对线性调频波的影响研究

3．5 吸波材料对非线性调频信号的影响

3．5．1 非线性调频信号

3．5．2 电磁超材料对非线性调频波的影响研究

3．5．3 等离子体对非线性调频波的影响研究

3．6 吸波材料对LFM／BPSK复合调制雷达信号的影响

3．6．1 LFM／BPSK复合调制信号

3．6．2 电磁超材料对LFM／BPSK复合调制雷达信号的影响研究

3．6．3 等离子体对LFM／BPSK复合调制雷达信号的影响研究

3．7 本章小结

第四章 吸波材料对雷达检测的影响研究

4．1 引言

4．2 雷达信号处理相关理论

4．2．1 匹配滤波

4．2．2 检测概率

4．3 吸波材料对匹配滤波性能影响研究

4．3．1 电磁超材料对匹配滤波性能的影响研究

4．3．2 等离子体对匹配滤波性能的影响研究

4．4 吸波材料对雷达检测性能影响研究

4．4．1 电磁超材料对雷达检测性能的影响研究

4．4．2 等离子体对雷达检测性能的影响研究

4．4．3 等离子体的宽频带吸波特性对雷达干扰效果研究

4．5 本章小结

第五章 电磁超材料对逆合成孔径雷达成像干扰研究

5．1 引言

5．2 吸波材料包覆目标对雷达目标一维距离像的影响原理

5．3 吸波材料包覆目标对雷达成像的影响原理

5．3．1 逆合成孔径雷达成像基本原理

5．3．2 ISAR对十字型超材料包覆目标的成像原理

5．4 十字型电磁超材料对简单目标ISAR成像影响研究

5．4．1 十字型电磁超材料对单个点目标的一维距离像影响

5．4．2 十字型电磁超材料对简单目标模型ISAR成像影响

5．5 十字型电磁超材料对导弹ISAR成像干扰研究

5．5．1 导弹目标模型

5．5．2 十字型电磁超材料对导弹目标ISAR成像干扰效果研究

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

作者简介