基于超表面空间分块子段移频调制的SAR干扰

《Remote Sensing》：SAR Jamming via Metasurface-Enabled Spatial-Block Subsection Shift-Frequency Modulation

　　

合成孔径雷达（SAR）成像易受欺骗干扰影响，而传统的全孔径子段移频调制在慢时间内顺序施加多个频移，导致随设计假目标数量增加各分量时域支撑缩短。为克服该限制，研究人员提出一种基于超表面使能的空间分块子段移频调制方法用于SAR欺骗干扰。该方法将超表面孔径划分为独立控制的多个空间块，每块在同一合成孔径间隔内执行各自的子段移频序列。研究人员建立了融合空间块响应、孔径加权、复叠加及实测静态幅相特性的相干SAR回波模型，并考虑三种成像情形：未调制情形、受实测静态响应约束的全孔径调制情形与空间块调制情形，进一步引入分量级控制情形以分离参与孔径与时域支撑的影响。尽管不完全相位覆盖与反射幅度变化引入了附加旁瓣与幅度不平衡，主导假目标位置仍与理论预测一致。结果表明，空间-慢时间并行调制可有效提升基于超表面的SAR欺骗干扰可控性。

研究背景方面，合成孔径雷达（SAR）具备全天候、全天时大区域高分辨成像能力，在地形测绘、资源勘探、灾害监测与监视中应用广泛；但其远程探测与精细成像能力也带来目标暴露风险，因此SAR干扰技术成为电磁响应控制的重要方向。现有主动干扰依赖数字射频存储（DRFM）或转发系统，虽灵活但成本高、功耗大且易暴露；传统无源措施（角反射器、箔条、吸波材料）结构简单但响应固定。电磁超表面通过加载变容二极管等可调控元件，可动态控制反射波幅相与频率，为无源可编程波操控提供新路径。已有全孔径子段移频调制利用慢时间频移产生方位位移假目标，但因所有频移分量串行占用同一慢时间序列，假目标数增多时各分量有效调制时长被压缩，多普勒谱展宽、聚焦质量下降。为此，研究人员引入空间维度，将串行调制转为空间-慢时间并行调制，以解决合成孔径资源利用瓶颈。

关键技术方法上，研究人员设计加工了近5 GHz可调反射式超表面（24×14单元，按列分组偏置实现空间块独立控制），采用自由空间法测量静态幅相并构建52态电压-相位查找表；建立条带SAR点目标相干回波模型，将超表面划分为3个等面积空间块（每块0.12 m×0.21 m），每块在完整合成孔径时间T_a=0.5423 s内串行执行3段移频、三块并行，频点共9个（?150~+150 Hz）；通过圆向最近相位准则将指令相位映射到实测态，保留非线性电压-相位关系与状态相关反射损耗；设置未调制、全孔径9段串行、空间块并行三情形，并增设分量级控制（满孔径/三分之一孔径×短时域支撑τ_k/长时域支撑3τ_k）分离孔径参与和时域支撑效应；成像采用距离-方位匹配滤波，评价指标含平均位置误差、3 dB宽度、杂散峰数、期望区能量比与频谱集中度。

研究结果部分，按原文小节归纳如下：

原理（第2节）中，研究人员推导常规子段移频调制公式，指出第n分量方位位移Δx_n=?λR_Bf_n/(2V)，其谱主瓣宽∝1/τ_n；在空间块模型中，第b块调制函数p_b(t_m)=∑_ng_b,n(t_m)exp(j2πf_b,nt_m+j?_b,0)，引入块中心斜距差ΔR_b(t_m)、有限孔径因子A_b[θ(t_m)]与孔径权重w_b=S_b/S_tot，总回波为各块复相干叠加s_jam(t_r,t_m)=∑_bw_bA_bexp(j4πΔR_b/λ)s₀p_b；幅相约束下用查找表Γ_b,q=A_qexp(j?_q)替代理想Γ_b=exp[j?_cmd,b(t_m)]，5 GHz实测相位覆盖约323.3°，最大最近态误差18.0°。结论：空间块并行使各频移分量时域支撑延长至全孔径串行的3倍，且总谱为各块复相干和而非幅度相加。

超表面设计与表征（第3节）中，单元为F4B介质h=2 mm、ε_r=2.65、周期p=15 mm，跨接MA46H120变容管，C_T随偏压0–12 V变0.14–1.10 pF，仿真相位调谐≥330°；加工样件微波暗室用矢量网络分析仪测得当偏压扫描得5 GHz相位覆盖约320°、幅损<3 dB，据此建表用于后续仿真。结论：实测幅相为非理想约束，但调谐深度满足慢时间连续相位调制需求。

结果（第4节）中，4.1节给出仿真参数（载频5 GHz、V=7000 m/s、PRF=1300 Hz、T_a=0.5423 s），空间块每分量时长T_B1,50=5/16·T_a=169.47 ms，全孔径同分量仅56.49 ms；指令-实测相位平均误差<4°。4.2节成像显示：空间块方案平均位置误差8.1484 m→4.0165 m（降50.71%），平均3 dB宽度44.872 m→20.192 m（降55.00%），杂散峰3→0，期望区能量比53.305%→80.507%（+27.20%），频谱集中度91.739%→94.876%（+3.14 pp）。结论：并行调制提升定位精度、聚焦紧凑性与能量集中性。4.3节分量控制表明，满孔径转三分之一孔径致原始回波能量与峰值降9.542 dB，但等能量归一后3 dB宽度不变；固定三分之一孔径把τ_k延为3τ_k使方位3 dB宽69.40→26.92 m（降61.21%）、谱宽16.645→6.630 Hz（降60.17%）、期望区能量比42.64%→80.94%；孔径主要削绝对强度，时域支撑主要决定响应形状。

讨论（第5节）指出，空间分块把串行慢时间竞争转为空间并行，以参与孔径减小换取时域支撑延长；实测幅相不完整主要改幅值与旁瓣而非主导位置；块间相干叠加使性能依赖块尺寸、权重、序列与相对相位联合设计，三块九频点为平衡配置而非最优。

结论部分翻译：本工作中，研究人员提出一种基于超表面使能的空间分块子段移频调制方法用于SAR欺骗干扰。通过在常规慢时间子段框架中引入独立控制空间块，多调制序列在同一合成孔径间隔内并行运行。研究人员建立了融合块相关传播、有限孔径响应、孔径加权、相干叠加及加工超表面实测静态幅相特性的相干SAR回波模型。在所研SAR仿真几何与检测准则下，空间块方案比较全孔径子段方案获得了更窄方位响应、更高期望区能量集中与更少杂散峰。分量级控制进一步表明，参与孔径由满孔径减至三分之一会降低绝对回波能量，而延长时域支撑可收窄归一化方位与频谱响应，并使更大比例可用能量集中于设计位置与频率附近。结果确立了该原理并在受实测超表面响应约束的SAR仿真中量化其行为。时序调制带宽、电压-相位建立时间、偏置网络瞬态、块间耦合及实验SAR照射下性能尚待表征；未来工作聚焦动态反射系数测量、多通道偏置控制、块间串扰评估与实验SAR图像验证。

该文发表于《Remote Sensing》。