【最新成果】电控时变电磁材料的SAR成像特性研究

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人工电磁材料因具有奇特电磁特性而备受关注，成为本世纪材料和物理领域的研究热点。其中电控可调材料通过外加激励获得对电磁波特征量的灵活快速调控，在电磁隐身、多功能天线、全息成像、无线通信等领域的应用被进一步讨论。然而，关于材料调控对雷达效应的影响还没有被过多关注。本文对电控时变电磁材料的SAR目标特征调控理论与方法进行了研究，剖析了目标位置变换的物理本质。以相位调制表面(PSS)为代表，建立了非周期PSS相位调制模型，探讨了PSS连续频移调制对SAR成像处理的影响，揭露了距离向目标散焦现象。

背景介绍

目标微动是自然界普遍存在的物理现象，主要由目标或目标本体除质心以外的转动、振动等微小运动产生。因在不同方向上的运动分量，往往能够对电磁波产生多普勒的调制作用，使得回波频谱产生展宽效应。对于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)而言，微动目标能够在脉间回波信号上进行非平稳的相位调制，使目标图像形成失配和散焦效应，这种现象在目标识别与反识别领域被广泛关注与研究。然而，由于微动调控速率较慢，只能对SAR信号脉间进行一定程度的切割，无法形成距离向的调制。

图1 旋转角反射器的SAR成像结果

人工电磁材料是通过微小单元的空间组合与分布来实现特定电磁特性的功能性材料，其通过特殊设计可形成自然界材料所没有的电磁特性。作为电磁材料的热点，电磁波控制技术引起了人们的广泛研究，主要包含幅度调制、相位调制、频率调制、极化调制、波束指向等，相关技术在无线通信、雷达成像、电子对抗等广大领域具有重大的应用价值。这些调控技术往往需要外加激励进行实现，目前主要的控制方式包括机械调控、电控调节、光照温控调节等。其中电控时变电磁材料利用外加电压激励实现自身散射特性的时变，由于其设计灵活、集成度高等优点，是近年来可重构电磁材料主要的实现方式。

相对于由目标机械运动形成的微动调制，电控可调材料的切换速率更快，一般可达几十纳秒数量级，实现对SAR回波信号的脉内调控，形成不同的雷达效应。国防科技大学王雪松教授团队率先开展了此方面工作的探索，研究了线性调频信号(linear frequency modulation，LFM)经相位调制表面（phase-switched screen, PSS）、有源频率选择表面（active frequency selective surface, AFSS）周期调制后的匹配滤波特性、高分辨距离像特性、SAR成像特性。然而，上述研究主要基于周期调制，其它调制波形鲜有关注。同时，不论是PSS相位调制还是AFSS幅度调制，本质都是基于时变调制模型，目前报道并没有建立一个关于SAR的时变材料电磁调控模型，揭露其本质物理原理，为后续其它电磁材料的研究提供理论依据。

团队工作

国防科技大学王雪松教授团队率先开展了电控可调材料在雷达效应方面的研究，提出的时间调制AFSS反射器，通过时域信号的间歇调制，实现对入射电磁波的非线性调控。具体而言，通过FPGA输出电压控制AFSS反射器的散射状态，并利用时域变化的方波作为调制信号，控制矩形脉冲信号的调制频率与占空比，实现反射信号谐波的位置偏移与能量分布。这些频移变换的谐波经雷达信号处理后，将产生不同的雷达效应，如速度变换、位置偏移、角度闪烁、图像散焦等。

（a）轨道SAR测试场景

（b）时间调制AFSS反射器

（c）高分辨距离像 

（d）二维图像

图2 课题组关于电控时变电磁材料雷达效应的相关工作

       该工作已发表在《雷达学报》网络优先出版论文“电控时变电磁材料的SAR成像特性研究”（王俊杰，冯德军，王志凇，邢世其，李永祯，王雪松）。

论文介绍

该文首先揭露了基于电控时变电磁材料的SAR目标特征调控的物理原理。如图3所示，电控时变电磁材料是由电控可调材料以及与之匹配的控制系统组成，通过偏置电路电压的控制实现材料中可调元件的阻抗性能改变，这种切换通过一种时间函数执行，因此结构散射特性表现为时间的函数。时域控制方波调制信号的变化产生新的谐波分量，进而实现材料对入射电磁波的非线性调控，相当于对反射信号施加了频移调制。当已调信号被SAR成像系统接收，引起了成像输入信号相位的改变，经雷达脉压处理后，sinc峰距离向发生了位置变换，使得目标图像产生了改变。

图3 电控时变电磁材料

文章紧接着以PSS为代表，研究了非周期PSS相位调制的谱变换模型。不同于周期调制的离散搬移，非周期调制是一种间距无限小的离散调制，可以视为对入射信号进行连续的频谱搬移，非周期调制后的信号频谱由于其连续频移特性而出现混叠。PSS非周期调制的LFM反射信号经RD成像处理后，连续的频移调制通过匹配滤波的线性叠加，将引起距离向位置的连续偏移，形成目标图像距离向的散焦效应。

 (a) t=200ns, b=0.5

(b) t=100ns, b=0.5

 (c) t=200ns, b=0.3

图 4 非周期PSS调制的匹配滤波输出

图4给出了非周期PSS调制的匹配滤波输出仿真结果，通过调节方波信号的码元宽度t、调制占空比b，进而按需实现反射电磁波脉压输出的能量分布与位置偏移。当占空比不为零时，匹配滤波输出零点形成尖峰，目标图像得到了消隐。

文章最后利用SAR实测数据仿真验证了所提方法的有效性。真实场景SAR图像如图5(a)所示，包含城市建筑、乡村道路与机场跑道。将时变PSS材料置于场景中央（8700 m，0 m）处，未对其进行任何调制处理，图像中央白色圆点代表PSS所在位置，此步骤中可将PSS视为点目标模型。点目标PSS非周期调制成像效果如图5（b）所示，原始PSS点目标发生散焦现象，一条沿距离向的直线条带型亮带在方位单元0 m处形成，PSS中心处亮度较强，能量较高，距离PSS所在位置越远的条带状区域能量越弱。

(a) 无PSS调制 

(b) t=0.1ms, b=0.5

图 5 基于非周期PSS调制的SAR成像效果图

该文建立的电控时变电磁材料SAR信号调控理论，扩展了人工电磁材料的研究范围，有望进一步应用于雷达目标反识别领域。此外，该文研究的PSS非周期调制理论可拓展至其它类型的电磁材料，应用于不同体制的雷达，总之，电控时变电磁材料的雷达特征在理论、特性、应用等方面还有很多奥秘值得进一步探索。

作者简介

      王俊杰，男，博士，国防科技大学电子科学学院电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室讲师，主要研究方向为超表面电磁调控、雷达信号处理与新型电子对抗。

冯德军，男，博士，国防科技大学电子科学学院电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室研究员，博士生导师。主要研究方向为智能电子对抗、精确制导与目标识别。

王雪松，男，博士，国防科技大学电子科学学院院长，教授，博士生导师。主要研究方向极化雷达、目标识别与电子对抗。

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编辑：余洋

审核：岳冰莹 贾守新

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