[論文レビュー] Spread-Spectrum Selective Camouflaging based on Time-Modulated Metasurface

Xiaoyi Wang, Christophe Caloz|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 40被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、周期的なPECおよびPMC状態への切り替えによってレーダー反射スペクトルをノイズフロア以下に広げ、敵レーダーから物体を見えなくするスプレッドスペクトル選択的 camouflageを実現する時間変調メタサーフェスを提案する。実験結果は、成功した camouflage（18.2 dBのスペクトル広がり損失）と、同一の擬似ランダムシーケンスを用いるフレンドリーなレーダーによる選択的検出を確認しており、10.001 GHzで干渉耐性の優れた性能が示された。

ABSTRACT

This paper presents the concept of spread-spectrum selective camouflaging based on time-modulated metasurface. The spectrum spreading is realized by switching the metasurface between the reflective states of a PEC mirror and a PMC mirror, using an array of microstrip patches connected to the ground via diode switches, according to a periodic pseudo-random noise sequence. As the spectrum spreading induces a drastic reduction of the power spectral density of the signal, the level of the scattered wave falls below the noise floor of the interrogating radar, and the object covered by the metasurface is hence perfectly camouflaged to a foe radar. Moreover, the object can be detected by a friend radar possessing the spread-spectrum demodulation key corresponding to the metasurface modulation, and this detection is robust to interfering signals. The proposed system is analyzed theoretically, and demonstrated by both simulation and experimental results.

研究の動機と目的

• 従来の電磁気的 camouflageの限界、すなわち狭帯域、選択的でない特性、干渉への脆弱性を克服すること。
• 時間不変メタサーフェスの根本的制限を克服するため、時間変調を導入して性能の物理的限界を打ち破ること。
• 正しくスプレッドスペクトルキーを保有するフレンドリーなレーダーのみが、camouflaged物体を検出可能であるようにすること。
• スペクトル広がりとコherentなデモジュレーションにより、干渉信号に対して耐性を高めること。
• PINダイオードでスイッチングされるマイクロストリップパッチを用いた、実用的で実験的に検証可能な動的PEC/PMC状態切り替えを実現するシステムの構築。

提案手法

• メタサーフェスは、PINダイオードを介してグラウンドに接続されたマイクロストリップパッチアレイで実装され、ON（ショート、PECに類似）とOFF（遮断、PMCに類似）の状態を切り替える。
• スイッチングシーケンスは、127の長さの周期的擬似ランダムノイズ（PN）シーケンスを用い、ビットレートは5 MHzであり、時間変動する反射係数R(t) ∈ {−1, +1}を誘発する。
• スペクトル広がりは、PNシーケンスの周波数で反射係数を変調することで達成され、狭帯域入射波が広帯域で低出力のスペクトル信号に変換される。
• 散乱波は10 MHz帯域にわたってスペクトル広がりを示し、敵レーダーのノイズフロア以下にパワー・スペクトル密度が低下する。
• フレンドリーなレーダーは、同一のPNシーケンスを用いたコherentなデモジュレーションにより、元の信号を回復可能となる。
• 全波動シミュレーション（CST Microwave Studio）と、Vivaldiアンテナおよびベクトル信号アナライザーを用いた10-GHzプロトタイプを用いた実験的検証が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変調メタサーフェスは、散乱信号スペクトルをノイズフロア以下に広げることで、効果的なレーダー camouflageを実現できるか？
• RQ2 本システムは、正しいスプレッドスペクトルキーを保有するフレンドリーなレーダーのみが、camouflaged物体を検出可能であるようにできるか？
• RQ3 強い干渉信号が存在する状況下で、システムはどのように動作するか。また、ターゲット物体の検出能力を維持できるか？
• RQ4 PEC状態とPMC状態の間の振幅不均衡が、camouflage性能およびスペクトルリークに与える影響は何か？
• RQ5 実用的で実験的に実現可能なメタサーフェスプロトタイプは、Xバンド（10 GHz）周波数帯で理論的なcamouflageおよび選択性の目的を達成できるか？

主な発見

• 実装されたメタサーフェスプロトタイプは、スペクトル広がりによってピークパワー・スペクトル密度が18.2 dB低下し、敵レーダーから物体を効果的に隠蔽した。
• フレンドリーなレーダーはデモジュレーション後に33.6 dBの信号対雑音比（SNR）を回復し、選択的検出の成功を確認した。
• 10.001 GHzの干渉信号が存在する状況下、敵レーダーは干渉信号を強く検出できたが、camouflaged物体の検出は不可能であった。一方、フレンドリーなレーダーはターゲットに対して約19.2 dBのSNRを維持した。
• 非変調状態における散乱波の実験的SNR 6.4 dBは、不要な結合、環境の散乱、およびON/OFF状態間のわずかな振幅不均衡に起因するとされた。
• PEC（ON）状態とPMC（OFF）状態の間の振幅不均衡により、散乱信号にわずかなDC成分が生じたが、全体的な性能にほとんど影響を与えず、概念実証として許容可能であった。
• システムは干渉に対して強く、高い選択性を示した。実験結果は全波動シミュレーションとよく一致し、理論的枠組みの妥当性が検証された。