[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出一种时变调制超表面，用于扩频选择性伪装，通过在导体（PEC）与磁导体（PMC）状态之间周期性切换，将雷达回波频谱展宽至噪声 floor 以下，从而使目标对敌方雷达不可见。实验结果证实了伪装成功（频谱展宽损耗达18.2 dB），并展示了友方雷达使用相同伪随机序列可实现选择性探测，且在10.001 GHz频段表现出优异的抗干扰能力。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统电磁伪装技术在带宽窄、缺乏选择性及易受干扰等方面的局限性。
• 通过引入时间调制，突破时不变超表面在性能上的物理限制。
• 仅允许拥有正确扩频密钥的友方雷达探测伪装目标。
• 通过频谱展宽与相干解调提升对干扰信号的鲁棒性。
• 展示一种实用的、经实验验证的系统，采用PIN二极管开关微带贴片，实现动态PEC/PMC状态切换。

提出的方法

• 超表面通过由PIN二极管连接至地平面的微带贴片阵列实现，二极管导通（短路，类似PEC）与关断（开路，类似PMC）状态之间切换。
• 切换序列采用周期性伪随机噪声（PN）序列，长度为127，比特率为5 MHz，诱导时变反射系数 R(t) ∈ {−1, +1}。
• 通过在PN序列速率下调制反射系数实现频谱展宽，将窄带入射波转换为宽带、低功率的频谱信号。
• 散射波在10 MHz带宽内展宽，使其功率谱密度低于敌方雷达的噪声 floor。
• 友方雷达使用相同PN序列进行相干解调，以恢复原始信号，实现选择性探测。
• 采用全波仿真（CST Microwave Studio）并基于10-GHz原型进行实验验证，使用Vivaldi天线与矢量信号分析仪。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变调制超表面能否通过将散射信号频谱展宽至噪声 floor 以下，实现有效的雷达伪装？
• RQ2 该系统能否仅允许拥有正确扩频密钥的友方雷达探测伪装目标？
• RQ3 在强干扰信号存在下，系统性能如何？能否保持对目标物体的探测能力？
• RQ4 PEC与PMC状态之间幅度不平衡对伪装性能及频谱泄漏有何影响？
• RQ5 在X波段（10 GHz）频段，是否可实现一种实用的、可实验实现的超表面原型，以达成理论上的伪装与选择性目标？

主要发现

• 所制备的超表面原型通过频谱展宽实现了18.2 dB的峰值功率谱密度降低，有效使目标对敌方雷达不可见。
• 友方雷达在解调后获得33.6 dB的信噪比（SNR），证实了选择性探测的成功。
• 在10.001 GHz干扰信号存在下，敌方雷达虽能检测到干扰，但无法探测到伪装目标，而友方雷达对目标的SNR仍保持在约19.2 dB。
• 非调制状态下散射波的实验SNR为6.4 dB，归因于寄生耦合、环境散射以及导通与关断状态间微小的幅度不平衡。
• PEC（导通）与PMC（关断）状态之间的幅度不平衡在散射信号中引入了微小的直流分量，但因对整体性能影响极小，可接受为概念验证。
• 系统展现出对干扰的强鲁棒性与高选择性，实验结果与全波仿真高度一致，验证了理论框架的正确性。