本發(fā)明涉及雷達(dá)目標(biāo)成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法。

背景技術(shù)：

無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為現(xiàn)代社會高效快速的信息交換提供了極大的方便。然而，移動設(shè)備使用量的快速增長、新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)使得即使采用了諸如多端口、信道復(fù)用等提高通信容量的技術(shù)，仍然不可避免因有限的頻譜資源而產(chǎn)生的頻譜擁塞問題，在這樣的背景下，軌道角動量(OAM)作為電磁場的基本物理量，由于其理論上擁有無窮可數(shù)且相互正交的模式，因此有希望能夠解決上述射頻段中無線通信信道的頻譜擁塞問題。

實(shí)際上，OAM的概念在上世紀(jì)初已被提及，然而囿于當(dāng)時器件以及技術(shù)因素的限制，沒能得到廣泛應(yīng)用。直到上世紀(jì)九十年代，隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們才發(fā)現(xiàn)OAM在光學(xué)領(lǐng)域所具有的巨大應(yīng)用潛力，在此后的幾十年中，OAM被廣泛應(yīng)用于原子、分子的微觀操縱，光學(xué)成像以及光通信等領(lǐng)域。而在射頻域中，直到近幾年在解決了如何生成攜帶OAM的射頻電磁波問題后，射頻OAM才逐漸得到關(guān)注。在射頻段中，電磁場能夠同時攜帶線動量和角動量，而角動量又包括自旋角動量和軌道角動量，前者與電磁波的偏振行為相關(guān)，是波的內(nèi)在屬性，而后者與波的等相位面相關(guān)，是電磁波的外在屬性。攜帶OAM的電磁波又被稱為渦旋電磁波，其OAM的大小通過OAM模式數(shù)l來表征，模式l理論上可以取任意的整數(shù)值，攜帶不同OAM模式l的渦旋電磁波，其等相位面具有不同的螺旋程度，研究表明，不同OAM模式的渦旋電磁波之間攜帶的信息是相互正交的，因此無窮可數(shù)且相互正交的OAM模式為大幅提高無線通信的頻譜利用效率提供了可能。

當(dāng)前關(guān)于OAM在射頻段的應(yīng)用研究主要集中在通信領(lǐng)域，即如何利用OAM來增加當(dāng)前無線通信信道的容量，從而提高無線通信的頻譜效率。然而，不同于傳統(tǒng)電磁波所具有的平面等相位面，渦旋電磁波具有空間螺旋形的等相位面，同時，由于OAM模式l可取任意整數(shù)，對應(yīng)渦旋電磁波的等相位面理論上可以作無窮多種程度的螺旋，如果能將渦旋電磁波的這一等相位面特性應(yīng)用于雷達(dá)信息獲取領(lǐng)域，理應(yīng)能夠取得比平面波雷達(dá)更好的空間目標(biāo)成像效果，即得到更高的雷達(dá)目標(biāo)分辨率。當(dāng)前已有的基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)成像方法有逆投影法、濾波-傅里葉變化法以及回波信號的OAM模式采樣法，這幾種方法采用均勻環(huán)形天線陣列作為雷達(dá)發(fā)射端，發(fā)射渦旋電磁波投射到空間目標(biāo)上，根據(jù)回波信號的特性進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，從而得到雷達(dá)目標(biāo)的方位角成像。上述這幾種OAM雷達(dá)成像方法均只能對目標(biāo)的方位角進(jìn)行檢測，得到目標(biāo)的方位角像，然而對于處于三維空間中的散射目標(biāo)來說，如果只得到目標(biāo)的方位角像以及距離像而目標(biāo)的俯仰角像無法得到，就無法對目標(biāo)的俯仰角參數(shù)進(jìn)行檢測，從而無法確定目標(biāo)的具體位置所在，這樣的雷達(dá)是毫無實(shí)用意義的。而且已有的OAM雷達(dá)成像算法相對于傳統(tǒng)的基于平面電磁波的目標(biāo)DOA估計算法，如經(jīng)典的MUSIC、ESPRIT等算法，就方位角成像而言，也無法獲得更高的成像分辨率。因此，要探索渦旋電磁波在雷達(dá)目標(biāo)成像方面的潛力，就需要充分利用渦旋電磁波所具有的空間螺旋形等相位面特性，發(fā)掘出這種螺旋形等相位面電磁波相對于平面電磁波所具有的空間分辨率優(yōu)勢，從而為新型雷達(dá)設(shè)計以及目標(biāo)識別技術(shù)提供有價值的參考。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法，其目的在于解決現(xiàn)有OAM雷達(dá)不能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的俯仰角成像問題，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的俯仰角和方位角二維聯(lián)合成像。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：雷達(dá)由Q個天線組成的均勻環(huán)形天線陣列以及一個額外的回波信號接收天線構(gòu)成，回波信號接收天線位于均勻環(huán)形天線陣列的中心，陣列半徑為d，以接收天線所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立雷達(dá)觀測極坐標(biāo)系設(shè)雷達(dá)目標(biāo)由M個理想散射點(diǎn)構(gòu)成，每個散射點(diǎn)在雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中的位置參數(shù)可表示為散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度為σ_m。待發(fā)射的原始信號為s(t)，其載波頻率為f_c，對應(yīng)波長為λ，對于均勻環(huán)形陣列中的第q(q＝1,2,...,Q)個天線陣元，其饋入信號為s(t)e^jl2πq/Q，其中l(wèi)為渦旋電磁波所攜帶的OAM模式，Q個發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁波在傳播空間疊加，到達(dá)雷達(dá)目標(biāo)后，目標(biāo)對來波產(chǎn)生散射，散射波反向傳播至均勻環(huán)形天線陣列處，由于雙程作用，位于陣列中心位置處的接收天線接收到的歸一化回波信號可表示為：

式中S_r(l,t)中的下標(biāo)r表示信號是回波信號，J_l(kdsinθ_m)為l階第一類貝塞爾函數(shù)，k＝2π/λ為電磁波波數(shù)，σ_m為第m(m＝1,...,M)個散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度，n(l,t)為與l有關(guān)的噪聲項(xiàng)。

本發(fā)明提出的基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法，具體包括以下步驟：

(1)將回波信號S_r(l,t)在OAM模式域進(jìn)行N點(diǎn)采樣，OAM模式采樣值分別表示為l_n(n＝1,...,N)，經(jīng)N點(diǎn)采樣后得到回波信號矢量：

其中，

S＝[s₁(t) … s_M(t)]^T，其中

n＝[n(l₁,t) … n(l_N,t)]^T

(2)采用空間平滑技術(shù)解決不同散射點(diǎn)回波信號之間的相關(guān)性問題，所述空間平滑技術(shù)，即將OAM模式域采樣得到的N個采樣值劃分為b個長度相等的混合子塊，每個子塊包含p≥M個采樣值，使得N＝p+b-1，對每個子塊的p個采樣值分別作自相關(guān)，在高斯噪聲假設(shè)下，得到自相關(guān)函數(shù)：

式中R_S＝SS^H，ρ_n為噪聲功率，I_p為p階單位矩陣，對得到的b個自相關(guān)矩陣取平均，從而得到回波信號的自相關(guān)函數(shù)

(3)對矩陣R作特征分解，得到p個特征值，將p個特征值按從大到小的順序排列，則R的第M+1到第p這p-M個特征值對應(yīng)的特征向量組成噪聲子空間V；

(4)根據(jù)得到的噪聲子空間，計算空間譜函數(shù)

式中導(dǎo)向矢量對空間譜函數(shù)在域進(jìn)行二維空間譜峰搜索，從而得到M個雷達(dá)目標(biāo)散射點(diǎn)在域的二維成像。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)中OAM模式域的采樣方法具體為：均勻環(huán)形天線陣列在發(fā)射攜帶OAM的渦旋電磁波時，每隔固定時隙Δt，依次發(fā)射OAM模式值為l_n(n＝1,...,N)的渦旋電磁波，其中OAM模式的采樣間隔一般取整數(shù)1，也可以取其他整數(shù)或小數(shù)，由此得到的N個回波信號可表示為S_r(l_n,t-(n-1)Δt)(n＝1,...,N)，由于電磁波傳播速度遠(yuǎn)大于目標(biāo)的運(yùn)動速度，因此在電磁波傳播時間間隔內(nèi)可認(rèn)為目標(biāo)位置參數(shù)沒有發(fā)生改變，同時由于Δt已知，因此可以對收到的N個回波信號S_r(l_n,t-(n-1)Δt)進(jìn)行時間補(bǔ)償校正，使得校正后的OAM模式采樣結(jié)果等同于對目標(biāo)回波信號S_r(l,t)在同一時刻的采樣S_r(l_n,t)(n＝1,...,N)，Δt可根據(jù)具體雷達(dá)性能要求以及應(yīng)用場景選取相應(yīng)的合適值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法，與現(xiàn)有的基于渦旋電磁波只能進(jìn)行目標(biāo)方位角成像的雷達(dá)成像方法相比，能夠同時實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角和俯仰角的成像，同時相對于傳統(tǒng)平面電磁波經(jīng)典的MUSIC二維成像算法，借助于渦旋電磁波所具有的獨(dú)特的螺旋形空間相位特性，以及充分富余的OAM模式數(shù)，本方法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的角度成像分辨率，同時本方法在探測雷達(dá)目標(biāo)的過程中不需要相對運(yùn)動以及波束掃描。本發(fā)明對新型雷達(dá)系統(tǒng)以及目標(biāo)識別技術(shù)的設(shè)計具有重要參考意義。

附圖說明

圖1是本方法雷達(dá)觀測坐標(biāo)系示意圖；

圖2是本方法對兩個散射點(diǎn)組成的雷達(dá)目標(biāo)的二維成像結(jié)果；

圖3是本方法與傳統(tǒng)平面波MUSIC方法對目標(biāo)俯仰角成像分辨率的對比；

圖4是本方法與傳統(tǒng)平面波MUSIC方法對目標(biāo)方位角成像分辨率的對比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提出的基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法，具體實(shí)施例如下：

均勻環(huán)形天線陣列由Q＝8個天線組成，在該陣列的中心處放置一個天線用于目標(biāo)散射回波信號的接收，發(fā)射信號s(t)＝cos(2πf_ct)，信號頻率f_c＝2.4GHz，對應(yīng)波長λ＝0.125m，陣列半徑為d＝10λ。雷達(dá)目標(biāo)由M＝2個理想散射點(diǎn)構(gòu)成，每個散射點(diǎn)在雷達(dá)觀測坐標(biāo)系中的位置可表示為雷達(dá)觀測坐標(biāo)系如圖1所示，具體的

散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度σ₁＝1、σ₂＝1。

對于均勻環(huán)形陣列中的第q(q＝1,...,8)個天線，其饋入信號為s(t)e^jl2πq/8，其中l(wèi)為渦旋電磁波所攜帶的OAM模式，8個發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁波在空間疊加，投射到雷達(dá)目標(biāo)上然后被散射回發(fā)射端，接收天線接收到歸一化回波信號：

為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的方位角和俯仰角二維聯(lián)合成像，通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)將回波信號S_r(l,t)在OAM模式域進(jìn)行N＝20點(diǎn)采樣，具體采樣方法為:雷達(dá)發(fā)射端在發(fā)射攜帶OAM的渦旋電磁波時，每隔固定時隙Δt＝0.1ms，依次發(fā)射OAM模式值為l_n＝n-1(n＝1,...,20)的渦旋電磁波，此處OAM模式采樣間隔取整數(shù)1，由此得到的回波信號可表示為S_r(l_n,t-(n-1)Δt)(n＝1,...,20)，對收到的這N個回波信號S_r(l_n,t-(n-1)Δt)進(jìn)行時間補(bǔ)償校正，使得校正后的OAM模式采樣結(jié)果等同于對目標(biāo)回波信號S_r(l,t)在同一時刻的采樣S_r(l_n,t)(n＝1,...,20)，從而得到經(jīng)時間補(bǔ)償后的回波信號矢量：

其中，

S＝[s₁(t) s₂(t)]^T，其中，

n＝[n(l₁,t) … n(l₂₀,t)]^T

(2)采用空間平滑技術(shù)解決不同散射點(diǎn)目標(biāo)回波信號之間的相關(guān)性問題，即將OAM模式采樣得到的N＝20個采樣值劃分為b＝6個長度相等的混合子塊，每個子塊包含p＝15個采樣值，從而有N＝p+b-1，采樣信號矢量取自相關(guān)得到：

式中R_S＝SS^H，信噪比取SNR＝20dB。對得到的6個子自相關(guān)矩陣取平均，從而得到回波信號的平均自相關(guān)矩陣

(3)對矩陣R作特征分解，得到共15個特征值，將這15個特征值按從大到小的順序排列，則R的第3至第15這13個較小的特征值對應(yīng)的特征向量按列排列組成噪聲子空間矩陣V；

(4)根據(jù)得到的噪聲子空間，計算空間譜函數(shù)

式中導(dǎo)向矢量對空間譜函數(shù)在域進(jìn)行二維空間譜峰搜索，從而得到這2個雷達(dá)目標(biāo)散射點(diǎn)在域的二維成像。

圖2為上述基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法對兩空間目標(biāo)散射點(diǎn)的俯仰角及方位角成像結(jié)果。可以看到在兩散射點(diǎn)方向上分別存在一個明顯的空間譜峰，表明本方法對雷達(dá)目標(biāo)具有清晰的俯仰角及方位角聯(lián)合成像能力，這相比于現(xiàn)有的只能進(jìn)行目標(biāo)方位角成像的OAM雷達(dá)算法，更具有實(shí)用意義。

圖3為本發(fā)明公開的基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法與經(jīng)典的平面波二維DOA估計算法MUSIC在俯仰角成像方面成像分辨率的比較。可以看到在信噪比SNR＝0時，兩者具有相同的俯仰角分辨率，然而隨著信噪比的增加，本方法相對于平面波MUSIC方法得到的分辨率優(yōu)勢逐漸拉大，在SNR＝10dB時，兩者差距最大，隨后本方法得到的俯仰角分辨率隨信噪比的增加已基本不變，而平面波MUSIC算法得到的分辨率逐漸趨近于本方法，整體上本方法在目標(biāo)俯仰角成像上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率。

圖4則為本發(fā)明提出的基于渦旋電磁波的雷達(dá)目標(biāo)二維成像方法與經(jīng)典的平面波二維DOA估計算法MUSIC在方位角成像方面成像分辨率的比較。類似于圖2中的結(jié)果，可以看到相對于平面波MUSIC算法，本方法在目標(biāo)方位角成像上同樣能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率。

上述具體實(shí)施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。