本發(fā)明涉及雷達探測技術領域，特別涉及一種旋轉天線的等效電磁波軌道角動量脈沖探測雷達系統(tǒng)。

背景技術：

隨著隱身技術的發(fā)展，傳統(tǒng)雷達探測體制受到越來越嚴重的挑戰(zhàn)，反隱身技術成為雷達探測中持久的研究熱點。目前隱身目標可以將來波方向的雷達散射截面積(rcs)降到10^-3m²以下。為了能夠反隱身，雷達普遍采用信號處理方法或提高器件水平，進一步提高探測靈敏度，比如：增大天線功率孔徑積、擴展雷達工作波段、改變雷達極化特性等。但受限于信號體制和制造工藝，提高的程度有限。

一般雷達目標可以分為點目標和擴展目標，其中點目標是指目標的尺寸在一個分辨單元以內。并且點目標可進一步劃分為簡單目標和復雜目標。簡單目標指的是雷達只有一個散射區(qū)域，而復雜目標則具有多個散射區(qū)域。一般情況下，雷達探測的點目標為復雜目標。由于復雜目標由多個散射區(qū)域的回波疊加在一個分辨單元內，構成信號之間的相干性使得rcs隨著來波相位面、電磁波頻率等因素產生起伏。

近年來，電磁波軌道角動量(oam)作為電磁波新的維度，成為電磁波利用的新手段。oam電磁波傳輸領域的研究為雷達探測領域的應用奠定了基礎。2007年，thidé,b等人通過天線陣列的數值仿真驗證了低頻電磁波(頻率低于1ghz)同樣可以產生軌道角動量。2010年，mohammadism討論了如何利用圓形天線陣列產生和檢測不同的oam電磁波。詳細地分析了天線陣列半徑、振子個數、頻率等對oam電磁波輻射圖的影響。2015年，國防科大的劉康等提出了采用圓環(huán)天線陣來產生oam波，并在oam域采用fft來對目標進行探測成像。同年，niemiec研究了2.45ghz的oam波在球面和圓柱上的反射。2016年國防科大的劉明團等采用music算法來提升oam雷達的角分辨率。最近研究發(fā)現(xiàn)，oam的螺旋狀波前形成特有的相位梯度，對復雜目標照射時，不同oam模式數的同頻電磁波具有不同rcs的發(fā)射信號，該物理特性為分集接收創(chuàng)造了條件。

分集接收一般分為合并分集(最大比合并和等增益合并)和選擇分集。無論哪種分集方式，均需要系統(tǒng)產生較多的分集支路。另一方面，考慮目標尺寸上產生顯著相位梯度變化，也需要能夠產生高階oam的信號。目前的oam電磁波產生方式主要包括：螺旋相位板法、螺旋反射面法、天線陣法以及衍射光柵法等。這幾種方法在產生大規(guī)模oam模式數上面具有相應的局限性。其中的螺旋相位板法、螺旋反射面法以及光柵法受限于器材的加工精度以及尺寸，無法產生大規(guī)模oam模式數。而天線陣法需要兩倍于oam模式數的天線數量，為避免天線之間的耦合性，陣子之間需要保有最小的間距，這樣天線的口徑就會非常大。因此，目前的方法均不能產生所需的高階模式的oam信號。

技術實現(xiàn)要素：

針對雷達對隱身目標等弱小目標探測問題，本發(fā)明的目的是提出一種基于旋轉天線的等效電磁波軌道角動量脈沖雷達探測方法及系統(tǒng)，即通過旋轉天線在不同時刻發(fā)射脈沖，并對這些脈沖進行相干積累，在接收端等效獲得高階oam回波探測效果，再利用分集接收(選擇分集或合并分集)，進一步獲得高檢測前信噪比，從而提高對隱身飛機等弱散射目標的探測能力。

本發(fā)明的技術方案如下:

一種等效電磁波軌道角動量脈沖雷達探測方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)雷達系統(tǒng)的旋轉天線是由均勻分布的m個天線陣子構成的環(huán)形天線陣，其中m≥1；旋轉周期定義為天線陣以原點為中心做勻速逆時針或順時針旋轉弧度，旋轉角速度為ω，則旋轉周期為

2)旋轉裝置帶動旋轉天線進行旋轉，在旋轉過程中m個天線陣子同時發(fā)射脈沖信號，在一個周期內發(fā)射n個脈沖，即每一個脈沖是由這m路信號疊加而成；每個天線陣子發(fā)射的信號具有以為增量線性增加的相位梯度，其中l(wèi)為需要電磁波軌道角動量的模式數；

3)旋轉過程中，每根天線在各個發(fā)射點發(fā)射的信號相對初始信號也具有線性相移，在時，其中k＝1,2,…,n，第i個天線陣子發(fā)射信號的相位為m個天線陣子在一個旋轉周期的時間內，發(fā)射的所有m×n個信號構成了以為間隔、且相位梯度從0到的信號序列；

4)在相鄰發(fā)射脈沖的時間間隔內，旋轉天線接收回波信號，以tr為脈沖重復周期，并在信號處理器中對m×n個信號序列進行合成；信號合成的過程為：在接收端第一個脈沖的回波時延為(n-1)tr,第二個為(n-2)tr，…，第i個為(n-i)tr,…，第n個無時延，最后再進行相參積累，從而形成一個等效的電磁波軌道角動量信號；

5)將電磁波軌道角動量波形集合為lall＝{l1,l2,...,lmax},在初始周期，發(fā)射的電磁波軌道角動量子集為允許發(fā)射的電磁波軌道角動量信號路數為k路，其中l(wèi)max為最大電磁波軌道角動量模式數，表示初始時刻第k路所發(fā)射的電磁波軌道角動量模式數，且有

6)在認知處理器衡量每一路電磁波軌道角動量信號的信噪比，第i路的信噪比為βi,所有k路中最大的信噪比為βmax,第i路信號有的概率改變下一次發(fā)射的電磁波軌道角動量模式數，即為下一次發(fā)射的波形，從而保持對目標探測的最優(yōu)狀態(tài)。

上述技術方案中，所述m根天線在一個旋轉周期內發(fā)射的所有m×n個信號之間構成的相位梯度有兩種方法，第一種是給天線配置移相器；第二種是不配置移相器，利用旋轉產生的時延來產生所需的相位梯度，此種情況下產生的電磁波軌道角動量的模式數l＝mm，旋轉的角速度為ω需滿足ω為電磁波角頻率。

本發(fā)明提供的一種實現(xiàn)上述方法的一種等效電磁波軌道角動量脈沖雷達探測系統(tǒng)，其特征在于：所述雷達探測系統(tǒng)包括：

1)信號發(fā)射子系統(tǒng)，該信號發(fā)射子系統(tǒng)包括用于產生線性調頻脈沖信號的信號產生器,以及將該信號經過功率放大后通過天線發(fā)射出去的發(fā)射機；

2)天線子系統(tǒng),該天線子系統(tǒng)包括用于切換天線的發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)的雙工器、旋轉天線、對入射的電磁波進行準直的聚束裝置以及用于實現(xiàn)天線旋轉的旋轉裝置；

3)信號接收子系統(tǒng)，該信號接收子系統(tǒng)包括接收機、信號處理器、數據處理器和認知處理器；其中信號處理器用于對脈沖的相干積累處理得到合成后的脈沖信號；數據處理器用于對合成信號進行檢測；

所述信號發(fā)射子系統(tǒng)中的信號產生器將脈沖信號傳入給發(fā)射機，發(fā)射機將脈沖信號饋入天線子系統(tǒng)，旋轉裝置帶動旋轉天線進行勻速圓周運動，在這一旋轉模式下發(fā)出脈沖信號，雙工器在接受狀態(tài)下，天線子系統(tǒng)接收回波信號，接收的回波信號經過信號接收子系統(tǒng)中的接收機采樣、下變頻進入信號處理器進行回波積累，然后將回波積累后的信號分別送入數據處理器和認知處理器；數據處理器對回波積累后的信號進行檢測；認知處理器則根據當前波形的信噪比采用最優(yōu)信噪比原則調節(jié)信號產生器以及旋轉裝置，從而產生下一步待發(fā)射的最優(yōu)雷達脈沖信號。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述的旋轉天線陣子采用喇叭天線、拋物面天線、卡塞哥倫天線、貼片天線或陣列天線。

上述技術方案中，所述的旋轉天線采用機械旋轉天線或電掃旋轉天線，該電掃旋轉天線由相控陣天線和環(huán)形反射面組成，相控陣天線位于環(huán)形反射面的焦平面，相控陣天線發(fā)出的波束或波束簇均勻改變掃描方位角，經過反射面反射后形成出射的波束或波束簇，這些出射波束圍繞環(huán)形反射面中心作勻速圓周運動。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性的技術效果：通過采用基于旋轉天線的等效電磁波軌道角動量雷達探測方法，可以在雷達接收端產生等效的高階模式數軌道角動量電磁波信號，而傳統(tǒng)方法產生的模式數都較小并且受限于天線工藝。高階模式數軌道角動量電磁波在目標處可以產生顯著的相位梯度，不同模式數的軌道角動量電磁波可以實現(xiàn)對目標探測的波形分集。利用該分集增益，能夠獲得較高的檢測前信噪比，從而對弱小目標的探測能力大幅提升。本發(fā)明的旋轉天線部分也可以用電掃旋轉天線代替，取得同樣效果。其特征在于相控陣天線的波束中心位于環(huán)形反射面的焦平面，相控陣天線發(fā)出的波束或波束簇均勻改變掃描方位角，經過反射面反射后形成出射的波束或波束簇。這些出射波束圍繞環(huán)形反射面中心作勻速圓周運動，與本發(fā)明中機械旋轉的方式產生旋轉波束的方法等效。

附圖說明

圖1為基于旋轉天線的等效電磁波軌道角動量脈沖探測雷達系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為旋轉天線等效電磁波軌道角動量脈沖探測雷達的信號處理流程圖。

圖3為旋轉天線示意圖。

圖4為信號處理器中的脈沖積累示意圖。

圖5為認知處理器信號處理流程圖。

圖6顯示了本發(fā)明的一個具體實施例當中的仿真場景。

圖7顯示了本發(fā)明的一個具體實施例當中的仿真結果。

圖8顯示了電掃旋轉天線示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的系統(tǒng)結構、原理和方法做進一步的說明，以更好的解釋和理解本發(fā)明的技術方案。其中自始至終的相同或類似的標號表示相同或類似的元件，或者是具有相同或類似功能的元件。

圖1為基于旋轉天線的等效電磁波軌道角動量脈沖探測雷達系統(tǒng)的結構示意圖，所述系統(tǒng)包括信號發(fā)射子系統(tǒng)100、天線子系統(tǒng)200和信號接收子系統(tǒng)300；其中該信號發(fā)射子系統(tǒng)包括信號產生器101和發(fā)射機102，信號產生器用于產生線性調頻脈沖信號；發(fā)射機是將基帶脈沖信號上變頻到所需頻點的射頻信號，該信號經過功率放大后發(fā)送至天線發(fā)射出去。

天線子系統(tǒng)200對回波信號進行存儲、積累與檢測，并利用不同oam電磁波rcs的差異性，采用分集技術提高目標的檢測前信噪比，其具體包括雙工器201、旋轉天線202、聚束裝置203以及旋轉裝置204；旋轉天線用于發(fā)射信號完成將傳輸線中的導行波轉換成自由空間中的電磁波，其形式可以是各種各樣的類型，如：喇叭天線、拋物面天線、卡塞哥倫天線、貼片天線、陣列天線等；聚束裝置203用于對入射的電磁波進行準直，減小其波束發(fā)散角；旋轉裝置204用來實現(xiàn)對天線的旋轉，可以采用電機或者其他類型任意機械旋轉方式。

所述信號接收子系統(tǒng)300包括接收機301、信號處理器302、數據處理器303和認知處理器304；其中接收機301用來將接收到的信號進行低噪聲放大，并在中頻進行匹配濾波，以及對信號進行數字iq采樣；信號處理器302是先對信號進行fft、脈沖壓縮來提高信號的信噪比，再通過對脈沖的相干積累處理得到合成后脈沖信號；數據處理器303主要負責對合成信號進行檢測，在本實施例中對各路oam信號進行合并操作，可選的合并方法包括選擇式合并、等增益合并以及最大比合并；認知處理器是對目標進行認知處理，根據認知結果將最優(yōu)的雷達信號反饋給信號產生器以及旋轉裝置。

其工作過程如下：所述信號發(fā)射子系統(tǒng)100中的信號產生器101將脈沖信號傳入給發(fā)射機102，發(fā)射機將脈沖信號饋入天線子系統(tǒng)200，旋轉裝置204帶動旋轉天線202進行勻速圓周運動，在這一旋轉模式下發(fā)出脈沖信號，雙工器201在接受狀態(tài)下，天線子系統(tǒng)200接收回波信號，接收的回波信號經過信號接收子系統(tǒng)300中的接收機301采樣、下變頻進入信號處理器302進行回波積累，然后將回波積累后的信號分別送入數據處理器303和認知處理器304；數據處理器303對回波積累后的信號進行檢測；認知處理器304則根據當前波形的信噪比采用最優(yōu)信噪比原則調節(jié)信號產生器101以及旋轉裝置204，從而產生下一步待發(fā)射的最優(yōu)雷達脈沖信號。

本發(fā)明的原理描述如下：理論上來說采用天線陣方法可以產任意階數的oam電磁波，但是這需要至少兩倍于oam模式數的天線陣子數，因此難以在物理上實現(xiàn)。本發(fā)明采用了旋轉天線設計，在電機或者其它旋轉裝置的帶動下，單個天線陣子圍繞原點做勻速圓周運動，在旋轉的同時，陣子以均勻的時間間隔向外發(fā)射雷達脈沖(比如線性調頻脈沖)，并在脈沖發(fā)射間隔接收回波信號。首先將回波信號存儲起來不作處理，當陣子旋轉完一周以后再將這個周期內接收到的回波信號進行相干積累，從而形成一個合成信號。由于該合成信號在雷達照射方向上具有和oam信號相同的相位結構，所以被稱為等效的oam脈沖信號。經過理論計算以及數值仿真，采用旋轉天線在雷達照射方向上和天線陣方法等效，也可以產生任意階數oam電磁波，并且僅僅需要單根天線，避免了大量的陣子。本發(fā)明通過旋轉天線在時域上的脈沖積累得到在雷達探測方向上等效oam電磁波，并利用不同oam波的rcs分集特性增強雷達對弱小目標的檢測前信噪比，提高檢測概率。

由于不同oam電磁波的rcs不同，所以本發(fā)明在接收端采用分集接收技術，可以在發(fā)射端發(fā)送不同oam模式數的電磁波，并在接收端采用合并分集的方式直接接收；進一步地，可以采用選擇分集技術，通過認知不同oam模式數電磁波照射下目標的rcs大小，采用波形認知技術，選擇出最優(yōu)的oam模式數對應的oam電磁波進行發(fā)射，從而提高被照射目標的rcs。

圖2顯示了旋轉天線等效電磁波軌道角動量脈沖探測雷達的信號處理流程圖。通過天線和發(fā)射機參數決定發(fā)射波形，經過目標反射之后，接收目標的回波，在接收機當中對目標進行了變頻、采樣等處理。如果天線沒有完成一個發(fā)射周期，即旋轉一周，則信號處理器先將回波信號存儲起來，等到完成一個發(fā)周期后，再將一個周期的信號進行相干積累，從而得到合成后的脈沖信號。之后對脈沖信號進行恒虛警檢測。在數據處理器當中可以選擇合并分集或者是選擇分集，如果是合并分集可以對各路oam信號進行最大比合并或等增益合并；如果是選擇分集，則進一步對檢測結果進行認知處理，判斷當前oam模式數下目標的rcs，并選擇能夠使目標rcs增大的oam電磁波，并將需要調整的參數反饋天線和發(fā)射機以進行調整。

在本發(fā)明的一個實施例中，發(fā)射端發(fā)送線性調頻信號(lfm)給旋轉天線，由于雷達采用雙工的工作方式，在相鄰脈沖的間隔，天線收到回波信號。把回波脈沖先存儲起來，等到天線旋轉完一圈之后，將這些回波信號進行相參積累得到一個合成信號，這個合成的信號就是等效的oam回波信號。

旋轉天線由m根均勻分布的圓形天線陣構成。旋轉周期定義為天線陣以原點為中心勻速做逆時針(順時針)旋轉弧度，旋轉的角速度為ω，則旋轉周期為旋轉過程中m根天線同時發(fā)射脈沖信號，在一個周期內發(fā)射n個脈沖，即每一個脈沖由這m路信號進行疊加而成。各個天線發(fā)射的信號具有以為增量線性增加的相位梯度，其中l(wèi)為需要oam電磁波的模式數。例如，第一根天線發(fā)射的相位為0，第二根天線發(fā)射的相位為第i根天線發(fā)射的相位為第m根天線的相位為隨著天線旋轉，各個天線在各個發(fā)射點出的發(fā)射的信號相對初始信號也具有線性相移，在時，第i根天線發(fā)射信號的相位為這樣就保證了m根天線在周期的時間內，發(fā)射的所有m×n個信號構成了相位梯度從0到并以為間隔的序列。這個信號序列的疊加可以形成模式數為l的oam信號，并且產生的oam模式數l需要滿足的限制條件為

所述m根天線在一個旋轉周期內發(fā)射的所有m×n個信號之間構成的相位梯度有兩種方法，第一種是給天線配置移相器，使得天線旋轉到發(fā)射脈沖位置的時候，通過移相器產生所需要的相位梯度，這種產生方式比較靈活，如果移相器的精度夠高，可以產生任意oam模式數的信號。

第二種方法不配置移相器，這樣m根天線發(fā)射的信號之間就沒有相差或者說相差為2π的整數倍，即其中m為正整數，這時可以產生特定oam模式數的信號。在天線旋轉過程中需要的相移，則由天線旋轉具有的時延導致，具體推導過程如下：在相鄰脈沖的時間間隔內，天線所具有的相差應該滿足

其中n為正整數，用來調節(jié)相鄰脈沖之間相位相差的周期數。所以

因此，天線的轉速需要滿足

再由l＝mm

為了解決oam波的波束角發(fā)散問題，在本發(fā)明的實施例中可以用一個拋物面天線或者是透鏡等聚束裝置將旋轉天線產生的oam波的波束進行匯聚。

圖3為旋轉天線示意圖，在本發(fā)明的一個具體實施例中，旋轉天線202可以由一根天線或者m根天線組成的環(huán)形天線陣構成，該天線或天線陣圍繞半徑為r的圓環(huán)在旋轉裝置201的帶動下做勻速圓周運動。天線旋轉平面的法線方向與天線波束的傳播方向一致。旋轉天線的陣子可以是喇叭天線、拋物面天線、貼片天線等指向性或者全向天線。

圖4顯示了信號合成的過程，假設在一個旋轉周期中發(fā)射n個脈沖，脈沖寬度為τ，脈沖重復周期為tr，則天線旋轉一周的周期為t＝ntr。在接收端第一個脈沖的回波時延為(n-1)tr,第二個為(n-2)tr，第i個為(n-i)tr,第n個無時延，最后在合成器中進行相參積累，從而形成一個等效的oam信號。

圖5為認知處理器的信號處理流程圖。

在系統(tǒng)的數據處理器計算不同oam模式數電磁波的檢測結果后，把該結果送入認知處理器當中。在認知處理器當中采用優(yōu)選的策略，分析不同oam模式數電磁波的rcs，并選擇可以產生使得目標rcs最大的oam模式數。完成優(yōu)選后，將選擇的策略變成控制指令控制信號發(fā)射子系統(tǒng)當中的信號產生器以及天線子系統(tǒng)單當中的旋轉裝置用以產生相應的oam電磁波。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，電磁波軌道角動量波形集合為lall＝{l1,l2,...,lmax},在初始周期，發(fā)射的電磁波軌道角動量子集為允許發(fā)射的電磁波軌道角動量信號路數為k路，其中l(wèi)max為最大電磁波軌道角動量模式數，表示初始時刻第k路所發(fā)射的電磁波軌道角動量模式數，且有

在認知處理器衡量每一路電磁波軌道角動量信號的信噪比，第i路的信噪比為βi,所有k路中最大的信噪比為βmax,第i路信號有的概率改變下一次發(fā)射的電磁波軌道角動量模式數，即為下一次發(fā)射的波形，從而保持對目標探測的最優(yōu)狀態(tài)。

圖6顯示了在本發(fā)明的一個具體實施例當中的仿真場景。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，oam電磁波沿y軸入射由第一小球1和第二小球2組成的簡單復雜散射體。兩個小球可以視為點散射體，并且相距d＝1m，電磁波的頻率為10ghz，旋轉天線距離散射體的距離r＝20000m。采用了oam模式數l＝10、l＝100、l＝1000的電磁波，在自由參數m＝9999999、脈沖重復周期tr＝10^-3時，相對應的轉速為ωl＝10＝2π×100rad/s、ωl＝100＝2π×10rad/s、ωl＝1000＝2πrad/s。在遠場環(huán)境下，不同oam模式數電磁波對該散射體進行入射。1與2的連線與y軸的角度為θ，隨著θ的改變，該散射體在y軸方向的rcs也將發(fā)生變化。

圖7顯示了在本發(fā)明的一個具體實施例當中的仿真結果。

在圖7中，為了便于觀察不同oam電磁波之間rcs的區(qū)別，θ的范圍從0°變化到20°，并采用歸一化的rcs，即不同角度的rcs除以rcs的最大值，來度量不同oam電磁波。從圖中可以看出當oam模式數為100的電磁波與平面波的rcs衰落位置具有明顯的差異。當進一步增大oam模式數到1000的時候，rcs衰落的頻率顯著提高。最后通過認知處理器的優(yōu)選將會選擇出最優(yōu)的oam波從而避免相應位置的深衰落，從而提升接收端的信噪比，提升對弱小目標的檢測概率。

圖8顯示了本發(fā)明采用相控陣天線電掃來代替機械旋轉的示意圖。

該旋轉天線由相控陣天線與一個環(huán)形反射面組成，相控陣天線位于環(huán)形反射面的焦平面，波束中心位于焦點處。隨著相控陣天線的發(fā)射波束或波束簇均勻地改變反射方位角，經過反射面反射后的波束沿著圓環(huán)反射面中心勻速旋轉。這種波束旋轉與本發(fā)明提到的m個天線陣子在旋轉裝置帶動下作機械旋轉的方式等效，所以這種電掃方式提供了另外一種旋轉天線的波束產生方式。