[发明专利]一种基于涡旋电磁波的雷达目标二维成像方法

说明书

本发明公开了一种基于涡旋电磁波的雷达目标二维成像方法。本发明基于由均匀环形天线阵列生成的涡旋电磁波投射下理想散射点的回波模型，对雷达目标回波信号进行轨道角动量(OAM)模式采样并计算相关函数，运用多重信号分类(MUSIC)算法得到空间谱函数并进行二维谱峰搜索从而实现对雷达目标俯仰角和方位角的二维联合检测。本发明提出的方案与传统的基于平面波MUSIC算法的到达角(DOA)估计方案相比，能够实现更高的角度分辨率，同时相对于现有的基于涡旋电磁波的雷达目标方位角成像方案，能够在不增加硬件代价的前提下同时实现目标俯仰角的成像，这对现代新体制的雷达设计具有重要参考和借鉴意义。

技术领域

本发明涉及雷达目标成像领域，具体涉及一种基于涡旋电磁波的雷达目标二维成像方法。

背景技术

无线通信技术的飞速发展，为现代社会高效快速的信息交换提供了极大的方便。然而，移动设备使用量的快速增长、新型业务的不断涌现使得即使采用了诸如多端口、信道复用等提高通信容量的技术，仍然不可避免因有限的频谱资源而产生的频谱拥塞问题，在这样的背景下，轨道角动量(OAM)作为电磁场的基本物理量，由于其理论上拥有无穷可数且相互正交的模式，因此有希望能够解决上述射频段中无线通信信道的频谱拥塞问题。

实际上，OAM的概念在上世纪初已被提及，然而囿于当时器件以及技术因素的限制，没能得到广泛应用。直到上世纪九十年代，随着光学技术的发展，人们才发现OAM在光学领域所具有的巨大应用潜力，在此后的几十年中，OAM被广泛应用于原子、分子的微观操纵，光学成像以及光通信等领域。而在射频域中，直到近几年在解决了如何生成携带OAM的射频电磁波问题后，射频OAM才逐渐得到关注。在射频段中，电磁场能够同时携带线动量和角动量，而角动量又包括自旋角动量和轨道角动量，前者与电磁波的偏振行为相关，是波的内在属性，而后者与波的等相位面相关，是电磁波的外在属性。携带OAM的电磁波又被称为涡旋电磁波，其OAM的大小通过OAM模式数l来表征，模式l理论上可以取任意的整数值，携带不同OAM模式l的涡旋电磁波，其等相位面具有不同的螺旋程度，研究表明，不同OAM模式的涡旋电磁波之间携带的信息是相互正交的，因此无穷可数且相互正交的OAM模式为大幅提高无线通信的频谱利用效率提供了可能。

当前关于OAM在射频段的应用研究主要集中在通信领域，即如何利用OAM来增加当前无线通信信道的容量，从而提高无线通信的频谱效率。然而，不同于传统电磁波所具有的平面等相位面，涡旋电磁波具有空间螺旋形的等相位面，同时，由于OAM模式l可取任意整数，对应涡旋电磁波的等相位面理论上可以作无穷多种程度的螺旋，如果能将涡旋电磁波的这一等相位面特性应用于雷达信息获取领域，理应能够取得比平面波雷达更好的空间目标成像效果，即得到更高的雷达目标分辨率。当前已有的基于涡旋电磁波的雷达目标成像方法有逆投影法、滤波-傅里叶变化法以及回波信号的OAM模式采样法，这几种方法采用均匀环形天线阵列作为雷达发射端，发射涡旋电磁波投射到空间目标上，根据回波信号的特性进行相应的信号处理，从而得到雷达目标的方位角成像。上述这几种OAM雷达成像方法均只能对目标的方位角进行检测，得到目标的方位角像，然而对于处于三维空间中的散射目标来说，如果只得到目标的方位角像以及距离像而目标的俯仰角像无法得到，就无法对目标的俯仰角参数进行检测，从而无法确定目标的具体位置所在，这样的雷达是毫无实用意义的。而且已有的OAM雷达成像算法相对于传统的基于平面电磁波的目标DOA估计算法，如经典的MUSIC、ESPRIT等算法，就方位角成像而言，也无法获得更高的成像分辨率。因此，要探索涡旋电磁波在雷达目标成像方面的潜力，就需要充分利用涡旋电磁波所具有的空间螺旋形等相位面特性，发掘出这种螺旋形等相位面电磁波相对于平面电磁波所具有的空间分辨率优势，从而为新型雷达设计以及目标识别技术提供有价值的参考。

发明内容

本发明提出一种基于涡旋电磁波的雷达目标二维成像方法，其目的在于解决现有OAM雷达不能实现目标的俯仰角成像问题，从而实现目标的俯仰角和方位角二维联合成像。