[发明专利]一种单天线接收条件下的电磁涡旋成像方法

说明书

本发明提供一种单天线接收条件下的电磁涡旋成像方法。技术方案包括以下步骤：第一步，将N个相同的天线均匀排布在圆周上构成发射阵列；第二步，利用发射阵列依次发射不同频率、不同轨道角动量模态的电磁涡旋，位于发射阵列中心的单天线接收各次目标回波。各次接收的目标回波的幅度和相位信息，形成频率‑轨道角动量模态二维回波数据。第三步，根据发射阵列参数和目标俯仰角的先验信息对接收到的二维回波数据进行相位补偿处理，得到预处理后的二维回波数据。第四步，对预处理后的二维回波数据进行二维傅里叶变换，得到目标的距离‑方位角二维图像。本发明接收过程简单，易于实现，可为目标识别、新体制雷达成像技术的发展提供借鉴。

技术领域

本发明涉及微波成像技术领域，特别是电磁涡旋成像技术，更为具体地涉及利用单天线接收回波进行电磁涡旋成像。

背景技术

雷达成像技术不受自然条件的限制，在空间目标监视、遥感测绘、海洋观测等领域有着非常重要的应用。现有的高分辨率成像雷达大多都是基于距离-多普勒原理，方位向分辨率依赖于雷达观测视角范围。在实际应用中，有时需要对某一重点区域进行长时间不间断的静止观测，在这种凝视观测条件下，距离-多普勒框架下的成像技术难以获得高方位分辨率。

轨道角动量是电磁波的一个重要的物理量，携带轨道角动量的电磁波由于其等相位面具有空间螺旋结构，称为电磁涡旋。自L.Allen等人指出具有空间方位相位依赖的电磁波束携带有轨道角动量以来，电磁涡旋在微粒操控、量子信息处理、无线通信以及雷达探测等领域得到了广泛的研究和应用。利用电磁涡旋的螺旋相位波前特性进行雷达目标成像的电磁涡旋成像(Kang Liu,Yongqiang Cheng,Zhaocheng Yang,Hongqiang Wang,YuliangQin,and Xiang Li,“Orbital-angular-momentum-based electromagnetic vorteximaging,”IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,vol.14,pp.711-714,2015.)是一种新的微波凝视成像方法，该成像方法具有不依赖于雷达与目标相对运动的优势。电磁涡旋的相位波前不再是平面，而是呈现出空间扭曲的螺旋结构。携带不同轨道角动量的电磁涡旋具有不同的相位扭曲结构，用携带不同轨道角动量的电磁涡旋照射目标，可以在空中形成多变的辐射花样，为目标方位角高分辨提供物理基础。但是，这种方法主要是在阵列天线接收条件下进行目标的距离-方位角二维成像(Tiezhu Yuan,Hongqiang Wang,Yuliang Qin and Yongqiang Cheng,“Electromagnetic Vortex Imaging Using UniformConcentric Circular Arrays,”IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,vol.15,pp.1024-1027,2016.)。在阵列接收情况下，各个天线需要同时接收回波信号，各天线之间的时间同步精度对成像质量有很大影响，实现起来较为复杂。在目标俯仰角较小时，直接对单天线接收的回波进行成像处理不能进行目标方位分辨。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何利用单天线接收的电磁涡旋照射下的目标回波，在目标俯仰角较小时实现方位分辨成像。

本发明的基本思想是：通过发射阵列发射不同频率、携带不同轨道角动量模态的电磁涡旋照射相对静止的目标，采用单天线接收频率-轨道角动量模态二维回波，根据发射阵列参数和目标俯仰角信息对接收的二维回波进行相位补偿预处理，最后利用二维傅里叶变换方法进行成像处理。

本发明的技术方案如图1所示，具体包括以下步骤：

第一步，将N个相同的天线均匀排布在圆周上构成发射阵列。

第二步，利用发射阵列依次发射不同频率、不同轨道角动量模态的电磁涡旋，位于发射阵列中心的单天线接收各次目标回波。各次接收的目标回波的幅度和相位信息，形成频率-轨道角动量模态二维回波数据。