[发明专利]基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法

说明书

本发明提供一种基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法。技术方案包括以下步骤：第一步，利用天线阵列发射涡旋电磁波；第二步，接收并处理回波信号，获得多普勒频率偏移；第三步，计算目标旋转角速度信息，本步骤利用旋转多普勒频率偏移与发射信号的轨道角动量模式以及目标旋转角速度之间的对应关系，计算目标旋转角速度信息。本发明不依赖于传统多普勒检测要求的目标与雷达之间的径向运动，可以在前视条件下实现对旋转目标的检测，可为目标识别、新体制雷达技术发展提供借鉴。

技术领域

本发明涉及雷达目标检测与识别技术领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的旋转类目标检测方法。

背景技术

近年来，城市公共安全受到越来越广泛的关注，特别是随着小型飞行器的普及，城市低空安全面临着越来越大的挑战。同时，面向当今信息化条件下的军事需求，目标识别在军事打击和防御等任务中发挥着重要作用，对诸多旋转类特征的目标(如直升机、运输机等)识别有着迫切的需求。

涡旋电磁波携带有轨道角动量，相位波前呈螺旋形结构。电磁角动量可以分为两个部分：自旋角动量和轨道角动量。其中自旋角动量与电磁波的极化有关，轨道角动量与光的偏振、波前相位有关，是电磁波一个重要的尚未加以充分利用的物理量。当对电磁波加载轨道角动量调制时，将形成涡旋电磁波，可在其上调制所需的信息，提高了电磁波的信息传递和获取能力，在旋转目标探测和目标识别等应用领域具有较大的潜力。

现有的旋转目标检测技术主要利用微动多普勒信息的特征提取进行目标识别(Target detection and feature extraction in indoor and outdoor environmentsusing micro-Doppler analysis[R].Ottawa:Defense Research and DevelopmentCanada,2008)。雷达与目标之间的平动引起平动多普勒，目标的旋转将会引起多普勒频率的偏转，即微多普勒效应。而当雷达视线径向无多普勒分量或多普勒频率偏移较小情况下几乎无法有效检测。相对于传统平面波，利用涡旋电磁波的轨道角动量信息可以实现对多普勒信息的高效提取。基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法，不需依赖雷达与目标间的平动，可以实现对旋转多普勒信息、微弱多普勒频率偏移信息的高效提取，从而实现旋转目标的检测。已有的检测方法在光学领域中可以查找到，见文献Detection of a SpinningObject Using Light's Orbital Angular Momentum[J].Martin P.J.Lavery etal.Science 341,537,2013。但基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法在微波领域尚未有资料可查。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用携带轨道角动量的涡旋电磁波实现旋转目标的检测。

本发明的基本思想如图1所示，通过发射涡旋电磁波照射旋转目标，对接收的目标回波进行处理获得旋转多普勒频率偏移信息，利用轨道角动量状态模式(状态模式也称拓扑荷数)与旋转多普勒频率偏移、目标旋转角速度Ω之间的对应关系，获取目标的旋转角速度信息。

本发明的技术方案如图2所示，具体包括以下步骤：

第一步，利用天线阵列发射涡旋电磁波。

将N个天线阵元均匀排布在一个圆周上形成均匀圆阵；对各天线阵元施加信号激励，形成涡旋电磁波作为发射信号，其中所述信号激励是频率相同、激励幅度相同、初始相位与天线阵元方位有关的单频等幅递增式相位调制信号。

第二步，接收并处理回波信号。

采用单个天线接收目标回波，对目标回波采用以下任意一种方式处理获得多普勒频率偏移：第①种方式，将发射信号与接收的目标回波进行相参混频，获得目标旋转多普勒频率偏移；第②种方式，测量目标回波在一段时间内的相位变化量，通过对时间求导获得目标回波的频率，该频率减去发射信号的频率可得到目标旋转多普勒频率偏移。