[发明专利]一种基于涡旋电磁波的俯仰角成像方法

说明书

本发明提供一种基于涡旋电磁波的俯仰角成像方法，属于雷达目标成像领域。传统方法是基于电磁波幅度扫描，其幅度扫描范围受到天线工作带宽的限制，与传统基于涡旋电磁波的俯仰角成像不同，本发明基于回波信号的相位信息，在单个频点即可工作，因此本发明的俯仰角成像范围广，并且对天线带宽要求较低。传统方法幅度扫描的精度取决于电磁波束的宽度，电磁波束越窄，成像精度越高，然而较窄的电磁波束难以实现。本方法的成像精度取决于对俯仰角离散化时的网格粗细，采用较细的网格可以有效提高成像精度。本发明能实现5°～85°的俯仰角测量，测量范围广，并且在俯仰角5°～85°的范围内成像误差低于1.2°。

技术领域

本发明属于雷达目标成像领域，具体涉及一种基于涡旋电磁波的俯仰角成像方法。

背景技术

目前，雷达成像主要是基于电磁波的幅度、频率和相位三个特征进行的调幅、调频和调相信息调制，其主要利用的是远场平面波近似。而在1992年，荷兰物理学家L.Allen发现Laguerre-Gaussian激光束携带轨道角动量(OAM)，即Laguerre-Gaussian激光束的波前不再是平面，而是绕着传播方向旋转，形成涡旋状。因此，涡旋电磁波是一种携带轨道角动量的电磁波，其相位波前为螺旋形状。由于涡旋电磁波为信息调制提供了额外的自由度，即在传统的幅度、频率和相位的基础上，增加了轨道角动量，有望应用在雷达和通信领域，增强雷达信息多样性，提高信道容量。

2013年，国防科技大学的郭桂蓉教授(郭桂蓉,胡卫东,杜小勇.基于电磁涡旋的雷达目标成像[J].国防科技大学学报,2013,35(6):71-76.)利用环形天线阵列产生涡旋电磁波，建立了涡旋电磁波照射下的理想散射点回波模型，分析了轨道角动量拓扑荷α与目标方位角之间的近似对偶关系，通过在轨道角动量域对目标回波信号进行采样，求解目标所处的方位角。该方法为新体系雷达设计和目标识别技术提供了参考。该理论基础为：

如图1所示，N个天线阵元在半径为a的圆周上排列，以圆心o为原点、圆周法向为z轴建立坐标系。将目标当做理想散射点，假设目标所处位置在极坐标系下表示为其中r为目标到原点的距离，θ表示目标所处的俯仰角，表示目标所处的方位角。第n个天线阵元的位置矢量为其中和分别为x方向和y方向的单位矢量，相应的，为z方向的单位矢量，φ_n＝2nπ/N为第n个天线阵元所处的方位角。给每个天线阵元附加的相移，对于空间中某一点其场强可以写为每个天线阵元在该点的辐射场强之和。

其中，μ₀为真空磁导率，ω为电磁波角频率，k＝ω/c为波束，c为真空中的光速，j为每个天线阵元出的电流密度，d为天线阵元振子长度，∫(·)dV_n表示对阵元上的电流元积分。式(1)中利用了当阵元数充分大时的近似，α为轨道角动量拓扑荷，为Bessel函数。式(1)还利用了幅度近似|r-r_n|≈r和相位近似其中为场点矢径的单位向量，r为场点的位置矢量，考虑理想的点散射行为，记P点的散射强度为第n个天线阵元接收的回波可以写为：

与发射类似，将第n个天线阵元的回波移相后沿圆周相加，则天线阵列的输出为：

假设目标由M个理想散射点组成，散射强度分别为σ_m(m＝1,2,...,M)，由于接收过程是线性的，天线接收到的目标回波为

式(4)中出现了项，而其他项均与无关，此时轨道角动量拓扑荷α与第m(m＝1,2,...,M)号目标方位角构成了傅里叶变换对，即可以在轨交角动量域采样(即收集不同α时的信号回波)，通过谱估计方法(如傅里叶变换、压缩感知等)估计出目标的方位角。