[发明专利]基于轨道角动量的涡旋SAR成像方法及成像系统

说明书

本发明涉及雷达成像领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的SAR二维成像方法及成像系统。所述成像方法根据涡旋电磁波特性、结合传统SAR成像几何关系与工作模式，建立该新体制雷达成像模型，选定涡旋电磁波收发方式、设置场景、雷达、目标参数，推导得到发射信号经阵列天线辐射后与目标相互作用后的回波方程；在距离向，通过设计产生具有大时间带宽积信号实现目标距离向高分辨信息的获取。针对涡旋电磁波引入回波中的目标信息附载项，重点设计涡旋电磁波携带的OAM模式数随慢时间变化的准则函数；最后，实现基于轨道角动量的涡旋SAR二维成像，利用涡旋电磁波与SAR成像技术相结合的新体制成像雷达，实现了高方位分辨的二维成像。

技术领域

本发明涉及雷达成像领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的SAR二维成像方法及成像系统。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)，具有在全天时、全天候、恶劣气象条件下实现探测区域目标高分辨成像的能力，利用传统平面波进行二维成像主要基于距离-多普勒原理，即在雷达速度方向(方位向)，通过运动形成较大虚拟等效天线孔径，利用信号处理方法得到目标方位向高分辨成像结果。在距离向，根据目标相对雷达距离位置与发射信号频率之间对偶关系，设计大时间带宽积信号，如线性调频(Linear frequencymodulation，LFM)信号，实现目标距离高分辨信息获取。相比于距离向高分辨的实现，传统SAR实现目标方位向高分辨需要形成更大合成孔径长度，累积更长观测时间，即在短观测时间(合成孔径长度)与高方位向分辨力之间存在不可调谐的矛盾。

近年来，携带有轨道角动量、无限正交本征值、具有扭曲螺旋相位波前的涡旋电磁波，其独特物理特性为信息调制提供了一个新自由度，在通信、雷达等领域得到广泛关注与研究。相比于传统平面波照射目标，涡旋电磁波对波束内目标具有差异性辐射场特性显示，相当于传统平面波从多个不同角度同时照射目标，体现了空间分集特性，同时，涡旋电磁波将目标方位角信息与不同轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)模式数通过耦合关系引入到回波信号中，构成傅里叶变换意义下变量对，有望获取目标方位角维度高分辨信息，实现波束内目标的高分辨。发射经OAM波束设计的涡旋电磁波，并结合传统条带SAR运动场景与处理技术，涡旋SAR方位向信息的获取与分辨，同OAM模态时变率、雷达速度、雷达目标间几何关系之间有着确定的内在关系，有望在与传统SAR相同合成孔径长度下，实现具有更高方位分辨力的二维成像。

目前已有基于涡旋电磁波成像技术的探索和研究，主要集中在凝视成像领域，展现了其优于传统平面波成像体制和方法的特点和潜力。此外，结合涡旋电磁波与SAR成像技术的涡旋SAR成像也逐渐引起关注，但相关研究尚处于起步阶段，在成像原理、成像模型和方法等方面，存在诸多原理性问题亟待解决。特别是，如何利用涡旋电磁波引入的目标回波特性信息，结合传统SAR观测场景与模型，提取出目标更高分辨的方位信息，以及改善后方位分辨性能、影响因素的分析。鉴于此，本发明提出一种基于轨道角动量的涡旋SAR二维成像方法，在与传统SAR相同的合成孔径长度(观测累积时间)下，能有效实现更高方位分辨力的二维成像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何利用涡旋电磁波与SAR成像技术相结合的新体制成像雷达，实现高方位分辨的二维成像。

本发明的基本思想是：根据涡旋电磁波特性、结合传统SAR成像几何关系与工作模式，建立该新体制雷达成像模型，选定涡旋电磁波收发方式、设置场景、雷达、目标参数，推导得到发射信号经阵列天线辐射后与目标相互作用后的回波方程；在距离向，通过设计产生具有大时间带宽积信号实现目标距离向高分辨信息的获取。针对涡旋电磁波引入回波中的目标信息附载项，瞄准提升方位分辨力，对发射信号进行设计，重点设计涡旋电磁波携带的OAM模式数随慢时间变化的准则函数；最后，实现基于轨道角动量的涡旋SAR二维成像，特别是在与传统SAR相同的合成孔径长度(观测累积时间)下，提出适用于该新体制成像雷达的信息获取方法，实现更高方位分辨成像以及不同因素对方位分辨性能影响分析。

本发明的技术方案具体包括以下步骤：