基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法技术

本发明专利技术属于雷达成像领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法。该方法包括根据涡旋电磁波的特性、结合条带SAR的工作模式，建立该新体制雷达的成像模型，设定场景、目标、发射信号相关参数，推导得到目标回波方程，并分析目标回波方程，得到关于第三维度的信息与目标几何位置分布、轨道角动量模式数之间的内在关系；针对目标的三维成像，提出不同维度方向的信息获取方法，基于不同维度方向之间的空间几何关系进行转换，实现笛卡尔坐标系下目标的三维成像。本发明专利技术利用携带有轨道角动量的涡旋电磁波，其直接附载目标方位角的特性提供了第三维度方向的分辨，结合传统SAR成像方法实现了对目标的三维成像。

【技术实现步骤摘要】
基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法
本专利技术涉及雷达成像领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法。
技术介绍
在传统雷达目标成像技术中，主要是基于距离-多普勒实现对目标的成像。以合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)为代表的成像雷达，通过发射大时间带宽积信号来获取距离向上高分辨率，通过合成孔径形成大虚拟天线孔径来实现方位向上高分辨，然而，该成像是在三维空间中，将观测场景沿雷达视线方向进行投影，得到一个反映目标散射性能的二维重构结果，而目标其它维度信息无法获取。相比于传统电磁波，涡旋电磁波是一种具有扭曲螺旋形波前分布的特殊电磁波，其波前空间分布结构与轨道角动量模式数相联系，为信息调制提供了一个新的自由度。此外，涡旋电磁波将目标的方位角维度信息直接调制在回波信号相位之中，具有直接在方位角域对目标进行高分辨成像的潜力。通过SAR运动平台发射涡旋电磁波有望实现对目标的三维成像，其第三维度信息的获取与分辨，与轨道角动量(OrbitalAngularMomentum，OAM)模式数、雷达与目标间的相对几何位置、以及合成孔径长度之间有着确定的内在关系，利用这一性质可以实现上述传统SAR成像观测场景下的目标三维成像。目前已有涡旋电磁波在雷达成像领域中的探索和研究工作主要集中在凝视成像方面，展现了其相对于传统成像体制和方法的优势和潜力。然而，基于涡旋电磁波的SAR成像研究尚处于起步研究阶段，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的特性，从传统SAR的观测场景中提取出目标其它维度的信息，以及新维度方向的分辨性能、影响因素的分析。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，如何利用涡旋电磁波与SAR平台相结合的雷达实现对目标的三维成像，本专利技术提出一种涡旋条带SAR目标三维成像方法，可以有效对目标进行三维成像。本专利技术的基本思想是：根据涡旋电磁波的特性，结合条带SAR的工作模式，建立成像模型，设定场景、目标、发射信号相关参数，推导得到目标回波方程，并对目标回波方程进行分析，得到关于第三维度的信息与目标几何位置分布、轨道角动量模式数之间的内在关系；针对目标的三维成像，提出不同维度方向的信息获取方法，基于不同维度方向之间的空间几何关系进行转换，并对不同维度信息的分辨性能进行分析。最后，实现笛卡尔坐标系下目标的三维成像。具体技术方案如下：一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法，包括下述步骤：步骤S1，建立成像场景模型，并基于场景模型得到目标散射回波方程；步骤S2，依据回波方程中目标在不同维度方向具有的不同信息特征，分别获取目标在不同维度方向的回波信息；步骤S3，根据不同维度方向之间的空间几何关系，求解目标的三维坐标，进而完成目标三维成像。优选地，所述步骤S1的具体过程为：设雷达天线为均匀圆形阵列天线，圆形阵列天线所在的阵面平行观测场景且距地面高度为H，雷达以速度v工作在条带SAR成像模式，笛卡尔坐标系的原点O固定在雷达航迹的中点，x轴方向与速度方向一致，z轴方向垂直指向地面，y轴方向根据右手法则确定，进一步设雷达到达O点的时刻为慢时间η的原点，则目标散射回波方程为：其中ξ(η,t,l)表示回波信号，l为OAM模式数，t为快时间，ψ(η,t,l)为线性移不变滤波器时域表达式，表示对η的卷积运算，rmax，rmin为雷达记录信号起始和终止时刻对应的距离，σ(ηT,r)为散射分布函数，r表示雷达与目标之间最短距离。优选地，记x轴方向为cross-range方向，雷达与目标之间的斜距方向为range方向，所述步骤S2具体过程为，对于目标在range方向和cross-range方向的回波信息获取，通过提取任意固定模态下二维回波信号，采用RD算法得到range方向和cross-range方向的回波信息；对于目标在y轴方向的回波信息提取，首先将遍历不同模态照射得到的三维回波沿着range方向进行累加，得到关于cross-range方向和OAM域方向的二维回波矩阵，然后将二维回波矩阵沿着OAM列方向进行FFT，得到cross-range方向每个慢时间采样点对应的瞬时方位角，根据瞬时方位角-慢时间采样点拟合得到直线求得其斜率值，以及斜率计算公式γ＝v/yT，γ表示斜率值，计算得到目标在y轴方向的回波信息yT。优选地，所述步骤S3的具体过程为：将目标y轴方向的回波信息yT转换为目标z轴方向的回波信息zT，结合目标cross-range方向的回波信息xT，进一步完成目标的三维成像，即(xT,yT,zT)。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用携带有轨道角动量的涡旋电磁波，其直接附载目标方位角的特性提供了第三维度方向的分辨，结合传统SAR成像方法进而有效地实现了对目标的三维成像，可以为基于涡旋电磁波的SAR成像技术和目标识别技术的发展提供参考和借鉴。附图说明图1是本专利技术方法流程示意图；图2是观测场景图；图3是不同维度信息提取流程图；图4是目标在y方向的回波信息处理过程示意图；图5是斜率理论值表达式与泰勒近似表达式曲线对比图；图6是瞬时方位角-慢时间直线图；图7是本专利技术实施例中的目标三维成像图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如图1是本专利技术方法流程示意图；本专利技术提供了一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法。第一步，建立成像场景模型和推导回波方程。利用均匀圆形阵列天线(UniformCircularArray，UCA)产生不同OAM模式数涡旋电磁波，其圆形阵面平行观测场景且距地面高度为H。雷达以速度v工作在条带SAR成像模式，笛卡尔坐标系的原点O固定在雷达航迹的中点，x轴方向与速度方向一致，z轴指向地面，y轴方向随之确定。观测场景中任意一个理想点目标表示为PT＝(xT,yT,zT)，为便于叙述，规定：雷达到达O点的时刻为慢时间η的原点，即η＝0；x轴方向也称作cross-range方向(方位向)；雷达与目标之间的斜距为range方向(距离向)，如图2所示，O*为观测场景中心。图2中标出了雷达的接收天线阵元，位于圆环中心，圆环外围的发射天线阵元。推导目标散射回波方程过程如下，设UCA中的每个阵元发射的线性调频信号(Linerfrequencymodulation,LFM)表示为式(1)：ξ(t,l)＝rect[t/T]·exp[jπKrt2]·exp[j2πfct]·exp[jlφn](1)其中ξ(t,l)为线性调频信号，t为快时间，T为发射信号脉冲宽度，rect表示矩形函数，Kr为LFM信号调频率，fc为发射信号中心频率，l为OAM模式数，φn表示第n个阵元的相位，j为虚数单位，π为圆周率，exp(g)表示以自然常数e为底的指数函数。结合上文建立的场景几何模型，推导得到回波方程式(2)：其中σ(·)表示冲击响应函数，表示对η的卷积运算，rmax，rmin为雷达记录信号起始和终止时刻对应的距离，σ(ηT,r)为散射分布函数，与不同位置的目标有关，ψ(η,t,l)为线性移不变滤波器时域表达式，具体为(1)式，N为UCA的阵元个数，wa(η)为天线方向图，k＝2π/fc，a为UCA半径，r代表雷达与目标之间最短距离，c表示光速，θ*[·]代本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，建立成像场景模型，并基于场景模型得到目标散射回波方程；步骤S2，依据回波方程中目标在不同维度方向具有的不同信息特征，分别获取目标在不同维度方向的回波信息；步骤S3，根据不同维度方向之间的空间几何关系，求解目标的三维坐标，进而完成目标三维成像。

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，建立成像场景模型，并基于场景模型得到目标散射回波方程；步骤S2，依据回波方程中目标在不同维度方向具有的不同信息特征，分别获取目标在不同维度方向的回波信息；步骤S3，根据不同维度方向之间的空间几何关系，求解目标的三维坐标，进而完成目标三维成像。2.如权利要求1所述的一种基于涡旋电磁波的条带SAR三维成像方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：设雷达天线为均匀圆形阵列天线，圆形阵列天线所在的阵面平行观测场景且距地面高度为H，雷达以速度v工作在条带SAR成像模式，笛卡尔坐标系的原点O固定在雷达航迹的中点，x轴方向与速度方向一致，z轴方向垂直指向地面，y轴方向根据右手法则确定，进一步设雷达到达O点的时刻为慢时间η的原点，则目标散射回波方程为：其中ξ(η,t,l)表示回波信号，l为OAM模式数，t为快时间，ψ(η,t,l)为线性移不变滤波器时域表达式，表示对η的卷积运算，rmax，rmin为雷达记录信号起始和终止时刻对应的距离，σ(ηT,r)为散射分布函数，r表示雷达与目标之间最短距离。3.如权利要求2所述的一种基于涡旋电磁波的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘康，王建秋，程永强，王宏强，拓世英，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43