联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法技术

本发明专利技术联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，包括步骤1：获得联合整数阶与分数阶模式数的雷达目标回波数据；步骤2：实现对雷达目标距离

【技术实现步骤摘要】
联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法


[0001]本专利技术涉及信号与信息处理技术，具体涉及联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法。

技术介绍

[0002]自1992年，L.Allen等人首次揭示了光学的涡旋现象，涡旋这一物理特性就受到了广泛的关注。根据经典电动力学理论可知，电磁场也具有自旋角动量(Spin Angular Momentum)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum)，类比于光学涡旋，将携带这两种角动量的微波称为涡旋电磁波，其中轨道角动量与电磁波波前相位的变化情况相对应，通过改变轨道角动量可以实现对波前相位的调制，且整数倍的模式数相互满足正交关系。这种波前相位的调制能力提供了除时域、频域、极化域之外的一个新自由度，在通信、雷达领域引起了关注并涌现出了大量研究成果，特别是在雷达成像技术方面。
[0003]平面波雷达成像技术对雷达目标方位像的重构依赖于合成孔径或实孔径的大小，在成像的实时性与质量上存在一定的限制。与平面波雷达成像技术不同的是，涡旋电磁波成像技术不再依赖孔径大小，而取决于模式数范围。这就意味着采用涡旋电磁波可实现对雷达目标的实时成像，或对与雷达无相对运动的目标成像，满足特定探测场景的需求。现有技术构建了基于均匀圆形阵列(Uniform Circular Array，简称UCA)的单发多收、多发多收的涡旋电磁波回波模型，并通过实验验证了整数阶涡旋电磁波对于雷达目标的二维成像能力，然而二维成像结果的分辨率受限于模式数范围和回波信号幅度项中的贝塞尔函数；目前可利用整数阶涡旋电磁波的正交性，通过快速傅里叶变换等方法实现了雷达目标的高分辨二维重构。
[0004]事实上，涡旋电磁波模式数除整数阶外，还可以产生分数阶，并且分数阶涡旋电磁波在模式数域也满足正交性。利用分数阶涡旋电磁波可增加成像模式数范围，增强涡旋电磁波的抗噪性能，从而提升成像质量。可采用同心圆环阵，相邻的圆环阵列用于接收与发射，从而实现分数阶涡旋电磁波的等效，进而增加模式数范围，提高方位向分辨率；针对复杂环境下的噪声效应，应用分数阶涡旋电磁波具备了在低信噪比下的高性能二维成像能力。
[0005]然而，现有技术对于分数阶涡旋电磁波的应用仍然集中在提升二维成像能力。相较二维成像结果，对雷达目标的三维重构可以获取雷达目标空间相对尺寸、类型等更为丰富的特征信息。现有涡旋电磁波成像技术不具备雷达目标俯仰角的分辨能力，从而无法获取雷达目标三维空间结构以及更加丰富的特征信息。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提出联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，首先，基于UCA的多发多收模式构建了包含整数阶与分数阶的雷达目标回波模型。其次，分别对整数阶、分数阶回波数据进行处理，通过对整数阶
回波数据采用快速傅里叶变换得到雷达目标在距离
‑
方位角维度的二维粗成像结果，并根据粗成像结果对目标散射点进行归类划分，通过对分数阶回波数据采用蝶形运算得到两个阶数的回波信号的和与差；然后，针对不同类型散射点的特点，根据粗成像结果及分数阶贝塞尔函数的性质，利用分数阶回波信号的和与差设计不同的成像流程实现不同类型散射点的三维重构，同时对不同类型散射点的方位角与俯仰角分辨率进行了分析。
[0007]本专利技术是通过如下方式实现的：
[0008]联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，包括下列步骤：
[0009]步骤1：基于UCA的多发多收模式获得联合整数阶与分数阶模式数的雷达目标回波数据；
[0010]步骤2：利用快速傅里叶变换对整数阶模态回波数据进行处理，实现对雷达目标距离
‑
方位角的“粗成像”；
[0011]步骤3：根据“粗成像”成像结果，以距离单元为划分对象，将散射点划分为第一类散射点和第二类散射点；
[0012]步骤4：对分数阶回波数据做蝶形运算，得到其和、差回波数据和；
[0013]步骤5：依次求解出雷达目标中第一类散射点的俯仰角和方位角，实现对该类型散射点的三维重构；
[0014]步骤6：利用“粗成像”中的方位角信息，求解出雷达目标中第二类散射点的俯仰角信息，实现对该类型散射点的三维重构；
[0015]步骤7：融合步骤5、6中的第一类散射点和第二类散射点，实现对雷达目标的三维重构。
[0016]进一步，所述的步骤1具体包括下述步骤：
[0017]设涡旋电磁波采用UCA阵列产生，其中UCA阵列是由N个独立收发天线阵元组成的半径为a的圆形平面阵列，UCA阵列中心置于坐标原点，UCA阵列的第n个阵元记做S
n
，其对应的发射信号为s
n
(t)；若对第n个阵元的信号进行相位调制，其调制相位为则第n个阵元的发射信号可以表示为：
[0018][0019]其中s(t)为线性调频信号，K为频率调制率，T为发射信号脉冲宽度，f
c
为信号中心频率，α为模式数，t为快时间，j为虚数；则UCA阵列发射信号s
T
(t)可以表示为：
[0020][0021]那么对于空间点其中r
p
为点P到原点O的距离，θ
p
为点P与Z轴正方向的夹角，为点P在XOY平面上与X轴正正方向的夹角，基于UCA阵列的MIMO收发模式，所接收到P点的总回波信号可以表示为：
[0022][0023]其中τ
p
为信号时延且σ为点P的归一化散射系数，c为光速，k为波数，J
α
(
·
)
为α阶的第一类贝塞尔函数，此时α取值为整数；对UCA阵列的每个独立阵元所发射的信号进行幅度调制和相位调制，可得到分数阶模式数的涡旋电磁波，同理可知对于空间点其回波信号可近似表示为：
[0024][0025]此时模式数α取值为非整数；由公式(3)、(4)可知，对由M个散射点组成的雷达目标，其目标回波可以统一表示为：
[0026][0027]若UCA产生整数阶模式数范围为[
‑
l,l]，分数阶模式数分别为则不同阶数的雷达目标的回波信号可以写成矩阵形式：
[0028]S＝[s
M
(t,α1),s
M
(t,α2),...,s
M
(t,α
2l
),s
M
(t,α
1/2
),s
M
(t,α
‑
1/2
)]T
ꢀꢀꢀ
(6)。
[0029]进一步，所述的步骤2具体包括下述步骤：
[0030]选取整数阶的雷达目标回波信号构成新的回波数据矩阵S
in
＝[s
M
(t,α1),.....,s
M
(t,α
2l
)]T
，分析可知，S
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，包括下列步骤：步骤1：基于UCA的多发多收模式获得联合整数阶与分数阶模式数的雷达目标回波数据；步骤2：利用快速傅里叶变换对整数阶模态回波数据进行处理，实现对雷达目标距离
‑
方位角的“粗成像”；步骤3：根据“粗成像”成像结果，以距离单元为划分对象，将散射点划分为第一类散射点和第二类散射点；步骤4：对分数阶回波数据做蝶形运算，得到其和、差回波数据和；步骤5：依次求解出雷达目标中第一类散射点的俯仰角和方位角，实现对该类型散射点的三维重构；步骤6：利用“粗成像”中的方位角信息，求解出雷达目标中第二类散射点的俯仰角信息，实现对该类型散射点的三维重构；步骤7：融合步骤5、6中的第一类散射点和第二类散射点，实现对雷达目标的三维重构。2.如权利要求1所述的联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，其特征在于：所述的步骤1具体包括下述步骤：设涡旋电磁波采用UCA阵列产生，其中UCA阵列是由N个独立收发天线阵元组成的半径为a的圆形平面阵列，UCA阵列中心置于坐标原点，UCA阵列的第n个阵元记做S
n
，其对应的发射信号为s
n
(t)；若对第n个阵元的信号进行相位调制，其调制相位为则第n个阵元的发射信号表示为：其中s(t)为线性调频信号，K为频率调制率，T为发射信号脉冲宽度，f
c
为信号中心频率，α为模式数，
t
为快时间，j为虚数；则UCA阵列发射信号s
T
(t)表示为：那么对于空间点其中r
p
为点P到原点O的距离，θ
p
为点P与Z轴正方向的夹角，为点P在XOY平面上与X轴正正方向的夹角，基于UCA阵列的MIMO收发模式，所接收到P点的总回波信号表示为：其中τ
p
为信号时延且σ为点P的归一化散射系数，c为光速，k为波数，J
α
(
·
)为α阶的第一类贝塞尔函数，此时α取值为整数；对UCA阵列的每个独立阵元所发射的信号进行幅度调制和相位调制，可得到分数阶模式数的涡旋电磁波，同理可知对于空间点其回波信号可近似表示为：此时模式数α取值为非整数；由公式(3)、(4)可知，对由M个散射点组成的雷达目标，其目标回波统一表示为：
若UCA产生整数阶模式数范围为[
‑
l,l]，分数阶模式数分别为则不同阶数的雷达目标的回波信号写成矩阵形式：S＝[s
M
(t,α1),s
M
(t,α2),...,s
M
(t,α
2l
),s
M
(t,α
1/2
),s
M
(t,α
‑
1/2
)]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)。3.如权利要求1所述的联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括下述步骤：选取整数阶的雷达目标回波信号构成新的回波数据矩阵S
in
＝[s
M
(t,α1),.....,s
M
(t,α
2l
)]
T
，分析可知，S
in
仍在快时间
‑
模式数域上呈二维矩形分布；首先，选取成像目标区域中心点P
c
为参考点，则参考点P
c
在不同模式数下的回波信号表示为：其中为n阶模式数时参考点P
c
的回波信号；通过在距离维对S
in
匹配滤波，得到雷达目标的距离信息；匹配滤波后的数据表示为：S
Match
＝[s
Match
(t,α1),s
Match
(t,α2),...,s
Match
(t,α
2l
)]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中从公式(8)看出，对S
Match
在模式数域采用快速傅里叶变换得到雷达目标的方位角；那么通过以上处理得到雷达目标关于距离
‑
方位角的二维成像结果。4.如权利要求1所述的联合整数阶与分数阶模态的涡旋电磁波雷达三维成像方法，其特征在于：所述的步骤3具体包括下述步骤：以距离单元为对象对“粗成像”的成像结果将目标散射点进行划分，若某个距离单元上仅存在唯一一个散射点...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁佳，罗迎，张群，王聃，倪嘉成，李开明，齐子森，袁航，黄虎，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：