[发明专利]基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法

权利要求书

1.基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立雷达坐标系和目标坐标系；发射预先设计的正交波形编码信号，形成模态数为-L～L的电磁涡旋波，并接收回波信号；

其中，所述雷达坐标系是以雷达运动中心为原点的球坐标系，所述目标坐标系 是以目标轨迹的中心为原点的直角坐标系；

所述回波信号为快时间-OAM模态-慢时间三维雷达回波数据，即为按照慢时间顺序的多幅二维图像；

步骤2，对回波信号进行距离压缩和徙动补偿，得到徙动补偿的距离压缩回波信号，即为多目标OAM模态-合成孔径方位向二维耦合信号；

步骤3，在慢时间信号维度对多目标OAM模态-合成孔径方位向二维耦合信号进行傅里叶变换，得到多目标OAM模态-多普勒谱，进而估计每个目标的多普勒中心频率以及相对运动方位角；

步骤4，建立雷达和目标的相对运动函数模型，求解得到目标的运动参数，进而确定合成孔径阵列流形，即得到目标的运动轨迹；其中，所述目标的运动参数为目标的速度和加速度；

步骤5，对徙动补偿的距离压缩回波信号在涡旋方位维进行FFT处理，得到OAM方位角域的回波信号；基于Radon傅里叶变换，对方位角域的回波信号进行二维联合检测聚焦处理，得到目标坐标系内回波信号的压缩聚焦图像；对目标坐标系内回波信号的压缩聚焦图像在合成孔径方位维进行压缩，得到目标的三维图像。

2.根据权利要求1所述的基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，步骤1中，在目标坐标系内，雷达的位置r_R和目标的瞬时位置r(η)分别为；

其中，r_rx、r_ry、r_rz分别为在目标坐标系中，雷达沿x轴、y轴、z轴的位置坐标，v为雷达与目标的相对运动速度的模，η为慢时间，α为雷达相对于目标的斜视角。

3.根据权利要求2所述的基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，设定目标在一个慢时间维度内为静止目标，则目标上M个散射点反射的回波信号为：

其中，j为虚数单位，s(t)为t时刻雷达发射的涡旋波信号，t为快时间，r_m(η)为第m个散射点在慢时间η的瞬时位置，τ_m(η)＝|r_m(η)-r_R|/c为第m个散射点在慢时间η的时间延迟，|·|为取模操作，c为信号的传播速度，为第m个散射点在慢时间η的方位角，l为模态调制带宽，且l∈[-L,L]；s(t-τ_m(η))为经过时间延迟τ_m(η)后的t-τ_m(η)时刻雷达发射的涡旋波信号；λ为载波波长。

4.根据权利要求1所述的基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，步骤3中，所述多目标OAM模态-多普勒谱的表达式为：

其中，f_η为多普勒频率，F(f_η)为目标在平面波回波所对应的多普勒频谱，R_x(·)为自相关函数，t为时间，τ_m为第m个散射点的时间延迟，Φ_m为第m个散射点在慢时间维度的OAM方位角变化量，I为脉冲重复间隔，M为目标上的散射点的总个数，l为模态数。

5.根据权利要求4所述的基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，所述估计每个目标的多普勒中心频率以及相对运动方位角，其具体为：

首先，由于多目标OAM模态-多普勒谱S_η(t,f_η,l)在(f_η,l)域内呈中心对称特性，通过重心法获得S_η(t,f_η,l)的几何中心，几何中心对应的多普勒频率为目标的多普勒中心频率估计值；

然后，每个OAM模态对应一个多普勒中心频率，因此，多个不同的OAM模态对应多个多普勒中心频率，多个多普勒中心频率组成目标的OAM模态-多普勒谱的中心分割曲线，中心分割曲线上各点的斜率作为的估计值，即为相对运动的方位角。