[发明专利]基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，该方法在传统的SAR/ISAR体制的基础上，发射和接收涡旋波，在垂直于波束的平面上可得到方位角维的分辨能力，降低系统复杂度的同时，得到了方位角域的高分辨率，再结合合成孔径方位维、距离维，实现了高分辨三维成像，避免了传统阵列体制下多通道联合估计的难题，降低系统复杂度。

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法。

背景技术

根据经典电动力学，电磁波的远场辐射不仅仅是能量传输，还携带了角动量特征。光学研究者首先发现光波除了自旋角动量(即极化效应)之外，还可同时具有轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)。OAM这一概念延伸到低频无线电波后，具有OAM的电磁波被命名为电磁涡旋波。OAM描述了电磁场绕着传播轴旋转的轨道特征，在平面波场的基础上叠加了旋转相位因子其中，1为模态数，表征OAM的大小，为围绕传播轴的方位角。显然1为整数的模态组合在的角域内具有正交性。因此，模态数可以作为一个独立的信号测量维度。

在平面波体制下，(无论是虚拟阵列还是实际阵列)，电磁波的等相面在远场条件下近似为平面。相对于平面波，涡旋波的等相面在近轴区域内为螺旋面，这也就使得涡旋波OAM模态带有新的分辨维度，与合成孔径雷达二维成像相结合，对目标进行三维成像。那么该新方法将会提升目标信息量，扩展雷达系统的成像维度，为多种微波成像应用场景等提供数据与技术支撑。

在此之前，三维微波成像方法主要有两种：一是基于SAR的“运动成像”方式，如干涉SAR、圆迹SAR、层析SAR等，基本原理是通过天线组阵或类似于合成虚拟阵列的方式来获取第三维度的分辨率，但存在成像精度低、系统复杂度高、多通道联合估计难或成像时效性差等各种各样的问题；另一种是基于压缩感知理论的“凝视成像”方法，通过发射时空二维随机信号，利用目标回波信号与发射信号之间的关联处理，来获取目标信息。该成像体制的主要问题在于远距离成像的分辨性能差，并且由于回波信号存在二维耦合，会造成距离模糊，难以实现精准的三维成像功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法。能够在垂直于波束的平面上形成多个模态叠加的涡旋场，经过变换得到方位角域的分辨能力，再结合合成孔径体制的方位维、距离维，实现了高分辨三维成像。相比其它阵列方式获取第三维度分辨能力的方法，本发明的成像处理中，不涉及多通道联合估计等问题，在同等成像性能下，总体上降低了系统与成像处理复杂度。

本发明的技术原理为：在传统的SAR/ISAR体制的基础上，发射和接收涡旋波。在垂直于波束的平面上可得到方位角维的分辨能力，降低系统复杂度的同时，得到了方位角域的高分辨率，再结合合成孔径方位维、距离维，实现了高分辨三维成像，避免了传统阵列体制下多通道联合估计的难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

基于电磁涡旋波的合成孔径雷达三维成像方法，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，所述目标坐标轴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(距离维)-OAM模态(涡旋方位维)-慢时间(合成孔径方位维)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；