[发明专利]电磁涡旋前视目标三维成像方法

说明书

本发明提供一种电磁涡旋前视目标三维成像方法，先确定电磁涡旋前视目标三维成像的场景模型，并建立电磁涡旋前视目标三维回波的表达方程；对电磁涡旋前视目标三维回波中的快时间‑前视航迹方向回波采用后向投影法消除瞬时斜距与雷达前视运动航迹位置之间的走动，得到目标距离‑俯仰维聚焦成像结果；基于电磁涡旋前视目标三维回波中的OAM域回波得到目标方位维成像结果；依据目标距离‑俯仰维聚焦成像结果和目标方位维成像结果完成电磁涡旋前视目标三维聚焦成像。本发明可以有效结合涡旋电磁波特性与雷达平台前视运动实现对前视目标的三维成像。

技术领域

本发明涉及雷达成像领域，特别涉及一种电磁涡旋前视目标三维成像方法。

背景技术

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，携带的轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）能调控电磁波相位波前空间分布，为信息调制提供了一个新维度，在微粒操控、通信、雷达领域得到广泛的关注和研究。

当涡旋电磁波波束照射前视成像区域，直接将目标方位信息调制在回波相位之中，与OAM模式数构成傅里叶变换意义下的变量对，结合大时间带宽积信号带来的距离向高分辨，有望实现电磁涡旋前视目标距离-方位二维高分辨成像。然而，目标俯仰维信息被调制在回波幅度项中，难以实现俯仰维分辨与目标距离-俯仰-方位三维成像。

当前涡旋电磁波在雷达成像领域中研究工作，相对集中地展现在二维前视成像方面，体现了其相对于传统成像体制和方法的优势和潜力。然而，电磁涡旋前视目标三维成像技术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，从前视观测场景中提取出目标三维信息，实现目标三维分辨。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种电磁涡旋前视目标三维成像方法，可以有效结合涡旋电磁波特性与雷达平台前视运动实现对前视目标的三维成像。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

电磁涡旋前视目标三维成像方法，包括以下步骤：

步骤S1，确定电磁涡旋前视目标三维成像的场景模型，并建立电磁涡旋前视目标三维回波的表达方程；

步骤S2，对电磁涡旋前视目标三维回波中的快时间-前视航迹方向回波采用后向投影法消除瞬时斜距与雷达前视运动航迹位置之间的走动，得到目标距离-俯仰维聚焦成像结果；

步骤S3，基于电磁涡旋前视目标三维回波中的OAM域回波得到目标方位维成像结果；

步骤S4，依据目标距离-俯仰维聚焦成像结果和目标方位维成像结果完成电磁涡旋前视目标三维聚焦成像。

作为本发明进一步限定，步骤S1中电磁涡旋前视目标三维成像的场景模型是：运动平台搭载雷达形成雷达平台，雷达平台倾斜朝向观测区域前向运动，利用圆形阵列天线产生携带不同轨道角动量模态的涡旋电磁波，照射前视观测区域中的目标并对其三维成像。其中圆形阵列天线其阵面垂直于雷达平台运动方向。在雷达前向运动过程中，目标相对于雷达天线的方位角始终保持不变，使得目标OAM域回波独立于快时间回波和前视航迹方向回波。

作为本发明进一步限定，步骤S1中结合场景模型中的雷达平台前视运动几何关系以及涡旋电磁波特性，建立电磁涡旋前视目标三维回波方程，具体如下：

设雷达平台前向运动形成长度为L的运动航迹，在雷达平台前向运动过程中的每一航迹采样位置，雷达发射不同OAM模态涡旋电磁波照射目标并接收录取对应回波，最终得到关于快时间变量t、OAM变量l以及前视航迹运动位置Z_i的电磁涡旋前视目标三维回波，方程如下：