[发明专利]一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法

说明书

本发明一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，采用均匀圆环阵列结合多信号分类方法，构建了回波信号方位角与俯仰角的二维成像模型，实现了球坐标下的目标二维成像，同时针对MUSIC算法需目标个数已知及二维空域搜索较慢的问题，提出了实值最小模算法(RV‑MNM)，可在信源个数未知的情况下，实现对目标的二维成像，并在实值化计算下运算效率提高约为30％。

技术领域

本发明涉及信号与信息处理技术，具体涉及一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法。

背景技术

在现代无线通信系统中，轨道角动量被广泛应用于光学成像、微观粒子及无线通信领域，可以通过分析轨道角度量的模式数与方位角变量之间的近似对偶关系，揭示了电磁涡旋对雷达目标方位角的成像潜力，通过阵列信号处理方法，实现在不同模式下涡旋电磁波主瓣照射方向不变，提高照射目标模式数进而提升成像分辨。可以利用涡旋电磁波模式数与方位角的对偶关系，采用快速傅里叶变换(FastFourierTransformFFT)或后向投影(BackProjectionBP)算法实现目标在方位角域的分辨，实现目标的二维快拍成像，但该类算法方位角分辨率无法突破传统合成孔径雷达方位分辨率，且在俯仰角域不具备分辨能力，有人提出基于均匀圆阵列天线(UCA)阵列的涡旋电磁波MUSIC成像模型，但是只实现目标方位角的超分辨成像，且成像算法需已知信源个数且未考虑算法运行效率，因此，需要对此问题做改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提出一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法。

本发明是通过如下方式实现的：

一种基于涡旋电磁波的快速超分辨成像方法，包括下列步骤：

步骤一：构建回波信号模型；

步骤二：由阵列接收的回波数据得到其协方差矩阵R；

步骤三：求解R的实部Re[X]或虚部Im[X]；

步骤四：对Re[X]或Im[X]进行特征分解；

步骤五：提取Re[X]或Im[X]的最小模的特征值；

步骤六：确定信号子空间U_S和噪声子空间U_N；

步骤七：根据MNM算法进行二维空间谱峰搜索并找出极大点对应的方位角和俯仰角。

进一步，所述的步骤一具体包括下述步骤：构建回波信号模型：

其中，M为理想散射点个数，r_m、θ_m分别为第m个散射点在球坐标下距离原点的距离、方位角和俯仰角，σ_m为第m个散射点的雷达截面积，α为模式数，t为快时间，k为波数，j为虚部，J(·)为第一类贝塞尔函数，s(t)为发射信号，n(α,t)为噪声信号。

进一步，所述的步骤二具体包括下述步骤：

对比MUSIC算法模型，当模式数α的取值范围为[0,N-1]时，公式(1)可以表示为：

其中A∈C^N×M为导向矢量，S∈C^M×L为回波信号矢量，其中第i个信号所对应的导向矢量和回波信号矢量分别为S_i(t)，L为回波信号采样点数，N为历经的模式数；

假设噪声干扰为高斯白噪声，不同模式数下的回波信号的协方差矩阵可以表示为：

R＝AR_SA^H+σ²I  (5)