一种单天线接收条件下的电磁涡旋成像方法与流程

本发明涉及微波成像技术领域，特别是电磁涡旋成像技术，更为具体地涉及利用单天线接收回波进行电磁涡旋成像。

背景技术：

雷达成像技术不受自然条件的限制，在空间目标监视、遥感测绘、海洋观测等领域有着非常重要的应用。现有的高分辨率成像雷达大多都是基于距离-多普勒原理，方位向分辨率依赖于雷达观测视角范围。在实际应用中，有时需要对某一重点区域进行长时间不间断的静止观测，在这种凝视观测条件下，距离-多普勒框架下的成像技术难以获得高方位分辨率。

轨道角动量是电磁波的一个重要的物理量，携带轨道角动量的电磁波由于其等相位面具有空间螺旋结构，称为电磁涡旋。自L.Allen等人指出具有空间方位相位依赖的电磁波束携带有轨道角动量以来，电磁涡旋在微粒操控、量子信息处理、无线通信以及雷达探测等领域得到了广泛的研究和应用。利用电磁涡旋的螺旋相位波前特性进行雷达目标成像的电磁涡旋成像(Kang Liu,Yongqiang Cheng,Zhaocheng Yang,Hongqiang Wang,Yuliang Qin,and Xiang Li,“Orbital-angular-momentum-based electromagnetic vortex imaging,”IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,vol.14,pp.711-714,2015.)是一种新的微波凝视成像方法，该成像方法具有不依赖于雷达与目标相对运动的优势。电磁涡旋的相位波前不再是平面，而是呈现出空间扭曲的螺旋结构。携带不同轨道角动量的电磁涡旋具有不同的相位扭曲结构，用携带不同轨道角动量的电磁涡旋照射目标，可以在空中形成多变的辐射花样，为目标方位角高分辨提供物理基础。但是，这种方法主要是在阵列天线接收条件下进行目标的距离-方位角二维成像(Tiezhu Yuan,Hongqiang Wang,Yuliang Qin and Yongqiang Cheng,“Electromagnetic Vortex Imaging Using Uniform Concentric Circular Arrays,”IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,vol.15,pp.1024-1027,2016.)。在阵列接收情况下，各个天线需要同时接收回波信号，各天线之间的时间同步精度对成像质量有很大影响，实现起来较为复杂。在目标俯仰角较小时，直接对单天线接收的回波进行成像处理不能进行目标方位分辨。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，如何利用单天线接收的电磁涡旋照射下的目标回波，在目标俯仰角较小时实现方位分辨成像。

本发明的基本思想是：通过发射阵列发射不同频率、携带不同轨道角动量模态的电磁涡旋照射相对静止的目标，采用单天线接收频率-轨道角动量模态二维回波，根据发射阵列参数和目标俯仰角信息对接收的二维回波进行相位补偿预处理，最后利用二维傅里叶变换方法进行成像处理。

本发明的技术方案如图1所示，具体包括以下步骤：

第一步，将N个相同的天线均匀排布在圆周上构成发射阵列。

第二步，利用发射阵列依次发射不同频率、不同轨道角动量模态的电磁涡旋，位于发射阵列中心的单天线接收各次目标回波。各次接收的目标回波的幅度和相位信息，形成频率-轨道角动量模态二维回波数据。

第三步，根据发射阵列参数和目标俯仰角的先验信息对接收到的二维回波数据进行相位补偿处理，得到预处理后的二维回波数据。

第四步，对预处理后的二维回波数据进行二维傅里叶变换，得到目标的距离-方位角二维图像。

本发明的有益效果是：本发明利用单天线接收的不同频率不同轨道角动量模态的二维回波数据进行目标二维成像，电磁涡旋波束具有螺旋形的相位波前，可以携带更为丰富的目标方位分布信息。在接收到目标二维回波数据后，利用发射阵列参数和目标俯仰角的先验信息对二维回波数据补偿一个附加相位，采用简单的二维傅里叶变换方法即可获得目标的距离-方位角二维图像。相比阵列接收方法，单天线接收过程简单，没有同步接收的要求，易于实现。此外，该方法不依赖于传统距离多普勒成像原理中目标与雷达之间的相对径向运动，在凝视/前视观测条件下实现了目标的二维成像，可为目标识别、新体制雷达成像技术的发展提供借鉴。

附图(表)说明

图1是本发明所述单天线接收条件下的电磁涡旋成像方法流程示意图；

图2是本发明所述的单天线接收时的电磁涡旋成像几何；

图3是回波预处理前方位维点扩展函数；

图4是回波预处理后方位维点扩展函数；

图5是本发明所述方法的数值模拟成像结果；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

第一步，将N个相同的天线等间隔地排布在一个半径为R的圆周上，形成发射阵列。天线个数N和阵列半径R根据成像需求设置，通常，天线个数N越大，发射阵列产生的电磁涡旋携带的轨道角动量模态种类越多，阵列半径R越小，产生的电磁涡旋旁瓣越少。以发射阵列中心为坐标原点，将发射阵列放置于XOY平面内，建立雷达观测空间坐标系XYZ，如图2所示。图2中，每一个短箭头表示一个天线，虚线所示圆周上放置N个发射天线，坐标原点O处放置一个接收天线，发射天线发出的电磁波向Z轴方向传播。设第n个发射天线方位角为2πn/N，n为发射天线序号，n＝1,2,…,N。各天线发射频率和幅度相同的单频激励信号，各激励信号初始相位为发射天线方位角与设定的轨道角动量模态的乘积。为了产生频率f₀、轨道角动量模态l₀的电磁涡旋，要求各发射天线激励信号频率为f₀，第n个发射天线初始相位为上述XYZ坐标系中的任意一点A的电场强度E_s可以表示为：

其中i为虚数单位，r、θ、φ分别为点A的距离、俯仰、方位坐标，k₀＝2πf₀/c表示发射的单频信号波数，c为真空中光的传播速度，表示l₀阶第一类贝塞尔函数。

第二步，按照第一步所述的阵列配置，依次发射频率为f_p、轨道角动量模态为l_q的电磁涡旋照射目标。其中p＝1,2,…,P，q＝1,2,…,Q，P、Q分别为频率和轨道角动量模态的维数。假设目标包含M个理想散射点，第m个散射点的后向散射系数为σ_m、坐标为(r_m,θ_m,φ_m)，m＝1,2,…,M。当发射频率为f_p、轨道角动量模态为l_q的电磁涡旋照射目标时，单天线接收到的该次目标回波可以表示为：

其中k_p＝2πf_p/c，表示l_q阶第一类贝塞尔函数。依次改变发射频率和轨道角动量模态，得到的所有P×Q次电磁涡旋照射后接收到的目标回波组成二维回波数据S_PQ。

第三步，由于公式(2)中回波包络的符号随着l_q变化，直接进行二维傅里叶变换时，其方位维的PSF(Point Spread Function，点扩展函数)没有峰值，不能提供方位分辨。图3给出了相位补偿前方位维的PSF，横坐标为方位角，纵坐标为归一化PSF大小，图中曲线为PSF数值随着方位角的变化曲线，这种曲线没有单个峰值，不能提供方位分辨能力。

对于每次接收数据s_pq，首先利用公式(3)计算相位Ψ：

然后将回波数据s_pq乘以如公式(3)所示的相位Ψ，则重新计算的方位维PSF将在零方位角处出现单个峰值，如图4所示。图4给出了相位补偿后方位维的PSF，横坐标为方位角，纵坐标为归一化PSF大小，图中曲线为PSF数值随着方位角的变化曲线，这种特征的PSF能够提供方位分辨能力。

最后，对轨道角动量模态为l_q的回波数据乘以就得到预处理后的二维回波数据。

第四步，对预处理后的二维回波数据进行二维傅里叶变换处理，即可得到目标的距离-方位角二维图像。

图5是利用本发明进行的仿真实验的成像结果。阵列半径R＝0.15m，各天线发射信号频率范围为9.8～10GHz，频率间隔为10MHz，共发射21种频率的信号，即P＝21。目标由四个后向散射系数σ_m均为1的理想散射点组成，即M＝4；距离向间隔为1m，方位角间隔为0.2π，成像距离为1000m。接收信号信噪比设置为15dB。图5(a)和图5(b)中横坐标表示方位角，单位是π弧度，纵坐标表示距离，单位是米，图中亮点表示重构出来的散射点。图5(a)和图5(b)分别采用不同的轨道角动量模态范围，轨道角动量模态取整数。图5(a)中发射天线个数N＝16，轨道角动量模态取-7到7之间的整数，即Q＝15，目标俯仰角为11度，。图5(b)中发射天线个数N＝32，轨道角动量模态取-15到15之间的整数，即Q＝31，目标俯仰角为16度。图5的结果表明，本发明提出的成像方法可以实现单天线接收条件下的二维电磁涡旋成像。对比图5(a)和图5(b)的成像结果可以看到，图5(b)中散射点在方位角向的宽度小于图5(a)中的宽度，说明增大使用的轨道角动量模态范围可以提升电磁涡旋成像方位角分辨。