一种基于差值谱线的旋翼目标特征提取方法

本发明涉及电磁涡旋目标探测领域，具体是一种基于差值谱线的旋翼目标特征提取方法。

背景技术：

当今，在人们的社会生活中，多旋翼飞行器已不足为奇，无人机产业的大爆发，在航拍、农业、军事等领域得到广泛应用，而无人机属于典型的旋翼目标。旋翼目标的频繁出现在给人们的生活带来便捷的同时，也带来了一些安全隐患，如近几年无人机“黑飞”事件频发，使用无人机进行恶意侦查监视、直接攻击人群等。然而，旋翼目标具有“低、慢、小”目标的特点，且旋翼目标可随时悬停于空中，这对于传统的雷达来讲，根本无法探测。

近几年，随着携带有轨道角动量（oam）的涡旋电磁波的引入，给人们对目标探测领域提供了一种新的角度和方法，理论上讲，涡旋电磁波具有无限种不同拓扑荷数，即轨道角动量的模式，为了方便计算，模态一般取整数，不同轨道角动量模态之间相互正交，即不同模态数的涡旋电磁波可进行线性叠加，这一性质表明，具有不同模态数的涡旋电磁波在物理上可分离。

针对旋翼目标，无论是旋翼目标处于“飞行”状态还是“悬停”状态，旋翼目标螺旋叶片是一直处于转动的，且不同类型的旋翼目标，旋翼目标叶片数量、长度、宽度等均可不同，利用这些不同特征可作为对旋翼目标的探测和识别依据。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于差值谱线的旋翼目标特征提取方法。这种方能准确获取旋翼目标的叶片特征，从而提高探测和识别旋翼目标的精度。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于差值谱线的旋翼目标特征提取方法，与现有技术不同的是，包括如下步骤：

1）构建旋翼目标叶片与涡旋电磁波模型：采用feko电磁仿真软件构建旋翼目标叶片和涡旋电磁波的仿真模型，涡旋电磁波产生由8个等间距排列的偶极子天线组成圆形阵列、各偶极子阵元天线频率为10ghz、阵列半径为30mm即一个波长长度，依次对阵元施加幅度相同、相位递增的信号激励源，阵元频率为10ghz，产生不同模态数的涡旋电磁波，在圆形阵列正上方300mm处设置一个半径为30mm的采样圆周，采样圆周半径与圆形阵列半径一致均为30mm，采样点数为360个点，在圆阵与采样圆周之间即圆形阵列正上方150mm处设置旋翼目标螺旋叶片模型，旋翼目标螺旋叶片模型的叶片数、叶片长度、叶片宽度、叶片位置角度参数可调整；

2）得到差值谱线：改变激励源的相位，产生不同模态数的涡旋电磁波，发射不同模态数的涡旋电磁波，采用matlab对仿真的数据进行谱分解法处理，得到差值谱线，具体为：在圆形阵列与采样圆周之间先不添加旋翼目标螺旋叶片，即涡旋电磁波直接到达采样圆周，圆形阵列天线分别发射模态数为0、1、2、3的涡旋电磁波，得到一组仿真数据作为对照组；随后，在圆形阵列与采样圆周之间添加旋翼目标螺旋叶片，圆形阵列天线分别发射模态数为0、1、2、3的涡旋电磁波，涡旋电磁波经过叶片影响后，到达采样圆周，得到一组仿真数据作为实验组。由于各模态数之间相互正交，通过谱分解法绘制涡旋电磁波的模态谱图，将实验组的模态谱减去对照组的模态谱得到模态差值谱线图，简称差值谱线；

3）得到对oam影响的差值谱线：更改叶片数、叶片长度、叶片宽度、叶片位置角度，重复步骤2）得到多组仿真数据作为实验组数据，分别得到对oam影响的差值谱线，由差值谱线得到：叶片数量、长度、宽度均对高模态的涡旋电磁波影响大、对低模态影响小；叶片数以主模态为中心轴、以叶片数为步进数对次模态造成影响，而叶片对oam的影响与位置角度无关，由于电磁波的速度远大于螺旋桨转动速度，对于电磁波而言，螺旋桨可视为不同位置角度的静止状态，故转动的叶片对oam的影响等效于静止的叶片对oam的影响，分析次模态谱的变化，能判断是否存在旋翼目标，并获取旋翼目标叶片参数特征，从而为旋翼目标的探测和识别提高准确率。

与以往的雷达探测旋翼目标相比，本技术方案具有如下特点：

本发明构建了旋翼目标叶片和涡旋电磁波的模型，旋翼目标会以叶片数为周期对涡旋电磁波模态数造成影响，且该影响与旋翼目标叶片位置角度无关，无论旋翼目标是处于“飞行”状态还是“悬停”状态，其螺旋叶片是一直处于转动状态，故可通过观测涡旋电磁波模态谱的变化，有效判断范围内是否存在旋翼目标，若存在，还可提取出旋翼目标的叶片特征，从而达到对旋翼目标的种类识别，该方法不仅能提高对旋翼目标的识别率，还为目标识别领域提供了一个新的角度。

这种方能准确获取旋翼目标的叶片特征，从而提高探测和识别旋翼目标的精度。

附图说明

图1为实施例旋翼目标叶片与涡旋电磁波模型示意图；

图2为实施例中叶片数分别为2、3、4，对oam产生影响后的差值谱线图，其中，图2（a）表示不同叶片数对模态数为0和1的涡旋电磁波产生影响的结果，图2（b）表示不同叶片数对模态数为2和3的涡旋电磁波产生影响的结果；

图3为实施例中叶片长度分别为30mm、70mm、120mm，对oam产生影响后的差值谱线图，其中，图3（a）表示不同叶片长度对模态数为0和1的涡旋电磁波产生影响的结果，图3（b）表示不同叶片长度对模态数为2和3的涡旋电磁波产生影响的结果；

图4为实施例中叶片宽度分别为10mm、20mm，对oam产生影响后的差值谱线图，其中，图4（a）表示不同叶片宽度对模态数为0和1的涡旋电磁波产生影响的结果，图4（b）表示不同叶片宽度对模态数为2和3的涡旋电磁波产生影响的结果；

图5为实施例中叶片位置角度分别为0°、20°、80°，对模态数为0和1的涡旋电磁波产生影响后的差值谱线图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明内容做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种基于差值谱线的旋翼目标特征提取方法，包括如下步骤：

1）构建旋翼目标叶片与涡旋电磁波模型：采用feko电磁仿真软件构建旋翼目标叶片和涡旋电磁波的仿真模型，如图1所示，涡旋电磁波产生由8个等间距排列的偶极子天线组成圆形阵列、各偶极子阵元天线频率为10ghz、阵列半径为30mm即一个波长长度，依次对阵元施加幅度相同、相位递增的信号激励源，阵元频率为10ghz，产生不同模态数的涡旋电磁波，在圆形阵列正上方300mm处设置一个半径为30mm的采样圆周，采样圆周半径与圆形阵列半径一致均为30mm，采样点数为360个点，在圆阵与采样圆周之间即圆形阵列正上方150mm处设置旋翼目标螺旋叶片模型，旋翼目标螺旋叶片模型的叶片数、叶片长度、叶片宽度、叶片位置角度参数可调整；

2）得到差值谱线：改变激励源的相位，产生不同模态数的涡旋电磁波，发射不同模态数的涡旋电磁波，采用matlab对仿真的数据进行谱分解法处理，得到差值谱线，具体为：在圆形阵列与采样圆周之间先不添加旋翼目标螺旋叶片，即涡旋电磁波直接到达采样圆周，圆形阵列天线分别发射模态数为0、1、2、3的涡旋电磁波，得到一组仿真数据作为对照组；随后，在圆形阵列与采样圆周之间添加旋翼目标螺旋叶片，圆形阵列天线分别发射模态数为0、1、2、3的涡旋电磁波，涡旋电磁波经过叶片影响后，到达采样圆周，得到一组仿真数据作为实验组。各模态数之间相互正交，通过谱分解法绘制涡旋电磁波的模态谱图，将实验组的模态谱减去对照组的模态谱得到模态差值谱线图简称差值谱线；

3）得到对oam影响的差值谱线：更改叶片数、叶片长度、叶片宽度、叶片位置角度，重复步骤2）得到多组仿真数据作为实验组数据，具体地：

3-1）更改叶片数、设置叶片长度为120mm，得到叶片数对oam影响的差值谱线，如图2所示，图中差值谱线小于0对应横坐标即为发射涡旋电磁波的模态数，即为主模态，由于叶片的影响，主模态占比减少，次模态占比增加，当叶片数为2时，次模态占比变化较大的是以主模态为中心轴，以2为步进的次模态，如主模态为0，次模态占比变化较大的是-4、-2、2、4；当叶片数3时，次模态占比变化较大的是以主模态为中心轴，以3为步进的次模态，对比图2（a）和图2（b），主模态为3时的差值谱线占比减少最多，即叶片对高模态的涡旋电磁波影响比对低模态数的涡旋电磁波影响大；

3-2）叶片数设置为3，更改叶片长度分别为30mm、70mm、120mm，得到叶片长度对oam影响的差值谱线，如图3所示，从图3（a）、图3（b）中可看出，随着叶片长度的增加，主模态占比减少也多，造成的影响也越大，次模态占比变化较大的均是以主模态为中心轴，以3为步进的次模态；

3-3）叶片数为3，更改叶片宽度分别为10mm、20mm，长度为120mm，得到叶片宽度对oam影响的差值谱线，如图4所示，从图4（a）、图4（b）中可看出，随着叶片宽度的增加，造成的影响越大，次模态占比变化较大的均是以主模态为中心轴，以3为步进的次模态；

3-3）更改叶片位置角度分别为0°、20°、80°，叶片数为3、长度为120mm，得到叶片位置角度对oam影响的差值谱线，如图5所示，三条线重叠，表明叶片对oam的影响与位置角度无关，由于电磁波的速度远大于螺旋桨转动速度，对于电磁波而言，螺旋桨可视为不同位置角度的静止状态，故可推测转动的叶片对oam的影响等效于静止的叶片对oam的影响，转动的叶片对oam的影响等效于静止的叶片对oam的影响，分析次模态谱的变化，能判断是否存在旋翼目标，并获取旋翼目标叶片参数特征，从而为旋翼目标的探测和识别提高准确率。