基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法与流程

本发明涉及雷达目标检测与识别技术领域，特别涉及一种基于涡旋电磁波的旋转类目标检测方法。

背景技术：

近年来，城市公共安全受到越来越广泛的关注，特别是随着小型飞行器的普及，城市低空安全面临着越来越大的挑战。同时，面向当今信息化条件下的军事需求，目标识别在军事打击和防御等任务中发挥着重要作用，对诸多旋转类特征的目标(如直升机、运输机等)识别有着迫切的需求。

涡旋电磁波携带有轨道角动量，相位波前呈螺旋形结构。电磁角动量可以分为两个部分：自旋角动量和轨道角动量。其中自旋角动量与电磁波的极化有关，轨道角动量与光的偏振、波前相位有关，是电磁波一个重要的尚未加以充分利用的物理量。当对电磁波加载轨道角动量调制时，将形成涡旋电磁波，可在其上调制所需的信息，提高了电磁波的信息传递和获取能力，在旋转目标探测和目标识别等应用领域具有较大的潜力。

现有的旋转目标检测技术主要利用微动多普勒信息的特征提取进行目标识别(Target detection and feature extraction in indoor and outdoor environments using micro-Doppler analysis[R].Ottawa:Defense Research and Development Canada,2008)。雷达与目标之间的平动引起平动多普勒，目标的旋转将会引起多普勒频率的偏转，即微多普勒效应。而当雷达视线径向无多普勒分量或多普勒频率偏移较小情况下几乎无法有效检测。相对于传统平面波，利用涡旋电磁波的轨道角动量信息可以实现对多普勒信息的高效提取。基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法，不需依赖雷达与目标间的平动，可以实现对旋转多普勒信息、微弱多普勒频率偏移信息的高效提取，从而实现旋转目标的检测。已有的检测方法在光学领域中可以查找到，见文献Detection of a Spinning Object Using Light's Orbital Angular Momentum[J].Martin P.J.Lavery et al.Science 341,537,2013。但基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法在微波领域尚未有资料可查。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是利用携带轨道角动量的涡旋电磁波实现旋转目标的检测。

本发明的基本思想如图1所示，通过发射涡旋电磁波照射旋转目标，对接收的目标回波进行处理获得旋转多普勒频率偏移信息，利用轨道角动量状态模式(状态模式也称拓扑荷数)与旋转多普勒频率偏移、目标旋转角速度Ω之间的对应关系，获取目标的旋转角速度信息。

本发明的技术方案如图2所示，具体包括以下步骤：

第一步，利用天线阵列发射涡旋电磁波。

将N个天线阵元均匀排布在一个圆周上形成均匀圆阵；对各天线阵元施加信号激励，形成涡旋电磁波作为发射信号，其中所述信号激励是频率相同、激励幅度相同、初始相位与天线阵元方位有关的单频等幅递增式相位调制信号。

第二步，接收并处理回波信号。

采用单个天线接收目标回波，对目标回波采用以下任意一种方式处理获得多普勒频率偏移：第①种方式，将发射信号与接收的目标回波进行相参混频，获得目标旋转多普勒频率偏移；第②种方式，测量目标回波在一段时间内的相位变化量，通过对时间求导获得目标回波的频率，该频率减去发射信号的频率可得到目标旋转多普勒频率偏移。

第三步，计算目标旋转角速度信息。

基于第二步获得的目标旋转多普勒频率偏移，利用旋转多普勒频率偏移与发射信号的轨道角动量模式以及目标旋转角速度之间的对应关系，计算目标旋转角速度信息，实现对旋转目标的检测。

本发明的有益效果是涡旋电磁波携带轨道角动量，具有螺旋形的相位波前，提高了信息调制维度。本发明利用涡旋电磁波进行旋转目标检测，在检测处理中，利用轨道角动量模式与目标旋转角速度、旋转多普勒频率偏移之间的对应关系，获得目标的旋转角速度信息，检测过程简单、检测效率高。此外，该方法不依赖于传统多普勒检测要求的目标与雷达之间的径向运动，可以在前视条件下实现对旋转目标的检测，可为目标识别、新体制雷达技术发展提供借鉴。

附图(表)说明

图1是本发明所述旋转目标检测场景示意图；

图2是本发明所述旋转目标检测方案流程示意图；

图3是雷达观测空间坐标系；

图4是目标旋转角速度为40πrad/s时目标回波信号相位分布；

图5是目标旋转角速度为61.7πrad/s时目标回波信号相位分布。

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个天线阵元等间隔地排布在一个半径为a的圆周上，形成发射阵列，对各天线阵元施加信号激励，形成涡旋电磁波发射信号，其中信号激励为单频、等幅、递增式相位调制信号。

均匀圆阵的天线阵元个数N和阵列半径a的参数选择根据实际检测需求设置，通常，检测精度要求越高，阵元个数N越大，阵列半径a越大。

以发射阵列中心为坐标原点，将天线阵列放置于XOY平面，建立雷达观测空间坐标系XYZ，如图3所示。图3中，每一个短线箭头所在的位置处表示一个天线阵元，坐标原点O处表示接收天线位置，虚线所示圆周为均匀放置N个发射天线阵元，各阵元序号依次为1，2，3，…，N，第n个发射天线方位角为2πn/N，其中n＝1,2,…,N。

对发射天线阵元施加激励信号频率为f、激励幅度相同、递增式相位调制时，即第n个天线阵元调制相位为φ_n＝2πnl/N时，可以产生轨道角动量模式为l的涡旋电磁波，其中n＝1,2,…,N，l为轨道角动量模式(即拓扑荷数)。

采用上述阵列配置和信号激励，均匀圆阵可产生轨道角动量模式为l的涡旋电磁波。对于雷达观测坐标系空间任意一点P(r,θ,φ)，其电场强度E_s(r,θ,φ,l)可表示为

其中i为虚数单位，r、θ、φ分别为任意点P的距离、俯仰、方位坐标，k＝2πf/c表示发射的涡旋电磁波波数，c为真空中光传播速度，J_l()表示l阶第一类贝塞尔函数。

第二步，按照第一步所述的阵列配置和信号激励，均匀圆阵产生频率为f、轨道角动量模态l的涡旋电磁波波束照射目标，使用单个天线接收目标回波，回波信号E_r(r,θ,φ,l)可以表示为

其中σ(r,θ,φ)表示目标散射截面积，Δk＝2πΔf/c为旋转多普勒频率偏移Δf引起的波数偏移。

接收到的目标回波信号，可以采用两种处理方式：

第①种方式：采用发射信号与接收信号相参混频的方式，在频域获得多普勒频率偏移。相参混频即对接收的目标回波信号上乘以e^i2kr相位项，得到

从公式(3)可以看出，目标回波信号经相参混频后，经频域频率提取即可得到旋转多普勒频率偏移量Δf＝Δk·c/2π。

第②种方式：测量目标回波信号在一段时间内的相位变化量，通过对时间求导获得目标回波信号的频率dΦ和dt分别表示相位变化以及相应的观察时间长度，其中精度要求越高，观察时间dt越大。目标回波频率f′减去发射信号频率f即得到旋转多普勒频率偏移Δf＝f′-f。

第三步，旋转多普勒频率偏移与发射信号的轨道角动量以及目标旋转角速度之间的对应关系满足

其中Δf为目标旋转多普勒频率偏移，l为发射信号的轨道角动量模式，Ω表示目标旋转角速度。

基于公式(4)以及第二步获得的目标旋转多普勒频率偏移量Δf，可以获取被探测目标的旋转角速度Ω。

本发明已通过实验验证。实验中，设定发射信号频率f＝9.9GHz、涡旋电磁波轨道角动量模式l＝1，发射信号垂直照射旋转目标，雷达与目标之间不存在径向运动、无平动多普勒信息；采用单个天线接收目标回波；目标旋转角速度设置分别为40πrad/s和61.7πrad/s，依次得到不同旋转角速度下相参混频后得到的回波信号相位分布，如图4和图5所示，其中横坐标表示采样时间，纵坐标为该时刻的相位；经频域频率提取可得到对应的多普勒频移偏移量分别为Δf＝20Hz和Δf＝31.25Hz。利用本发明所提出的旋转目标检测方法，得到两种场景下的目标旋转角速度分别为40πrad/s和62.5πrad/s。结果表明，本发明提出的检测方法可以有效实现目标旋转多普勒和旋转角速度的检测。