涡旋电磁波生成方法、装置及涡旋雷达探测方法、装置

本发明涉及一种涡旋电磁波生成方法，属于涡旋电磁波雷达(简称涡旋雷达)。

背景技术：

1、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。现有的高分辨率雷达大多基于距离-多普勒原理，通过发射宽带信号获得距离向高分辨率，利用雷达与目标之间相对运动形成大的虚拟合成孔径获得方位向高分辨率，依赖于雷达与目标的横向相对运动，不具备前视成像能力，只能采用侧视、斜视方式探测及跟踪目标。为此，已有单脉冲成像技术、阵列雷达成像技术等解决方案被提出，可在一定程度上改善雷达的角分辨能力，但分辨能力均受限于孔径大小，无法获取目标方位向的精细信息。

2、轨道角动量(oam)是一个与电磁波相位波前分布相联系的物理量，当对传统电磁波加载轨道角动量调制时将形成涡旋电磁波，其相位波前呈现出螺旋形的结构，可在其上调制所需的信息，提高电磁波的信息传递和信息获取能力。采用具有多模式轨道角动量的电磁涡旋波进行目标探测时，波束内目标不同散射点处将形成具有差异性分布的电磁激励，使目标散射回波中蕴含更多的空间信息。利用涡旋电磁波能够克服利用传统平面电磁波探测时分辨率受实孔径波束宽度限制的问题，为高分辨前视雷达成像提供了可行的解决方法。然而现有涡旋雷达系统受限于电子器件的工作带宽，难以产生宽带涡旋电磁波，从而限制了雷达的距离向分辨能力。此外，传统的涡旋雷达大多采用相控阵天线模型产生涡旋电磁波，需要配备多个移相器实现阵列单元之间的相位偏移，会导致系统的硬件成本和复杂性较高，不利于实际应用。同时，在传统涡旋电磁波产生系统中，受产生模型限制，只能分时产生不同模式的涡旋电磁波，极大的浪费了时间资源，使得雷达的成像效率较低，无法对快速运动的目标进行探测。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种涡旋电磁波生成方法，无需移相器等额外的硬件设备，仅通过单个扫频周期即可快速产生多模式、大带宽且参数可重构的涡旋电磁波对目标进行探测。

2、本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

3、一种涡旋电磁波生成方法，用步进频信号对单频光载波进行调制，并将所生成的调制光信号分为n路，n为大于2的整数；为这n路调制光信号分别引入不同的延时，第1～第n路所引入的延时呈固定增量δt的阶梯递增，然后对引入延时后的n路调制光信号分别进行光电转换，得到n个通道的射频信号；以第1～第n个通道的射频信号分别对第1～第n个天线阵元进行激励从而生成涡旋电磁波，所述第1～第n个天线阵元按照顺时针/逆时针方向依次等间隔排列形成具有n个天线阵元的均匀圆阵。

4、优选地，根据以下公式设置及调整涡旋电磁波参数：

5、n＝l

6、

7、

8、

9、其中，l为涡旋电磁波的模式总数，tf为涡旋电磁波的模式变换周期，δl为涡旋电磁波模式变换间隔，f0、δf分别为所述步进频信号的初始频率、扫频间隔，k为正整数，z表示正整数域。

10、基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

11、一种涡旋电磁波生成装置，包括：

12、激励信号生成单元，用于用步进频信号对单频光载波进行调制，并将所生成的调制光信号分为n路，n为大于2的整数；为这n路调制光信号分别引入不同的延时，第1～第n路所引入的延时呈固定增量δt的阶梯递增，然后对引入延时后的n路调制光信号分别进行光电转换，得到n个通道的射频信号；

13、天线阵，其为具有n个天线阵元的均匀圆阵，按照顺时针/逆时针方向依次等间隔排列的第1～第n个天线阵元分别以第1～第n个通道的射频信号作为激励信号以生成涡旋电磁波。

14、优选地，根据以下公式设置及调整涡旋电磁波参数：

15、n＝l

16、

17、

18、

19、其中，l为涡旋电磁波的模式总数，tf为涡旋电磁波的模式变换周期，δl为涡旋电磁波模式变换间隔，f0、δf分别为所述步进频信号的初始频率、扫频间隔，k为正整数，z表示正整数域。

20、一种涡旋雷达探测方法，向目标发射涡旋电磁波，并用单个天线对目标散射回波进行接收以实现目标成像；使用如上一技术方案所述涡旋电磁波生成方法生成所述涡旋电磁波。

21、进一步地，所述目标成像的方法具体如下：以未引入延时的所述调制光信号作为参考光信号，对接收到的目标反射回波进行微波光子混频处理，并对所得到信号进行光电探测，得到携带目标信息的中频信号；对各个轨道角动量模式下所述中频信号中所包含的各频率分量进行数据抽样，得到分别以频率、轨道角动量模式为横、纵坐标的频率-拓扑荷二维数据矩阵；首先沿频率轴对数据做快速傅里叶变换，得到不同轨道角动量模式观测下的一维距离像，进而沿拓扑荷域做快速傅里叶变换实现方位向聚焦，从而得到最终的二维成像结果。

22、一种涡旋雷达探测装置，包括用于向目标发射涡旋电磁波的发射端，以及用于用单个天线对目标散射回波进行接收以实现目标成像的接收端；所述发射端为如上所述涡旋电磁波生成装置。

23、进一步地，所述目标成像的方法具体如下：以未引入延时的所述调制光信号作为参考光信号，对接收到的目标反射回波进行微波光子混频处理，并对所得到信号进行光电探测，得到携带目标信息的中频信号；对各个轨道角动量模式下所述中频信号中所包含的各频率分量进行数据抽样，得到分别以频率、轨道角动量模式为横、纵坐标的频率-拓扑荷二维数据矩阵；首先沿频率轴对数据做快速傅里叶变换，得到不同轨道角动量模式观测下的一维距离像，进而沿拓扑荷域做快速傅里叶变换实现方位向聚焦，从而得到最终的二维成像结果。

24、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

25、1、本发明技术方案利用微波光子雷达技术所具有的大带宽、低损耗等优势，仅需一个激光源即可产生具有大工作带宽的涡旋电磁波，极大的提高了其距离向分辨能力。

26、2、本发明技术方案通过引入延时光纤实现产生涡旋电磁波所需的多通道间的相位偏移，无需配备多组移相器件，大大减少了系统的复杂度和硬件成本。

27、3、本发明技术方案利用单周期扫频过程即可产生多模式、大带宽的涡旋电磁波，避免了传统产生方案中的分时工作模式，节约了时间资源，大大提高了探测效率。

28、4、所产生的涡旋电磁波同时具有大带宽和多模式的特点，可在距离向和方位向均实现高分辨率的探测。

29、5、通过对步进频信号、延时光纤及天线阵列的调节，可对所产生涡旋电磁波的带宽、模式总数、模式间隔、模式变换周期等参数实现灵活的重构。

技术特征：

1.一种涡旋电磁波生成方法，其特征在于，用步进频信号对单频光载波进行调制，并将所生成的调制光信号分为n路，n为大于2的整数；为这n路调制光信号分别引入不同的延时，第1～第n路所引入的延时呈固定增量δt的阶梯递增，然后对引入延时后的n路调制光信号分别进行光电转换，得到n个通道的射频信号；以第1～第n个通道的射频信号分别对第1～第n个天线阵元进行激励从而生成涡旋电磁波，所述第1～第n个天线阵元按照顺时针/逆时针方向依次等间隔排列形成具有n个天线阵元的均匀圆阵。

2.如权利要求1所述涡旋电磁波生成方法，其特征在于，根据以下公式设置及调整涡旋电磁波参数：

3.一种涡旋电磁波生成装置，其特征在于，包括：

4.如权利要求3所述涡旋电磁波生成装置，其特征在于，根据以下公式设置及调整涡旋电磁波参数：

5.一种涡旋雷达探测方法，向目标发射涡旋电磁波，并用单个天线对目标散射回波进行接收以实现目标成像；其特征在于，使用如权利要求1所述涡旋电磁波生成方法生成所述涡旋电磁波。

6.如权利要求5所述涡旋雷达探测方法，其特征在于，所述目标成像的方法具体如下：以未引入延时的所述调制光信号作为参考光信号，对接收到的目标反射回波进行微波光子混频处理，并对所得到信号进行光电探测，得到携带目标信息的中频信号；对各个轨道角动量模式下所述中频信号中所包含的各频率分量进行数据抽样，得到分别以频率、轨道角动量模式为横、纵坐标的频率-拓扑荷二维数据矩阵；首先沿频率轴对数据做快速傅里叶变换，得到不同轨道角动量模式观测下的一维距离像，进而沿拓扑荷域做快速傅里叶变换实现方位向聚焦，从而得到最终的二维成像结果。

7.一种涡旋雷达探测装置，包括用于向目标发射涡旋电磁波的发射端，以及用于用单个天线对目标散射回波进行接收以实现目标成像的接收端；其特征在于，所述发射端为权利要求3所述涡旋电磁波生成装置。

8.如权利要求7所述涡旋雷达探测装置，其特征在于，所述目标成像的方法具体如下：以未引入延时的所述调制光信号作为参考光信号，对接收到的目标反射回波进行微波光子混频处理，并对所得到信号进行光电探测，得到携带目标信息的中频信号；对各个轨道角动量模式下所述中频信号中所包含的各频率分量进行数据抽样，得到分别以频率、轨道角动量模式为横、纵坐标的频率-拓扑荷二维数据矩阵；首先沿频率轴对数据做快速傅里叶变换，得到不同轨道角动量模式观测下的一维距离像，进而沿拓扑荷域做快速傅里叶变换实现方位向聚焦，从而得到最终的二维成像结果。

技术总结
本发明公开了一种涡旋电磁波生成方法。用步进频信号对单频光载波进行调制，并将所生成的调制光信号分为N路；为这N路调制光信号分别引入不同的延时，第1～第N路所引入的延时呈固定增量Δt的阶梯递增，然后对引入延时后的N路调制光信号分别进行光电转换，得到N个通道的射频信号；以第1～第N个通道的射频信号分别对第1～第N个天线阵元进行激励从而生成涡旋电磁波，第1～第N个天线阵元按照顺时针/逆时针方向依次等间隔排列形成具有N个天线阵元的均匀圆阵。本发明还公开了一种涡旋电磁波生成装置及涡旋雷达探测方法、装置。本发明无需移相器等额外的硬件设备，仅通过单个扫频周期即可快速产生多模式、大带宽且参数可重构的涡旋电磁波。

技术研发人员：张方正,孙冠群,潘时龙
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11