CN107656253A

CN107656253A - 电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法及装置

Info

Publication number: CN107656253A
Application number: CN201710743228.3A
Authority: CN
Inventors: 王鹏波; 方越; 陈杰; 杨威; 门志荣
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2037-08-25
Also published as: CN107656253B

Abstract

本公开涉及一种电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法及装置，所述方法包括：获取雷达系统的仿真参数；根据获取的所述仿真参数，确定目标场景区域的场景参数；根据所述仿真参数和所述场景参数，获取电磁涡旋合成孔径雷达仿真回波信号。本公开提出了一种适用于携带有轨道角动量的电磁涡旋波作为雷达发射信号的回波仿真方法，利用本公开的方法能够准确地描绘出电磁涡旋合成孔径雷达系统回波信号，为实现电磁涡旋合成孔径雷达成像处理奠定模型基础。

Description

电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法及装置

技术领域

本公开涉及雷达技术领域，具体地，涉及一种电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星近些年来发展迅速，由于SAR卫星不受天气、地理、时间等因素的限制，能够对地进行全天时、全天候的观测，且具有一定的穿透力，因而被广泛的应用于军事侦察、地形测绘、资源探测、海洋观测、生态监测、自然灾害监测、快速救援等方面。

合成孔径雷达仿真技术是一种用仿真的方法来研究SAR系统的技术，它在SAR的研制工作中，具有十分重要的作用。仿真结果的逼真度和仿真运算效率是制约SAR仿真技术实际应用的两个核心因素，而这两大要素均与SAR回波仿真这一SAR仿真中的关键步骤密切相关。

相关技术中，SAR回波仿真是将普通的雷达电磁信号作为雷达发射信号进行仿真，仅能得到普通的雷达电磁信号的回波信号。

发明内容

本公开的目的是提供一种电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法，以解决相关技术中的问题。

为了实现上述目的，第一方面，本公开提供一种电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法，所述方法包括：

获取雷达系统的仿真参数，所述仿真参数信息至少包括：雷达的工作参数以及载机设备的运行参数，其中，所述雷达的工作参数以下参数中的一者或多者：天线工作频率，天线中心视角，发射信号的信号带宽，发射信号的信号采样率，发射信号的脉冲重复频率，发射信号的脉冲宽度，发射信号波长，雷达开机工作时间，轨道角动量模式数以及圆环天线半径，所述轨道角动量大于0；所述载机设备的运行参数至少包括：所述载机设备的飞行速度、飞行高度；

根据获取的所述仿真参数，确定目标场景区域的场景参数，所述场景参数以下参数中的一者或多者：距离向点目标数目，方位向点目标数目，距离向点目标间隔和方位向点目标间隔，各目标散射系数；

根据所述仿真参数和所述场景参数，获取电磁涡旋合成孔径雷达仿真回波信号。

可选地，所述根据所述仿真参数和所述场景参数，获取含有电磁涡旋相位的回波信号的步骤包括：

根据所述仿真参数和所述场景参数，获取点目标k在各个采样时刻的回波信号幅度值和相位值；

根据点目标k在各个采样时刻的回波信号幅度值和相位值，获取所述点目标k返回的电磁涡旋合成孔径雷达仿真回波信号。

可选地，所述点目标k在各个采样时刻的回波信号幅度值包括：各个方位时刻t⁽ⁱ⁾的回波信号幅度值A_k ⁽ⁱ⁾；

所述各个采样时刻的回波信号相位值包括：各个方位时刻t⁽ⁱ⁾和距离时刻τ^(j)的回波信号相位值φ_k ^(i,j)；

所述点目标k返回的含有电磁涡旋相位的回波信号为：

S_Echo ^(i,j) _k＝A_k ⁽ⁱ⁾×exp{φ_k ^(i,j)}

其中，i∈[1,N_ver]，j∈[N_min,N_max]，N_ver为方位向采样点数，[N_min,N_max]为点目标k的距离向回波采样信号范围。

可选地，所述各个方位时刻t⁽ⁱ⁾的回波信号幅度值A_k ⁽ⁱ⁾为：

其中，J_α(·)表示第一类贝塞尔函数，阶次为α；K为波数，f_c为天线工作频率；c为光速a为圆形天线半径；为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的高度角；σ_k为预设目标散射系数；为天线方向图权值。

可选地，所述为：

H＝R₀·cosθ_L

R₀＝R_ref·sinθ_squint

其中，R_ref为场景中心斜距；a为圆环天线半径；x_p为根据天线方向图贝塞尔函数的信号形式确定的主瓣峰值所在位置；K为波数；R_k ⁽ⁱ⁾为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的斜距；θ_L为天线中心视角。

可选地，所述R_k ⁽ⁱ⁾为：

其中，为方位时刻t⁽ⁱ⁾，距离时刻τ^(j)，点目标k在空间中的三维坐标；

其中，为点目标k与场景中心，在距离向的相对位置；为点目标k与场景中心，在方位向的相对位置；R₀为载机设备与场景中心的最近斜距；θ_L为天线中心视角；

其中，a_k为点目标k在方位向的序号，r_k为点目标k在距离向的序号；

其中，V为载机设备的飞行速度；t⁽ⁱ⁾为方位向采样点i所对应的采样时刻，i＝1,...,N_ver；

可选地，所述方法还包括：

将t⁽ⁱ⁾时刻飞机与目标点的相对位置矢量R⁽ⁱ⁾(x_sp,y_sp,z_sp)转换为天线坐标系下的相对位置矢量

获取方位向离轴角θ_{dev_a}：

其中，arctan(·)表示反正切三角函数。

根据方位向离轴角θ_{dev_a}，获取天线方向图权值；

其中，方位向离轴角θ_{dev_a}为：θ_beam为波束主瓣宽度；。

可选地，所述相位值φ_k ^(i,j)为：

其中，R_k ⁽ⁱ⁾为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的斜距；λ为圆形天线的波长；B_w为信号带宽；T_r为脉冲宽度；c为光速；α为轨道角动量模式数；为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的方位角；所述为：

可选地，

其中，R_ref为场景中心斜距；f_s为信号采样率；N_hor为距离向采样点数；T_r为脉冲宽度；R_k ⁽ⁱ⁾为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的斜距。

第二方面，提供一种雷达回波信号仿真装置，包括：

获取模块，被配置为获取雷达系统的仿真参数，所述仿真参数信息至少包括：雷达的工作参数以及载机设备的运行参数，其中，所述雷达的工作参数包括：天线工作频率，天线中心视角，发射信号的信号带宽，发射信号的信号采样率，发射信号的脉冲重复频率，发射信号的脉冲宽度，发射信号波长，雷达开机工作时间，轨道角动量模式数以及圆环天线半径，所述轨道角动量大于0；所述载机设备的运行参数至少包括：所述载机设备的飞行速度、飞行高度；

场景参数确定模块，被配置为根据获取的所述仿真参数，确定目标场景区域的场景参数，所述场景参数包括：距离向点目标数目，方位向点目标数目，距离向点目标间隔和方位向点目标间隔，各目标散射系数；

回波信号获取模块，被配置为根据所述仿真参数和所述场景参数，获取电磁涡旋合成孔径雷达仿真回波信号。

第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述方法的步骤。

通过上述技术方案，提出了一种适用于携带有轨道角动量的电磁涡旋波作为雷达发射信号的回波仿真方法，利用本公开的方法能够准确地描绘出电磁涡旋合成孔径雷达系统回波信号，为实现电磁涡旋合成孔径雷达成像处理奠定模型基础。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一实施例的雷达系统的示意图；

图2是本公开一实施例的雷达回波信号仿真方法的流程示意图；

图3是本公开一实施例的载机设备与地面空间几何关系图；

图4是本公开一实施例的贝塞尔函数随模式数不同的分布特性图；

图5是本公开一实施例的目标场景区域中的点目标分布示意图；

图6是本公开一实施例的雷达回波信号逐点仿真的流程示意图；

图7是本公开一实施例的电磁涡旋合成孔径雷达回波幅度图；

图8是本公开一实施例的电磁涡旋合成孔径雷达回波实部图；

图9是本公开一实施例的雷达回波信号仿真装置的框图；

图10是本公开一实施例的用于雷达回波信号仿真的装置的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

参见图1，为本公开一实施例的雷达系统的示意图。该雷达系统100包括：雷达101、载机设备102以及一个或多个点目标103。

雷达101可搭载在载机设备102上，跟随载机设备102以一定的速度运行。雷达101可对波束范围内的点目标103进行测距或二维成像等。点目标103可为任意物体。

雷达101包括天线201、发射机202、接收机203、信号处理模块204以及收发转换开关205等。

发射机202用于产生电磁能量。电磁能量经过收发转换开关205传送给天线201。天线201用于将电磁能量辐射至大气中，集中在一很窄的方向上形成波束传播。电磁波遇到波束内的点目标后，将沿着各个方向产生反射，其中，一部分电磁能量反射回雷达的方向，被天线201获取。天线201获取的电磁能量经过收发转换开关205传送给接收机203，形成雷达回波信号。接收机203对雷达回波信号进行滤波、放大等处理后传送给信号处理模块204。

信号处理模块204获取包含在回波中的信息。

在本公开的一实施例中，雷达101可为合成孔径雷达。天线201可为圆环天线201，其包括多个在圆周上排列的天线阵元，圆周阵列的半径为a，即天线201的半径为a。通过圆环天线可产生电磁涡旋波，由此，使得雷达101不仅能够在时域、频域和极化域内调制点目标的信息，而且其所特有的轨道角动量(OAM)模态提供了信息调制的新维度，获得更多的点目标的信息。另一方面，由于电磁涡旋所具有的模态复用潜能大大提升了系统的频谱利用率，通过多模式的组合应用不仅能够缓解传统雷达系统所存在的固有约束，还能够实现许多新型的应用模式，显著提升雷达系统的对地探测效能。电磁涡旋雷达系统所具备的OAM调制特性使得系统对于同频段的宽带干扰和地面反射具有鲁棒性，传统的压制式干扰和转发欺骗干扰都难以影响电磁涡旋SAR系统。与传统雷达系统相比，电磁涡旋雷达系统具有更高的抗干扰能力和反侦查能力。

应理解，上述实施例的雷达101的结构仅为示意性的，在上述模块的基础上，还可将一些模块进行功能集成，或减少某些模块等，本公开对此不作限制。

本公开实施例中，在确定了场景区域，点目标数量及位置，雷达的工作参数，以及载机设备的运行参数时，获取含有电磁涡旋相位的回波信号。

参见图2，在本公开的一实施例中，雷达回波信号仿真方法包括以下步骤：

在步骤S21中，获取仿真参数。仿真参数至少包括：雷达的工作参数和载机设备的运行参数。

在一个实施例中，可从相关数据库获取实际雷达的参数作为仿真所需的雷达的工作参数。例如，该相关数据库可存储实际雷达系统(例如，上述图1所示的雷达系统)工作运行时的参数，这些参数可包括：天线工作频率f_c，天线中心视角θ_L，发射信号的信号带宽B_w，发射信号的信号采样率f_s，发射信号的脉冲重复频率PRF，发射信号的脉冲宽度T_r，发射信号波长λ，雷达开机工作时间T_all，轨道角动量模式数α以及圆环天线半径a等。对于载机设备的运行参数，可以获取载机设备实际运行的参数，例如，接收载机设备返回的实际运行参数作为仿真所述的载机设备的运行参数，这些参数可以包括：载机设备的飞行速度V，飞行高度H。

应理解，在一些实施例中，还可以实际雷达的参数和实际载机设备的运行参数为依据，对仿真参数进行预先设置。

在步骤S22中，根据获取的仿真参数，确定目标场景区域的场景参数。

由于仿真参数确定后，雷达的发射信号可照射到的范围即确定，因此，本公开实施例中，根据仿真参数，进一步确定仿真的场景参数。场景参数至少包括：距离向点目标数目N_r，方位向点目标数目N_a，距离向点目标间隔d_r和方位向点目标间隔d_a，各目标散射系数σ_k。

在一个实施例中，参见图3，搭载在载机设备上的雷达，随载机设备的飞行，雷达的发射信号的照射范围即为目标场景区域。该目标场景区域的大小由场景方位向长度和场景距离向宽度确定。其中，场景方位向长度与载机设备的雷达开机工作时间和飞行速度有关，而场景距离向宽度与雷达的圆形天线的辐射范围相关。参见式(1)至式(4)：

W_a＝V×T_all (1)

W_r＝θ_beam×R_ref (2)

其中，T_all为雷达开机工作时间；f_c为天线工作频率；c为光速，其值为3×10⁸(m/s)；K为波数；a为圆环天线半径；x_z1为根据天线方向图贝塞尔函数的信号形式获取的方向图第1个零点；x_z2为根据天线方向图贝塞尔函数的信号形式获取的方向图第2个零点；R_ref为目标场景区域的场景中心斜距，即根据目标场景区域的确定的场景区域的中心距离载机设备102的斜距。

在目标场景区域范围内，设置N_r×N_a个点目标，其中，N_r为距离向点目标数目，N_a为方位向点目标数目，距离向点目标间隔为d_r，方位向点目标间隔为d_a。距离向点目标间隔d_r与距离向点目标数目N_r的乘积小于或等于场景距离向宽度W_r。

在一个实施例中，f_c＝9.6GHz，θ_L＝35°，V＝250m/s，R_ref＝30000m，f_s＝140MHz，B_w＝100MHz，PRF＝2000Hz，T_r＝10μs，N_r＝3，N_a＝3，d_r＝200m，d_a＝1500m，α＝7，a＝30λ。

在步骤S23中，根据仿真参数和场景参数，获取含有电磁涡旋相位的回波信号。

由此，通过本公开实施例的仿真方法，可获取到含有电磁涡旋相位的回波信号。基于含有电磁涡旋相位的回波信号，可进一步进行点目标的成像处理，获取点目标的位置信息等。通过本公开实施例，在不需要雷达发射接收硬件的情况下，根据仿真场景区域的信息和雷达仿真参数信息，获取含有电磁涡旋相位的回波信号，可节省成本；且本公开实施例获取到的为含有电磁涡旋相位的回波信号，据此可以获得更多的点目标的信息，为进一步的点目标成像和分析提供支持。

在一个实施例中，还需要确定采样点数，以确定回波信号的信号点数。采样点数包括：距离向采样点数N_hor以及方位向采样点数N_ver。采样点数可根据信号采样率f_s和合成孔径时间确定。

以下，以一个点目标(点目标k)的回波信号为例，说明上述步骤S23中获取含有电磁涡旋相位的回波信号。参见式(1)，在本公开的一实施例中，可根据式(5)，获取含有电磁涡旋相位的点目标k反射的回波信号。

S_Echo ^(i,j) _k＝A_k ⁽ⁱ⁾×exp{φ_k ^(i,j)} (5)

其中，i∈[1,N_ver]，j∈[N_min,N_max]，N_ver为方位向采样点数，[N_min,N_max]为距离向回波采样信号范围，由此，S_Echo为i行j列的回波信号空间矩阵，即每一个矩阵元素用来存放一个采样点的复数数据；A_k ⁽ⁱ⁾为方位t⁽ⁱ⁾时刻的点目标k的回波信号的幅度值；φ_k ^(i,j)为方位t⁽ⁱ⁾时刻，距离τ^(j)时刻的点目标k的回波信号的相位值，k＝1,...,N_a·N_r。

回波信号的幅度值的获取

在一个实施例中，根据第一类贝塞尔函数，天线工作频率，轨道角动量模式数、预设目标散射系数、天线方向图权值以及载机设备与点目标的高度角，获取方位t⁽ⁱ⁾时刻的点目标k的回波信号的幅度值A_k ⁽ⁱ⁾ 。

参见式(6)，在一个实施例中，方位t⁽ⁱ⁾时刻的点目标k的回波信号的幅度值为：

其中，J_α(·)表示第一类贝塞尔函数，阶次为α(轨道角动量模式数)；K为波数；a为圆形天线半径；为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的高度角；σ_k为预设目标散射系数；为天线方向图权值。

参见式(7)至(10)：

H＝R₀·cosθ_L (8)

R₀＝R_ref·sinθ_squint (9)

其中，R_ref为场景中心斜距；a为圆环天线半径；x_p为根据天线方向图贝塞尔函数的信号形式确定的主瓣峰值所在位置，参见图4，α不同，根据天线方向图贝塞尔函数的信号形式确定的主瓣峰值所在位置就不相同；K为波数；R_k ⁽ⁱ⁾为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的斜距，参见式(11)：

其中，为方位t⁽ⁱ⁾时刻，距离τ^(j)时刻，点目标k在空间中的三维坐标。

参见式(12)：

其中，为点目标k与场景中心，在距离向的相对位置；为点目标k与场景中心，在方位向的相对位置；R₀为载机设备与场景中心的最近斜距；θ_L为天线中心视角。参见式(13)：

其中，a_k为点目标k在方位向的序号，r_k为点目标k在距离向的序号。参见图5，在本公开的实施例中，将各个点目标按照方位向和距离向进行编号。以点目标的数量为9个为例，图3中左上角的第一个点目标的方位向序号和距离向序号均为1，右下角的点目标的方向位序号和距离向序号分别为Na(即为9)和Nr(即为9)。由此，根据式(10)，可以分别得到点目标k与场景中心，在距离向的相对位置，以及点目标k与场景中心，在方位向的相对位置。

在一个实施例中，参见式(14)、上述式(8)以及上述式(9)，上述式(11)中的x_s，y_s，z_s为：

其中，V为载机设备的飞行速度；t⁽ⁱ⁾为方位向采样点i所对应的采样时刻，i＝1,...,N_ver。参见式(15)和(16)：

其中，N_ver为方位向采样点数；PRF为脉冲重复频率；R_ref为场景中心斜距；V为载机设备的飞行速度；θ_squint参见式(10)所示。

回波信号的相位值的获取

在一个实施例中，根据式(17)获取方位t⁽ⁱ⁾时刻，距离τ^(j)时刻的回波信号的相位值φ_k ^(i,j)：

其中，R_k ⁽ⁱ⁾为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的斜距，参见式(11)-(14)可获取R_k ⁽ⁱ⁾；λ为圆形天线的波长；B_w为信号带宽；T_r为脉冲宽度；c为光速；α为轨道角动量模式数；为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的方位角。

参见式(18)，以及上述式(8)至式(10)，以及式(15)：

其中，V为载机设备的飞行速度。

获取天线方向图权值

首先，将t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的相对位置矢量R⁽ⁱ⁾(x_sp,y_sp,z_sp)转换为天线坐标系下的相对位置矢量参见式(19)：

其中，根据式(12)至(14)可以获取x_sp，y_sp和z_sp；θ_L为天线中心视角。

然后，获取方位向离轴角θ_{dev_a}，参见式(20)：

其中，arctan(·)表示反正切三角函数。

第三，根据方位向离轴角θ_{dev_a}，获取天线方向图权值。

在本公开的一实施例中，若θ_{dev_a}小于波束主瓣宽度θ_beam，则在照射范围内，根据预先定义的方向图类型确定若方向图为实测方向图，即若θ_{dev_a}大于或等于波束主瓣宽度θ_beam，则可根据读入的方向图文件来获取。在一个实施例中，若使用理论方向图，则可以表示为：

确定距离向回波采用信号范围[N_min,N_max]，参见式(22)：

其中，R_ref为场景中心斜距；f_s为信号采样率；N_hor为距离向采样点数；T_r为脉冲宽度；R_k ⁽ⁱ⁾为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的斜距，参见式(11)-(16)可获取R_k ⁽ⁱ⁾。

参见式(23)，式(17)中的τ^(j)为：

参见图6，为本公开一实施例的雷达回波信号的逐点仿真的流程示意图。在步骤S61中，获取仿真参数。在步骤S62中，开辟回波信号空间矩阵。回波信号空间矩阵的大小由距离向采样点数和方位向采样点数确定。在步骤S63中，根据仿真参数，确定场景参数。在步骤S64中，根据采样点，逐点开始仿真。在步骤S65中，判断方向位采样点的大小是否小于方向为采样点数，若小于，则将方向位采样点加一，并在步骤S66中，计算当前时刻，载机设备的飞行位置；在步骤S67中，点目标逐点仿真；在步骤S68中，判断点目标k是否小于距离向点目标数目和方位向点目标数目的乘积，若小于，则在不是S69中，计算当前时刻相对位置矢量、斜距、高度角及方位角。在步骤S70中，距离向逐点仿真，在步骤S71中，判断j是否小于距离向采样点数，若小于，则在步骤S72中计算方位时刻距离向回波采样信号范围，在步骤S73中，计算回波信号幅度值和相位值，在步骤S74中根据回波信号幅度值和相位值输出回波仿真结果。

参见图7为本公开一实施例得到的包含电磁涡旋的雷达回波信号的幅度值图。参见图8为本公开一实施例的包含电磁涡旋的雷达回波信号实部图。

本公开实施例提出了一种适用于携带有轨道角动量的电磁涡旋波作为雷达发射信号回波仿真方法，利用本公开的方法能够准确地描绘出电磁涡旋SAR系统回波信号，为实现高分辨率SAR成像处理奠定模型基础。

参见图9，为本公开一实施例的雷达回波信号仿真装置的框图，该装置包括：

获取模块901，被配置为获取雷达系统的仿真参数，所述仿真参数信息至少包括：雷达的工作参数以及载机设备的运行参数，其中，所述雷达的工作参数包括以下参数中的一者或多者：天线工作频率，天线中心视角，发射信号的信号带宽，发射信号的脉冲重复频率，发射信号的脉冲宽度，轨道角动量模式数以及圆环天线半径，所述轨道角动量大于0；所述载机设备的运行参数至少包括：所述载机设备的飞行速度；

场景参数确定模块902，被配置为根据获取的所述仿真参数，确定目标场景区域的场景参数，所述场景参数包括以下参数中的一者或多者：距离向点目标数目，方位向点目标数目，距离向点目标间隔和方位向点目标间隔，各目标散射系数；

回波信号获取模块903，被配置为根据所述仿真参数和所述场景参数，获取含有电磁涡旋相位的回波信号。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

图10是根据一示例性实施例示出的一种用于执行上述雷达回波信号仿真方法的装置的框图。如图10所示，该装置1000可以包括：处理器1022，其数量可以为一个或多个，以及存储器1032，用于存储可由处理器1022执行的计算机程序。存储器1032中存储的计算机程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理器1022可以被配置为执行该计算机程序，以执行上述的雷达回波信号仿真方法。

另外，装置1000还可以包括电源组件1026和通信组件1050，该电源组件1026可以被配置为执行装置1000的电源管理，该通信组件1050可以被配置为实现电子设备1000的通信，例如，有线或无线通信。此外，该装置1000还可以包括输入/输出(I/O)接口1058。在一个实施例中，可通过该输入/输出(I/O)接口1058获取仿真参数等信息。装置1000可以操作基于存储在存储器1032的操作系统，例如Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM,LinuxTM等等。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，例如包括程序指令的存储器1032，上述程序指令可由装置1000的处理器1022执行以完成上述的雷达回波信号仿真方法。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims

1.一种电磁涡旋合成孔径雷达回波信号仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

获取雷达系统的仿真参数，所述仿真参数信息至少包括：雷达的工作参数以及载机设备的运行参数，其中，所述雷达的工作参数包括以下参数中的一者或多者：天线工作频率，天线中心视角，发射信号的信号带宽，发射信号的信号采样率，发射信号的脉冲重复频率，发射信号的脉冲宽度，雷达开机工作时间，轨道角动量模式数以及圆环天线半径，所述轨道角动量大于0；所述载机设备的运行参数至少包括：所述载机设备的飞行速度、飞行高度；

根据获取的所述仿真参数，确定目标场景区域的场景参数，所述场景参数包括以下参数中的一者或多者：距离向点目标数目，方位向点目标数目，距离向点目标间隔和方位向点目标间隔，各目标散射系数；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述仿真参数和所述场景参数，获取取电磁涡旋合成孔径雷达仿真回波信号的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点目标k在各个采样时刻的回波信号幅度值包括：各个方位时刻t⁽ⁱ⁾的回波信号幅度值A_k ⁽ⁱ⁾；

所述点目标k返回的含有电磁涡旋相位的回波信号为：

S_Echo ^(i,j) _k＝A_k ⁽ⁱ⁾×exp{φ_k ^(i,j)}

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述点目标k各个方位时刻t⁽ⁱ⁾的回波信号幅度值A_k ⁽ⁱ⁾为：

<mrow> <msup> <msub> <mi>A</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>&sigma;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&times;</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>&times;</mo> <msubsup> <mi>J</mi> <mi>&alpha;</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>&times;</mo> <mi>a</mi> <mo>&times;</mo> <msubsup> <mi>sin&theta;</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>A</mi> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，J_α(·)表示第一类贝塞尔函数，阶次为α；K为波数，f_c为天线工作频率；c为光速；a为圆形天线半径；为t⁽ⁱ⁾时刻载机设备与点目标k的高度角；σ_k为预设目标散射系数；为天线方向图权值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述为：

<mrow> <msubsup> <mi>&theta;</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>A</mi> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mi>arccos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>H</mi> <mrow> <msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

H＝R₀·cosθ_L

R₀＝R_ref·sinθ_squint

<mrow> <msub> <mi>&theta;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>q</mi> <mi>u</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arcsin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>x</mi> <mi>p</mi> </msub> <mrow> <mi>K</mi> <mo>&times;</mo> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述R_k ⁽ⁱ⁾为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>sin&theta;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>z</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>x</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>y</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>V</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <msup> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>H</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>&times;</mo> <msub> <mi>sin&theta;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>q</mi> <mi>u</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>V</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取方位向离轴角θ_{dev_a}：

<mrow> <msub> <mi>&theta;</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>e</mi> <mi>v</mi> <mo>_</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>x</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <msubsup> <mi>y</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mo>&prime;</mo> </msubsup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，arctan(·)表示反正切三角函数。

根据方位向离轴角θ_{dev_a}，获取天线方向图权值；

其中，方位向离轴角θ_{dev_a}为：θ_beam为波束主瓣宽度。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相位值φ_k ^(i,j)为：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>N</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

10.一种雷达回波信号仿真装置，其特征在于，包括：