CN108594198A - 基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 - Google Patents
基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108594198A CN108594198A CN201810713419.XA CN201810713419A CN108594198A CN 108594198 A CN108594198 A CN 108594198A CN 201810713419 A CN201810713419 A CN 201810713419A CN 108594198 A CN108594198 A CN 108594198A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- target
- angular momentum
- shift amount
- doppler shift
- rotation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
- G01S7/415—Identification of targets based on measurements of movement associated with the target
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明属于运动目标雷达探测与多普勒检测领域,特别涉及一种基于轨道角动量的复合运动目标探测方法。该方法包括步骤:设计雷达发射信号,建立发射信号模型;然后设定目标运动参数,推导得到目标回波方程,由目标回波方程分析得到多普勒频率偏移量与目标平动速度以及旋转角速度之间的内在关系;提出平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量的检测和分离方法,最后基于多普勒频率偏移量检测结果实现对复合运动目标的探测。本发明利用涡旋电磁波携带的轨道角动量信息,可以对平动多普勒和旋转多普勒进行有效的检测和分离,从而实现对复合运动目标的探测,为基于轨道角动量的雷达探测技术和目标识别技术的发展提供参考和借鉴。
Description
技术领域
本发明属于运动目标雷达探测与多普勒检测领域,特别涉及一种基于轨道角动量的平动与转动相结合的复合运动目标探测方法。
背景技术
传统雷达目标探测技术中,主要基于平动多普勒实现对运动目标的检测。然而,在雷达视线垂直于目标旋转平面的情况下,雷达与目标之间无径向运动,从而导致无法检测到多普勒信息。类比于平动多普勒,目标旋转引起的效应称为旋转多普勒。涡旋电磁波因携带有轨道角动量,其相位波前呈现螺旋形结构,并且波前空间分布结构与轨道角动量模式数相联系,从而为信息调制提供了一个新的自由度。在涡旋电磁波照射下,旋转多普勒频率偏移量与轨道角动量模式数、目标旋转角速度之间有着确定的内在关系,利用这一性质可以实现上述雷达观测场景下的旋转目标检测。
当前,轨道角动量在光学通信、微观粒子操控、量子成像、微波成像等领域均有着广泛的应用,展现了其相对于传统方法的优势和潜力。然而,基于轨道角动量的旋转多普勒探测尚处于起步研究阶段(Kang Liu,Xiang Li,Yue Gao,Hongqiang Wang,YongqiangCheng.Microwave imaging of spinning object using orbital angular momentum[J].Journal of Applied Physics,2017,122:124903.),检测原理、模型和方法等诸多原理性问题亟待解决。特别是,当目标处于平动和转动相结合的复合运动状态时,由于平动多普勒与旋转多普勒相互叠加,难以分离,目前没有有效的探测方法。鉴于此,本发明提出一种基于轨道角动量的复合运动目标探测方法,可以有效检测目标平动速度和旋转角速度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,如何利用轨道角动量实现平动与转动相结合的复合运动目标探测。本发明的基本思想是:根据轨道角动量的正交特性,设计雷达发射信号,建立发射信号模型;然后设定目标运动参数,得到回波方程,由目标回波方程分析得到多普勒频率偏移量与目标平动速度以及旋转角速度之间的内在关系;提出平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量的检测和分离方法,最后基于多普勒频率偏移量检测结果实现对复合运动目标的探测。具体技术方案如下。
一种基于轨道角动量的复合运动目标探测方法,包括以下步骤:
第一步,设计雷达发射信号,将初始发射信号在拓扑荷域经多个轨道角动量模式数调制,然后叠加合成得到雷达发射信号;
第二步,建立目标回波方程,根据雷达与目标初始距离、目标初始方位角度、目标的平动速度和旋转角速度,建立目标回波方程;
第三步,提取多普勒频率偏移量,根据雷达发射信号频谱、雷达发射信号轨道角动量谱以及回波信号频谱,分别获取平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量;
第四步,估计运动目标的平动速度和旋转角速度;根据平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量与目标平动速度、旋转角速度之间的关系,计算目标平动速度和旋转角速度。
进一步地,所述平动多普勒频率偏移量获取过程为:
由雷达发射信号轨道角动量谱得到,轨道角动量模式数l=0时,回波信号频谱最高峰值对应的频率偏移量即为平动多普勒频率偏移量;
所述旋转多普勒频率偏移量获取过程为:通过轨道角动量模式数l取不同的值,得到回波信号频谱相邻两个峰值之间的频率差Δf,即旋转多普勒频率偏移量。
进一步地,所述目标平动速度v的计算公式为:
所述目标旋转角速度Ω的计算公式为:Ω=2πΔf,
fd′为平动多普勒频率偏移量,Δf为旋转多普勒频率偏移量。
采用本发明获得的有益效果:本发明利用涡旋电磁波携带的轨道角动量信息,对平动多普勒和旋转多普勒进行有效的检测和分离,从而实现对复合运动目标的探测,该方法实现过程简单、高效,解决了前视条件下多普勒检测和分离难题,为基于轨道角动量的雷达探测技术和目标识别技术的发展提供参考和借鉴。
附图说明
图1是本发明复合运动目标探测方法流程示意图;
图2是实施例中的雷达发射信号轨道角动量谱;
图3是实施例中的回波信号频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
第一步,设计雷达发射信号。根据多普勒理论,雷达目标平动或者转动通常会引起回波信号的频率偏移。实施例中,雷达发射信号Ei(t,l)可以设计为:信号波形为单频正弦信号,在拓扑荷域经多个轨道角动量模式数调制后叠加合成,如式(1)所示。
式中f0表示初始发射信号频率,t为时间,l为轨道角动量模式数,l取整数,取值范围为[-L,L]。Al表示轨道动量模式数取l时信号对应的幅度调制,φ为空间方位角度,即信号辐射空间中的任意一点的方位角度,i表示虚数单位。
第二步,建立目标回波方程。假设运动目标平动速度为v,旋转角速度为Ω,那么雷达发射信号经运动目标散射后回波Er(t,l)表示为如下方程:
其中φ0表示目标初始方位角度,R0为雷达与目标初始距离,表示回波时间延迟,c为真空中光传播速度。
第三步,提取多普勒频率偏移量,根据式(2),回波信号相比于雷达发射信号,相位差表示为:
因此,得到平动和转动引起的总的多普勒频率偏移量fd为
式中λ表示初始发射信号波长。上式(4)表明,当l=0时即可获得平动多普勒频率偏移量,通过l取不同的值可以获得旋转多普勒频率偏移量。
基于式(2)和(4),回波信号频谱Er(f)满足关系
其中δ(·)表示冲击响应函数,表示卷积运算,上式(5)表明,回波信号频谱为发射信号频谱、平动多普勒频谱和旋转多普勒频谱三者的卷积。当已知发射信号频谱、发射信号轨道角动量谱以及回波信号频谱后,即可分别获得平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量。
第四步,平动速度和旋转角速度估计。本实施例中,假设目标平动速度为v=0.5m/s,旋转角速度为Ω=40πrad/s,初始发射信号频率为f0=9.9GHz。雷达发射信号轨道角动量谱如图2所示(图中横坐标为轨道角动量模式数,纵坐标为幅值归一化结果)。基于式(2),将接收到的回波信号在时域采样后傅里叶变换到频率域,得到频谱如图3所示(图中横坐标为频率,纵坐标为幅值归一化结果)。由雷达发射信号轨道角动量谱知,l=0为参考基准,回波信号频谱最高峰值对应的频率偏移量即为平动多普勒偏移量,相邻两个峰值之间的频率差即与旋转多普勒偏移量相对应。图3中频谱图形中心峰值对应的频率偏移量即由目标平动引起,其大小为33Hz。此外,根据公式(4)得知不同轨道角动量模式数对应的频率偏移量有所不同,相邻两个模式数的频率偏移量差恰好为Ω/2π,图3中所有峰值等间距分布,并且间距大小Δf满足关系:Δf=Ω/2π=20Hz。因此,根据式(4)所示关系,得到目标平动速度和旋转角速度分别为v=0.5m/s和Ω=40πrad/s。
Claims (3)
1.基于轨道角动量的复合运动目标探测方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,设计雷达发射信号,将初始发射信号在拓扑荷域经多个轨道角动量模式数调制,然后叠加合成得到雷达发射信号;
第二步,建立目标回波方程,根据雷达与目标初始距离、目标初始方位角度、目标的平动速度和旋转角速度,建立目标回波方程;
第三步,提取多普勒频率偏移量,根据雷达发射信号频谱、雷达发射信号轨道角动量谱以及回波信号频谱,分别获取平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量;
第四步,估计运动目标的平动速度和旋转角速度;根据平动多普勒频率偏移量和旋转多普勒频率偏移量与目标平动速度、旋转角速度之间的关系,计算目标平动速度和旋转角速度。
2.如权利要求1所述的基于轨道角动量的复合运动目标探测方法,其特征在于,所述平动多普勒频率偏移量获取过程为:
由雷达发射信号轨道角动量谱得到,轨道角动量模式数l=0时,回波信号频谱最高峰值对应的频率偏移量即为平动多普勒频率偏移量;
所述旋转多普勒频率偏移量获取过程为:通过轨道角动量模式数l取不同的值,得到回波信号频谱相邻两个峰值之间的频率差Δf,即旋转多普勒频率偏移量。
3.如权利要求2所述的基于轨道角动量的复合运动目标探测方法,其特征在于,所述目标平动速度v的计算公式为:
所述目标旋转角速度Ω的计算公式为:Ω=2πΔf,
fd′为平动多普勒频率偏移量,λ表示初始发射信号波长。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810713419.XA CN108594198B (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810713419.XA CN108594198B (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108594198A true CN108594198A (zh) | 2018-09-28 |
CN108594198B CN108594198B (zh) | 2020-06-19 |
Family
ID=63634947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810713419.XA Active CN108594198B (zh) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108594198B (zh) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109031267A (zh) * | 2018-10-09 | 2018-12-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种空间分离平板的三维电磁散射参数化模型构建方法 |
CN109541594A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-29 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于涡旋电磁波的条带sar三维成像方法 |
CN109856618A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-06-07 | 上海无线电设备研究所 | 一种基于旋转目标rcs特征的目标旋转角速度演算方法 |
CN110058235A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-07-26 | 成都青程融创信息技术有限公司 | 基于黄金分割思想的isar像尺寸标定方法 |
CN110426707A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于轨道角动量的涡旋sar成像方法及成像系统 |
CN111537989A (zh) * | 2020-03-25 | 2020-08-14 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种基于经验模态分解提取信号微多普勒调制分量的方法 |
CN111580060A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-08-25 | 北京航空航天大学 | 目标姿态识别的方法、装置和电子设备 |
CN112285730A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-01-29 | 哈尔滨工业大学 | 基于轨道角动量调制的多维信息探测系统 |
CN113281734A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-20 | 合肥工业大学 | 基于复合涡旋电磁波的目标径向与角向加速度检测方法 |
CN114441793A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-05-06 | 山西大学 | 基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法 |
CN115980733A (zh) * | 2023-02-15 | 2023-04-18 | 中国人民武装警察部队工程大学 | 一种基于涡旋电磁波雷达的加速运动目标参数估计方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105675903A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-06-15 | 北京理工大学 | 一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统 |
WO2016111861A1 (en) * | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Nec Laboratories America, Inc. | Remote wind turbulence sensing |
CN106707270A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-05-24 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法 |
CN106886020A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-06-23 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种单天线接收条件下的电磁涡旋成像方法 |
-
2018
- 2018-07-03 CN CN201810713419.XA patent/CN108594198B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016111861A1 (en) * | 2015-01-08 | 2016-07-14 | Nec Laboratories America, Inc. | Remote wind turbulence sensing |
CN105675903A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-06-15 | 北京理工大学 | 一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统 |
CN106707270A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-05-24 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于涡旋电磁波的旋转目标检测方法 |
CN106886020A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-06-23 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种单天线接收条件下的电磁涡旋成像方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
KANG LIU ETAL: "Microwave imaging of spinning object using orbital angular momentum", 《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 * |
LIANG FANG ETAL: "Sharing a common origin between the rotational and linear Doppler effects", 《LASER & PHOTONICS REVIEWS》 * |
王宏强 等: "量子雷达及其研究进展", 《电子学报》 * |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109031267A (zh) * | 2018-10-09 | 2018-12-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种空间分离平板的三维电磁散射参数化模型构建方法 |
CN109541594A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-29 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于涡旋电磁波的条带sar三维成像方法 |
CN109856618A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-06-07 | 上海无线电设备研究所 | 一种基于旋转目标rcs特征的目标旋转角速度演算方法 |
CN110058235A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-07-26 | 成都青程融创信息技术有限公司 | 基于黄金分割思想的isar像尺寸标定方法 |
CN110426707B (zh) * | 2019-08-12 | 2021-05-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于轨道角动量的涡旋sar成像方法及成像系统 |
CN110426707A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于轨道角动量的涡旋sar成像方法及成像系统 |
CN111537989A (zh) * | 2020-03-25 | 2020-08-14 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种基于经验模态分解提取信号微多普勒调制分量的方法 |
CN111537989B (zh) * | 2020-03-25 | 2022-07-15 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种基于经验模态分解提取信号微多普勒调制分量的方法 |
CN111580060A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-08-25 | 北京航空航天大学 | 目标姿态识别的方法、装置和电子设备 |
US11579248B2 (en) | 2020-04-21 | 2023-02-14 | Beihang University | Method, apparatus and electronic equipment for recognizing posture of target |
CN112285730A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-01-29 | 哈尔滨工业大学 | 基于轨道角动量调制的多维信息探测系统 |
CN112285730B (zh) * | 2020-10-28 | 2023-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 基于轨道角动量调制的多维信息探测系统 |
CN113281734A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-20 | 合肥工业大学 | 基于复合涡旋电磁波的目标径向与角向加速度检测方法 |
CN114441793A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-05-06 | 山西大学 | 基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法 |
CN114441793B (zh) * | 2022-01-07 | 2022-11-11 | 山西大学 | 基于异拓扑荷涡旋光的旋转物体角速度测量装置和方法 |
CN115980733A (zh) * | 2023-02-15 | 2023-04-18 | 中国人民武装警察部队工程大学 | 一种基于涡旋电磁波雷达的加速运动目标参数估计方法 |
CN115980733B (zh) * | 2023-02-15 | 2023-05-23 | 中国人民武装警察部队工程大学 | 一种基于涡旋电磁波雷达的加速运动目标参数估计方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108594198B (zh) | 2020-06-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108594198A (zh) | 基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 | |
CN108957443B (zh) | 一种基于双发双收相干雷达的无人机旋翼长度和转速的估计方法 | |
CN107861117B (zh) | 一种适用于连续波周界监视雷达的多目标参数测量方法 | |
Bączyk et al. | Micro‐Doppler signatures of helicopters in multistatic passive radars | |
Clemente et al. | GNSS-based passive bistatic radar for micro-Doppler analysis of helicopter rotor blades | |
CN104865569B (zh) | 一种基于单频网外辐射源雷达的飞机目标识别方法 | |
CN106405517B (zh) | 针对脉冲多普勒雷达的微动假目标生成方法 | |
CN102725650A (zh) | 使用从多个角度反射的信号的亚毫米雷达 | |
CN102725652A (zh) | 使用相位信息的亚毫米雷达 | |
CN105487060A (zh) | 一种双通道四斜率调制的多目标提取方法 | |
Sakamoto et al. | Texture-based automatic separation of echoes from distributed moving targets in UWB radar signals | |
Wang et al. | Simultaneous measurement of radial and transversal velocities using interferometric radar | |
CN110398730A (zh) | 基于坐标旋转和非均匀傅里叶变换机动目标相参检测方法 | |
Zhang et al. | Time-frequency characteristics based motion estimation and imaging for high speed spinning targets via narrowband waveforms | |
CN109085541A (zh) | Mimo雷达阵列天线及其信号处理方法 | |
Chen et al. | Wave measurements with multi-frequency HF radar in the East China Sea | |
Zhang et al. | Precession parameter estimation of warhead with fins based on micro-Doppler effect and radar network | |
Marra et al. | New algorithm for signal detection in passive FSR | |
CN102937709B (zh) | 基于直达波的双基地sar无同步回波聚焦成像方法 | |
Yang et al. | Anti-interference waveform design for automotive radar | |
CN109085568B (zh) | 一种基于二次混频的调频连续波多目标检测方法 | |
Abratkiewicz et al. | Time-Frequency Reassigned Micro-Doppler Signature Analysis Using the XY-DemoRad System | |
JP3875511B2 (ja) | レーダ装置 | |
Linnehan et al. | Multipath analysis of dismount radar responses | |
Bączyk et al. | Identification of helicopter rotor parameters using multistatic passive radar |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |