CN108594198A - 基于轨道角动量的复合运动目标探测方法 - Google Patents

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

基于轨道角动量的复合运动目标探测方法

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，

f_d′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]。A_l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E^r(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f_d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E^r(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，

f_d′为平动多普勒频率偏移量，λ表示初始发射信号波长。