CN108631068B - 基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法 - Google Patents

基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波系统与信号处理领域，公开了一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法，解决现有技术无法有效解决涡旋波束能量发散、特别是高模态涡旋波发散角过大的问题。其实现方法如下：环形天线阵的各单元发射正交波形，并通过附加特定相移的载波调制，来形成相应模态的电磁涡旋波。利用正交波形的相位随机性，来改变波束中心区域场矢量相消的情况，使得能量在波束中心能够聚积。一方面，正交波形的随机相位调制使得波束中心处叠加场不再相消，改变了涡旋波束能量发散的状况；另一方面，基于发射波形间的相互正交特性，以单个发射波形作为参考信号，对接收到的回波数据依次进行匹配滤波，可解调出涡旋场空间相位。

Description

基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法
技术领域
本发明属于微波系统与信号处理领域，尤其涉及一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法。
背景技术
根据经典电动力学，电磁波的远场辐射不仅仅是能量传输，还携带了角动量特征。光学研究者首先发现光波除了自旋角动量(即极化效应)之外，还可同时具有轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)。OAM这一概念延伸到低频无线电波后，具有OAM的电磁波被命名为涡旋电磁波。OAM描述了电磁场绕着传播轴旋转的轨道特征，在平面波场的基础上叠加了旋转相位因子
Figure BDA0001631136070000011
其中，l为模态数，表征OAM的大小，
Figure BDA0001631136070000012
为围绕传播轴的方位角。显然l为整数的模态组合在
Figure BDA0001631136070000014
Figure BDA0001631136070000013
的角域内具有正交性。因此，模态数可以作为一个独立的信号测量维度。这相比于传统的平面波形式，提供了新的观测自由度，有望为雷达、通信等应用带来全新的技术途径。
目前，涡旋电磁波的产生方案主要有两类：螺旋赋形法和环形阵列法。总结其基本原理均为：在天线或阵列口面生成一个初始化近场面，该面上的场在
Figure BDA0001631136070000015
的方位角域内具有线性变化的整周期相位，根据电磁波传输方程，在与该近场面平行的平面上，远场具有方位向线性相位梯度，与近场相位调制的方位向相位梯度一致。根据这种方法所生成的涡旋波束为圆锥筒状，圆锥筒轴线方向为涡旋波传输方向，垂直于天线初始化近场面(见附图1)。
这种“空心”涡旋波束在实际应用中存在很多问题：首先，整数模态之间的正交特性是针对整个2π角域而言的，那么为了解调出涡旋波束携带信息，需要对整个环面进行接收。由于能量环面随着传播距离增大而不断扩张，因此远距离情况下，对此发散波束的接收不具备工程可实现性。对于雷达应用来说，不同模态涡旋场的方位相位梯度差异使得目标回波信息量增加，根据涡旋场分布的几何关系，越接近传播轴，方位相位梯度越大，越容易被检测到，而“空心”涡旋波束中心奇点的存在，造成靠近传播轴区域内场的不可用，那么就很难获得高检测性能。除此之外，在相同天线孔径情况下，不同模态涡旋波发散角大小也存在差异，这在多个不同模态波束的对准等方面增加了设计难度。那么，如果能够设计一种方案，在保持涡旋场相位分布的前提下，而改善波束中心能量缺失的状况，则将解决涡旋波在通信、雷达等领域内工程应用的一系列问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法，用于消除现有技术方案所生成的涡旋波束中心能量缺失的区域。
常规的环形阵列方案中，多个天线单元按照环形等间隔排列，并发射等相位差的信号，在[0,2π]角域内形成2lπ的相位梯度，来产生模态为l的涡旋波束。在环阵中轴线上，各单元激发的电场叠加效果为零，因此所生成波束为圆锥筒状，其波束指向与中轴线的夹角为涡旋波束的发散角。
在此基础上，本发明解决问题的基本思路如下：在各阵列单元初始相位调制的基础上，增加一个时变的随机相位调制，改变原本的涡旋波束中心电场矢量相消的情况。各单元的随机相位调制信号之间相互正交，保证该调制可通过匹配滤波方式滤除，恢复出涡旋电场初始相位。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，设定环形发射阵的天线数N；将N个天线按照2π/N等间隔排布在所述环形发射阵的圆周上，且以方位角为零的天线为起点对所述N个天线依次编号为1至N；
步骤2，采用正交波形发生器生成N个正交波形，每个正交波形的码长为Lc，记第n个正交波形为wn，n＝1,…,N；
步骤3，对所述第n个正交波形添加等梯度相移，并进行频率为fc的载波调制，将调制后的信号作为第n个天线的发射信号；
步骤4，对于空间涡旋场内任意一点(x,y,z)处的信号进行接收并解调后，可得到基带信号Rx,y,z(t)，根据所述基带信号Rx,y,z(t)和所述N个正交波形，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)步骤1中，所述环形发射阵的天线数N满足：N＞2|l|；其中，l表示所生成涡旋电磁波的模态数。
(2)步骤3中，第n个天线的发射信号为
Figure BDA0001631136070000031
其中，
Figure BDA0001631136070000032
为对所述第n个正交波形添加的等梯度相移，
Figure BDA0001631136070000033
其中l表示所生成涡旋电磁波的模态数。
(3)步骤4中，根据所述基带信号Rx,y,z(t)和所述N个正交波形，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位，具体包括：
采用N个正交波形的叠加信号
Figure BDA0001631136070000034
作为参考信号，对所述基带信号Rx,y,z(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波后的信号，将所述匹配滤波后的信号的峰值点相位作为聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位。
(4)步骤4中，根据所述基带信号Rx,y,z(t)和所述N个正交波形，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位，还具体包括：
(4a)采用N个正交波形中的第n个正交波形wn作为参考信号，对所述基带信号Rx,y,z(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波后的信号Fn，所述匹配滤波后的信号Fn为wn的自相关函数Pn以及wn与其他(N﹣1)个正交波形的互相关函数Γi,n之和，i＝1,…,N，且i≠n；
(4b)设置加权因子为
Figure BDA0001631136070000041
从而得到第n个正交波形wn在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场为knFn，其中Gn为第n个天线指向(x,y,z)点方向的天线增益，Gi为第i个天线指向(x,y,z)点方向的天线增益；
(4c)令n的值依次取1至N，并分别重复上述步骤(4a)和(4b)，从而分别得到N个正交波形在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场，将N个正交波形在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场相叠加，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位为
Figure BDA0001631136070000042
arg()表示求幅角。
(5)对于空间涡旋场内任意一点(x,y,z)处的信号进行接收并解调后，可得到基带信号Rx,y,z(t)表示为：
Figure BDA0001631136070000043
其中，rn为第n个天线到(x,y,z)点的距离，λ为载波频率fc所对应的电磁波波长。
本发明的有益效果是：通过天线不同单元发射相互正交波形的方式，避免了各天线单元所激发场之间的相干性，消除了由于该相干性所带来的阵列波束的空间幅相调制。最终，一个脉冲周期内，空间能量分布与单元天线相同，且可通过匹配滤波来恢复涡旋电场空间相位特征。该方案成功填补了涡旋波束中心的能量零点，在任一时刻，形成波束的空间能量分布具有随机性，在一个波形周期内的能量积分在发射波束内均匀分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的圆锥筒状涡旋波束(左)与无发散涡旋波束(右)的电场能量分布对比示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的作为正交波形的随机相位序列示意图(一组正交波形中的三个波形)；
图4为本发明技术方案所生成的l＝1模态涡旋波空间能量瞬时分布(左)及累积分布(右)示意图；
图5为本发明技术方案所生成聚束型涡旋波束(左)与常规涡旋波束能量分布(右)对比示意图；
图6为本发明技术方案所生成的l＝1模态涡旋电场空间相位分布(左)与常规方案所的结果(右)的对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法，如图2所示，本发明具体包括以下步骤：
第一步，将N个相同的天线按2π/N的间隔排布在圆周上构成环形发射阵，由方位角
Figure BDA0001631136070000066
位置的天线单元起，依次编号为n＝1,…,N；
第二步，使用正交波形发生器生成一组共N个正交波形{wn，n＝1,…,N}；
第三步，各天线单元发射相应序号的正交波形wn，并附加等梯度相移，在2π方位角域内形成整周期相位变化；
第四步，使用N个正交波形作为参考信号，对空间一点(x,y,z)的基带信号Rx,y,z(t)进行匹配滤波处理，并通过加权方法去除互相关干扰后，可得该点处对应的电磁涡旋场相位。
本系统包括N通道正交波形发生器、N单元环形排列的发射天线阵。
第一步中，所述环形发射阵的天线数N满足：N＞2|l|；其中，l表示所生成涡旋电磁波的模态数。
第二步中，使用正交波形发生器生成的一组N个码长为Lc的正交波形{wn，n＝1,…,N}，满足如下条件：
Figure BDA0001631136070000061
第三步，第n个天线发射波形为
Figure BDA0001631136070000062
其中附加相移因子为
Figure BDA0001631136070000063
Figure BDA0001631136070000064
其中l表示所生成涡旋波的模态数。
第四步，根据空间一点(x,y,z)的基带信号Rx,y,z(t)中提取空间涡旋场相位。处理方式有以下两种：
①使用N组正交波形的叠加信号
Figure BDA0001631136070000065
作为参考信号，对空间任意一点的基带信号进行匹配滤波处理，所得压缩脉冲峰值点相位即为涡旋场相位。方法①不可避免的是不同波形间的互相关干扰引入的涡旋场相位误差。方法②则考虑了互相关干扰的影响。
②在所生成涡旋场内，使用N个正交波形wn分别作为参考，依次对空间一点(x,y,z)的基带信号
Figure BDA0001631136070000071
(Gn为第n个单元指向(x,y,z)点方向的天线增益)进行匹配滤波的结果包含wn的自相关函数Pn以及与其他波形的互相关函数Γi,n，i＝1,…,N，且i≠n。
根据预先计算的Pn和Γi,n，通过加权去除信号间的互相关干扰，提取出第n个天线在该点处辐射场的相位，具体为：
设置加权因子为
Figure BDA0001631136070000072
从而得到第n个正交波形wn在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场为knFn，其中Gn为第n个天线指向(x,y,z)点方向的天线增益，Gi为第i个天线指向(x,y,z)点方向的天线增益；
针对所有N个波形，重复以上操作，最后将获得的N个结果进行场叠加，得到相应点的涡旋场相位，进而获得整个空间场相位分布。
通过以下仿真实验进一步说明：
1、仿真参数：使用MATLAB软件编写程序，以天线单元数N＝16，周期码长Lc＝10000为例，图3给出了所生成的一组16个正交波形其中三个波形的相位。
图4给出了按照本发明所论述的方案所生成的l＝1模态涡旋波其能量的瞬时空间分布及周期内累积能量空间分布的数值计算结果。左图为某一时刻形成波束的空间能量分布，具有随机性。右图为一个波形周期Lc内的能量积分空间分布，与天线单元方向图一致。
图5给出了按照本发明所论述的方案所生成波束能量空间分布与常规方法下生成波束的结果对比。本发明所提方案生成的涡旋波束具有更好的方向性，解决了波束中心能量缺失的问题。
图6给出了本发明所生成的l＝1模态涡旋电场空间相位分布与常规方案所的结果的对比图，二者一致性很高。根据仿真结果，本发明提出的涡旋波束生成方案不仅抑制了波束中心能量相消，并且仍能够保持涡旋场空间场相位分布。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，设定环形发射阵的天线数N；将N个天线按照2π/N等间隔排布在所述环形发射阵的圆周上，且以方位角为零的天线为起点对所述N个天线依次编号为1至N；
所述环形发射阵的天线数N满足：N>2|l|；其中，l表示所生成涡旋电磁波的模态数；
步骤2，采用正交波形发生器生成N个正交波形，每个正交波形的码长为Lc，记第n个正交波形为wn，n＝1,…,N；
步骤3，对所述第n个正交波形添加等梯度相移，并进行频率为fc的载波调制，将调制后的信号作为第n个天线的发射信号；
第n个天线的发射信号为
Figure FDA0002575319600000011
其中，
Figure FDA0002575319600000012
为对所述第n个正交波形添加的等梯度相移，
Figure FDA0002575319600000013
其中l表示所生成涡旋电磁波的模态数；
步骤4，对于空间涡旋场内任意一点(x,y,z)处的信号进行接收并解调后，可得到基带信号Rx,y,z(t)，根据所述基带信号Rx,y,z(t)和所述N个正交波形，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位；
其中，根据所述基带信号Rx,y,z(t)和所述N个正交波形，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位，具体包括以下两种方法：
第一种方法：
采用N个正交波形的叠加信号
Figure FDA0002575319600000014
作为参考信号，对所述基带信号Rx,y,z(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波后的信号，将所述匹配滤波后的信号的峰值点相位作为聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位；
第二种方法：
(4a)采用N个正交波形中的第n个正交波形wn作为参考信号，对所述基带信号Rx,y,z(t)进行匹配滤波，得到匹配滤波后的信号Fn，所述匹配滤波后的信号Fn为wn的自相关函数Pn以及wn与其他(N﹣1)个正交波形的互相关函数Γi,n之和，i＝1,…,N，且i≠n；
(4b)设置加权因子为
Figure FDA0002575319600000021
从而得到第n个正交波形wn在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场为knFn，其中Gn为第n个天线指向(x,y,z)点方向的天线增益，Gi为第i个天线指向(x,y,z)点方向的天线增益；
(4c)令n的值依次取1至N，并分别重复上述步骤(4a)和(4b)，从而分别得到N个正交波形在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场，将N个正交波形在所述空间涡旋场内点(x,y,z)处的辐射场相叠加，得到聚束型涡旋电磁波的空间涡旋场相位为
Figure FDA0002575319600000022
arg()表示求幅角。
2.根据权利要求1所述的一种基于波形分集的聚束型涡旋电磁波生成方法，其特征在于，对于空间涡旋场内任意一点(x,y,z)处的信号进行接收并解调后，可得到基带信号Rx,y,z(t)表示为：
Figure FDA0002575319600000023
其中，rn为第n个天线到(x,y,z)点的距离，λ为载波频率fc所对应的电磁波波长。
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