CN110967692B - 一种成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像方法，包含：步骤S1、获取雷达探测目标的涡旋电磁波回波信号；步骤S2、对所述涡旋电磁波回波信号进行预处理；步骤S3、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的位置信息；步骤S4、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的若干个散射点的方位角信息；步骤S5、根据所述位置信息和所述若干个散射点的方位角信息，获得与每一所述散射点相对应的散射点俯仰角信息；步骤S6、将所有所述散射点俯仰角信息映射至三维坐标中，以重构出所述雷达探测目标的立体图像。本发明提出了一种适应不同距离探测的涡旋电磁波三维成像方法。

Description

一种成像方法

技术领域

本发明涉及成像技术领域，尤其是涉及一种雷达成像方法。

背景技术

雷达成像技术具备全天时、全天候的优势，不受自然条件的影响，高分辨率成像雷达在战场侦察、防空反导、精确打击等军事领域中的作用逐步突出，其已成为诸多国家未来发展竞相争夺的制高点。

雷达高分辨成像理论与技术历经数十年的发展已取得长足进步，部分成果也在雷达成像系统中得到了应用，统筹来看大多数方法通常都是依据距离-多普勒原理展开，其高分辨率通过发射宽带信号、雷达与目标的相对运动形成大的虚拟合成孔径来获取。其中方位向分辨率的获得取决于雷达与目标的横向相对运动，然而在雷达与目标间的横向相对运动较小的一些应用场景中，传统的SAR/ISAR成像所需的大虚拟孔径无法保证，雷达探测能力受到了限制，因此，探索新的信息获取方式是提升雷达成像分辨率的一条重要途径。

雷达领域的信息调制主要利用远场平面波近似，当电磁波的相位波前具有非平面结构时，可通过在其上调制所需信息来提高信息传递、获取能力。相比于传统电磁波，涡旋电磁波则有着更高维度的信息调制自由度，因其轨道角动量拥有不同于线性动量已有自由度的新自由度，有望在不增加采样点的情况下提升雷达分辨率，并具备抗干扰能力，对于雷达特性测量及目标识别能力的提高具有诱人的应用前景。

从电磁涡旋近况可以看出，它是量子信息技术不可分割的组成部分。轨道角动量具有不同的模式，利用不同的OAM状态可作为不同信息的载体。由于其波前是连续变化的，相当于能在短时间内实现二维角度空间连续采样，比现行的MIMO雷达在空间分集方面具有明显的优势，可望实现更为理想的目标多维成像能力。

目前已有的涡旋电磁波研究主要涉及涡旋电磁波的产生、轨道角动量天线设计、涡旋电磁波模式复用等方面。雷达和通信主要集中的微波波段电磁波也具有涡旋的性质，且目前将涡旋电磁波应用主要集中在通信领域，其在雷达领域的研究尚不多见，且存在诸多弊端。由此，需要提出一种应用在雷达领域的较为完善的基于涡旋电磁波的新型成像方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成像方法，用以解决现有技术在雷达成像应用领域中没有适应不同探测距离的涡旋电磁波三维成像方法的问题。

为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种成像方法，包含：步骤S1、获取雷达探测目标的涡旋电磁波回波信号；步骤S2、对所述涡旋电磁波回波信号进行预处理；步骤S3、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的位置信息；步骤S4、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的若干个散射点的方位角信息；步骤S5、根据所述位置信息和所述若干个散射点的方位角信息，获得与每一所述散射点相对应的散射点俯仰角信息；步骤S6、将所有所述散射点俯仰角信息映射至三维坐标中，以重构出所述雷达探测目标的立体图像。

进一步的，所述步骤S2包括：根据不同的涡旋电磁波回波信号特性，对所述涡旋电磁波回波信号进行模拟正交解调后直接进行模数变换，得到回波频谱，并将所述回波频谱搬移至预设的处理频带内；

或者，采用中频采样后数字下变频的方式以对所述涡旋电磁波回波信号进行模数转换，得到回波频谱，并将所述回波频谱搬移至预设的处理频带内。

进一步的，所述步骤S2还包括：

将用于接收所述涡旋电磁波回波信号的接收系统设置为基模模式，以线性调频前端去斜方式对经所述模数转换的涡旋电磁波回波信号进行快时间高阶相位项补偿和包络对齐处理。

进一步的，所述步骤S3包括：所述雷达探测目标包括P个散射点，每个散射点后向散射强度表示为σ_p，忽略初相，则所述涡旋电磁波回波信号s_rm(t)为：

式中，f_p表示散射点的频率，t表示时间脉宽，L_m(.)表示Lagurre多项式，ρ表示散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB表示发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，m表示模式的阶数，

表示散射点的相位；

对所述涡旋电磁波回波信号s_rm(t)进行快时间维FFT变换，获得不同散射点回波距离对应的频率值；

根据频率与距离关系计算出所述雷达探测目标的位置信息。

进一步的，所述步骤S4包括：采用慢时间维FFT变换可获得每个所述散射点的空间相位分布信息，所述雷达探测目标的第p散射点方位信息A_pm采用如下公式表示：

式中，σ_p表示第P散射点后向散射强度；L_m(.)表示Lagurre多项式，ρ表示散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB表示发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，m表示涡旋电磁波的基模模式的阶数，

表示散射点的相位，α表示涡旋电磁波的轨道角动量的本征值，用于描述涡旋电磁波的轨道角动量的状态；根据三角函数特性，当m≠α时，A_pm为零，则可确定该第p散射点的方位角信息。

进一步的，所述步骤S5包括：根据基模模式分布的特征构建同一散射点下的散射点俯仰角和模式幅度的转换矩阵D，可利用Laguerre多项式直接求得；模式数为M，俯仰向可分辨数为N，则所述转换矩阵D为M×N的矩阵，表示为：

根据所述雷达探测目标的第p个散射点方位信息A_pm，结合所述转换矩阵D获得对应的散射点俯仰角信息。其中，所述转换矩阵D中的矩阵[A₀…A_m…A_M]表示不同模式散射点对应的回波强度，矩阵[θ₀…θ_n…θ_N]表示散射点对应模式的俯仰角度，D_mn表示某种俯仰角为θ_n对应幅度为A_m时的系数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提供了一种成像方法，包含：获取雷达探测目标的涡旋电磁波回波信号；对所述涡旋电磁波回波信号进行预处理；根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的位置信息；根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的若干个散射点的方位角信息；根据所述位置信息和所述若干个散射点的方位角信息，获得与每一所述散射点相对应的散射点俯仰角信息；将所有所述散射点俯仰角信息映射至三维坐标中，以重构出所述雷达探测目标的立体图像。由此可知，从已有的发明来开，传统的雷达信息调制主要在时域、频域或极化域上进行，雷达图像距离向分辨率取决于发射信号带宽，方位向分辨率依赖于雷达观测角度范围，而本发明基于涡旋电磁波相位螺旋分布的辐射特性探索雷达信息获取新方式，不但可以突破传统的雷达成像方式主要依托于距离-多普勒而存在的探测场景应用约束，还可以实现成像方位高分辨，本发明可为新体制的雷达设计、目标识别技术的发展提供参考和借鉴。

对于现有已公开的涡旋电磁波相关的成像方法，由于目标俯仰角靠近高阶模态涡旋电磁波主瓣区域，从涡旋电磁波辐射强度方向图可知，在此俯仰角附近较大的范围内，高阶模态回波包络均为正值，应用贝塞尔函数进行相位补偿误差的可能性较小，只能实现近距离、小范围探测。在高模态情况下，无法实现对于多个散射点的高分辨，本发明提出了克服此弊端的处理方式，避免了贝塞尔函数调制导致的螺旋波强度中空的弊端，可以达到扩大探测范围、提高方位向分辨力的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种成像方法的流程图；

图2为基于不同模式的归一化强度与偏离波束中心角度关系曲线；

图3为基于不同模式的空间二维相位调制分布图。

具体实施方式

承如背景技术所述，目前已有的涡旋电磁波研究主要涉及涡旋电磁波的产生、轨道角动量天线设计、涡旋电磁波模式复用等方面。雷达和通信主要集中的微波波段电磁波也具有涡旋的性质，且目前将涡旋电磁波应用主要集中在通信领域，其在雷达领域的研究尚不多见。例如公开号为CN106199600B，名称为：基于多普勒估计的方位多通道合成孔径雷达成像方法的中国专利提出了一种基于多普勒估计的方位多通道合成孔径雷达成像方法，其属于传统的依据距离-多普勒原理展开的雷达成像方法，雷达探测能力受到了限制。名称为《涡旋电磁波在雷达成像中的应用研究》毕业论文文献中对涡旋电磁波在雷达成像中的应用进行了初步探索，根据涡旋电磁波产生原理，提出了一种用螺旋形阵列产生涡旋电磁波的新方法，通过改变频率控制产生的涡旋电磁波模态。但由于辐射能量弱和模态混叠的原因，大俯仰角并不适合实际应用，无法实现高分辨成像。由此可知，在雷达成像应用领域，至今还没有较为完善的应用涡旋电磁波的三维成像方法，需要提出适应不同距离探测的涡旋电磁波三维成像方法。

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例一种成像方法包括以下过程：

步骤S1、获取雷达探测目标的涡旋电磁波回波信号；

步骤S2、对所述涡旋电磁波回波信号进行预处理；

步骤S3、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的位置信息；

步骤S4、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的若干个散射点的方位角信息；

步骤S5、根据所述位置信息和所述若干个散射点的方位角信息，获得与每一所述散射点相对应的散射点俯仰角信息；

步骤S6、将所有所述散射点俯仰角信息映射至三维坐标中，以重构出所述雷达探测目标的立体图像。

具体的，在本实施例中，以理想的散射点为例对所述成像方法进行进一步说明:基于幅度模态变换和空间相位调制的工作方式能够获得雷达探测目标的真实三维图像，通过信号处理可获得雷达探测目标所包括的不同散射点的距离、俯仰角度信息和方位角度信息。距离维采用传统的宽带线性调频或者步进频等工作体制能够对距离方向或者雷达视轴方向实现距离高分辨，理论分辨率为c/2B(c为光速，B为信号带宽)；方位维采用多模态空间相位调制方式能够对目标方位向散射点进行分辨，理论分辨率为2π/Δp(Δp为空间相位调制最高模态特征值和最低模态特征值之差)；俯仰维采用同一散射点不同模态回波幅度信息进行解算，理论分辨率为θ_3dB/Δp(θ_3dB为辐射口径所对应的3dB波束宽度)。

雷达系统发射信号形式采用如下公式进行表示：

式中，s_tp(t)为雷达系统发射信号形式，t表示时间脉宽，u(t)为信号复包络(可为线性调频或者步进频信号包络)，f_c为信号载波频率，A(r)为辐射场在远场r处任一点

的信号，m表示涡旋电磁波的基模模式的阶数，其通常取整数，θ为俯仰角，

为方位角，i表示虚数单位，j表示虚数单位。

式中，L_m(·)为Lagurre多项式，ρ为散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB为发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，k为波数，

为初相。

进一步的，所述步骤S2包括：根据不同的涡旋电磁波回波信号特性，对所述涡旋电磁波回波信号进行模拟正交解调后直接进行模数变换，得到回波频谱，并将所述回波频谱搬移至预设的处理频带内；

或者，采用中频采样后数字下变频的方式以对所述涡旋电磁波回波信号进行模数转换，得到回波频谱，并将所述回波频谱搬移至预设的处理频带内。

进一步的，所述步骤S2还包括：将用于接收所述涡旋电磁波回波信号的接收系统设置为基模模式，由于雷达系统发射波束照射强度分布近似为高斯性，散射点空间相位(空间二维相位)无调制。以线性调频前端去斜方式对经所述模数转换的涡旋电磁波回波信号进行快时间高阶相位项补偿和包络对齐等的预处理。

进一步的，上述涡旋电磁波回波信号经过上述步骤S2的预处理之后，其消除了所述雷达探测目标相对雷达运动带来的空间相位变化的影响。所述步骤S3包括：所述雷达探测目标包括P个散射点，每个散射点后向散射强度表示为σ_p，忽略初相

则所述涡旋电磁波回波信号s_rm(t)采用如下公式进行表示：

式中，f_p表示第p散射点的频率，t表示时间脉宽，L_m(.)表示Lagurre多项式，ρ表示散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB表示发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，m表示涡旋电磁波的基模模式的阶数，

表示第p散射点的相位。Lagurre多项式表征涡旋电磁波幅度分布。此时如图2所示，其给出了m为0～3阶模时，涡旋电磁波幅度分布情况，表明了该种类型涡旋电磁波幅度无中空现象，由此，能够适应不同距离的目标探测；

表征涡旋电磁波空间相位分布，如图3所示，其给出了m为0～3阶模时的涡旋电磁波的空间二维相位调制分布并表明该种类型涡旋电磁波具备方位向角度分析能力。对式(3)进行快时间维FFT变换，即快速傅里叶变换，获得不同散射点回波距离对应的频率值；根据频率与距离关系计算出所述雷达探测目标的位置信息。

进一步的，所述步骤S4包括：由于空间相位分布具有以2π为周期的周期性，则对于涡旋电磁波回波信号即式(3)用求和形式。由于式(3)中前三项与第四项相互独立，之间不存在干扰或者耦合，则本实施例采用慢时间维FFT变换可获得每个所述散射点的空间相位分布信息，所述雷达探测目标的第p散射点方位信息A_pm采用如下公式表示：

式中，σ_p表示第p散射点后向散射强度，

表示散射点的相位，L_m(.)表示Lagurre多项式，ρ表示散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB表示发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，m表示涡旋电磁波基模模式的阶数(模式的阶数)；α表示涡旋电磁波的轨道角动量的本征值，用于描述涡旋电磁波的轨道角动量的状态。根据三角函数特性，当m≠α时，A_pm为零，则可确定该第p散射点的方位角信息。

进一步的，所述步骤S5包括：确定雷达探测目标的距离(即位置信息)和方位角信息后，取出涡旋电磁波回波信号的强度信息。

根据涡旋电磁波的基模模式分布的特征构建同一散射点下的散射点俯仰角和模式幅度的转换矩阵D，可利用Laguerre多项式直接求得；模式数为M，俯仰向可分辨数为N，则所述转换矩阵D为M×N的矩阵，表示为：

转换矩阵D中的矩阵[A₀…A_m…A_M]表示不同模式散射点对应的回波强度，矩阵[θ₀…θ_n…θ_N]表示散射点对应模式的俯仰角度，D_mn表示某种俯仰角为θ_n对应幅度为A_m时的系数，根据所述雷达探测目标的第p散射点方位信息A_pm，结合所述转换矩阵D获得对应的散射点俯仰角信息。

由此可知，本实施例提出了克服此弊端的处理方式，避免了贝塞尔函数调制导致的涡旋电磁波强度中空的弊端，可以达到扩大探测范围、提高方位向分辨力的目的。

然后，将获取的不同散射点的

信息映射至三维坐标中，即可重构出目标的立体图像。由此可知本实施例解决了现有技术在雷达成像应用领域中没有适应不同探测距离的涡旋电磁波三维成像方法的问题。

综上所述，本发明提供了一种成像方法，包含：获取雷达探测目标的涡旋电磁波回波信号；对所述涡旋电磁波回波信号进行预处理；根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的位置信息；根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的若干个散射点的方位角信息；根据所述位置信息和所述若干个散射点的方位角信息，获得与每一所述散射点相对应的散射点俯仰角信息；将所有所述散射点俯仰角信息映射至三维坐标中，以重构出所述雷达探测目标的立体图像。由此可知，从已有的发明来开，传统的雷达信息调制主要在时域、频域或极化域上进行，雷达图像距离向分辨率取决于发射信号带宽，方位向分辨率依赖于雷达观测角度范围，而本发明基于涡旋电磁波相位螺旋分布的辐射特性探索雷达信息获取新方式，不但可以突破传统的雷达成像方式主要依托于距离-多普勒而存在的探测场景应用约束，还可以实现成像方位高分辨，本发明可为新体制的雷达设计、目标识别技术的发展提供参考和借鉴。

对于现有已公开的涡旋电磁波相关的成像方法，由于目标俯仰角靠近高阶模态涡旋电磁波主瓣区域，从涡旋电磁波辐射强度方向图可知，在此俯仰角附近较大的范围内，高阶模态回波包络均为正值，应用贝塞尔函数进行相位补偿误差的可能性较小，只能实现近距离、小范围探测。在高模态情况下，无法实现对于多个散射点的高分辨，本发明提出了克服此弊端的处理方式，避免了贝塞尔函数调制导致的涡旋电磁波强度中空的弊端，可以达到扩大探测范围、提高方位向分辨力的目的。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种成像方法，其特征在于，包含：

步骤S1、获取雷达探测目标的涡旋电磁波回波信号；

步骤S2、对所述涡旋电磁波回波信号进行预处理；

所述步骤S2还包括：将用于接收所述涡旋电磁波回波信号的接收系统设置为基模模式，以前端去斜方式，并对经模数转换的涡旋电磁波回波信号进行快时间高阶相位项补偿和包络对齐处理；

步骤S3、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的位置信息；

步骤S4、根据经所述预处理的涡旋电磁波回波信号，获取所述雷达探测目标的若干个散射点的方位角信息；

步骤S5、根据所述位置信息和所述若干个散射点的方位角信息，获得与每一所述散射点相对应的散射点俯仰角信息；

所述步骤S5包括：根据基模模式分布的特征构建同一散射点下的散射点俯仰角和模式幅度的转换矩阵D，可利用Laguerre多项式直接求得；模式数为M，俯仰向可分辨数为N，则所述转换矩阵D为M×N的矩阵，表示为：

根据所述雷达探测目标的第p散射点方位信息A_pm，结合所述转换矩阵D获得对应的散射点俯仰角信息；其中，所述转换矩阵D中的矩阵[A₀···A_m···A_M]表示不同模式散射点对应的回波强度，矩阵[θ₀···θ_n···θ_N]表示散射点对应模式的俯仰角度，D_mn表示某种俯仰角为θ_n对应幅度为A_m时的系数；

步骤S6、将所有所述散射点俯仰角信息映射至三维坐标中，以重构出所述雷达探测目标的立体图像。

2.如权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S2包括：根据不同的涡旋电磁波回波信号特性，对所述涡旋电磁波回波信号进行模拟正交解调后直接进行模数变换，得到回波频谱，并将所述回波频谱搬移至预设的处理频带内；

或者，采用中频采样后数字下变频的方式以对所述涡旋电磁波回波信号进行模数转换，得到回波频谱，并将所述回波频谱搬移至预设的处理频带内。

3.如权利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S3包括：所述雷达探测目标包括P个散射点，每个散射点后向散射强度表示为σ_p，忽略初相，则所述涡旋电磁波回波信号s_rm(t)为：

式中，f_p表示散射点的频率，t表示时间脉宽，L_m(.)表示Lagurre多项式，ρ表示散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB表示发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，m表示涡旋电磁波的基模模式的阶数，

表示散射点的相位；

对所述涡旋电磁波回波信号s_rm(t)进行快时间维FFT变换，获得不同散射点回波距离对应的频率值；

根据频率与距离关系计算出所述雷达探测目标的位置信息。

4.如权利要求3所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

采用慢时间维FFT变换可获得每个所述散射点的空间相位分布信息，所述雷达探测目标的第p个散射点方位信息A_pm采用如下公式表示：

L_m(.)表示Lagurre多项式，ρ表示散射点到雷达视轴的距离，ω_3dB表示发射波束r处照射的3dB波束宽度所对应的束腰波束大小，m表示涡旋电磁波的基模模式的阶数，

表示散射点的相位，α表示涡旋电磁波的轨道角动量的本征值，用于描述涡旋电磁波的轨道角动量的状态；根据三角函数特性，当m≠α时，A_pm为零，则可确定该第p散射点的方位角信息。

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