CN111796279A - 无源电磁涡旋sar方位向超分辨率成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例中提供了一种无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法及装置，其中的方法包括：建立无源电磁涡旋几何模型，作为发射天线的单天线发射平面波进行目标探测，并由均匀圆阵天线作为接收天线接收并叠加涡旋回波，获得涡旋回波信号方程；基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理。本发明利用无源雷达的实现方式将涡旋电磁信号发生技术与SAR系统结合，有效地解决了将传统复杂涡旋天线搭载在SAR系统中硬件结构复杂、难以实现的问题。

Description

无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法及装置

技术领域

本发明涉及微波雷达探测技术领域，尤其涉及电磁涡旋与SAR成像系统结合的相关技术中，无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法及装置。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有全天时、全天候、高分辨率、广覆盖面的信息获取优势，成像不受光线、气候和云雾限制，搭载在卫星或飞机等平台与目标相对运动，发射调频信号，并接收目标散射回波，通过脉冲压缩技术、合成孔径原理获得距离向和方位向高分辨率二维遥感图像。然而，当今社会电磁环境日益复杂，各种高新技术不断涌现，以及反辐射导弹、隐身探测、超低空突防等电子对抗技术的发展给SAR成像技术带来了新的威胁和挑战，对成像质量提出了更高的要求。传统的SAR系统在距离向分辨率依靠于大的信号带宽，通过脉冲压缩来实现高分辨率，在方位向依赖雷达与目标的相对运动，通过合成大的虚拟孔径来获得高分辨率，但由于其模式单一、受天线孔径等指标的限制，其方位向分辨率瓶颈难以突破。

携带轨道角动量(orbital angulat momentum，OAM)的电磁涡旋因其具有螺旋状的相位波前，可为信息调制带来更加丰富的自由度并极大地增加了其信息获取的能力。轨道角动量作为电磁场最基本的物理量之一，理论上可以产生无穷多种相互正交的调制模式。雷达发射携带轨道角动量的涡旋电磁信号，在涡旋电磁波辐射场照射下，不同目标处的激励具有差异性，回波信号可以携带目标更多的信息。

因此，如果能将电磁涡旋应用在合成孔径雷达成像系统中，则有望突破传统SAR方位向成像分辨率瓶颈，为SAR高分辨率成像提供一种新的研究方案。但是一般用来做雷达成像的涡旋电磁波发生装置结构都比较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法及装置，以解决将传统复杂涡旋天线搭载在SAR系统中硬件结构复杂、难以实现的问题，实现方位向超分辨率成像。

第一方面，本发明一种无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法包括：建立无源电磁涡旋几何模型，作为发射天线的单天线发射平面波进行目标探测，并由均匀圆阵天线作为接收天线接收并叠加涡旋回波，获得涡旋回波信号方程；基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理。

第二方面，本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像装置，包括：涡旋回波信号方程获取模块，用于建立无源电磁涡旋几何模型，作为发射天线的单天线发射平面波进行目标探测，并由均匀圆阵天线作为接收天线接收并叠加涡旋回波，获得涡旋回波信号方程；成像处理模块，用于基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理。

本发明采用无源“单发多收”模式电磁涡旋SAR信号发生装置，即单天线发射普通平面电磁波探测目标，而均匀圆阵天线接收并合成涡旋回波。建立无源电磁涡旋SAR成像模型，通过分析涡旋回波的特点，回波进行成像处理，解决轨道角动量附加项对回波的影响，突破天线孔径限制，实现方位向超分辨率成像。本发明利用无源雷达的实现方式将涡旋电磁信号发生技术与SAR系统结合，有效地解决了将传统复杂涡旋天线搭载在SAR系统中硬件结构复杂、难以实现的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。

图1为本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法实施例的步骤流程图；

图2为本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法所建立的无源电磁涡旋几何模型示意图；

图3为本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法中，进行成像处理的步骤流程图；

图4a为采用本发明的方法对接收回波处理后的图像；

图4b为验证算法的抗干扰能力，高斯白噪声加入到回波信号后，采用本发明的算法的处理后的图像；

图5a为采用传统的ωK算法对第二个点目标的二维聚焦等值面图；

图5b为采用本发明成像方法对第二个点目标的二维聚焦等值面图；

图6为不同OAM模式数回波的方位向剖面图及其对称的旁瓣的仿真图；

图7为本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像装置一个实施例的结构框图；

图8为本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像装置一个实施例中，成像处理模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

参照图1，图1示出了本发明无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法实施例的步骤流程图，包括：

S110，建立成像模型，并解调出涡旋回波方程。

参照附图2所示无源电磁涡旋几何模型，雷达工作于侧视的条带模式下，建立平面直角坐标系O-xyz，xOy平面为发射天线和接收天线所在平面，其中，发射天线为单阵元天线发射平面波来探测目标，接收天线为多阵元UCA接收并合成涡旋回波，发射天线位于UCA接收天线的中心，为简单起见，设坐标原点为雷达移动的轨迹中心，即发射天线的起始位置；雷达平台距地面高度为H，以速度v₀沿x轴正向匀速飞行，z轴垂直于xOy平面向下，表示高度方向。发射天线发射的平面波线性调频信号(LFM)可以表示为：

式中，rect(·)表示矩形信号；T_r为线性调频信号持续时间；K_r为调频率；f_c为天线中心频率；

假设存在理想散射点目标位于P(x，y，z)，第n个天线阵元接收到的平面波回波信号可表示为

式中，t为距离向时间变量，τ为方位向时间变量，c为光速；

t′(τ)＝r(τ)/c (3)

式中，a为UCA天线的半径；φ_n＝2πn/N，n＝1，2，…，N；r(τ)为雷达与目标的瞬时距离；θ(τ)为瞬时俯仰角；φ(τ)为瞬时方位角，根据平面直角坐标系与球坐标系的对应关系，点目标可以写为P(r(τ)，θ(τ)，φ(τ))，其中

式中，r₀为雷达与目标的最近距离；Y_c为天线波束中心到雷达在地面投影的垂直距离；将每个阵元接收到的平面波回波信号乘以相位项

中l为OAM的模式数，然后叠加，考虑到雷达远场条件下，假设N足够大，则合成的回波信号方程可以表示为：

其中，w_r(·)为距离向包络，w_a(·)为方位向包络，J_l(·)为第一类l阶贝塞尔函数；τ_c＝x/v_s；j^l＝e^ilπ/2；k(τ)为波数，并且，

k(τ)＝2π{K_r[t-r(τ)/c]+f_c}/c。

S120，设计适用于该模型的电磁涡旋SAR成像算法，进行成像处理。

从式(8)可以看出，电磁涡旋SAR回波信号模型在传统SAR信号回波模型的基础上引入了附加相位项

和贝塞尔函数项J_l[k(τ)sinθ(τ)]，因此成像算法中应增加轨道角动量附加项的处理，算法流程图如图3所示，具体步骤如下：

步骤31，对所述回波信号方程进行二维傅里叶变换，变换到二维频域，应用驻定相位原理整理得到：

其中，f_r和f_a分别为距离向和方位向频率，f_ac为多普勒中心频率；

步骤32，式(9)乘以参考函数：θ_ref(f_r，f_a，R_ref)，完成一致聚焦，θ_ref(f_r，f_a，R_ref)的表达式为：

其中，R_ref为参考斜距；

步骤33，Stolt插值，在距离频域用插值操作完成补余聚焦，设

将原来的距离频率f_r映射到新的距离频率f′_r；

步骤34，通过二维逆傅里叶变换变回到时域，此时回波信号的表达式为

其中，Δf_r为传输信号带宽，Δf_a为多普勒带宽；

步骤35，是对贝塞尔函数项产生的信号辐射增益包络进行校正，通过如下方法实现：

s_rmc(τ，t，l)＝s_re(τ，t，l)/J_l ^*[k_ca sinθ(τ)] (13)

其中，k_c＝2πf_c/c，为了简化计算，当k_ca sinθ(τ)＞＞1时，贝塞尔函数项做如下近似：

步骤36，轨道角动量相位项补偿，构造相位函数作为滤波器，相位函数表达式为：

s_rc(f_a，t，l)＝FFT_a{s_rmc(τ，t，l)}·H(f_a，t，l) (16)

其中，FFT_a(·)表示方位向快速傅里叶变换，

为方位角频域表达式；

步骤37，去耦合处理，由于回波信号中OAM域与方位时域重叠，破坏了原有的方位耦合关系，会造成方位压缩不充分，产生方位散焦现象，相关处理步骤如下：

其中，IFFT_a(·)表示方位向逆快速傅里叶变换。

使用MALAB对该成像方法进行了仿真，4个理想散射点目标P(x，r)分别置于P1(-10m，3180m)，P2(10m，3180m)，P3(-10m，3690m)，P4(10m，3690m)，机载雷达工作在X波段，OAM最大模式数为30，其它仿真参数如下表。

利用上述方法对接收回波算法处理后的成像，结果如图4a所示，其横坐标是距离向，纵坐标是方位向。为验证算法的抗干扰能力，高斯白噪声加入到回波信号中，信噪比设置为-5dB，从成像图4b可以看出，4个点目标均出现在期望的位置，并且对噪声具有鲁棒性，补充说明，图4b中，其横坐标是距离向，纵坐标是方位向。

为进一步探究算法的成像性能，对点目标响应进行了分析，图5a和5b分别给出了相同参数下传统ωK算法和本发明提出的EMV-ωK算法的第二个点目标的二维聚焦等值面图，可以看出本发明算法所成图像方位向聚焦效果更好。图6给出了不同OAM模式数回波的方位向剖面图及其对称的旁瓣，其中，横坐标是方位向，纵坐标是幅度值。不同的曲线表示在不同的OAM模式数下的仿真结果。从图6中可以看出，相比传统算法，本实施例EMV-ωK算法的剖面主瓣更窄，说明了方位向分辨率得到了明显的提升。

第二方面，本发明还公开了一种无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像装置，参照图7，包括：

涡旋回波信号方程获取模块72，用于建立无源电磁涡旋几何模型，作为发射天线的单天线发射平面波进行目标探测，并由均匀圆阵天线作为接收天线接收并叠加涡旋回波，获得涡旋回波信号方程；

成像处理模块74，用于基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理。

在一个实施例中，涡旋回波信号方程获取模块72中，所述涡旋回波信号方程通过如下方式获取：

建立平面直角坐标系O-xyz，xOy平面为所述发射天线和所述接收天线所在平面，所述发射天线位于所述均匀圆阵天线的中心，设坐标原点为雷达移动的轨迹中心，即发射天线的起始位置；雷达平台距地面高度为H，以速度v₀沿x轴正向匀速飞行，z轴垂直于xOy平面向下，表示高度方向；

发射天线发射的平面波线性调频信号(LFM)可以表示为

式中，rect(·)表示矩形信号；T_r为线性调频信号持续时间；K_r为调频率；f_c为天线中心频率；

假设存在理想散射点目标位于P(x，y，z)，第n个天线阵元接收到的平面波回波信号可表示为

式中，t为距离向时间变量，τ为方位向时间变量，c为光速；

t′(τ)＝r(τ)/c (3)

式中，a为UCA天线的半径；φ_n＝2πn/N，n＝1，2，…，N；r(τ)为雷达与目标的瞬时距离；θ(τ)为瞬时俯仰角；φ(τ)为瞬时方位角，根据平面直角坐标系与球坐标系的对应关系，点目标可以写为P(r(τ)，θ(τ)，φ(τ))，其中

式中，r₀为雷达与目标的最近距离；Y_c为天线波束中心到雷达在地面投影的垂直距离；将每个阵元接收到的平面波回波信号乘以相位项

中l为OAM的模式数，然后叠加，考虑到雷达远场条件下，假设N足够大，则合成的回波信号方程可以表示为：

其中，w_r(·)为距离向包络，w_a(·)为方位向包络，J_l(·)为第一类l阶贝塞尔函数；τ_c＝x/v_s；j^l＝e^ilπ/2；k(τ)为波数，并且，

k(τ)＝2π{K_r[t-r(τ)/c]+f_c}/c。

参照图8，在一个无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像装置实施例中，成像处理模块包括：

二维快速傅里叶变换单元81，用于对所述回波信号方程进行二维傅里叶变换，变换到二维频域，应用驻定相位原理整理得到：

其中，f_r和f_a分别为距离向和方位向频率，f_ac为多普勒中心频率；

一致压缩单元82，用于将式(9)乘以参考函数θ_ref(f_r，f_a，R_ref)，完成一致聚焦，θ_ref(f_r，f_a，R_ref)的表达式为：

其中，R_ref为参考斜距；

插值单元83，用于Stolt插值，在距离频域用插值操作完成补余聚焦，设

将原来的距离频率f_r映射到新的距离频率f′_r；

二维快速傅里叶逆变换单元84，用于通过二维逆傅里叶变换变回到时域，此时回波信号的表达式为

其中，Δf_r为传输信号带宽，Δf_a为多普勒带宽；

包络校正单元85，用于对贝塞尔函数项产生的信号辐射增益包络进行校正，通过如下方法实现：

s_rmc(τ，t，l)＝s_re(τ，t，l)/J_l ^*[k_ca sinθ(τ)] (13)

其中，k_c＝2πf_c/c，当k_ca sinθ(τ)＞＞1时，贝塞尔函数项做如下近似：

OAM相位项补偿单元86，用于轨道角动量相位项补偿，构造相位函数作为滤波器，相位函数表达式为：

s_rc(f_a，t，l)＝FFT_a{s_rmc(τ，t，l)}·H(f_a，t，l) (16)

其中，FFT_a(·)表示方位向快速傅里叶变换，

为方位角频域表达式；

去耦合及方位向快速逆傅里叶变换单元87，用于去耦合处理，步骤如下：

其中，IFFT_a(·)表示方位向逆快速傅里叶变换。

本发明采用无源“单发多收”模式电磁涡旋SAR信号发生装置，即单天线发射普通平面电磁波探测目标，而均匀圆阵天线接收并合成涡旋回波。建立无源电磁涡旋SAR成像模型，通过分析涡旋回波的特点，回波进行成像处理，解决轨道角动量附加项对回波的影响，突破天线孔径限制，实现方位向超分辨率成像。本发明利用无源雷达的实现方式将涡旋电磁信号发生技术与SAR系统结合，有效地解决了将传统复杂涡旋天线搭载在SAR系统中硬件结构复杂、难以实现的问题。

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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像方法，其特征在于，包括：

建立无源电磁涡旋几何模型，作为发射天线的单天线发射平面波进行目标探测，并由均匀圆阵天线作为接收天线接收并叠加涡旋回波，获得涡旋回波信号方程；

基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理。

2.根据权利要求1所述的超分辨率成像方法，其特征在于，所述涡旋回波信号方程通过如下步骤确定：

建立平面直角坐标系O-xyz，xOy平面为所述发射天线和所述接收天线所在平面，所述发射天线位于所述均匀圆阵天线的中心，设坐标原点为雷达移动的轨迹中心，即发射天线的起始位置；雷达平台距地面高度为H，以速度y₀沿x轴正向匀速飞行，z轴垂直于xOy平面向下，表示高度方向；

发射天线发射的平面波线性调频信号(LFM)可以表示为：

式中，rect表示矩形信号；T_r为线性调频信号持续时间；K_r为调频率；f_c为天线中心频率；

假设存在理想散射点目标位于P(x，y，z)，第n个天线阵元接收到的平面波回波信号可表示为

式中，t为距离向时间变量，τ为方位向时间变量，c为光速；

t′(τ)＝r(τ)/c (3)

式中，a为UCA天线的半径；φ_n＝2πn/N，n＝1，2，…，N：r(τ)为雷达与目标的瞬时距离；θ(τ)为瞬时俯仰角；

为瞬时方位角，根据平面直角坐标系与球坐标系的对应关系，点目标可以写为

其中

式中，r₀为雷达与目标的最近距离；Y_c为天线波束中心到雷达在地面投影的垂直距离；将每个阵元接收到的平面波回波信号乘以相位项

中l为OAM的模式数，然后叠加，考虑到雷达远场条件下，假设N足够大，则合成的回波信号方程可以表示为：

其中，w_r(·)为距离向包络，w_a(·)为方位向包络，J_l(·)为第一类l阶贝塞尔函数；τ_c＝x/v_s；j^l＝e^ilπ/2；k(τ)为波数，并且，

k(τ)＝2π{K_r[t-r(τ)/c]+fc}/c。

3.根据权利要求2所述的超分辨率成像方法，其特征在于，所述基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理包括如下步骤：

步骤21，对所述回波信号方程进行二维傅里叶变换，变换到二维频域，应用驻定相位原理整理得到：

其中，f_r和f_a分别为距离向和方位向频率，f_ac为多普勒中心频率；

步骤22，式(9)乘以参考函数：θ_ref(f_r，f_a，R_ref)，完成一致聚焦，θ_ref(f_r，f_a，R_ref)的表达式为：

其中，R_ref为参考斜距；

步骤23，Stolt插值，在距离频域用插值操作完成补余聚焦，设

将原来的距离频率f_r映射到新的距离频率f_r；

步骤24，通过二维逆傅里叶变换变回到时域，此时回波信号的表达式为

其中，Δf_r为传输信号带宽，Δf_a为多普勒带宽；

步骤25，是对贝塞尔函数项产生的信号辐射增益包络进行校正，通过如下方法实现：

s_rmc(τ，t，l)＝s_re(τ，t，l)/J_l ^*[k_casinθ(τ)] (13)

其中，k_c＝2πf_c/c，当k_casinθ(τ)＞＞1时，贝塞尔函数项做如下近似：

步骤26，轨道角动量相位项补偿，构造相位函数作为滤波器，相位函数表达式为：

s_rc(f_a，t，l)＝FFT_a{s_rmc(τ，t，l)}·H(f_a，t，l) (16)

其中，FFT_a(·)表示方位向快速傅里叶变换，

为方位角频域表达式；

步骤27，去耦合处理，步骤如下：

其中，IFFT_a(·)表示方位向逆快速傅里叶变换。

4.一种无源电磁涡旋SAR方位向超分辨率成像装置，其特征在于，包括：

涡旋回波信号方程获取模块，用于建立无源电磁涡旋几何模型，作为发射天线的单天线发射平面波进行目标探测，并由均匀圆阵天线作为接收天线接收并叠加涡旋回波，获得涡旋回波信号方程；

成像处理模块，用于基于所述涡旋回波信号方程进行成像处理。

5.根据权利要求4所述的超分辨率成像装置，其特征在于，所述涡旋回波信号方程获取模块中，所述涡旋回波信号方程通过如下方式获取：

建立平面直角坐标系O-xyz，xOy平面为所述发射天线和所述接收天线所在平面，所述发射天线位于所述均匀圆阵天线的中心，设坐标原点为雷达移动的轨迹中心，即发射天线的起始位置；雷达平台距地面高度为H，以速度v₀沿x轴正向匀速飞行，z轴垂直于xOy平面向下，表示高度方向；

发射天线发射的平面波线性调频信号(LFM)可以表示为

式中，rect(·)表示矩形信号；T_r为线性调频信号持续时间；K_r为调频率；f_c为天线中心频率；

假设存在理想散射点目标位于P(x，y，z)，第n个天线阵元接收到的平面波回波信号可表示为

式中，t为距离向时间变量，τ为方位向时间变量，c为光速；

t′(τ)＝r(τ)/c (3)

式中，a为UCA天线的半径；φ_n＝2πn/N，n＝1，2，…，N：r(τ)为雷达与目标的瞬时距离；θ(τ)为瞬时俯仰角；φ(τ)为瞬时方位角，根据平面直角坐标系与球坐标系的对应关系，点目标可以写为P(r(τ)，θ(τ)，φ(τ))，其中

式中，r₀为雷达与目标的最近距离；Y_c为天线波束中心到雷达在地面投影的垂直距离；将每个阵元接收到的平面波回波信号乘以相位项

中l为OAM的模式数，然后叠加，考虑到雷达远场条件下，假设N足够大，则合成的回波信号方程可以表示为：

其中，w_r(·)为距离向包络，w_a(·)为方位向包络，J_l(·)为第一类l阶贝塞尔函数；τ_c＝x/v_s；j^l＝e^ilπ/2；k(τ)为波数，并且，

k(τ)＝2π{K_r[t-r(τ)/c]+f_c}/c。

6.根据权利要求5所述的超分辨率成像装置，其特征在于，所述成像处理模块包括：

二维快速傅里叶变换单元，用于对所述回波信号方程进行二维傅里叶变换，变换到二维频域，应用驻定相位原理整理得到：

其中，f_r和f_a分别为距离向和方位向频率，f_ac为多普勒中心频率；

一致压缩单元，用于将式(9)乘以参考函数：θ_ref(f_r，f_a，R_ref)，完成一致聚焦，θ_ref(f_r，f_a，R_ref)的表达式为：

其中，R_ref为参考斜距；

插值单元，用于Stolt插值，在距离频域用插值操作完成补余聚焦，设

将原来的距离频率f_r映射到新的距离频率f_r；

二维快速傅里叶逆变换单元，用于通过二维逆傅里叶变换变回到时域，此时回波信号的表达式为

其中，Δf_r为传输信号带宽，Δf_a为多普勒带宽；

包络校正单元，用于对贝塞尔函数项产生的信号辐射增益包络进行校正，通过如下方法实现：

s_rmc(τ，t，l)＝s_re(τ，t，l)/J_l ^*[k_casinθ(τ)] (13)

其中，k_c＝2πf_c/c，当当k_casinθ(τ)＞＞1时，贝塞尔函数项做如下近似：

OAM相位项补偿单元，用于轨道角动量相位项补偿，构造相位函数作为滤波器，相位函数表达式为：

s_rc(f_a，t，l)＝FFT_a{s_rmc(τ，t，l)}·H(f_a，t，l) (16)

其中，FFT_a(·)表示方位向快速傅里叶变换，

为方位角频域表达式；

去耦合及方位向快速逆傅里叶变换单元，用于去耦合处理，步骤如下：

其中，IFFT_a(·)表示方位向逆快速傅里叶变换。

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